Средства специализированных телекоммуникационных шин и сетей систем управления


В. В. Червинский, О. С. Волуева, В. В. Турупалов







СРЕДСТВА СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ШИН И СЕТЕЙ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ



Учебное пособие для обучающихся образовательных учреждений высшего образования

Под общей редакцией кандидата технических наук, профессора В. В. Турупалова












Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 681.51/.54
ББК 30.2
      4-45




Рецензенты:
доктор технических наук, профессор кафедры автоматики, телемеханики, связи и вычислительной техники, ректор Донецкого института железнодорожного транспорта Чепцов Михаил Николаевич;
доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой прикладной математики Донецкого национального технического университета Павлыш Владимир Николаевич

     Червинский, В. В.
4-45 Средства специализированных телекоммуникационных шин и сетей систем управления : учебное пособие / В. В. 4ервинский, О. С. Волуева, В. В. Турупалов ; под общ. ред. к. т. н., проф. В. В. Турупалова. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 164 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0976-6

     Представлены теоретические сведения по актуальным вопросам проектирования сетей АСУТП промышленного предприятия. Рассматриваются методы проектирования распределенных систем управления промышленного предприятия с целью обеспечения совместимости и интеграции автоматических и автоматизированных систем управления технологическим процессом и других систем и средств управления; принципы организации и основные протоколы информационного обмена в промышленных сетях.
     Учебное пособие предназначено для использования в учебном процессе при подготовке студентов в рамках дисциплин, включающих разделы программирования, технической защиты информации, автоматизации, инфокоммуникаций и радиотехники, электроники и приборостроения, мехатроники и робототехники, управления и системного анализа, а также бизнес-систем.

                                                        УДК 681.51/.54
                                                        ББК 30.2






ISBN 978-5-9729-0976-6

    © 4ервинский В. В., Волуева О. С., Турупалов В. В., 2022
    © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

СОДЕРЖАНИЕ


СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ..........................................5
ВВЕДЕНИЕ...................................................7
ГЛАВА 1. ПРОМЫШЛЕННЫЕ СЕТИ. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ..................8
1.1. Особенности современных систем управления.............8
1.2. Особенности промышленных шин Fieldbus................16
1.3. История развития, современное состояние Fieldbus.....18
Контрольные вопросы.......................................20

глава 2. интерфейсы физического уровня....................22
2.1. Интерфейс RS-232.....................................22
2.2. Интерфейс RS-485.....................................26
2.3. Интерфейс RS-422.....................................37
2.4. Интерфейс «токовая петля»............................38
Контрольные вопросы.......................................42

ГЛАВА 3. ПРОТОКОЛ MODBUS..................................43
3.1. MODBUS over serial line..............................43
   3.1.1. Общее описание Modbus over serial line..........43
   3.1.2. Физический уровень Modbus over serial line......44
   3.1.3. Канальный уровень Modbus over serial line.......46
   3.1.4. Прикладной уровень Modbus over serial line......51
3.2. Протокол Modbus TCP..................................64
Контрольные вопросы.......................................66

ГЛАВА 4. ПРОТОКОЛ PROFIBUS................................68
4.1. Общая характеристика PROFIBUS........................68
4.2. Физический уровень PROFIBUS..........................72
4.3. Канальный уровень PROFIBUS...........................87
4.4. Прикладной уровень PROFIBUS DP.......................91
   4.4.1. Общие сведения о коммуникационном протоколе DP..91
   4.4.2. Базовые функции DP-V0...........................93
   4.4.3. ВерсияDP-V1.....................................99
   4.4.4. Версия DP-V2...................................102
Контрольные вопросы......................................103

ГЛАВА 5. ШИНА CAN........................................105
5.1. Основные сведения о CAN.............................105
5.2. Физический уровень CAN..............................107
5.3. Канальный уровень CAN...............................110


3

СОДЕРЖАНИЕ

5.4. Протоколы верхнего уровня.................................114
Контрольные вопросы............................................116

ГЛАВА 6. ПРОТОКОЛ AS-I.........................................117
6.1. Общее описание протоколaAS-1..............................117
6.2. Компоненты сети AS-1......................................118
6.3. Информационный обмен в сети AS-1..........................123
Контрольные вопросы............................................126

ГЛАВА 7. INDUSTRIAL (ПРОМЫШЛЕННЫЙ) ETHERNET....................127
7.1. Особенности Ethernet в сетях офисной и промышленной связи.127
7.2. Особенности промышленного Ethernet........................130
7.3. Протоколы верхних уровней Industrial Ethernet.............134
Контрольные вопросы............................................137

