Промышленные сети

Министерство науки и высшего образования 
Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени Первого Президента России Б. Н. Ельцина

А. А. Титаев

ПРОМЫШЛЕННЫЕ СЕТИ

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся
по направлениям подготовки
27.03.04 — Управление в технических системах,
09.03.01 — Информатика и вычислительная техника,
09.03.04 — Программная инженерия

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2020

УДК 681.5(075.8)
ББК 32.965я73
          Т45
Рецензенты:
кафедра физики Уральского государственного горного университета (завкафедрой д­р физ.­мат. наук, проф. И. Г. Коршунов);
старший научный сотрудник Института теплофизики УрО РАН, канд. 
физ.­мат. наук, А. А. Старостин

Научный редактор — канд. техн. наук., доц. В. И. Паутов

 
Титаев, А. А.
Т45    Промышленные сети : учеб. пособие / А. А. Титаев ; Мин­во науки 
и высшего образования РФ. — Екатеринбург: Изд­во Урал. ун­та, 2020. — 
124 с.

ISBN 978­5­7996­2985­4

В пособии рассмотрены интерфейсы и протоколы промышленных сетей, применяемые в области автоматизации технологических процессов и производств. 
Для каждой из приведенных технологий даны описание, характеристики, области 
применения. Приведены примеры программирования обмена между устройствами с использованием рассмотренных протоколов на языках С++ и С#.

Библиогр.: 21 назв. Табл. 15. Рис. 33.

УДК 681.5(075.8)
ББК 32.965я73

Учебное издание

Титаев Александр Анатольевич

ПРОМЫШЛЕННЫЕ СЕТИ

Редактор О. С. Смирнова
Верстка О. П. Игнатьевой

Подписано в печать 25.02.2020. Формат 70×100/16.
Бумага офсетная. Цифровая печать. Усл. печ. л. 10,0.
Уч.­изд. л. 6,3. Тираж 30 экз. Заказ 43.

Издательство Уральского университета
Редакционно­издательский отдел ИПЦ УрФУ. 620049, Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 5
Тел.: +7 (343) 375­48­25, 375­46­85, 374­19­41. E­mail: rio@urfu.ru

Отпечатано в Издательско­полиграфическом центре УрФУ
620083, Екатеринбург, ул. Тургенева, 4. Тел.: +7 (343) 358­93­06, 350­58­20, 350­90­13
Факс: +7 (343) 358­93­06. http://print.urfu.ru

ISBN 978­5­7996­2985­4 
© Уральский федеральный

 
     университет, 2020

Содержание

Предисловие ........................................................................................... 5

1. Общие сведения о технологиях передачи данных .............................. 6

1.1. История развития сетей ............................................................. 6
1.2. Модель взаимодействия открытых систем (МВОС)................. 8
1.3. Специфика применения сетей для промышленной 
        автоматизации .......................................................................... 10
Контрольные вопросы .................................................................... 12

2. Физические интерфейсы промышленных сетей ............................... 14

2.1. Характеристики линии связи................................................... 14
2.2. Интерфейс последовательной передачи RS­232 ..................... 15
2.3. Интерфейс последовательной передачи RS­485 ..................... 19
2.4. Протоколы промышленных сетей на базе 
        Ethernet­технологии ................................................................. 19
Контрольные вопросы .................................................................... 24

3. Протокол MODBUS ........................................................................ 25

3.1. Протокол MODBUS RTU ........................................................ 25
3.2. Протокол MODBUS TCP ........................................................ 27

3.2.1. Организация доступа к серверу посредством 
           работы с сокетами ........................................................... 28
Контрольные вопросы .................................................................... 33

4. Протокол PROFIBUS ...................................................................... 35

4.1. Обзор стандарта ........................................................................ 35
4.2. Физический уровень ................................................................ 35
4.3. Канальный уровень .................................................................. 39
4.4. Уровень приложения ............................................................... 45
4.5. Версии протокола PROFIBUS ................................................. 46
Контрольные вопросы .................................................................... 47

Содержание

5. Протоколы АСУТП на базе стандарта ETHERNET ........................ 49

5.1. Обзор технологии Ethernet с точки зрения 
        промышленных сетей .............................................................. 49
5.2. Стандарт PROFINET ............................................................... 51
5.3. Протокол POWERLINK .......................................................... 62
5.4. Протокол EtherNet/IP .............................................................. 66
5.5. Протокол EtherCAT ................................................................. 69
Контрольные вопросы .................................................................... 71

6. Аппаратно-независимый протокол OPC .......................................... 72

6.1. История развития ..................................................................... 72
6.2. Cтандарт OPC DA .................................................................... 75

6.2.1. Описание технологии COM применительно 
            к стандарту OPC ............................................................. 76
6.2.2. Структура OPC­сервера .................................................. 78
6.2.3. Алгоритм взаимодействия клиента с сервером ............. 83
6.2.4. Особенности реализации для платформы .NET ........... 85

