Организация обмена информацией в АСУТП

Информационная структура АСУТП

Информационная структура АСУТП с учетом взаимодействия с оператором и АСУП приведена на рис.2.6 . На верхнем уровне (уровень 1) находятся автоматизированные рабочие места (АРМ) технолога, ведущего технологическую подготовку производства по системе АСТПП в рамках ГПС, и оператора АСУТП. Основой аппаратной части АРМ является промышленный компьютер ПК, который играет роль ЦУВМ. На втором уровне управления в качестве ЛУВМ, управляющих локальными ТО, выступают программируемые логические контроллеры ПЛК и устройства ЧПУ (УЧПУ). Контроллеры ПЛК применяются, когда главным назначением ЛУВМ является управление технологическим циклом, которое состоит, в основном, во включении и отключении различных технологических агрегатов. Операции включения и отключения, а также прием сигналов обратной связи от технологического оборудования производятся с помощью специализированных модулей УСО. От ПЛК могут быть также реализованы несложные операции по регулированию автоматизированных электроприводов (АЭП). Более сложные функции ЧПУ реализуются УЧПУ, которые помимо управления технологическим циклом обеспечивают управление многими следящими АЭП. Системы управления АЭП и другими исполнительными устройствами, а также автоматизированные системы сбора первичной технологической информации составляют третий, самый нижний уровень управления в АСУТП.

Устройства получения, пересылки и хранения информации на каждом уровне АСУТП образуют информационную сеть. Структура такой сети чаще всего имеет вид совокупности магистралей (линий), к которым подсоединяются отдельные источники, преобразователи и приемники информации. Промышленные компьютеры ПК верхнего уровня АСУТП объединяются в промышленную информационную сеть, как показано на рис. 2.6, с помощью сетевой технологии Ethernet (произносится этернет). Сеть Ethernet объединяет ПК в рамках АСУП. На контроллерном уровне (уровень 2) также применяется технология Ethernet, но здесь с нею конкурируют локальные сети Profibus, Canbus и др.

Рис. 2.6. Информационная структура АСУТП

На нижнем уровне АСУТП функции объединения датчиков, систем управления исполнительными механизмами и контроллеров в единую цифровую сеть осуществляется системой Fieldbus (полевая сеть). Она заменяет аналоговые интерфейсы 4-20 мА и 0-10 В цифровой коммуникационной технологией. Благодаря этому большое количество отдельных линий связи, идущих от датчиков и исполнительных устройств к модулям ввода-вывода ПЛК и УЧПУ, удается заменить на один информационный малопроводный кабель, по которому также поступает электропитание датчиков и маломощных исполнительных устройств. Системы управления нижнего уровня становятся «интеллектуальными», могут выполнять функции самонастройки и самодиагностики, так что снижается информационная нагрузка на управляющие устройства верхних уровней. Наиболее распространены варианты системы Fieldbus на базе стандартизированных сетевых технологий Profibus фирмы SIEMENS (ФРГ) и Modbus фирмы MODICON (Франция).

Информационные сети Ethernet

Сетевая технология Ethernet (Этернет) – распространенный метод построения локальных информационных, в том числе промышленных сетей. Сети Ethernet строятся на базе американского стандарта IEEE 802.3 и международного стандарта ISO 8802.3. В зависимости от типа физической среды стандарт предусматривает ряд модификаций, из которых наибольший практический интерес представляют:

10 Base-T[1] -- для двух неэкранированных витых пар (UTP—Unshielded Twisted Pair) категории 3 (телефонный кабель);

10 Base-F[2] – для многомодового оптоволоконного кабеля, использующего два оптоволокна;

100 Base-TX –для двухпарного кабеля из двух неэкранированных витых пар UTP категории 5;

100 Base-FX – для многомодового оптоволоконного кабеля, использующего два оптоволокна.

Первые две модификации соответствуют пропускной способности сети С=10Мбит/с (обычный Ethernet), а две последние – пропускной способности С=100Мбит/с (Fast Ethernet, быстродействующий Ethernet). Все отличия Fast Ethernet от обычного Ethernet получены за счет изменений на физическом уровне, а на канальном уровне их характеристики одинаковы. Так, метод доступа к среде передачи данных (к линиям передачи) один и тот же. Имеется в виду метод коллективного доступа с наблюдением за несущей и с обнаружением коллизий CSMA/CD.