ГЛАВА 8. ПРОТОКОЛ PROFINET.....................................138
8.1. Основные сведения о Profinet..............................138
8.2. Коммуникации реального времени............................140
8.3. Profinet IO - система распределенных входов/выходов (Distributed I/O)........................................148
8.4. Топология и резервирование Profinet.......................155
Контрольные вопросы............................................158

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................159


4

        СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ                                           
ASI     Asynchronous serial interface. Асинхронный последовательный 
        интерфейс;                                                  
CAN     Controller AreaNetwork. Сеть контроллеров;                  
DCE/ОПД Data Communications Equipment. Оборудование передачи дан-   
        ных;                                                        
DTE/ООД DataTerminal Equipment. Оконечное оборудование данных;      
DDLM    Direct Data Link Mapper. Прямой преобразователь канальных   
        данных;                                                     
DP      Decentralized Peripherals. Децентрализованная периферия;    
EIA     Electronics Industries Association. Ассоциациия электронной 
        промышленности;                                             
ERP     Enterprise Resource Planning. Планирование ресурсов предпри-
        ятия;                                                       
FMS     Fieldbus Message Specification. Спецификация сообщения по-  
        левой шины;                                                 
FO/ВО   Fiber Optic. Волоконно-оптический;                          
IE      Industrial Ethernet. Промышленный Ethernet;                 
IEC/МЭК International Electrotechnical Commission. Международная    
        электротехническая комиссия;                                
LAN     Local Area Network. Локальная вычислительная сеть;          
LLI     Lower Layer Interface. Интерфейс нижнего уровня;            
MBP     Manchester Coded + Bus Powered. Манчестерское кодирова-     
        ние + питание через шину;                                   
MES     Manufacturing Execution System. Производственная исполни-   
        тельная система;                                            
OSI     Open System Interconnection. Взаимодействие открытых си-    
        стем;                                                       
PA      Process Automation. Автоматизированный процесс              
PC/ПК   Персональный компьютер;                                     
PLC/ПЛК Программируемый логический контроллер;                      
SCADA   Supervisory Control And Data Acquisition. Диспетчерское     
        управление и сбор данных;                                   
TIA     Telecommunications Industry Association. Ассоциация телеком-
        муникационной индустрии;                                    

5

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

TCP/IP Transmission Control Protocol / Internet Protocol. Протокол
       управления передачей / Протокол Internet;                  
АСУ    Автоматизированная система управления;                     
АСУП   Автоматизированная система управления предприятием;        
АСУ ТП Автоматизированная система управления технологическим      
       процессом;                                                 
БП     Блок питания;                                              
ИК     Инфракрасный;                                              
САУ    Система автоматического управления;                        
УСО    Устройство связи с объектом;                               
ЧМИ    Человеко-машинный интерфейс;                               
ЧПУ    Числовое программное управление.                           

6

        ВВЕДЕНИЕ


     Системы управления и автоматизации современных промышленных предприятий и сложных технических объектов имеют, как правило, распределенную архитектуру, узлами которой выступают различные микропроцессорные интеллектуальные устройства: датчики, исполнительные механизмы, программируемые логические контроллеры, станки с числовым программным управлением, промышленные компьютеры и т. д. Объединение данных устройств в единую систему осуществляется при помощи специализированных телекоммуникационных шин и сетей. Такие сети промышленного применения (fieldbus) характеризуются поддержкой функций реального времени, повышенной надежностью передачи данных в среде с высоким уровнем электромагнитных помех, детерминированностью поведения, наличием разъемов с высоким уровнем защиты и т. д.
     В настоящее время для организации специализированных шин и сетей используются десятки технологий и протоколов. Они дают возможность строить распределенные системы управления и автоматизации, ориентированные на специфические производства, например, химическое или машиностроение, на оборудование конкретных производителей, на национальные стандарты, на решение конкретных задач, например: системы управления на транспорте, медицинское диагностическое оборудование, «умный дом» и т. д. В качестве наиболее распространенных протоколов промышленных шин и сетей можно назвать: DeviceNet, Profibus, FIP, ASI, Modbus, ControlNet, Profinet, CAN, Interbus-S, P-NET, WorldFIP и т. д.
     Эти технологии получили широкое распространение на промышленных объектах. Целью данного пособия является ознакомление студентов с протоколами и технологиями специализированных шин и сетей.
     Учебное пособие состоит из восьми разделов, в которых рассматриваются общие вопросы построения и функционирования таких промышленных телекоммуникационных шин и сетей, как: Modbus, ASI, Profibus, Industrial Ethernet, Profinet и CAN, а также интерфейсов RS-232, RS-485, RS-422 и «токовая петля».
     Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки в рамках укрупненных групп 02.00.00 «Компьютерные и информационные науки», 09.00.00 «Информатика и вычислительная техника», 10.00.00 «Информационная безопасность», 11.00.00 «Электроника, радиотехника и системы связи», 12.00.00 «Фотоника, приборостроение, оптические и биотехнические системы и технологии», 15.00.00 «Машиностроение», 27.00.00 «Управление в технических системах» и 38.00.00 «Экономика и управление».