6.3. Cтандарт OPC UA .................................................................... 85

6.3.1. Общие положения .......................................................... 85
6.3.2. Безопасность обмена ...................................................... 90
6.3.3. Модель адресного пространства .................................... 93
6.3.4. Взаимодействие между клиентом и сервером ............... 97
6.3.5. Набор библиотек для работы с OPC UA .......................100
6.3.6. Установление соединения с OPC UA­сервером, 
            используя приложение­клиент на С# ..........................103
6.3.7. Получение данных с OPC UA­сервера, 
            используя приложение­клиент на С# ..........................111
6.3.8. Передача данных в OPC UA­сервер, 
            используя приложение­клиент на С# ..........................117
6.3.9. Получение данных по подписке от OPC UA­сервера, 
            используя приложение­клиент на С# ..........................119
Контрольные вопросы ...................................................................122

Библиографический список .................................................................123

Предисловие

Д

анное учебное пособие охватывает не только общетехнические аспекты сетей передачи данных, но и сконцентрировано на темах применения сетей в промышленной автоматизации технических систем. В связи с этим студентам специальности 
«Управление и информатика в технических системах» требуются знания специфических протоколов и интерфейсов, реализующих передачу данных в режимах, близких к режимам реального времени.
Структурно пособие состоит из шести разделов: в первом разделе 
дается общий обзор существующих технологий, использующихся при 
построении сетей промышленной автоматики; второй раздел посвящен физическим технологиям передачи данных, их преимуществам 
и недостаткам; разделы с третьего по пятый описывают наиболее часто 
используемые протоколы, позволяющие организовать обмен данными 
по сети с учетом требований к проектируемой системе. Раздел шесть 
посвящен перспективному аппаратно­независимому протоколу OPC.
Содержание пособия охватывает следующие темы: характеристики линии связи; протоколы физического уровня для передачи данных 
по двухпроводной линии связи (RS­232 и RS­485); протоколы физического уровня на базе группы стандартов Ethernet, включая медные 
и оптические носители; логические протоколы, базирующиеся на физическом стандарте RS­485 (MODBUS, PROFIBUS); логические протоколы, поддерживающие передачу информации по линиям Ethernet 
(MODBUS TCP, PROFINET, RT Ethernet); аппаратно­независимый 
протокол сбора данных OPC.
Последовательность и полнота изложения собранного в пособии 
материала были опробованы при чтении курса «Информационные 
сети и телекоммуникации».

1. Общие сведения  
о технологиях передачи данных

1.1. История развития сетей

Область автоматизации технологических процессов активно развивается на протяжении последних десятилетий. Исторически первыми появились локальные аналоговые системы управления, получающие данные с датчиков в виде аналоговых значений, преобразованных 
в электромагнитную форму (ток, напряжение), и работающие независимо друг от друга. Задача передачи данных в этом случае была тривиальной и не требовала специфических решений. По мере усложнения 
систем автоматики возникло сразу несколько потребностей:
· сбор информации с большого количества разнесенных в пространстве датчиков. Классический подход требовал бы прокладки линии от каждого из датчиков к управляющему устройству, 
что увеличивало протяженность кабельных трасс и усложняло их 
монтаж;
· взаимодействие нескольких управляющих устройств между собой путем обмена информацией;
· построение иерархических АСУ ТП, включающих как уровень 
управляющих устройств, так и верхний уровень управления с участием человека [1, c. 7].
Эти потребности привели к возникновению сетей обмена данными, ориентированных на использование в промышленной автоматике 
(Fieldbus). Развитие таких сетей идет параллельно с развитием локальных сетей общего назначения, и зачастую заимствует из них некоторые наиболее успешные технологии.
Одним из ранних стандартов для обмена данными является принятый Международной электротехнической комиссией (МЭК — 

