Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Тема 5.1. Структура многоуровневого ПТК





В течение многих лет системы обмена данными строились по тра­диционной централизованной схеме, в которой имелось одно мощное вычислительное устройство и огромное количество кабелей, посредст­вом которых осуществлялось подключение датчиков и исполнительных механизмов. Такая структура диктовалась высокой ценой ЭВМ и относительно низким уровнем автомати­зации производства. На сегодняшний день у этого подхода практически не осталось приверженцев. Такие недостатки централизованных АСУ ТП, как большие затраты на кабельную сеть и вспомогательное обору­дование, сложный монтаж, низкая надежность и сложная реконфигура­ция, сделали их во многих случаях абсолютно неприемлемыми как эко­номически, так и технологически.

В условиях бурно растущего производства микропроцессорных устройств альтернативным решением стали цифровые промышленные сети (Fieldbus), состоящие из многих узлов, обмен между которыми производится цифровым способом. На сегодняшний день на рынке представлено около сотни различных типов промышленных сетей, про­токолов и интерфейсов, применяемых в системах автоматизации среди которыхModbus,PROFIBUS,Interbus,Bitbus,CAN,LON,FoundationFieldbus,DH+,ControlNet,DeviceNet,Ethernetи др.

Использование промышленной сети позволяет расположить узлы, в качестве которых выступают контроллеры и интеллектуальные уст­ройства ввода-вывода, максимально приближенно к оконечным уст­ройствам (датчикам и исполнительным механизмам), благодаря чему длина аналоговых линий сокращается до минимума. Каждый узел про­мышленной сети выполняет несколько функций:

– прием команд и данных от других узлов промышленной сети;

– считывание данных с подключенных датчиков;

– преобразование полученных данных в цифровую форму;

– отработка запрограммированного технологического алгоритма;

– выдача управляющих воздействий на подключенные исполни­тельные механизмы по команде другого узла или согласно технологи­ческому алгоритму;

– передача накопленной информации на другие узлы сети.

АСУ ТП на базе промышленных сетей по сравнению с традицион­ными централизованными системами имеют несколько особенностей:

1. Существенная экономия кабельной продукции. Вместо километров дорогих кабелей требуется несколько сот метров дешевой витой пары. Также сокращаются расходы на вспомогательное оборудование (кабельные каналы, клеммы, шкафы).

2. Повышение надежности системы управления. По надежности
цифровой метод передачи данных намного превосходит аналоговый.
Передача в цифровом виде малочувствительна к помехам и гарантиру­ет доставку информации благодаря специальным механизмам, встроен­ным в протоколы промышленных сетей (контрольные суммы, повтор передачи искаженных пакетов данных). Повышение надежности функ­ционирования и живучести АСУ ТП на базе промышленных сетей так­же связано с распределением функций контроля и управления по раз­личным узлам сети. Выход из строя одного узла не влияет либо влияет незначительно на отработку технологических алгоритмов в остальных узлах. Для критически важных технологических участков, возможно дублирование линий связи или наличие альтернативных путей переда­чи информации. Это позволяет сохранить работоспособность системы в случае повреждения кабельной сети.

3. Гибкость и модифицируемость. Добавление или удаление отдель­ных точек ввода-вывода и даже целых узлов требует минимального количества монтажных работ и может производиться без остановки системы автоматизации. Переконфигурация системы осуществляется на уровне программного обеспечения и также занимает минимальное время.

4. Использование принципов открытых систем, открытых технологий, что позволяет успешно интегрировать в единую систему изде­лия от различных производителей.

В 1978 году Международной организацией по стандартизации (ISO) в противовес закрытым сетевым системам и с целью разрешения проблемы взаимодействия открытых систем с различными видами вы­числительного оборудования и разными стандартами протоко­лов была предложена «Описательная модель взаимосвязи открытых систем» (модельISO/OSI), которая распреде­ляет сетевые функции по семи уровням (физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, представления, прикладной).

