книги / Микропроцессорные средства автоматизации энергетических систем. Сети автоматизации

4.5. МОDBUS TCP И МОСТ MB-7188E1/E2

Традиционный вариант реализации протокола Modbus был рассмотрен выше. Вторая реализация – протокол Modbus TCP – кратко рассмотрен в гл. 2. Структура кадра ADU, смысл его полей «Код функции» и «Данные» для Modbus и Modbus TCP совершенно идентичны, поэтому для работы с Modbus TCP не требуется дополнительного обучения при знании Modbus RTU. Те же коды функций и данные, что и в Modbus RTU, передаются по очереди с прикладного (7-го) уровня модели OSI на транспортный уровень, который добавляет к блоку PDU кадра Modbus RTU заголовок MBAP с протоколом TCP. Далее новый полученный кадр передается на сетевой уровень, где в него добавляется заголовок IP, затем – на канальный уровень Ethernet и на физический. Дойдя до физического уровня, блок PDU оказывается обросшим заголовками протоколов всех уровней, через которые он прошел (рис. 4.5). Пройдя по линии связи, сообщение продвигается снизу вверх по стеку протоколов (уровням модели OSI) в устройстве получателя, где на каждом уровне из него удаляется соответствующий заголовок, а на прикладном уровне выделяется блок PDU (код функции и данные) кадра протокола Modbus RTU.

Рис. 4.5. Процесс передачи кадра Modbus RTU по уровням модели OSI через стек протоколов Ethernet TCP/IP в сетях с протоколом Modbus TCP

231

В сети c протоколом Modbus TCP устройства взаимодействуют по типу «клиент – сервер», где в качестве клиента выступает ведущее устройство, в качестве сервера – ведомое. Сервер не может инициировать связи в сети, но некоторые устройства в сети могут выполнять роль как клиента, так и сервера.

Modbus TCP не имеет широковещательного или многоабонентского режима. Он осуществляет соединение только между двумя устройствами.

Приведем краткое описание одного из устройств интеграции

Modbus RTU и сети Ethernet. Мост MB-7188E1/E2 предназначен для интеграции устройств Modbus RTU в сеть Ethernet или устройств

Modbus TCP в сеть RS-232 или RS-485 (рис. 4.6). Мост работает

врежиме сервера, позволяя персональному компьютеру с установленным программным обеспечением, совместимым со стандартом Modbus TCP 1.0, получать доступ к устройствам, работающим по протоколу Modbus RTU, или в режиме клиента, преобразовывая запросы, полученные по последовательному порту RS-232 или RS-485,

взапросы Modbus TCP.

Рис. 4.6. Внешний вид мостов MB-7188E1/E2

Мост MB-7188E полностью поддерживает стандарты Modbus RTU (Rev. J) и Modbus TCP (v. 1.0), а также является идеальным решением для интеграции уже существующих систем автоматиза-

232

ции в современные глобальные системы управления предприятием, используя в качестве физического канала связи сеть Ethernet.

Возможности мостов МВ-7188Е1/Е2:

•поддержка Modbus TCP (Ethernet 10BASE-T) и Modbus RTU;

•RS-232 или RS-485 (только для MB-7188E2);

•автоматическое переключение приема и передачи для RS-485 (только для MB-7188E2);

•легкая установка на DIN-рельсу или крепление под винт;

•работа в режиме Modbus TCP master или в режиме Modbus TCP slave.

