книги / Микропроцессорные средства автоматизации энергетических систем. Сети автоматизации

шруту, а группируются по частям (например, по северной и южной сторонам здания). На следующем этапе стали резервировать сетевые коммутаторы и конечные терминальные узлы. Однако наиболее эффективным является метод резервирования отдельных каналов в кольцевых структурах промышленных сетей. Управляемые промышленные коммутаторы обеспечивают время переключения на резервные каналы порядка десятка-сотен миллисекунд. На данный момент наиболее отказоустойчивой является кольцевая топология HIPER-Ring, разработанная компанией Hirschmann как решение по созданию резервированной сетевой инфраструктуры без дублирования линий связи. Например, это коммутаторы для гигабитных СА, модульные управляемые коммутаторы серий MICE и Power MICE, защищенный управляемый коммутатор MACH1000 ком-

пании Hirschmann.

Это решение предполагает построение не полностью замкнутых кольцевых связей в сети Ethernet и обеспечивает обнаружение сбоя в канале с восстановлением без потерь в течение 200–300 мс за счет создания обходных путей связи. Сейчас стремятся снизить время восстановления сети до 50 мс. Такая топология сети из 1000 узлов была применена при автоматизации аэропорта в г. Дрездене. Пять зданий были связаны гигабитной сетью Ethernet. Вместо связующего дерева здесь применили HIPER-Ring с двойным резервированием в кольце, что обеспечило среднее время восстановления 0,5 с. В этом проекте было также выполнено дублирование блоков питания.

Среди примеров резервирования в структурах СА на основе Ethernet известны и другие решения, например: избыточные кольцевые сети Turbo Ring, двойные дублирующие сети.

Огромный рынок продуктов и компонентов, поддерживающих Ethernet, гарантирует достаточно низкую их стоимость. Так, адаптеры Ethernet для ПК можно приобрести приблизительно за 30 долл.,

вто время как цена их аналогов для современных СА колеблется

впределах от 500 до 1500 долл.

Ряд производителей освоили массовое производство встраиваемых микросхем Ethernet TCP/IP, открывающее возможность использо-

151

вания этих технологий на инструментальном уровне. Последнему применению способствует также разработка стандарта IEEE 802.3af, определяющего способ подачи напряжения питания для IP-телефонов по кабельной проводке 5-й категории. Это соответствует методам, традиционно используемым в полевых шинах в целях снижения стоимости кабельных систем, а также требованиям специальных производственныхусловий.

Таким образом, налицо предпосылки создания на базе Ethernet стандартной сетевой инфраструктуры, отвечающей потребностям передачи данных не только между промышленными контроллерами и SCADA-системами, но и на уровне датчиков и исполнительных устройств.

Стандарт IEEE 802.3 определяет протоколы и параметры только физического и канального уровней модели взаимодействия открытых систем ISO. К транспортному и сетевому уровням относятся протоколы TCP и IP, которые не вникают в содержимое передаваемых пакетов. Они обычно работают в совокупности с такими прикладными протоколами, как FTP, SMTP и SNMP. Некоторые производители систем АСУТП поддерживают протоколы прикладного уровня, в частности SNMP, в своем оборудовании, но большая часть таких протоколов не предназначена для АСУТП, поэтому появляются реализации с протоколами традиционных СА поверх TCP/IP. Так, компания Schneider Automation предложила для этой цели прикладной протокол MBAP (Modbus Application Protocol),

представив спецификацию Open Modbus TCP Specification. Еще один пример – применение протокола прикладного уровня CIP-сетей ControlNet и DeviceNet.

Данный список можно продолжить. Это вновь ставит вопрос о стандартизации. Еще в марте 1999 г. по инициативе шести компаний

(Synergetic MicroSystems, Grayhill, HMS Fieldbus Systems, Hilscher, Contemporary Controls и Richard Hirschmann) была образована ассо-

циация Industrial Ethernet Association (EIA), в которую сегодня входит больше десятка организаций. Ассоциация направляет свои усилия на то, чтобы прийти к единому для всех пониманию понятия

152

Industrial Ethernet и разработать спецификации стандартов, обеспечивающие совместимость продуктов различных производителей.

