Основы сетевых технологий для автоматизации и управления

М Г Г У 

московский 

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

Председатель 

Л.А. 
ПУЧКОВ 

Зам. председателя 

Л.Х. 
ГИТИС 

Члены редсоветпа 

И. В. 
ДЕМЕНТЬЕВ 

A. 
П.ДМИТРИЕВ 

Б.А. 
КАРТОЗИЯ 

В.В. 
КУРЕХИН 

М.В. 
КУРЛЕНЯ 

В.И. 
ОСИПОВ 

э.м. 
СОКОЛОВ 

К.Н. 
ТРУБЕЦКОЙ 

В.В. 
ХРОНИН 

B. А. 
ЧАНТУРИЯ 

Е.И. 
ШЕМЯКИН 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 
МОСКОВСКОГО 
ГОСУДА РСТВЕННОГО 
ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 

ректор 
МГГУ, 
чл.-корр. 
РАН 

директор 
Издательства 
МГГУ 

академик 
РАЕН 

академик 
РАЕН 

академик 
РАЕН 

академик 
РАЕН 

академик 
РАН 

академик 
РАН 

академик 
МАН 
ВЫ/ 

академик 
РАН 

профессор 

академик 
РАН 

академик 
РАН 

ВЫСШЕЕ ГОРНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ 

Ю . П . 
С т р а ш у н 

о с н о в ы 
СЕТЕВЫХ 
ТЕХНОЛОГИЙ 

ДЛЯ 

АВТОМАТИЗАЦИИ 
И УПРАВЛЕНИЯ 

Допущено 
Учебно-метоОическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области горного дела 
в качестве учебного пособия Оля студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 
«Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» направления подготовки 
дипломированных специалистов «Электротехника, 
электромеханика и 
электротехнологии» 

МОСКВА 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 
МОСКОВСКОГО 
ГОСУДАРСТВЕННОГО 
ГОРНОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 

2 0 0 3 

УДК 621.39 
ББК 32.965 
С 83 

Рецензенты: 

Проф., д-р техн. наук, зав. кафедрой «Информационные технологии» А.В. Шаронов 
(Московский авиационный институт) 
Канд. техн. наук, ст. научный сотрудник Е. А. Дубовик 
(ОАО «ИНЭУМ») 

Страшун Ю.П. 

С 83 
Основы сетевых технологий для автоматизации и управления: Учеб. пособие. — М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2003. — 111 с: ил. 

ISBN 5-7418-0255-9 
Изложены основы сетевых технологий для автоматизации и управления, которые используются при комплексировании (системной интеграции) 
ИАСУ и программируемых логических контроллеров (ПЛК). Приведены основные разновидности локальных сетей в составе ИАСУ и их топологии. Даны определения фундаментальных понятий. Проанализированы средства межсетевого обмена информацией. Описаны методы упорядоченного доступа терминалов сети к среде передачи: централизованный и децентрализованный. Также анализируются стохастические сети (на примере ЛС Ethernet). Рассмотрены 
локальные промышленные сети (для автоматизации производства и для автоматизации процесса), локальные производственно-диспетчерские, а также локальные административно-технические сети. Показана целесообразность применения локальных сетей с использованием универсальных сетевых технологий. 

Ю.П. Страшун — канд. техн. наук, доцент кафедры «Автоматика и управление в технических системах» Московского государственного горного 
университета. 

Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Электропривод и 
автоматика промышленных установок и технологических комплексов» направления подготовки дипломированных 
специалистов 
«Электротехника, 
электромеханика и электротехнологии». Может представлять определенный 
интерес для проектировщиков и системных интеграторов ИАСУ и ПЛК. 

УДК 621.39 
ББК 32.965 

ISBN 5-7418-0255-9 
© Ю.П. Страшун, 2003 
© Издательство МГГУ, 2003 
©Дизайн книги. Издательство МГГУ, 2003 

ВВЕДЕНИЕ 

Под сетевыми технологиями понимаются научные описания 
способов обмена информацией между терминалами (узлами) сети в виде сигналов, передаваемых в различных средах (электрический провод, оптическое волокно, эфир и т. д.). Рассмотрение 
сетевых технологий в учебном пособии ограничивается локальной сетью (ЛС) предприятия. Анализ локальных промышленных сетей (ЛПС) дан в [3]. Технологии корпоративных сетей подробно освещены в [5]. Терминалами ЛС в составе ИАСУ* предприятия могут быть: 

• датчики (источники) непрерывных и дискретных сигналов; 
• исполнительные механизмы; 
• «полевые» устройства и приборы (FD); 
• программируемые логические контроллеры (PLC); 
• станции удаленного и распределенного" ввода/вывода; 
• станции оператора-технолога, инженера, диспетчера и т. п.; 
• автоматизированные рабочие места (АРМ) административно-технического персонала; 

• серверы. 
Характеристики упомянутых терминалов и проблемы их 
системной интеграции детально анализируются в [9]. 

