Интерфейсы

Соединение промышленной сети с ее компонентами (устройствами, узлами сети) выполняется с помощью интерфейсов. Сетевым интерфейсом называют логическую или физическую границу между устройством и средой передачи информации. Обычно этой границей является набор электронных компонентов и связанного с ними программного обеспечения. При существенных модификациях внутренней структуры устройства или программного обеспечения интерфейс остается без изменений, что является одним из признаков, позволяющих выделить интерфейс в составе оборудования.

Наиболее важными параметрами интерфейса являются пропускная способность и максимальная длина подключаемого кабеля.

Для обмена информацией взаимодействующие устройства должны иметь одинаковый протокол обмена. Он определяет синтаксис и семантику сообщений, операции управления, синхронизацию и состояния при коммуникации. Протокол может быть реализован аппаратно, программно или программно-аппаратно. Название сети обычно совпадает с названием протокола, что объясняется его определяющей ролью при создания сети. 

Рассмотрим наиболее используемые в России сетевые протоколы.

Industrial Ethernet

В настоящее время под Ethernet понимают семейство продуктов для локальных сетей, которые соответствуют стандарту IEEE 802.3. Промышленному применению стандарта долгое время мешал метод случайного доступа к сети, не гарантировавший доставку сообщения в короткое и заранее известное время. Однако это проблема была решена применением коммутаторов.

Основные характеристики

• высокая скорость передачи (до 10 Гбит/с) и соответствие требованиям жесткого реального времени при высоком быстродействии (например, при управлении движением),
• простота интеграции с Internet и Intranet, в том числе по протоколам прикладного уровня SNMP (Simple Network Management Protocol), FTP,  MIME (Multipurpose Internet Mail Extensions), HTTP,
• простота интеграции с офисными сетями,
• наличие большого числа специалистов по обслуживанию Ethernet,
• по-настоящему открытые решения,
• возможность организации многомастерных сетей,
• неограниченные возможности по организации сетей самых разнообразных топологий,
• появление недорогих коммутаторов, решивших проблему недетерминированности Ethernet.

Недостатком промышленного Ethernet является относительно высокая цена: Ethernet модули ввода-вывода в среднем в 2 раза дороже аналогичных Modbus-устройств.

Profinet

Открытый промышленный стандарт для автоматизации от ассоциации Ethernet PROFIBUS & PROFINET International (PI). PROFINET использует TCP / IP и IT - стандарты, и режим реального времени Ethernet.

Концепция PROFINET имеет модульную структуру, так что пользователи могут выбрать каскадирование самих функций. Они существенно отличаются в зависимости от типа обмена данными для выполнения отчасти очень высоких требований к скорости.

В PROFINET, существует две перспективы PROFINET CBA и PROFINET IO. PROFINET CBA подходит для компонентов на основе связи через TCP / IP, а PROFINET IO используется для общения в режиме реального времени с требованиями в модульных инженерных системах. Обе коммуникационные возможности можно использовать параллельно.

Profibus

Открытая промышленная сети, прототип которой был разработан компанией Siemens для своих промышленных контроллеров Simatic. На основе этого прототипа Организация пользователей Profibus разработала международные стандарты, принятые затем некоторыми национальными комитетами по стандартизации. Очень широко распространена, особенно в машиностроении и управлении промышленным оборудованием. 

Profibus объединяет технологические и функциональные особенности последовательной связи полевого уровня. Она позволяет объединять разрозненные устройства автоматизации в единую систему на уровне датчиков и приводов.

Profibus использует обмен данными между ведущим и ведовыми устройствами (протоколы DP и PA) или между несколькими ведущими устройствами (протоколы FDL и FMS). Требования пользователей к получению открытой, независимой от производителя системе связи, базируется на использовании стандартных протоколов Profibus.

Modbus

Одним из преимуществ Modbus является отсутствие необходимости в специальных интерфейсных контроллерах (Profibus и CAN требуют для своей реализации заказные микросхемы), простота программной реализации и элегантность принципов функционирования. Все это снижает затраты на освоение стандарта как системными интеграторами, так и разработчиками контроллерного оборудования. Высокая степень открытости протокола обеспечивается также полностью бесплатными текстами стандартов.