Иерархия АСУ промышленным предприятием обычно представ­ляется в виде многоэтажной пирамиды (рис. 4), определяющей разные уровни управления:

– Уровень управления и планирования предприятием (ERP/MES);

– Уровень управления технологическими процессами (SCADA/HMI);

– Уровень управления устройствами объекта автоматизации (Control I/O).

В последнее время рассмотренная структура систем управления существенно усложняется, при этом стираются четкие грани между различными уровнями. Это связано с проникновением Internet-технологий в промышленную сферу, значительными успехами про­мышленногоEthernet, использованием некоторых промышленных се­тейFieldbusво взрывоопасных зонах на предприятиях химической, нефтегазовой и других отраслей промышленности с опасными усло­виями производства. Кроме того, появление интеллектуальных датчи­ков и исполнительных механизмов и интерфейсов для связи с ними фактически означает появление самого нижнего уровня АСУ ТП - уровня сети оконечных устройств (рис. 42).

Рис. 42. Структура многоуровневого ПТК

Большое разнообразие открытых промышленных сетей, интерфей­сов и протоколов связано с многообразием требований автоматизируе­мых технологических процессов. Эти требования не могут быть удов­летворены универсальным и экономически оптимальным решением. Сейчас уже очевидно, что ни одна из существующих сетей не станет единственной, похоронив все остальные. Когда обсуждается вопрос о выборе типа промышленной сети, не­обходимо уточнять, для какого именно уровня автоматизации этот вы­бор осуществляется. В зависимости от места сети в иерархии про­мышленного предприятия требования к ее функциональным характе­ристикам будут различны. Рассмотрим наиболее часто используемые промышленные сети.

AS-интерфейс

AS-интерфейс (Actuators/Sensors interface) – интерфейс исполни­тельных устройств и датчиков является открытой промышленной се­тью нижнего уровня систем автоматизации, которая предназначена для организации связи с исполнительными устройствами и датчиками. AS-интерфейс позволяет подключать датчики и исполнительные меха­низмы к системе управления на основе построения сети с использова­нием одного двухжильного кабеля, с помощью которого обеспечивает­ся как питание всех сетевых устройств, так и опрос датчиков и выдача команд на исполнительные механизмы.

На рис. 43 на примере древовидной структуры показано, как различные компоненты AS–интерфейса могут быть соединены между собой:

Рис. 43. Структура AS-интерфейса

– Ведущее устройство (ПЛК SIMATIC);

– Ведомые устройства (модули AS–интерфейса для подключения стандартных периферийных устройств и механизмов; датчики/исполнительные механизмы со встроенным AS–интерфейсом);

– Ответвители и повторители AS–интерфейса;

– Кабель AS–интерфейса;

– Блок питания AS–интерфейса;

– Прибор для задания адресов;

– Программа SCOPE для AS–интерфейса.

При наличии в системе специальных модулей AS-интерфейс по­зволяет подключать обычные широко распространенные датчики и ис­полнительные механизмы. Кроме того, в настоящее время существенно расширяется номенклатура датчиков и исполнительных механизмов со встроенной в их электронную часть интегральной микросхемой ведо­мого устройстваAS-интерфейса.

PROFIBUS

Задачи в области промышленной связи часто требуют разных ре­шений. В одном случае необходим обмен сложными, длинными сооб­щениями со средней скоростью. В другом – требуется быстрый обмен короткими сообщениями с использованием упрощенного протокола обмена, например, с датчиками или исполнительными механизмами. В третьем случае необходима работа во взрыво- и пожароопасных ус­ловиях производства. PROFIBUS – это семейство промышленных сетей, обеспечивающее комплексное решение коммуникационных проблем предприятия. Под этим общим названием понимается совокупность трех различ­ных, но совместимых протоколов: PROFIBUS-FMS/DP/PA (рис. 44).