Спецификации:

•протокол – TCP/IP v4;

•Modbus – Modbus RTU Rev. J, Modbus TCP v. 1.0;

•макс. количество подключенных клиентов в режиме сервера – 30;

•макс. количество серверов в таблице маршрутизации – 247;

•сетевой порт – version 2.0 / 10BASE-T IEEE 802.3, коннектор

RJ-45;

•RS-232/485 при скорости передачи – от 300 Бод до 115 кБод;

•контроль четности: чет, нечет, отсутствует;

•количество битов данных – 7, 8;

•светодиодный индикатор передачи данных;

•программное обеспечение: Win32-совместимое, настройка через последовательный порт;

•питание – 10–30 VDC Pпотр. max = 2,2 Вт;

•температура рабочая – от –20 до 75 °C, хранения – от –40

до 85 °C;

•влажность – 0–95 % (без конденсации при 20 °C). Стоимость мостов на 2014 год:

•MB-7188E1: Modbus Bridge Ethernet to RS-232 – 270 долл.;

•MB-7188E2: Modbus Bridge Ethernet to RS-232/485 – 295 долл.

233

ГЛАВА 5 СТАНДАРТ PROFIBUS

5.1. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СТАНДАРТА PROFIBUS

Сеть Profibus – открытый стандарт полевой шины для широкого ранга приложений в АСУТП. Слово Profibus образовано путем аббревиации– PROcess FIeld BUS, чтоприблизительнопереводитсякак«промышленная шина для технологических процессов». Стандарт Profibus был первоначально разработан совместно группой немецких компаний

Siemens, Bosch и Klockner-Moeller и принят вГермании в 1987 году.

В1996 годуонсталмеждународным(EN 50170 иEN 50254).

Вархитектуре протоколов Profibus реализованы уровни 1, 2 и 7

всоответствии с моделью OSI (табл. 5.1).

Таблица 5 . 1

Архитектура Profibus в соответствии с моделью OSI

С точки зрения пользователя Profibus подразделяется на три профиля протокола: DP, FMS и PA. Профили DP и PA используют в основном только первый и второй уровни модели OSI, как и многие другие CA.

234

Profibus FMS использует также уровень 7. В разд. 2.6 показано, что фирма Siemens в 2003 году перешла на соединение Profibus и Еthernet c протоколом ТСР/IP (технология Profinet). В этих условиях Profibus FMS потерял свое значение.

Profibus DP (Profibus for Decentralized Peripherals – Profibus

для децентрализованной периферии) использует уровни 1 и 2 модели OSI, а также пользовательский интерфейс, который в модель OSI не входит. Непосредственный доступ из пользовательского приложения к канальному уровню осуществляется с помощью DDLM (Direct Data Link Mapper – прямой преобразователь для канального уровня). Пользовательский интерфейс обеспечивает функции, необходимые для связи с устройствами ввода-вывода и контроллерами. Profibus DP, в отличие от FMS и PA, построен таким образом, чтобы обеспечить наиболее быстрый циклический обмен данными с устройствами, подключенными к сети с высокой стойкостью к воздействию внешних электромагнитных полей. Он оптимизирован для высокоскоростных и недорогих систем. Эта версия сети была спроектирована специально для связи между АСУ и распределенной периферией, может использоваться для замены параллельной передачи сигналов напряжением 24 В или 0–20 мА (рис. 5.1).

Есть задачи управления в реальном режиме времени, где на первое место входит такой параметр, как продолжительность цикла шины, а не программного цикла. В реализации протокола Profibus DP для передачи 512 бит данных, распределенных по 32 станциям, требуется всего 6 мс.

Profibus PA (Profibus for Process Automation – Profibus для ав-

томатизации технологических процессов) практически идентичен протоколу Profibus DP с диагностическими расширениями V1 за исключением более низких уровней напряжения и тока, соответствующих требованиям обеспечения внутренней безопасности (класс I, разд. II), принятых в обрабатывающей промышленности. Протокол Profibus PA поддерживается большинством плат главных устройств, однако использование данного протокола предполагает наличие развязывающих преобразователей (специальных повтори-

235

телей, см. рис. 5.1) между DP и PA (такие преобразователи поставляются целым рядом компаний). Питание PA-устройств от сети и технология передачи осуществляются с использованием напряжений и токов, гарантирующих внутреннюю безопасность.

