книги / Микропроцессорные средства автоматизации энергетических систем. Сети автоматизации

или ПЛК, а в качестве серверов– стойки сетевого оборудования. Аналогично ведущему устройству клиенты выдают команды серверу. Аналогично ведомому устройству серверы отвечают на команды клиента. Однако в точной терминологии взаимодействия между клиентом и сервером подразумевается, что клиенты выдают запросы, а серверы отвечаютнаних. Вдействительностипроцесснесколькосложнее:

–клиент с целью инициировать транзакцию посылает за-

прос (request);

–сервер посылает уведомление (indication), чтобы подтвердить, что запрос получен;

–сервер посылает ответ (response) во исполнение запроса

клиента;

– клиент посылает подтверждение (confirmation) о получении ответа.

Важно подчеркнуть, что согласно этой модели в IP-сети может быть несколько клиентов, которые имеют доступ к общей группе серверов. В этом заключается фундаментальное отличие в работе данного варианта протокола Modbus. Здесь нет одного ведущего устройства, управляющего определенным набором ведомых устройств. Любое число клиентов может обращаться к любому числу серверов. Возможны ли конфликты, когда клиенты посылают несовместимые запросы к одному и тому же серверу? Да, возможны, но риск – это та цена, которую приходится платить за гибкость, предлагаемую данной моделью.

На рис. 2.14 показано, как формируется ADU (Application Data Unit) – прикладной пакет протокола Modbus TCP/IP.

Рис. 2.14. Структура прикладного пакета Modbus TCP

181

Традиционный Modbus PDU в приложении к последовательной линии передачи данных сохраняется (поля кода функции и данных присутствуют). В дополнение к PDU появляется заголовок МВАР, структура которого показана ниже.

Идентификатор транзакции поступает от клиента и используется для отслеживания индивидуальных запросов. Сервер при ответе должен возвратить клиенту тот же самый идентификатор. Это позволяет клиенту посылать серверу множество запросов и не дожидаться получения ответа на каждый из них. Наличие идентификатора протокола позволяет системе поддерживать несколько протоколов. Для Modbus этот идентификатор имеет значение 0. Поле длины содержит значение, равное длине всех остальных полей, включая поля PDU. Поле идентификатора устройства содержит адрес ведомого устройства Modbus, доступ к которому должен осуществляться через шлюз.

При взаимодействии клиентов и серверов Modbus TCP адресация станций реализуется с применением IP-адресов. Однако если ведомое устройство Modbus подключено к последовательной линии передачи данных, то необходимо указать его фактический адрес. В этом случае в качестве IP-адреса будет выступать адрес шлюза. Для того чтобы переслать ADU по протоколу TCP, необходимо пользоваться зарегистрированным номером порта TCP. На сайте modbus.org для этой цели зарегистрирован порт 502.

182

ГЛАВА 3 ШИНЫ НИЗОВОЙ АВТОМАТИКИ ТИПА

MASTER – SLAVE

На полевом уровне нашли применение простейшие шины автоматизации, обычно созданные по технологии master – slave. Здесь нет высоких требований к скорости передачи.

Применение шин низовой автоматики имеет следующие преимущества по сравнению с обменом информации через модули удаленного ввода-вывода:

♦используется двухпроводной кабель для разводки питания

идля коммуникаций, что сокращает число точек соединения;

♦подключение с прокалыванием плоского кабеля исключает использование кабельных соединителей (AS-интерфейс), высокий уровень электрической прочности изоляции кабеля исключает необходимость в дополнительной защите и уменьшает время монтажа;

♦устранение модулей ввода-вывода для монтажа в каркасы: устройство управления передачей данных по шине заменяет эти модули и обеспечивает доступность данных с шины для программируемого логического устройства управления (ПЛК, ПК); в небольших системах даже ПЛК может быть исключен, так как, например, ведущее устройство AS-интерфейса функционально заменяет ПЛК; возможностей этих миниПЛК по обработке данных достаточнo для всех данных, которыерегистрируетведущееустройствоAS-интерфейса;

♦подключение ограниченного числа модулей ввода-вывода сокращает протяженность кабельных каналов и размеры корпусов.

