 |
Полевые шины РСУ.
Промышленные сети передачи данных – это базовый элемент для
построения современных АСУ ТП. Появление промышленных коммуникационных
протоколов положило начало внедрению территориального распределенных систем
управления, способных охватить множество технологических установок, объединить
целые цеха, а иногда и заводы. Сегодня сфера промышленных коммуникаций
развиваются семимильными шагами: известно более 30 стандартов коммуникационных
сетей, специально адаптированных для промышленного применения, каждый год
появляются новые прогрессивные технологии передачи данных. Это неудивительно,
ведь именно коммуникационные сети в большей степени определяют качество,
надежность и функционал АСУ ТП в целом.
Сети передачи данных, входящие в состав АСУ ТП, можно условно разделить на два
класса:
1.
Полевые шины (Field Buses);
2.
Сети верхнего уровня (операторского уровня, Terminal Buses).
В данной статье речь пойдет о полевых шинах. При этом мы сделаем акцент на
методах обеспечения надежности и отказоустойчивости.
Главной функцией полевой шины является обеспечение сетевого взаимодействия между
контроллерами и удаленной периферией (например, узлами ввода/вывода). Помимо
этого, к полевой шине могут подключаться различные контрольно-измерительные
приборы (Field Devices), снабженные соответствующими сетевыми интерфейсами.
Такие устройства часто называют интеллектуальными (Intelligent Field Devices),
так как они поддерживают высокоуровневые протоколы сетевого обмена.
Пример полевой шины представлен на рисунке 1.
Рис. 1. Полевая шина.
Как уже было отмечено, существует множество стандартов
полевых шин, наиболее распространенные из которых приведены
ниже:
1. Profibus DP
2. Profibus PA
3. Foundation Fieldbus
4. Modbus RTU
5.
HART
6. DeviceNet
Несмотря на нюансы реализации каждого из стандартов
(скорость передачи данных, формат кадра, физическая среда),
у них есть одна общая черта – используемый алгоритм сетевого
обмена данными, основанный на классическом принципе Master-Slave
или его небольших модификациях.
Более
подробная информация содержится здесь.
Современные полевые шины удовлетворяют строгим техническим
требованиям, благодаря чему становится возможной их
эксплуатация в тяжелых промышленных условиях. К этим
требованиям относятся:
1.
Детерминированность. Под этим подразумевается, что передача
сообщения из одного узла сети в другой занимает строго
фиксированный отрезок времени. Офисные сети, построенные по
технологии Ethernet, - это отличный пример
недетерминированной сети. Сам алгоритм доступа к разделяемой
среде по методу CSMA/CD не определяет время, за которое кадр
из одного узла сети будет передан другому, и, строго говоря,
нет никаких гарантий, что кадр вообще дойдет до адресата.
Для промышленных сетей это недопустимо. Время передачи
сообщения должно быть ограничено и в общем случае, с учетом
количества узлов, скорости передачи данных и длины
сообщений, может быть заранее рассчитано.
2. Поддержка больших расстояний. Это существенное требование,
ведь расстояние между объектами управления может порой
достигать нескольких километров. Применяемый протокол должен
быть ориентирован на использование в сетях большой
протяженности.
3. Защита от электромагнитных
наводок. Длинные линии в особенности подвержены пагубному
влиянию электромагнитных помех, излучаемых различными
электрическими агрегатами. Сильные помехи в линии могут
исказить передаваемые данные до неузнаваемости. Для защиты
от таких помех применяют специальные экранированные кабели,
а также оптоволокно, которое, в силу световой природы
информационного сигнала, вообще нечувствительно к
электромагнитным наводкам. Кроме этого, в промышленных сетях
должны использоваться специальные методы цифрового
кодирования данных, препятствующие их искажению в процессе
передачи или, по крайней мере, позволяющие эффективно
детектировать искаженные данные принимающим узлом.
4. Упрочненная механическая конструкция кабелей и соединителей.
Здесь тоже нет ничего удивительного, если представить, в
каких условиях зачастую приходиться прокладывать
коммуникационные линии. Кабели и соединители должны быть
прочными, долговечными и приспособленными для использования
в самых тяжелых окружающих условиях (в том числе агрессивных
атмосферах).