Рис. 5.1. Области применения Profibus

Протокол Profibus PA является расширением DP-протокола в части технологии передачи, основанной не на RS-485, а на реализации стандарта IEC 1158-2 для организации технологии передачи в опасных средах. Он может использоваться в качестве замены технологии связи 4–20 мА. Протокол позволяет подключать датчики и исполнительные устройства на одну линейную шину, причем даже во взрывоопасных средах, допускает передачу данных и питания по одной шине. В основе протокола PA (Process Automation) лежит протокол ISP (Interoperable Systems Project).

Проект Profibus спонсируется главным образом немецкими фирмами (Siemens, Bosch, PEP, ABB, Moeller, Philips и др.). В раз-

ных странах мира (в том числе и России) созданы организации по

236

продвижению Profibus-технологий и различные отрасли производства. Организация тематических семинаров, выставок, стандартизации новых изделий, выработка новых спецификаций и многое другое составляют суть работы этих некоммерческих организаций. Известно свыше 500 Profibus-изделий (как аппаратных, так и программных). Число установочных узлов превышает 350 тысяч.

Контроль над технологией Profibus в настоящее время осуще-

ствляет европейская компания Profibus Nutzer Оrganisation (PNO) –

Организация пользователей Profibus. Сводный перечень доступной Profibus-продукции и сервиса можно найти в путеводителе по изде-

лиям Profibus (Profibus Product Guide), который ежегодно пересмат-

ривается и распространяется PNO.

5.2. ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ PROFIBUS

Область применения Fieldbus-системы сильно зависит от применяемой технологии передачи. В дополнение к общим требованиям (секретность передачи, скорость передачи и расстояние) простые и недорогие электротехнические факторы имеют особенную значимость. Для АСУТП требуется передавать и данные, и питающее напряжение. Однако невозможно удовлетворить все возникающие требования, используя только одну технологию. Profibus предоставляет четыре передающих технологии:

♦RS-485 – передача для DP/FMS (экранированная витая пара, волновое сопротивление – 150 Ом);

♦IEC передача для 1158-2 PA (искробезопасная экранированная витая пара);

♦оптоволоконная передача;

♦беспроводные сети (ИК-технология).

Различные коммуникационные сети могут использоваться независимоиливслучаенеобходимостимогутобъединятьсямежду собой.

Электрические каналы связи выполняются экранированной витой парой (подробнее см. гл. 1) по технологии быстрого соедине-

237

ния (Fast Connect). Сетевой кабель должен иметь волновое сопротивление от 135 до 165 Ом при погонной емкости не более 35 пФ/м, площадь поперечного сечения проводников – более 0,34 мм2, погонное сопротивление – не более 110 Ом/км. Кабель должен иметь одну или две витые пары с медным экраном в виде оплетки или фольги. С обеих сторон линии передачи подключаются согласующие резисторы, которые конструктивно установлены во все сетевые разъемы иподключаются с помощью микропереключателей. При скорости передачи более 1,5 Мбит/с для согласования линии дополнительно используютсяплоские(печатные) катушкииндуктивности.

Скорость передачи выбирается в диапазоне от 9,6 кбит/с до 12 Мбит/с. Размер сегментов сети – до 32 устройств. Количество устройств можно увеличить с помощью повторителей интерфейса. При этом для всех устройств на шине устанавливается одна скорость. Предпочтителендляприменения9-пиновыйD-sub коннектор.

Несмотря на то что сеть электрически близка к RS-485, сетевые карты используют двухпортовую рефлективную память, что позволяет устройствам обмениваться данными без загрузки процессора контроллера.

Оптическая передача данных в сетях Simatic Net Profibus реализуется с использованием встроенных оптических портов, оптических шинных терминалов (OBT) и модулей оптической связи (OLM). В качестве среды передачи используются двужильные во- локонно-оптические кабели, выполненные из стекла, волокон с полимерной оболочкой или пластиковых волокон, заключенных в общую оболочку. Дальность передачи – до 15 км.