Протокол PROFIBUS-FMS появился первым и был предназначен для работы на так называемом цеховом уровне. Основное его назначе­ние – передача больших объемов данных.

Протокол PROFIBUS-DP применяется для высокоскоростного об­мена данными между ПЛК и распределенными УСО. Физическая среда передачи – экранированная витая пара стандарта RS-485. Скорость об­мена прямо зависит от длины сети и варьируется от 100 кбит/с на рас­стоянии 1200 м до 12 Мбит/с на дистанции до 100 м. Взаимодействие узлов в сети определяется моделью «Master-Slave» (ведущий-ведомый). Master последовательно опрашивает подключенные узлы и выдает управляющие команды в соответствии с заложенной в него технологи­ческой программой. Протокол обмена данными гарантирует опреде­ленное время цикла опроса в зависимости от скорости обмена и числа узлов сети, что позволяет применять PROFIBUS в системах реального времени.

PROFIBUS-PA – это сетевой интерфейс, физическая среда переда­чи данных которого соответствует стандарту IEC 61158-2, может при­меняться для построения сети, соединяющей исполнительные устрой­ства, датчики и контроллеры, расположенные непосредственно во взрывоопасной зоне.

Рис. 44. Примеры конфигураций сетей PROFIBUS

ETHERNET

На уровне управления производством сети Ethernetуже давно за­воевали себе прочное лидирующее место. Решения на базеEthernetпрактически вытеснили все остальные из офисных распределенных приложений, и сегодняEthernetявляется основным средством обмена в локальных сетях. В последнее времяEthernetстал активно проникать и в комплексы управления производственными процессами. Появился целый ряд аппаратных средств (коммутаторов и концентраторов), вы­полненных в соответствии с требованиями промышленных условий эксплуатации.

Использование Ethernet, как физической среды передачи данных, приводит к использованию хорошо адресуемых логических протоко­лов. Уже сейчас большинство устройств поддерживают протокол TCP/IP. Это позволяет легко интегрировать локальные системы управ­ления технологическими процессами в сети любого масштаба, включая глобальную сетьInternet.

Отличительные особенности сети Industrial Ethernet:

– Промышленная сеть верхних уровней управления, отвечающая требованиям международного стандарта IEEE 802.3 (Ethernet);

– Обеспечение гомогенной и гетерогенной связи между системами автоматизации, компьютерами и рабочими станциями;

– Возможность применения открытых сетевых решений;

– Общепризнанный мировой стандарт организации промышленной связи.

– Основа для применения информационных технологий в системах автоматизации

– Поддержка Web функций, функций электронной почты, WAN связи;

– Простое и быстрое подключение сетевых компонентов;

– Высокая гибкость: существующие сети могут расширяться без их остановки;

– Высокая надежность, достигаемая использованием резервированных топологий;

– Возможность применения в офисных и промышленных условиях;

– Использование оборудования множества производителей за счет подключения к WAN (wideareanetwork), например,ISDNилиInternet;

– Высокая производительность. Так выпускавшиеся ранее компоненты SIMATIC NET для Industrial Ethernet со скоростью передачи данных 10Мбит/с дополнены новыми компонентами Fast Ethernet со скоростью передачи данных 100Мбит/с.

Сеть Fast Ethernet является дальнейшим развитием технологии Ethernet. Стандарт Fast Ethernet IEEE 802.3u в основном базируется на классическом стандарте Ethernet для промышленных витых пар и предусматривает увеличение скорости передачи данных с 10 до 100Мбит/с. Новый стандарт позволяет получить целый ряд преимуществ:

– В сетях Fast Ethernet могут использоваться все существующие наработки для Ethernet, причем, дополнительных знаний не требуется;

– Технология Fast Ethernet может вводиться в действие на объектах Ethernet немедленно;

– Industrial Ethernet поддерживает поэтапный переход от 10 к 100Мбит/с технологии.