3.1. HART-ПРОТОКОЛ

Стандарт для передачи аналоговых сигналов со значениями тока в диапазоне 4–20 мА известен уже несколько десятков лет

183

и широко используется при создании систем АСУТП. Традиционно для измерения различных физических величин (давления, объема, температуры и т.д.) предлагается множество приборов с токовым выходом 4–20 мА. Достоинством данного стандарта является простота его реализации, массовое использование в приборах и возможность помехоустойчивой передачи аналогового сигнала на относительно большие расстояния. Однако при создании нового поколения интеллектуальных приборов и датчиков потребовалось, наряду с передачей аналоговой информации, передавать и цифровые данные, соответствующие их новым расширенным функциональным возможностям. В середине 1980-х годов американская компания Rosemount разработала протокол Highway Addressable Remote Transducer (HART). В начале 1990-х годов протокол был дополнен и стал открытым коммуникационным стандартом. Вначале он был нормирован только для применения в режиме соединения «точка-точка», затем появилась возможность применять его в режиме многоточечного соединения (multidrop).

HART-протокол основан на методе передачи данных с по-

мощью частотной модуляции (Frequency Shift Keying, FSK) в со-

ответствии с широко распространенным коммуникационным стандартом Bell 202. Цифровая информация передается частотами 1200 Гц (логическая 1) и 2200 Гц (логический 0), которые накладываются на аналоговый токовый сигнал (рис. 3.1). Частотно модулированный сигнал является двухполярным и при применении соответствующей фильтрации не влияет на основной аналоговый сигнал 4–20мА. Скорость передачи данных для HART-протокола составляет 1,2 кбит/с. Каждый HART-компонент требует для цифровой передачи соответствующего модема. Физический канал – экранированная витая пара.

НART-протокол используется в двух режимах подключения. В большинстве случаев применяется соединение «точка-точка», т.е. непосредственное соединение прибора низовой автоматики (преобразователя информации, датчика, исполнительного устройства и т.п.).

184

♦8 бит данных;

♦бит контроля по нечетности;

♦стоп-бит.

Рис. 3.3. Формат HARTсообщений

Преамбула состоит из 5–20 байт FF (все единицы). Это позволяет приемнику синхронизировать частоту сигнала и входящий поток байтов.

Стартовый байт в HART-сообщениях может принимать несколько возможных значений, определяющих формат используемого фрейма, источник сообщения и режим передачи (нормальный или монопольный).

Поле адреса включает оба адреса master- и slave-устройств. Они могут состоять из 1 (короткий фрейм– short frame format) или 5 байт (длинный фрейм– long frame format). В обоих фреймах адрес masterустройства занимает 1 первый бит (primary – 1′, secondary – 0). Адрес slave-устройства занимает остальные биты. В коротком фрейме адрес slave-устройства – от 0 до 15 – так называемый polling address. Вдлинном фрейме polling address не используется, вместо него оставшиеся биты заполняет уникальный идентификатор slave-устройства, используемый как адрес. Если эти биты заполнить нулями, получится широковещательный адрес. Такое сообщение получат все устройства. Это возможно только в том случае, если данные в сообщении однозначноопределяют, какоеустройстводолжноответить.

Командный байт– целое число в диапазоне от 0 до 253 (0×FD), представляет собой одну из HART-команд. Полученный командный кодпередаетсяиобратноприответеslave-устройства.

Счетчик байтов – количество байтов в данном сообщении (статус и данные, контрольная сумма не включается). Приемник использует его для идентификации байта контрольной суммы и того, что все сообщение получено. Контрольная сумма рассчитывается как сумма количества байтов полей статуса и данных. Из-за ог-

187

раничения поля данных 25 байтами счетчик байтов может принимать значения от 0 до 27.

Поле статуса включается только в сообщения ответы от slaveустройства. Оно состоит из 2 байт, сообщающих об ошибках коммуникации, статусе полученного сообщения (например, устройство занято или не распознало команду) и оперативном состоянии slaveустройства.

Поле данных. Не все команды и ответы содержат поле данных. Максимальная длина поля – 25 байт (хотя это жестко не фиксируется в спецификации HART). Данные могут быть в форме целых чисел без знака, чисел с плавающей точкой (IEEE 754) или строк символов ASCII. Число байтов и формата данных, используемых для каждого элемента, указываются для каждой команды.