Обозначены три проблемы, требующие первоочередного решения: определение стандартного протокола верхнего уровня; разработка спецификаций на аппаратуру Ethernet в промышленном исполнении и выбор более надежного коннектора, чем пластиковый RJ-45; создание архитектурных правил построения сетей Ethernet, отвечающих требованиям промышленной автоматизации. В табл. 2.2 представлены некоторые фирмы-разработчики, принявшие активное участие в разработке Industrial Ethernet. Большинство продуктов этих фирм далее будут кратко описаны.

153

Окончание табл. 2 . 2

К сожалению, ведущие фирмы на рынке промышленных сетевых технологий постарались продвинуть свои традиционные полевые шины уже на основе Fast Ethernet. Общих решений мало. Будем надеяться, что рынок все расставит на свои места.

На рис. 2.8 дан прогноз развития рынка Industrial Ethernet, сделанный в 2009 году. В последующих главах рассмотрим традиционные промышленные сетевые технологии, которые продолжают развиваться совместно с Industrial Ethernet.

Рис. 2.8. Прогноз развития рынка Industrial Ethernet

154

Перечислим отличия Industrial Ethernet от обычного Ethernet:

–стандарты на кабели и разъемы, удовлетворяющие специфическим требованиям промышленности: усиленное экранирование, стойкость к агрессивным средам и т.п.; в промышленном применении вместо RJ-45 рекомендуется использовать разъемы M12 на 4 или 8 контактов или разъемы D-sub;

–специальные стандарты и устройства для связи с подвижными объектами: гибкие кабели, устройства беспроводной связи;

–дополнение стека протоколов TCP/IP протоколом RFC 1006 обеспечивает регулярную и частую передачу по сети небольших объемов информации, что характерно для обмена данными между промышленными контроллерами;

–c помощью специальных коммутаторов можно организовать кольцевую топологию, которая при обрыве восстанавливает связь, т.е. находит новый путь для передачи данных значительно быстрее, чем применяемый в обычных сетях алгоритм избыточного дерева;

–частое использование, наряду со стеком протоколов TCP/IP, специфического стека протоколов ISO Transport Protocol.

Технология Industrial Ethernet похожа на обычную Ethernet,

отличаясь от последней ориентацией на применение в производственных условиях и в реальном времени.

Итак, повторим главное. В Ethernet, согласно стандарту

IEEE 802.1-3, реализованы первый и второй уровни модели OSI. Первый уровень (физический) описывает метод последовательной (бит за битом) передачи данных через физическую среду. Применительно к стандарту IEEE 802.3 стандартный фрейм Ethernet был представлен на рис. 2.1.

Второй уровень (канальный) повышает надежность передачи данных через физический уровень, упаковывая данные в стандартные фреймы с добавлением адресной информации и контрольной суммы (обнаружение ошибок). Доступ к физической среде передачи, согласно IEEE 802.3, осуществляется через механизм CSMA/CD, что приводит к неизбежным коллизиям при одновременном начале передачи несколькими устройствами.

155

Канальный уровень позволяет частично решить эту проблему, обеспечивая распределение прав доступа сетеобразующих устройств. Это реализовано в Ethernet-коммутаторах (Switched Ethernet Technology), в которых на основании данных канального уровня все входящие данные автоматически проверяются на целостность и соответствие контрольной сумме (CRC) и при положительном результате перенаправляются только на тот порт, к которому подключен приемник данных.

Поддержку третьего – сетевого – уровня обеспечивает накла-

дываемый на Ethernet протокол IP (Internet Protocol). Данные, полу-

чаемые с транспортного уровня, инкапсулируются во фрейм сетевого уровня с заголовками IP и передаются на канальный уровень для сегментации и дальнейшей передачи. В действующей в настоящее время версии 4 протокола IP (IPv4) используется диапазон адресов до 32 бит, а версия IPv6 расширяет адресное пространство до 128 бит.