Рис. 45. Примеры конфигураций сети Ethernet

HART– протокол

Унифицированный сигнал 4-20 мА для передачи аналоговых сигналов известен несколько десятков лет и широко используется при создании АСУ ТП в различных отраслях промышленности. Достоинст­вом данного стандарта является простота его реализации, использова­ние его во множестве приборов, возможность помехоустойчивой пере­дачи аналогового сигнала на относительно большие расстояния. Однако при создании нового поколения интеллектуальных приборов и датчи­ков потребовалось наряду с аналоговой информацией передавать и цифровые данные, соответствующие их новым расширенным возмож­ностям.

С этой целью американской компанией Rosemountбыл разработан протоколHART(HighwayAddressableRemoteTransducer).HART-протокол основан на методе передачи данных с помощью частотной модуляции, при этом цифровой сигнал накладывается на аналоговый токовый сигнал.

Частотно-модулированный сигнал является двухполярным и при использовании соответствующей фильтрации не искажает основной ана­логовый сигнал 4-20 мА. Основные технические параметры, определяе­мые стандартом на HART-протокол:

– Топология «Точка-точка» (стандартная) или шина;

– Максимальное количество устройств - одно ведомое и два ведущих устройства (стандартный режим), 15 ведомых и 2 ведущих устройств (многото­чечный режим с удаленным питанием);

– Максимальная протяжен­ность линии связи - 3 км (стандартный режим), 100 м (многоточечный режим);

– Тип линии – экранированная витая пара;

– Интерфейс – 4-20 мА, токовая петля (аналоговый);

– Время цикла обновления данных - около 500 мс.

HART-протокол может использоваться в двух режимах работы:

1. Стандартный вариант - соединение «точка-точка», т.е. непосредственное соединение прибора низовой автоматики (датчика, исполнительного механизма, преобразователя) и не более двух веду­щих устройств. В качестве первичного ведущего устройства использу­ется устройство связи с объектом (УСО) или программируемый логический контроллер (ПЛК). В качестве вторичного применяется портативныйHART-терминал или персональный компьютер сHART-модемом. При этом аналоговый сигнал является однонаправленным (например, от датчика к ПЛК или от ПЛК к исполнительному механиз­му), а цифровые сигналы могут передаваться и приниматься как от ве­дущего, так и от ведомого устройства.

2. Многоточечный режим - 15 ведомых устройств могут соединяться параллельно двухпроводной линией с теми же двумя ве­дущими устройствами. При этом осуществляется только цифровая связь. Сигнал постоянного тока 4 мА обеспечивает вспомогательное питание ведомых приборов по сигнальным линиям.

CAN – протокол

Протокол CAN(ControllerAreaNetwork) был предложен компани­ейBoschдля создания сети контроллеров в автомобилях. В на­стоящее времяCAN-сети активно применяются в самых разных облас­тях (от стиральных машин до космических аппаратов). ПротоколCANопределяет только первые два уровня моделиISO/OSI- физический и канальный. На основе этого протокола реализовано огромное количе­ство полнофункциональных сетей, таких какCANOpen,DeviceNet,SDSи др. Количество узлов промышленных сетей, работающих на основеCAN, исчисляется десятками миллионов. Практически у каждого круп­ного производителя микроконтроллеров есть изделие сCAN-интерфейсом. Широкому распространениюCANспособствуют его многочисленные достоинства, среди которых:

– Невысокая стоимость, как самой сети, так и ее разработки;

– Высокая степень надежности и живучести сети, благодаря развитым механизмам обнаружения ошибок, повтору ошибочных сообще­ний, самоизоляции неисправных узлов, нечувствительности к электро­магнитным помехам;

– Простота конфигурирования и масштабирования сети, отсут­ствие теоретических ограничений на количество узлов;

– Поддержка разнотипных физических сред передачи данных, от витой пары до оптоволокна и радиоканала;

– Эффективная реализация режима реального времени.







Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...





Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2024 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.