Согласно этому методу (см.§2.5) два узла могут случайно начать одновременную передачу данных, если сигналы узла, начавшего передачу первым, не дойдут до узла, готового начать передачу вторым, раньше, чем этот второй тоже начнет передачу. Такая ситуация может случиться, прежде всего, с узлами, максимально удаленными друг от друга. Если второй узел начнет передачу как раз в тот момент, когда до него достигнет передающий сигнал первого узла, то последний получит информацию об этом событии только после того, как до него дойдет передающий сигнал второго узла. Таким образом, максимальное время, которое должно быть затрачено на обнаружение наступившей коллизии, есть время двойного оборота сигнала между максимально удаленными друг от друга узлами информационной сети. Это время не должно превышать величины промежутка времени, необходимого для передачи самого короткого кадра, чтобы первый передающий узел и все принимающие передаваемую информацию узлы успели забраковать передаваемый кадр, поскольку он испорчен сигналами второго передающего узла. Минимальная длина поля данных кадра в сети Ethernet составляет 46 байт, а с учетом 18 байт служебной информации (см. табл.2.4) и 8 байт преамбулы полная длина кадра Ethernet составляет минимум 72 байт или 576 бит. По этой причине время двойного оборота не должно превышать 575 битовых интервалов, что при 10-мегабитном стандарте Ethernet (1 бит за 0,1 мкс) составит57,5 мкс. В технологии Fast Ethernet учет количества битов служебной информации производится без преамбулы, так что величина времени прохождения кадра минимальной длины оценивается в 512 битовых интервалов, т.е. в 5,12 мкс. Исходя из полученных оценок допустимого времени двойного оборота сигналов, определяется максимальное допустимое расстояние между узлами (станциями) различных модификаций сети Ethernet.

Типовую структуру кадра информации, передаваемой по сети Ethernet, можно проследить по табл.2.4.

Таблица 2.4

Основное содержание кадра Ethernet составляют:

DA – адрес назначения (Destination Address), т.е. адрес узла, в который пересылается информация, помещенная в поле данных. Адрес назначения представляет собой уникальный, ни в одной сети типа Ethernet не повторяющийся, локальный шестибайтовый адрес, называемый MAC[3]-адресом. Он обычно записывается в виде шести пар 16 – ричных цифр, разделенных дефисами, например: 40-А0-17-В5-DC-31.

SA –адрес источника (Source Address) информации, также являющийся шестибайтовым MAC-адресом.

L – длина (Length) поля данных в кадре, записывается двумя байтами. Знание длины кадра позволяет сократить время его передачи.

FCS – поле контрольной суммы (Frame Check Sequence), занимающее последние 4 байта кадра. Оно содержит подсчитанную перед пересылкой кадра контрольную сумму. После получения кадра по заданному адресу контрольная сумма вычисляется заново в узле назначения. Если присланное и вновь вычисленное значение контрольной суммы совпадают, то полученный кадр считается неискаженным.

Поле данных (Data) содержит пересылаемую по указанному адресу DA информацию, количество которой может составлять от 0 до 1500 байт. В табл.2.4 предполагается, как и положено для сети Ethernet, что минимальный объем пересылаемой информации составляет 46 байт. Это необходимо, чтобы сигнал коллизии успел дойти от самого дальнего узла сети до передающего узла ранее окончания передачи текущего кадра. Если фактический объем информации, которую необходимо передать, не достигает 46 байт, то используется дополнительное поле, поле заполнения (Padding), не показанное в табл.2.4. Поле заполнения дополняет поле данных до минимально допустимого значения в 46 байт пустыми символами. Каждый кадр, передающийся по сети Ethernet, начинается с двух следующих полей, не показанных в табл.2.4:

Р – поле преамбулы (Preamble), которое состоит из 7 синхронизирующих байтов 10101010.

SFD – определитель начала кадра (Start of Frame Delimiter). Он состоит из одного байта 10101011, появление которого завершает преамбулу и указывает на то, что следующий байт – это начало адреса назначения DA.

По окончании передачи кадра все узлы сети Ethernet обязаны выдержать паузу величиной в 9,6мкс (соответственно – 0,96мкс в сети Fast Ethernet), называемую межкадровым интервалом (Inter Packet Gap). После паузы любой узел имеет право сделать попытку начать передачу.