Модули со встроенными оптическими портами и оптическими шинными терминалами (OBT) можно соединять между собой только для формирования оптических сетей, имеющих шинную топологию.

С помощью модулей OLM можно получать оптические сети, имеющие топологию «шина», «звезда» и «кольцо». При использовании кольцевой топологии достигается резервирование канала передачи сигнала, и она лежит в основе построения сетей с высокой степенью надежности.

238

Применение модуля ILM позволяет осуществлять передачу информации по инфракрасным каналам на расстояние до 15 м.

Для передачи данных в Profibus DP используется потенциальное NRZ-кодирование, которое также называется кодированием без возвращения к нулю (рис. 5.2). При передаче нуля он передает потенциал, который был установлен на предыдущем такте (т.е. не меняет его), а при передаче единицы потенциал инвертируется на противоположный.

Рис. 5.2. Потенциальный код NRZ

Одиннадцатибитный формат посылки идентичен стартстопному формату передачи информации, включающему стартовый бит (0), 8 бит данных младшими разрядами вперед, бит паритета (четный) и стоп-бит (1). Бит паритета равен нулю, если количество битов в слове четное, и равен единице в противном случае. Такой формат используется для всех без исключения байтов, включая заголовки сообщений. При передаче слов длиннее 8 бит старший байт отправляется первым, за ним – остальные в порядке старшинства.

Profibus PA использует физический уровень на основе стандарта IEC 1158-2, который обеспечивает питание сетевых устройств через шину и не совместим с RS-485. Особенностью Profibus PA является возможность работыво взрывоопасной зоне(cм. гл. 1.7.5). Физический уровень (уровень 1 OSI-модели) реализует двухжильную технологию по стандарту IEC 61158-2 (с внутренней защитой данных). Уровень 2 – этофункциональноеподмножествостандартаDIN 19245.

Данные передаются с помощью уровней тока +9 и –9 мА (токовая петля). Используется манчестерский код (логический ноль соответствует смене отрицательного тока на положительный, а ло-

239

гическая единица – положительного на отрицательный). Скорость передачи составляет 31,25 кбит/с, в качестве линии передачи используется витая пара в экране или без него. Один сегмент сети может содержать до 32 устройств. Максимальная длина кабеля достигает 1,9 км. В каждом сегменте с обеих сторон кабеля подключены RC-цепочки, состоящие из последовательно соединенных конденсатора емкостью 1 мкФ и резистора сопротивлением 100 Ом. Благодаря низкой энергии передаваемого сигнала Profibus PA является искробезопасной электрической цепью и может быть использован во взрывоопасных зонах (при наличии разрешения Ростехнадзора на конкретное оборудование).

5.3. ПРОТОКОЛ ДОСТУПА К ШИНЕ

Коммуникационная сеть полевого уровня и уровня отдельных производственных участков, базирующаяся на стандарте EN 50170-1-2 и использующая гибридный метод доступа к шине (маркерное кольцо между активными узлами и «ведущий – ведомый» между активными и пассивными узлами).

В сетях Profibus используются методы доступа, описываемые стандартом EN 50170 (Т. 2), а именно Token Bus (сеть с передачей маркера или маркерное кольцо) для активных станций и master – slave – для пассивных.

Все версии Profibus (DP, FMS и PA) используют унифицированный протокол доступа к шине. Данный протокол реализован на уровне 2 OSI-модели. Он также включает вопросы безопасности и обработку протокола передачи и телеграмм. В Profibus уровень 2 называется каналом полевых данных – Fieldbus Data Link (FDL). Функция «Управление доступом к передающей среде» (Medium Access Control, MAC) определяет процедуры, когда станции разрешается предавать данные. MAC должен быть уверен, что в настоящий момент только одна станция передает данные. Протокол доступа к шине Profibus разработан с учетом двух основных требований к MAC:

240