Сетевые технологии для автоматизации рассматриваются в 
контексте выполнения процедур, требующих минимального участия человека (например, централизованное задание уставок регуляторам, контроль за состоянием датчиков и исполнительных механизмов, централизованное логическое, в том числе последовательное, управление и т. п.). 

Сетевые технологии для управления нацелены на выполнение процедур, требующих существенного участия человека и 

ИАСУ — интегрированная автоматизированная система управления, состоящая из АСУТП и АСУ П. 

Станции распределенног о ввода/вывода имеют интегрированные функции 
приобретения данных, безопасного управления и, в частности, выполняют 
функции автоматического регулирования, обработки данных и т. п. 

5 

оперативного принятия ответственных решений (например, контроль за качеством выпускаемой продукции, за расходом ресурсов производства с принятием решений об их перераспределении или оптимизации использования, за достижением определенной нормы рентабельности производства и т. п.). 

Во всех упомянутых случаях необходим супервизорный контроль (от англ. supervise — контролировать, надсматривать). 
Меняется только значимость и число ступеней контроля. 

Естественным развитием сетевых технологий для управления является обеспечение выхода в сеть Интернет для контроля 
над производственными процессами на значительных расстояниях и получения соответствующей информации. 

Использование сетевых технологий в ИАСУ базируется на 
растущей потребности в распределенном интеллекте для обеспечения высокой производительности, надежности и живучести 
системы в целом. 

Физически локальная сеть в ИАСУ представляет собой систему линий передачи (проводных и беспроводных) в определенном пространстве (от долей километра до десятков километров) с подключенным к ним интерфейсным* оборудованием. 

В ИАСУ применяются три основных вида интерфейсов: 
• интерфейс между отдельными видами оборудования (MMI) 
(machine—machine interface — интерфейс машина—машина); 

• интерфейс между оборудованием и человеком (HMI) (human—machine interface — интерфейс человек—машина); 

• интерфейс между людьми (HHI) (human — human interface — интерфейс человек—человек). 

В частности, для организации M M I используются ЛС на основе 
стандартизованных в международном масштабе интерфейсов. 
Например, Ethernet (ISO 8.802.3) [10], Fieldbus (ШС 61158) [20], 
Profibus (EN 50170) [18], Bitbus (IEEE 1118) [19] и т. д. 

H M I выполняется на основе панелей и мониторов в составе 
станций визуализации (оператора-технолога, инженера, диспетчера производственного процесса и т. п.). 

Интерфейс - - i-раница разделения сред, сопряжение, стык (подробное определение дано в I л. 2). 

6 

H H I представлен мониторами в составе АРМ административно-технического персонала, а также средствами телекоммуникаций. 

Современной тенденцией развития сетевых технологий является расчленение таких терминалов сети, как IBM PC и программируемые логические контроллеры (ПЛК), на набор субтерминалов, между которыми осуществляется интерфейсный обмен по сети SAN*. Характерной особенностью SAN является 
то, что ее архитектура не зависит от операционной системы головного компьютера или микроконтроллера. 

Применительно к IBM PC SAN базируется на однородных 
технических средствах, таких как коммутаторы (switches) (см. 
гл. 2). Последние по аналогии с железнодорожными сетями, по 
существу, являются стрелками, переключающими сегменты сети. Субтерминалами в IBM PC являются микропроцессоры, 
подсистемы памяти, RAID-подсистемы, жесткие и гибкие диски, консоли и, конечно, подсистемы ввода/вывода информации. 

На основе рассматриваемой концепции, в частности, обеспечивается высокоскоростная связь в конфигурациях серверов 
в ИАСУ. Эта концепция называется Infiniband" [23]. Она позволяет исключить узкое место по быстродействию в I B M PC 
— параллельную системную шину — и создать радиальную, масштабируемую инфраструктуру, в которой обеспечиваются установка и удаление компонентов без отключения источников 
питания («hot-plug» и «hot-remove»). 

Безызбыточное комплексирование ПЛК требует использования в нем одно- и двухканальных субтерминалов в виде микромодулей аналогового и дискретного ввода/вывода, объединяемых внутри ПЛК с помощью SAN на основе последовательных магистральных или радиальных шин взамен традиционно 
применяемого параллельного интерфейса (например, ISA, PCI и 
т. п.). В терминах сетевых технологий при использовании радиальных шин ПЛК, по существу, является концентратором (hub), 
к которому подключаются микромодули ввода/вывода. 