Четвертый уровень (транспортный) обеспечивает передачу данных с заданным уровнем надежности. Его поддержка реализова-

на в протоколах TCP и UDP. TCP (Transmission Control Protocol –

протокол управления передачей) представляет собой развитый протокол со средствами установки, подтверждения и завершения соединения, обнаружения и коррекции ошибок. Высокая надежность передачи данных достигается ценой дополнительных временных задержек и увеличения объема передаваемой информации. UDP (User Datagram Protocol – пользовательский дейтаграммный протокол) создан в противовес TCP и используется в случаях, когда первоочередным фактором становится скорость, а не надежность передачи данных.

Пятый – седьмой уровни реализованы в прикладных протоколах FTP, Telnet, SMTP, SNMP и в рассматриваемых далее специфических протоколах для АСУТП (Industrial Ethernet). Надо отметить, что протоколы Industrial Ethernet в некоторых приложениях могут замещать илидополнятьсобойтретийичетвертыйуровни (IP иTCP/UDP).

Пятый – седьмой уровни отвечают за конечную интерпретацию передаваемых пользовательских данных. В качестве примера из

156

мира офисной автоматизации можно привести протоколы FTP и HTTP. Протоколы, относящиеся к категории Industrial Ethernet, также используют эти уровни, но различными способами, что делает их несо-

вместимыми. Так, протоколы Modbus TCP, Ethernet/IP, CIPsync, JetSync располагаются строго над четвертым уровнем модели OSI,

а протоколы Ethernet Powerlink, Profinet, SERCOS расширяют и час-

тично замещают еще третий и четвертый уровни.

В отличие от Ethernet для офисных приложений, в Industrial Ethernet имеются встроенные средства резервирования и поддержания отказоустойчивости, гарантирующие сохранение подключенности устройств, несмотря на неблагоприятные условия эксплуатации, часто свойственные производственному окружению.

Широкая доступность высокопроизводительных сетевых компонентов в сочетании с тенденцией объединения АСУТП и систем ЕRP, MES, MRP и MIS открывает перед Industrial Ethernet широкие возможности применения на производственных предприятиях.

Эффективность работы промышленных предприятий сегодня напрямую зависит от гибкости применяемых АСУ.

Крупные производственные установки требуют использования нескольких децентрализованных систем управления, связанных друг с другом мощной информационной сетью, способной работать в сложных промышленных условиях.

Каковы предпосылки создания на базе Ethernet стандартной сетевой инфраструктуры на полевом уровне, отвечающей потребностям передачи данных не только между промышленными контроллерами и SCADA-системами, но и на уровне датчиков и исполнительных устройств? Чтобы получить ответ на этот вопрос, нужно ответить на ряд следующих:

♦как реализовать поддержку Ethernet и TCP/IP во встроенном устройстве? (на сегодняшний день объединение в сеть встроенных устройств может обойтись гораздо дороже, чем объединение

всеть персональных компьютеров);

♦какие стандарты могут быть созданы для определения обмена данными между встроенными Ethernet-устройствами?

157

♦ как сеть Ethernet соотносится с другими встраиваемыми сетя-

ми типа CAN, Lonworks, Profibus, Modbus, Foundation Fieldbus и т.д. и

вкакойстепенионаприменимав аналогичныхприкладныхсистемах?

Впоследние годы производители модемов и другой аппаратуры постепенно отказываются от использования в своих устройствах микросхем цифровой обработки сигналов и всю DSP-обработку пытаются реализовывать в виде программ стандартных микропроцессоров. Это позволяет сэкономить до нескольких долларов на аппаратных средствах, так как Windows-программы пишутся всего

один раз. Учитывая постоянный рост производительности микропроцессоров, проблем с несколькими дополнительными MIPS нет.