7

ГЛАВА 1

        ПРОМЫШЛЕННЫЕ СЕТИ. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ

     1.1. Особенности современных систем управления

     Современные системы управления делятся на два типа:
     - системы автоматического управления (САУ);
     - автоматизированные системы управления (АСУ).
     В САУ управление объектом, процессом или системой осуществляется устройствами автоматики без непосредственного участия человека.
     В АСУ в контур управления включен человек, на которого возлагаются функции принятия решений. Существует большое разнообразие АСУ: производственные, финансовые, административные и т. д. Рассматривая автоматизированные системы управления производством, выделим:
     - автоматизированные системы управления предприятием (АСУП);
     -      автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП).
     АСУП предназначены для автоматизации функций управленческого персонала.
     АСУТП служат для автоматизации функций производственного персонала. Они контролируют и используют данные, определяющие состояние технологического оборудования и обеспечивают требуемый режим протекания технологических процессов. Эти системы также называют системами промышленной автоматизации.
     Интегрированные АСУ охватывают все уровни АСУП и АСУТП и используются для автоматизации основных функций предприятия, охватывая весь цикл работ от планирования производства и проектирования продукции до сбыта или утилизации продукции.
     В основе современной АСУ (особенно промышленной) лежит промышленная коммуникационная сеть, которая представляет собой многоуровневую сеть передачи данных. Верхний уровень может быть представлен, например, компьютерами (автоматизированные рабочие места, серверы и т. п.), нижний - датчиками, приборами, механизмами и т. д. При этом все устройства промышленной сети осуществляют постоянный обмен данными на основе промышленных телекоммуникационных технологий.


8

ГЛАВА 1. ПРОМЫШЛЕННЫЕ СЕТИ. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ

     Основной сферой применения промышленных телекоммуникационных технологий являются системы промышленной автоматизации, хотя круг применения таких технологий намного более широкий:
     -  промышленные предприятия;
     -  транспорт (системы управления двигателем, безопасностью и т. д.):
     -  системы жизнеобеспечения зданий («умный дом»);
     -  научно-исследовательские лаборатории;
     -  медицинское диагностическое оборудование;
     -  военная сфера;
     -  строительные машины и т. д.

     Комплексные системы автоматизации производства


     Управление в промышленности, как и в любых сложных системах, имеет иерархическую структуру. В общей структуре управления производством выделяют несколько иерархических уровней, условно представленных на рис. 1.1.


Control Level

Supervisory Control and Data Acquisition

Manufacturing Execution Systems

Manufacturing Resource Planning

Enterprise Resource Planning

MES

SCADA

Control

Input / Output

АСУ П

АСУ ТП

MRP ERP

Планирование ресурсов предприятия (бухгалтерия, маркетинг и т.д.) Управление ресурсами предприятия


Система исполнения производства (управление технологией)



Диспетчерская система сбора данных и управления


Input / Output Level

Сбор данных и непосредственное управление процессом/ объектом____________
Ввод-вывод данных процесса (датчики/ исполнительные
механизмы


                Объект управления / технологический процесс


Рисунок 1.1 - Общая структура системы управления производством


      К АСУП относятся системы планирования производства и требований к материалам MRP (Manufacturing Requirement Planning) и планирования и управ

9

СРЕДСТВА СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ШИН И СЕТЕЙ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