В России Modbus по распространенности конкурирует только с Profibus. Популярность протокола в настоящее время объясняется, прежде всего, совместимостью с большим количеством оборудования, которое имеет протокол Modbus. Кроме того, Modbus имеет высокую достоверность передачи данных, связанную с применением надежного метода контроля ошибок. Modbus позволяет унифицировать команды обмена благодаря стандартизации номеров (адресов) регистров и функций их чтения-записи.

Основным недостатком Modbus является сетевой обмен по типу "ведущий/ведомый", что не позволяет ведомым устройствам передавать данные по мере их появления и поэтому требует интенсивного опроса ведомых устройств ведущим.

Протокол Modbus имеет два режима передачи: RTU (Remote Terminal Unit – «удаленное терминальное устройство») и ASCII. Стандарт предусматривает, что режим RTU в протоколе Modbus должен присутствовать обязательно, а режим ASCII является опционным. Пользователь может выбирать любой из них, но все модули, включенные в сеть Modbus, должны иметь один и тот же режим передачи.

EtherCAT 

EtherCAT — это промышленная шина, основанная на сети Ethernet. EtherCAT отличается от других промышленных шин, в том числе базирующихся на Ethernet, в первую очередь своей беспрецедентной производительностью. Благодаря гибкой топологии и простой конфигурации и минимальной стоимости аппаратных средств шина EtherCAT может быть реализована с очень высокой экономической эффективностью, она позволяет использовать промышленные шины в тех областях, где ранее возможность их применения даже не рассматривалась.

• Протокол EtherCAT реализован на самом нижнем логическом уровне стека протоколов Ethernet. Структура телеграмм Ehternet и физический уровень интерфейса сохранены, что обеспечивает совместимость со стандартным сетевым оборудованием: коммутаторы, преобразователи медь/оптоволокно и т.п.,
• Из всех устройств, подключенных к шине EhterCAT, настоящим участником Ethernet со своим MAC-адресом является только одно устройство — это мастер шины EtherCAT. Только мастер может быть инициатором телеграмм,
• Всего одна единственная большая широковещательная телеграмма Ethernet, посланная мастером в сеть, возвращается мастеру модифицированной. И она уже несет в себе всю информацию о технологическом процессе. Это позволяет максимально эффективно (на 80-97%) использовать физический трафик среды передачи 100 Мбит/с,
• Каждый отдельный модуль ввода/вывода, а не контроллер, является самостоятельным slave-устройством. В головном блоке контроллера происходит лишь преобразование физического уровня сигнала,
• Структура данных в телеграмме EtherCAT соответствует не топологии подключения slave-устройств к шине, а структуре прикладной управляющей программы, каждый модуль ввода/вывода «знает» в какое место телеграммы EtherCAT он должен вставить свои данные. 

HART

HART — протокол обмена данными между системой управления и интеллектуальными датчиками. HART является «открытым» протоколом и доступен для всех производителей устройств и систем автоматического управления. Протокол HART использует стандарт BELL 202 FSK (Frequency Shift Keying) для организации цифровой передачи данных, основанной на аналоговом стандарте 4..20мА. Для обмена данными HART использует принцип Master/Slave (ведущий/ведомый). HART позволяет передавать до 1200 бит/с. Стандартная топология — «звезда», но возможна и «шинная» организация.

CAN

CAN (Controller Area Network - область, охваченная сетью контроллеров) представляет собой комплекс стандартов для построения распределенных промышленных сетей, который использует последовательную передачу данных в реальном времени с очень высокой степенью надежности и защищенности. Центральное место в CAN занимает протокол канального уровня модели OSI. Первоначально CAN был разработан для автомобильной промышленности, но в настоящее время быстро внедряется в область промышленной автоматизации. Это хорошо продуманный, современный и многообещающий сетевой протокол. 

Характеризуется следующими основными свойствами:

• каждому сообщению (а не устройству) устанавливается свой приоритет,
• гарантированная величина паузы между двумя актами обмена,
• гибкость конфигурирования и возможность модернизации системы,
• широковещательный прием сообщений с синхронизацией времени,
• непротиворечивость данных на уровне всей системы,
• допустимость нескольких ведущих устройств в сети (многомастерная сеть),
• способность к обнаружению ошибок и сигнализации об их наличии,
• автоматический повтор передачи сообщений, доставленных с ошибкой, сразу, как только сеть станет свободной,
• автоматическое различение сбоев и отказов с возможностью автоматического отключения отказавших модулей.