Эволюция сетевых технологий для автоматизации и управления в течение 1980—2001 гт. заключалась в переходе от непосредственного присоединения средств связи с объектом (ССО) к го
SAN — System area network (системная сеть). 
" Infiniband — бесконечная полоса частот (широкополосность). 

7 

ловной ЭВМ (host-computer) к непосредственному присоединению ССО к микроконтроллеру в составе ПЛК, который, в свою 
очередь, связан через сетевой интерфейс с головной ЭВМ. При 
этом также используется непосредственное присоединение к головной ЭВМ. 

После принятия в 1984 г. стандарта ISO* «Системы обработки 
информации. Взаимосвязи в открытой системе. Базовая эталонная 
модель» начался интенсивный переход к открытым ИАСУ на основе 7-уровневой сетевой модели. Идея многоуровневого открытого соединения состояла в создании модели, в рамках которой 
могут быть использованы уже существующие протоколы. 

В 90-х годах в связи с тем, что существенная распределенность в пространстве объектов, охватываемых АСУТП, стала нормой, а также тенденцией удешевления СВТ, сетевые средства начинают доминировать по стоимости над средствами вычислительной техники (СВТ). Основой СВТ становятся относительно 
дешевые персональные ЭВМ, а также одноплатные микроконтроллеры и микроРС на базе СБИС для встроенного применения [12, 13]. На основе последних комплексируются ПЛК, а также станции удаленного и распределенного ввода/вывода. 

Развитие концепции супервизорного управления обусловило 
необходимость интеграции ПЛК и упомянутых станций в открытую ИАСУ на базе сетевых технологий и в конечном счете появление ЛПС. Увеличение числа ступеней супервизорного управления в связи с усложнением решаемых задач в АСУ, использование 
наряду со станцией оператора (OS) станций визуализации для технолога, инженера-проектанта (ES), диспетчера и других станций 
привели к необходимости развертывания в ряде случаев отдельной 
локальной производственно-диспетчерской сети (ЛПДС). Одновременно получили широкое развитие локальные административно-технические сети (ЛАТС) на основе IBM PC-совместимых компьютеров, связывающих АРМ управленческих и инженерно-технических работников. При комплексировании ЛАТС используется современный подход фирмы IBM Corp., называемый APPN/ 
HPR, который означает переход от концепции равнозначных 
АРМ к системе АРМ по типу «клиент — сервер», реализующей 
преимущества высокоскоростных сетей [15]. 

' ISO — международная организация по стандартизации. 

8 

В настоящее время применение нижеперечисленных однотипных технических и программных средств, концепций на всех 
ступенях иерархии АСУТП и АСУП, в том числе сетевых средств, 
делает искусственным разделение АСУ на АСУТП и АСУП и 
позволяет перейти к интегрированным АСУ — ИАСУ на основе сетевых технологий. 

К основным однотипным техническим и программным средствам, концепциям относятся: 

• сетевая технология Ethernet; 
• сетевые концепции «клиент—сервер», «издатель — подписчик»; 

• технологии I B M PC (обычное и промышленное исполнение) и IBM PC-совместимых средств для встроенных применений; 

• единое развитое ПО I B M PC; 
• однотипная элементно-конструктивная база (с использованием естественной конвекции без вентилятора) — ИМС КМОПтехнологии, элементов конструкции «Евромеханика» с вертикальным расположением печатных плат; 

• единые принципы автоматической сетевой коммутации и 
маршрутизации, позволяющие эффективно связать ЛПС, ЛПДС и 
ЛАТС. 

В настоящее время открытость ИАСУ понимается шире — 
это не только возможность ее создания на основе совместимых 
аппаратно-программных средств различных фирм-изготовителей, но и гарантия выхода ИАСУ в корпоративные сети, в частности с использованием современных средств телекоммуникаций (Интернет, на базе стандарта GSM и т. п.). 

В отечественной практике АСУТП компенсируют на основе управляющих вычислительных комплексов (УВК), ИАСУ — 
на основе программно-технических комплексов (ПТК). Эволюция сетевых технологий в рамках УВК и ПТК может быть прослежена на опыте разработки в России семейства микроЭВМ СМ 
1800, технические возможности которых приведены в табл. 1 [8]. 

В целом табл. 1 можно прокомментировать следующим образом: 

• прослеживается переход от сетевых технологий «точка к 
точке» (point to point) на основе RS-232 и «токовой петли» к сетевым технологиям «многоточка» (на базе RS-422, RS-485) и 
Ethernet, в том числе на основе волоконно-оптических линий 

9 

о 
з
5 
о 

о « 
— s 

О 
I 

I oo 
T — 

§ 2 

CO 

5 

2 
и 

I oo 
T — 

ca 

3 
о. ч 
i s 
* 
z 

2 и о s 

« QQ гл ca 

га ^ 
— <ч 

I 

о 

S3 
DC 

о 
С 

10