fieldbus intro v1

Построение распределенных систем автоматизации

Теоретические основы [email protected] (учебный центр Модикон-Киев)

Автор: Александр Пупена www.asu.in.ua

Учебный центр Модикон-Киев NET-Введение 1

mailto:[email protected]

http://www.asu.in.ua/

Типы устройств


- контроллеры (PLC, регуляторы) - SCADA/HMI - Devices (I/O Device, Drives …) - датчики/ИМ - программаторы

SCADA HMI SCADA

PLC PLC PLC

Распредел. устр. I/O

Приводы и другие устр-ва

Программатор

датчики

ИМ

Программатор

коммуникации

другое ПО

коммуникации

PLC<->PLC

Модикон Киев NET-Введение

PLC1

Распределенное приложение

переменные

3

Локальное

приложение


PLC2 PLC3

Локальное



Локальное




переменные данные процесса

- обмен данными процесса (циклический/по запросу, реальное время)

- обмен диагностическим данными (по запросу)

PLC<-> Devices

Учебный центр Модикон-Киев

- обмен данными процесса: PLC<-> Devices (циклический/ по изменению, в реальном времени)

- обмен параметрическими данными: PLC-> Devices (в предоперационном состоянии)

- команды управления режимом работы устройства: PLC-> Devices - диагностика работы устройств: Devices ->PLC (проверка состояния,

диагностика причины ошибок)

функциональность как у PLC<->локальные модули

Распределенное приложение

Devices <-> Devices


- обмен данными процесса (циклический, реальное время)

Device1

функция/ФБ функция/ФБ

данные

процесса

Device2

SCADA/HMI<->PLC/Device

Учебный центр Модикон-Киев NET-Введение

PLC1

6

Локальное приложение


- обмен данными процесса: PLC<->SCADA/HMI (циклический, мягкое реальное время)

- иногда обмен диагностическим данными: PLC->SCADA/HMI (для однородных систем)

- иногда управление состоянием: SCADA/HMI->PLC (по требованию)

SCADA/HMI

Приложение SCADA/HMI


данные

процесса

состоя

ние

команда

управления

Программатор<->PLC/Device/SCADA/HMI


- подключение только по необходимости - обмен параметрическими данными (загрузка, выгрузка

с PLC) - обмен данными процесса (при отладке, мягкое

реальное время) - обмен диагностическим данными (диагностика

неисправностей) - управление состоянием

SCADA/HMI<->SCADA/HMI/другое ПО


- обмен данными процесса (мягкое реальное время) - статистические/исторические данные процесса (не

в реальном времени)

данные процесса

Обмен данными/командами


- сравнительно небольшие объемы - реальное время - для ввода/вывода цикличный обмен или по изменению - высокоприоритетный по сравнению с параметрическими

- сравнительно большие объемы данных - нет требования к реальному времени - передача данных только по необходимости (загрузка/выгрузка конфигурации) - низкий приоритет

параметрические данные

- передача состояния устройства - циклический обмен, реальное время, высокий приоритет

- передача причины ошибки - по необходимости (по запросу), низкий приоритет

диагностические данные

- перевод в режимы: операционный (Operate/RUN), остановлен (NotOperate/STOP) предоперационный (PreoPerate), инициализация (Init) , и др.

- передача команды по запросу пользователя или управляющей системой - высокий приоритет

управление режимом

обмен данными процесса

Коммуникационные сервисы


обмен параметрическими данными

диагностические сервисы

управление режимом устройства

- какими именно данными? - какая цикличность: циклически, периодически, по

запросу, по изменению? - как настраивается обмен (интерфейс)?

- какую часть конфигурационных данных можно поменять?

- в какой момент это делается? - как настраивается (интерфейс)?

- какую диагностическую информацию можно получить?

- автомат состояний - как настраивается (интерфейс)?

- автомат состояний устройства - как настраивается (интерфейс)?

Коммуникационный Сервис – услуги предоставляемые коммуникацией

устройства или её частью (сетевой картой, драйвером, функцией…)

Сети. Определения


Сеть – Network

Компьютерная сеть – computer network, network

Промышленная сеть – Industrial communication network (Fieldbus, Industrial

Ethernet)

Промышленная сеть, полевая шина – Fieldbus

network (IEC 61158) - a set of nodes connected by some type of communication medium, including any intervening repeaters, bridges, routers and lower-layer gateways

Conceptually, a fieldbus is a digital, serial, multidrop, data bus for communication with industrial control and instrumentation devices such as — but not limited to — transducers, actuators and controllers (IEC 61158).

Сети. Градация


Коммуникации с точки зрения ШЭ делятся на Buses и Network

компьютерные сети*

сети* уровня

контроллеров

(controller level)

сети* полевого

уровня (field level +

sensor actuator level)

Каждая сеть предназначена для

определенных целей (набор сервисов).