По типу физической среды полевые шины
делятся на два типа:
1.
Полевые шины, построенные на базе оптоволоконного кабеля.
Преимущества использования оптоволокна очевидны: возможность
построения протяженных коммуникационных линий
(протяженностью до 10 км и более); большая полоса
пропускания; иммунитет к электромагнитным помехам;
возможность прокладки во взрывоопасных зонах. Недостатки:
относительно высокая стоимость кабеля; сложность физического
подключения и соединения кабелей. Эти работы должны
выполняться квалифицированными специалистами.
2.
Полевые шины, построенные на базе медного кабеля. Как
правило, это двухпроводной кабель типа “витая пара” со
специальной изоляцией и экранированием. Преимущества:
удобоваримая цена; легкость прокладки и выполнения
физических соединений. Недостатки: подвержен влиянию
электромагнитных наводок; ограниченная протяженность
кабельных линий; меньшая по сравнению с оптоволокном полоса
пропускания.
Итак, перейдем к рассмотрению методов обеспечения
отказоустойчивости коммуникационных сетей, применяемых на
полевом уровне. При проектировании и реализации этот аспект
становиться ключевым, так как в большой степени определяет
характеристики надежности всей системы управления в целом.
На рисунке 2 изображена базовая архитектура полевой шины –
одиночная (нерезервированная). Шина связывает контроллер С1
и четыре узла ввода/вывода IO1-IO4. Очевидно, что такая
архитектура наименее отказоустойчива, так как обрыв шины, в
зависимости от его локализации, ведет к потере коммуникации
с одним, несколькими или всеми узлами шины. В нашем случае в
результате обрыва теряется связь с двумя узлами.
Рис.
2. Нерезервированная шина.
Здесь важное значение имеет термин “единичная точка отказа”
(SPOF, single point of failure). Под этим понимается место в
системе, отказ компонента или обрыв связи в котором приводит
к нарушению работы всей системы. На рисунке 2 единичная точка
отказа обозначена красным крестиком.
На рисунке 3 показана конфигурация в виде дублированной
полевой шины, связывающей резервированный контроллер с
узлами ввода/вывода. Каждый узел ввода/вывода снабжен двумя
интерфейсными модулями. Если не считать сами модули
ввода/вывода, которые резервируются редко, в данной
конфигурации единичной точки отказа нет.
Рис.
3. Резервированная шина.
Вообще, при построении отказоустойчивых АСУ ТП стараются,
чтобы единичный отказ в любом компоненте (линии связи) не
влиял на работу всей системы. В этом плане конфигурация в
виде дублированной полевой шины является наиболее
распространенным техническим решением.
На рисунке 4 показана конфигурация в виде оптоволоконного
кольца. Контроллер и узлы ввода/вывода подключены к кольцу с
помощью резервированных медных сегментов. Для состыковки
медных сегментов сети с оптоволоконными применяются
специальные конверторы среды передачи данных
“медь<->оптоволокно” (OLM, Optical Link Module). Для каждого
из стандартных протоколов можно выбрать соответствующий OLM.
Рис. 4. Одинарное оптоволоконное кольцо.
Как и дублированная шина, оптоволоконное кольцо устойчиво к
возникновению одного обрыва в любом его месте. Система такой
обрыв вообще не заметит, и переключение на резервные
интерфейсные и коммуникационные модули не произойдет. Более
того, обрыв одного из двух медных сегментов, соединяющих
узел с оптоволоконным кольцом, не приведет к потере связи с
этим узлом. Однако второй обрыв кольца может привести к
неработоспособности системы. В общем случае два обрыва
кольца в диаметрально противоположных точках ведут к потере
коммуникации с половиной подключенных узлов.
На рисунке 5 изображена конфигурация с двойным оптическим
кольцом. В случае если в результате образования двух точек
обрыва первичное кольцо выходит из строя, система
переключается на вторичное кольцо. Очевидно, что такая
архитектура сети является наиболее отказоустойчивой. На рисунке 5 пошагово изображен процесс деградации сети. Обратите
внимание, сколько отказов система может перенести до
того, как выйдет из строя.
Рис. 5. Резервированное оптоволоконное кольцо.
Справка инженеру:
таблица
сравнения технических характеристик основных протоколов
полевых шин.
|
|