Для потребителя это означает, что вместо 50–100 долл. на приобретение модема он тратит лишь 20–40 на WinModem, что составляет стоимость подключения персонального компьютера к сети. Столько же стоит и сетевой Ethernet-адаптер: стоимость платы – 20–40 долл., микропроцессоров на ней нет, а протоколы TCP/IP исполняются в хост-системе.

В случае устройства автоматики или технологического прибора ситуация совершенно иная. В подобных устройствах, как правило, установлен какой-либо несложный процессор (серии 8051, 80188 и т.д.) и есть минимально требуемый объем памяти. Включение поддержки протоколов TCP/IP может потребовать полного перепроектирования устройства. Поскольку многие из них выпускаются в небольшом количестве, то расширение их возможностей запросто может увеличить их розничную стоимость на 200 и более долларов. Именно по этой причине в таких приложениях используются обычно CAN и аналогичные низкоуровневые сети, требующие значительно меньших, чем Ethernet, вычислительных мощностей.

Однако в наше время широкое распространение приобретает концепция систем на кристалле, в соответствии с которой многие функциональные механизмы объединяются с более мощными процессорами и реализуются в рамках одного полупроводникового устройства. Это позволяет сократить число используемых в системе компонентов и расходы на материалы. С течением времени стои-

158

мость встроенной Ethernet благодаря этой концепции значительно снизится.

Протоколы TCP/IP сети Ethernet характеризуются значительным уровнем накладных расходов и рассчитаны на пересылку данных больших объемов. Если устройство пересылает всего 8 байт данных, то КПД протокола составляет всего 11 %, так как в каждом TCP/IP-пакете содержатся 68 байт служебной информации. В общем это не проблема, однако, если к сети Ethernet подключено много устройств, обменивающихся небольшими объемами данных, эта сеть будет работать медленнее, чем DeviceNet или Profibus, несмотря на то что скорость передачи будет выше.

Протокол TCP/IP базируется на конфликтах передачи. Самый простой способ решения этой проблемы – применение Ethernetкоммутаторов, которые обеспечивают бесконфликтное выделение части полосы пропускания каждому устройству. Уже сейчас концентраторы (хабы) выходят из употребления.

Рассмотрим протоколы прикладного уровня. Например, файл в формате Adobe Acrobat PDF прочитать без программы Acrobat Reader невозможно. То же можно сказать и о ZIP-файле: открыть его без соответствующей программы-упаковщика вряд ли удастся. Иными словами, формат файла – это и есть протокол работы с ним.

Технология Ethernet – это не протокол. Протокол TCP/IP – это транспортный механизм, а не прикладной уровень, поэтому при отсутствии согласованного формата данных технологические и встраиваемые устройства автоматики на базе Ethernet создадут хаос.

Данная проблема решается путем переноса существующих прикладных протоколов автоматизации в среду Ethernet. Существуют четыре основные технологии, для которых работа по переносу в среду Ethernet TCP/IP соответствующих профилей устройств практически закончена:

♦ Modbus TCP: Modbus – наиболее распространенный последовательный протокол, применяемый в системах автоматизации, его пакеты без особого труда встраиваются в пакеты TCP/IP;

159

♦Ethernet/IP: это объект DeviceNet/ControlNet в среде Ethernet;

♦ProfiNet: протоколы на основе Fast Ethernet и TCP/IP для работы в промышленных системах автоматизации;

♦Foundation Fieldbus High Speed Ethernet: в этом профиле ис-

пользуется протокол управления процессами Н1 Foundation Fieldbus

на базе TCP/IP.

За исключением профиля Modbus TCP, остальные три протокола имеют средства реализации дополнительного сервиса, ориентированного на Web, которые позволяют интегрировать устройства при помощи корпоративных сетей и Internet.

На полевом уровне для обеспечения гарантированного времени реакции используют протоколы реального времени, которые да-

лее будут кратко описаны: Profinet, Ethernet/IP, EtherCAT, Ethernet Powerlink, SERCOS III, LAN eXtensions for Instrumentation и др. (табл. 2.3).

160