ления предприятием ERP (Enterprise Resource Planning). Системы ERP выполняют различные бизнес-функции, связанные с планированием производства, закупками, сбытом продукции, анализом перспектив маркетинга, управлением финансами, персоналом, складским хозяйством, учетом основных фондов и т. п. Системы MRP ориентированы, главным образом, на бизнес-функции, непосредственно связанные с производством.
     К АСУП также относят производственную исполнительную систему MES (Manufacturing Execution Systems), предназначенную для решения оперативных задач управления производством.
     АСУТП обычно подразделяют на три уровня. Верхний уровень - система SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), выполняющая диспетчерские функции (сбор и обработка данных о состоянии оборудования и технологических процессов). Непосредственное программное управление технологическим оборудованием осуществляется уровнем Control level с помощью системы CNC (Computer Numerical Control) на базе отдельных контроллеров, специализированных промышленных компьютеров или контроллеров, которые встроены в технологическое оборудование. Системы CNC называют также встроенными компьютерными системами. Самый нижний уровень предназначен для организации связи между технологическим объектом и управляющими устройствами (компьютерами). На этом уровне используются так называемые устройства связи с объектом (УСО). Основными устройствами данного уровня выступают датчики и исполнительные устройства.
     Таким образом, в уровень АСУТП могут входить следующие функциональные типы устройств:
     - датчики и исполнительные устройства;
     - управляющие устройства (контроллеры и т. п.);
     - устройства человеко-машинного интерфейса;
     - программаторы, устройства диагностирования, конфигурирования и т. д.
     Между этими устройствами организуется информационный обмен посредством промышленных телекоммуникационных технологий.
     Информационный обмен между подсистемами различных уровней имеет свои особенности. Поэтому на верхних уровнях АСУП применяют офисные телекоммуникационные технологии. В подавляющем большинстве случаев это локальные вычислительные сети на базе технологии Ethernet, имеющие выход во внешние глобальные сети, например, в Интернет или корпоративные сети. Телекоммуникационная технология построения информационной сети, объединяющей подсистемы АСУТП, определяется термином fieldbus (полевая шина, или промышленная сеть).

10

ГЛАВА 1. ПРОМЫШЛЕННЫЕ СЕТИ. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ

     Типовые примеры использования промышленных телекоммуникационных технологий:

     Связь контроллера с устройствами уровня управляемого процесса (датчиками/исполнительными механизмами)
     На самом нижнем уровне иерархии промышленного автоматизированного комплекса - уровне управляемого процесса обычно используется огромное количество датчиков и исполнительных механизмов, каждый из которых соединяется с управляющим устройством посредством отдельной 2-х проводной линии связи, что в совокупности требует развитой сети соединительных кабелей (рис. 1.2). Датчики и исполнительные механизмы оперируют с унифицированными сигналами, например, 4...20 мА.

контроллер

Сложный протяженный объект управления
|Д] — датчик и исполнительный механизм с унифицированным сигналом

Рисунок 1.2 - Подключение датчиков и исполнительных механизмов к управляющему устройству посредством отдельных линий связи

     Недостатки данного способа:
     -       неудобство эксплуатации большого количество многожильных кабелей, поскольку аналоговая технология передачи требует, чтобы каждое устройство имело собственный набор проводов и собственную точку соединения;
     -       вносимые электромагнитные искажения в передаваемый сигнал на длинных линиях;
     - неэкономичность.

11

СРЕДСТВА СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ШИН И СЕТЕЙ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ —
     Для устранения данных недостатков возможно использование промышленной коммуникационной технологии, например, AS-i или Profibus РА, когда вместо шлейфа из проводов используется одна шина, к которой подключаются интеллектуальные датчики и исполнительные механизмы, оборудованные сетевым интерфейсом. Также в такой сети возможна подача питания на такие устройства посредством того же информационного кабеля.
     Данное положение наглядно представлено на рис. 1.3.

Рисунок 1.3 - Подключение датчиков и исполнительных механизмов к управляющему устройству посредством промышленной шины

     Распределенный ввод/вывод
     При построении больших систем управления с большим количеством датчиков и исполнительных механизмов, с существенным расстоянием между ними и контроллером, становится неудобным их подключение к модулям ввода/вы-вода, расположенным непосредственно на контроллере. В этом случае становится эффективным использование системы распределённого или децентрализованного ввода вывода для создания разветвлённой масштабируемой системы управления(рис. 1.4).
     Это позволяет сэкономить на кабеле и объёме монтажных работ. Такие системы состоят из нескольких станций удаленного ввода/вывода с интерфейсом подключения к промышленной шине (Profibus DP, Industrial Ethernet) посредством которой происходит обмен данными процесса с контроллером. В станциях устанавливаются модули ввода/вывода. Сами станции стараются расположить максимально близко к объекту. Преимущества такого подхода:

12