Байт контрольной суммы рассчитывается как продольная четность байтов (longitudinal parity), предшествующих ему, начиная со стартового байта включительно. Используется для проверки целостности передачи.

Весь набор команд, реализованных в HART-протоколе, условно можно разделить на три группы:

♦универсальные команды: это команды общего назначения, они используются на уровне операторских станций (код производителя устройства в сети, модель, серийный номер, краткое описание устройства, диапазоны ограничений, набор рабочих переменных);

♦команды для групп устройств: фиксация значения тока на выходном канале, сброс и т.д.;

♦команды, зависящие от устройства: старт/стоп, специаль-

ные функции калибровки и т.д.; за одну посылку один узел другому может передать до четырех технологических переменных, а каждое HART-устройство может иметь до 256 переменных, описывающих его состояние.

Первая группа – универсальные команды – содержит функции, которые выполняются во всех первичных приборах:

– считать название изготовителя и тип устройства;

– считать первичный параметр (PV) единицы измерения;

188

–считать токовый выход и процент диапазона;

–считать до четырех предопределенных динамических переменных;

–считать или записать 8-символьный тэг, 16-символьный описатель, дату;

–считать или записать 32-символьное сообщение;

–считать диапазон датчика, единицы измерения и константу времени демпфирования;

–считать серийный номер чувствительного элемента и ограничения;

–считать или записать номер последней сборки;

–записать адрес в моноканале.

Вторая группа – распространенные команды – содержит функции, которые выполняются во многих первичных приборах, но не во всех, а именно:

–считать выбор до четырех динамических переменных;

–записать константу времени демпфирования;

–записать диапазон датчика;

–калибровать (установить ноль, задать шкалу);

–задать фиксированное значение выходного тока;

–выполнить самодиагностику;

–выполнить сброс;

–настроить ноль первичной переменной (PV);

–записать единицы измерения первичной переменной (PV);

–настроить ноль и коэффициент усиления ЦАП;

–записать функцию преобразования (квадратичная/линейная);

–записать серийный номер чувствительного элемента;

–считать или записать назначения динамической переменной. Третья группа – специфические команды прибора – содержит

функции, уникальные для конкретного первичного прибора:

–считать или записать значение, отсекающее низкий расход;

–старт, стоп или очистка сумматора;

–считать или записать фактор плотности для калибровки;

–выбрать первичную переменную (весовой расход или плотность);

189

–считать или записать информацию о материалах прибора;

–настроить калибровку чувствительного элемента.

В США HART-сообщения можно свободно передавать по телефонным линиям. В Европе это не разрешено, для этих целей необходимо иметь выделенный телефонный канал. На сегодняшний день установлено около 600 тысяч HART-узлов. Наличие международной организации HART Communication Foundation способствует распространению этой промышленной сети среди пользователей.

3.2. AS-ИНТЕРФЕЙС

AS-интерфейс – промышленная сеть, предназначенная для передачи преимущественно дискретных сигналов. Название описываемой сети на английском языке раскрывает ее предназначение

(Actuators Sensors Interface, ASI) – интерфейс исполнительных уст-

ройств и датчиков.

Первоначально AS-интерфейс был ориентирован на работу исключительно с бинарными данными, поэтому длина информационной посылки рекордно малая – всего 4 бита. Тем не менее новая редакция спецификации AS-интерфейса позволяет подключать к сети аналоговые датчики и поворотные шифраторы.

AS-интерфейс позволяет через свои коммуникационные линии передавать не только данные, но и запитывать датчики. Информационный сигнал накладывается на питающее напряжение.

Первые продукты, работающие по технологии ASI, вышли на рынок в 1993 году. Сегодня эта технология поддерживается рядом известных фирм: IFM, Limberg, Siemens, Pepperl + Fuchs, AllenBradley и др.

В качестве среды передачи может использоваться пара обычных проводников. AS-интерфейс позволяет передавать как данные, так питающую нагрузку к узлам сети, поскольку существует большое число фотоэлектрических, индуктивных и других датчиков. Для питания этих слаботочных устройств ввода в сигнальном кабеле имеется постоянное напряжение 24 В (до 2 А).

190