Условно их можно поделить на:

WorldFIP, Profibus FMS

Ethernet + TCP/IP

Ethernet/IP, Profinet CBA, Profibus DP

CANopen,

DeviceNET, ProfiNET

IO, Profibus PA

CANbus, Hart, AS-I, CClinkIO

Modbus RTU, Modbus/TCP

* - сети и протоколы

Промышленные сети. Требования/критерии


• детерминированность (для обмена данными процесса): определить время доставки данных;

• помехоустойчивость: требования к кабелям и их прокладке • условия эксплуатации сетевых компонентов (IP - пыле/влаго, IK -

удар) • надежность элементов, живучесть сети • простота и быстрота обслуживания • возможность питания узлов по кабелю промышленной сети • топология и способы подключения – надежность, скорость

монтажа, длины кабелей…

Многоуровневая архитектура сети


Сервис уровня – услуга предоставляемая нижнем уровнем для верхнего

(например для передачи данных определенным способом такому же уровню

другого узла)

Протокол уровня – правила, по которым осуществляется обмен (например

структура сообщения, порядок обмена, правила кодирования …)

Интерфейс уровня – набор функций (объектов, методов…) с помощью

которых верхний уровень может воспользоваться сервисами этого уровня

Модель архитектуры сети ISO OSI


PHYSICAL (физический)

DATA LINK (канальный)

NETWORK (сетевой)

TRANSPORT (транспортный)

SESSION

PRESENTATION

APPLICATION (приложения)

1

2

3

4

5

6

7

бит – кодированный сигнал – физическая среда

передачи - кодированный сигнал - бит

обеспечивает доставку набора байт нужным узлам в той

же сети; обеспечивает порядок доступа к общей среде

передачи

обеспечивает доставку набора байт нужным узлам в

разных сетях, объединенных маршрутизаторами

обеспечивает доставку набора байт нужному

приложению на узле

обеспечивает обмен данными между приложениями

Обмен данными возможен только при совместимости на всех уровнях сети!

Обработка данных в сети (пример)

Учебный центр Модикон-Киев Сети – теоретические основы 16

APDU (Application Protocol Data Unit)

TPDU (Transport Protocol Data Unit)

пакет (packet) или NPDU (Network Protocol Data Unit)

кадр (frame)

Прикладной уровень. Модель обмена


Pull Publishing

Manager

Pull

Subscriber

Pull

Subscriber

Pull

Subscriber

Pull

Publisher

Push

Publisher

Push

Subscriber

Push

Subscriber

Push

Subscriber

Application -

Client

Application -

Server

Запрос (Request)

Ответ (Response)

Client-Server Model

Publish-Subscribe Model (Pull) Publish-Subscribe Model (Push)

Публ

ика

ция

Публ

ика

ция

Запрос на

публикацию

Пример модели Клиент–Сервер


Узел 2

Узел 1

10

процесс-клиент

читать значение

переменой А,

результат

записать в В


другие уровни


В

R

A

A

10

r

А

10

другие уровни

физическая среда передачи

процесс-сервер

Физический уровень. Обмен битами.


PHYSICAL (физический) 1 бит – кодированный сигнал – физическая среда


Физический уровень. Тип связи.




Физический уровень. Двоичное кодирование.




Физический уровень. Модуляция.




Модем

Физический уровень. Основные топологии


линейная

(цепочка) дерево шина звезда кольцо

Канальный уровень. Доставка данных


Фільтр Фільтр

процес процес

каналь

ний

рівень

верхні

рівні

обробка

повідомл

ення

обробка

повідомл

ення

А

Фільтр

процес

обробка

повідомл

ення

B

Фільтр

процес

обробка

повідомл

ення

C D

кадр

1) по адресу получателя в кадре (большинство сетей): узел принимает только тот кадр, который предназначен ему; в некоторых сетях доступно широковещание (всем), мультивещание (группе устройств); 2) по идентификатору кадра (CAN): узлы принимают только те кадры, которые проходят фильтр по идентификатору (Producer-Consumer)

Способы доставки кадров нужным узлам

Канальный уровень. Методы доступа


Только для широковещательных сетей! Если два передатчика одновременно начнут передавать свои биты по одной среде – наступит коллизия. Чтобы обеспечить нормальную передачу, все узлы должны передавать биты в разное время. Порядок доступа к среде определяется методом доступа.

Сеть

Collision

Методы доступа: Master-Slave (Ведущий-Ведомый), Token Ring (Маркерное кольцо), CSMA/CD, TDMA …

Сетевой уровень.


1.2 5.1

M1

3.1

M3

1.1 1.3 5.2

5.3

М4

2.2

3.2

2.3

1

2

3

3.3

M2

1 2

#1

#2

#3

#4

#5

101

15

103

102

11

15 18

12

13 11

2 1

25

1 2 3

105

#6

1.4

6.1

3.4

4

1 4.1

4.2

1 2

3 4.3

6.2

2.1

5.4

Транспортный уровень.


App

1

App

2

App

3 App

4

? ?

А Б

Сегментация


PRESENTATION

PHYSICAL

DATA LINK

NETWORK

TRANSPORT

SESSION

APPLICATION

PRESENTATION

PHYSICAL

DATA LINK

NETWORK

TRANSPORT

SESSION

APPLICATION Gateway

Router

Bridge

Repeater

Gateway (Шлюз) – обеспечивает обмен данными

между различными сетями (различные протоколы,

например Modbus и Profibus)

Router (маршрутизатор) – объединяет несколько

сегментов разных сетей, обеспечивает передачу

данных между ними по сетевому адресу и

маршрутным таблицам (одинаковый сетевой

протокол)

Switch (комутатор) – много-портовый мост

Bridge (мост) – соединяет два сегмента одной

сети, но проводит фильтрацию кадров между

ними (одинаковый протокол канального уровня)

Hub (концентратор) – соединяет несколько

физических сегментов одной сети в единую

«электрическую» шину

Repeater (повторитель) – соединяет два

физических сегмента одной сети, содержит 2

приемопередатчика для ретрансляции

fieldbus intro v1

Engineering

devices devices net

plc devices

plc devices

devices plc

scadahmiplcdevice net

plcdevicescadahmi net

scadahmiscadahmi net

scadahmiplc scadahmi