1.1. История развития сетей

IEC) в 1960 г. стандарт RS­232 для соединения типа «точка­точка» 
двух устройств по последовательному асинхронному каналу данных. Несмотря на долгий срок жизни, данный стандарт до сих пор 
используется в простых случаях для соединения устройств промышленной автоматики.
Первые централизованные попытки стандартизации промышленных сетей были предприняты в 1984 г. в виде проекта стандарта IEC 
61158, в котором определялись требования для открытой промышленной сети, устройств удаленного ввода/вывода, контроллеров, согласующих устройств. Однако принятие этого стандарта состоялось 
только в 2003 году. В 1989 г. организацией BMBF (Германское федеральное министерство по исследованиям и технологии) была разработана спецификация открытой промышленной сети, получившей 
название PROFIBUS (PROcess Field BUS), в основу которой легла модель ISO/OSI, принятая ранее. Позднее эту спецификацию использовал в производстве своего оборудования немецкий концерн Siemens, 
что позволило ей выйти на мировой рынок. В 1991 г. спецификация 
PROFIBUS получила статус немецкого национального стандарта 
DIN 19245, а позднее вошла как часть в IEC 61158. В 1996 г. стандарт 
PROFIBUS был оформлен в виде европейского стандарта промышленной сети (European Fieldbus Standard) EN 50170. В связи с распространением Ethernet­технологий был создан консорциум фирм, поставивший цель разработать аналог протокола PROFIBUS для Ethernet­сетей. 
Такой протокол получил название PROFINET и вошел в одну из редакций стандарта IEC 61158. Стандарт определяет работу протоколов 
на физическом, канальном и прикладном уровнях модели OSI.
Параллельно стандарту PROFIBUS шло развитие других протоколов для промышленной автоматизации. В 1979 г. фирмой Modicon 
(впоследствии Schneider Electric) был представлен стандарт MODBUS 
для обмена в режиме “ведущий­ведомый” между производимыми ею 
ПЛК. Впоследствии фирма открыла спецификацию протокола для всех 
желающих, что способствовало повышению популярности его использования вплоть до настоящего времени. Наряду с MODBUS широко 
используются другие стандарты (CANBUS, BitBUS, ASI).
Для взаимодействия компьютеров под управлением Windows с промышленными устройствами (обычно ПЛК) в 1996 г. был разработан стандарт OPC (OLE for Process Control). Для поддержки стандарта была создана организация OPC Foundation, включающая в себя 

1. Общие сведения о технологиях передачи данных 

производителей промышленного автоматизирующего оборудования. 
Основное преимущество OPC состоит в том, что за счет открытости 
стандарта компьютер под управлением ОС Windows может получать 
данные с контроллеров различных производителей, поддерживающих 
этот стандарт. Преимущественно используется для построения систем верхнего уровня автоматизации (SCADA­систем). Первые версии стандарта были основаны на разработанных Microsoft технологиях OLE (Object Linking and Embedding), COM, DCOM. Однако с целью 
устранения зависимости стандарта от продуктов компании Microsoft 
с 2010 г. развивается спецификация OPC UA (Unified Architecture), закрепленная в стандарте IEC 62541.

В целом необходимо отметить, что, в отличие от сетей общего назначения, стандартизация сетей промышленной автоматики еще не закончила свое формирование и развивается под давлением отдельных 
групп компаний­производителей, отстаивающих свои интересы при 
разработке международных стандартов.

1.2. Модель взаимодействия открытых систем (МВОС)

В процессе развития сетевых технологий возникла потребность 
в едином иерархическом стандарте, описывающем взаимодействие 
по сети программ и устройств, выпущенных разными производителями. Ответом на эту потребность стала разработанная в 1978 г. Международной организацией по стандартизации (International Standard 
Organization) модель взаимодействия открытых систем (МВОС, Open 
System Interconnection, OSI model) [2, c. 124; 3, c. 57], описывающая 
общую концепцию взаимодействия сетевых устройств и технологий. 
Модель состоит из семи уровней, начиная от наиболее приближенного к физической среде передачи физического уровня и заканчивая 
наиболее удаленным от среды прикладным уровнем. В табл. 1 представлены все уровни.
На каждом из узлов, подключенных к сети, имеется программно­аппаратное обеспечение, реализующее работу на каждом из уровней модели OSI. При необходимости передачи данных они проходят каждый 
из уровней, начиная с седьмого и кончая первым на узле­источнике. 
При этом на каждом уровне полезные данные дополняются служеб

1.2. Модель взаимодействия открытых систем (МВОС)

ной информацией, специфичной для этого уровня. После прохождения физического уровня данные преобразуются оборудованием в последовательность бит и передаются в линию связи. В узле­приемнике 
полученные из линии связи данные передаются с физического на вышележащие уровни (в обратной последовательности). Схематический 
пример такой передачи представлен на рис. 1.

Таблица 1
Уровни модели МВОС (OSI)

№ уровня
Название
Описание

7
Прикладной
Решение прикладных задач (обмен файлами, почта, 
web и т. д.)

6
Представления Изменение представления данных, включая кодирование, шифрование, сжатие
5
Сеансовый
Управление сеансом обмена данными

4
Транспортный
Надежная передача последовательности данных 
между узлами включая сегментацию, подтверждение данных.

3
Сетевой
Построение сети с многими узлами, включая адресацию и маршрутизацию.

2
Канальный
Надежная передача между двумя узлами, соединенными одной физической средой передачи

1
Физический
Прием и передача данных с учетом физической природы среды передачи

Прикладной

Представления

Сеансовый

Транспортный

Сетевой

Канальный

Физический

Прикладной

Представления

Сеансовый

Транспортный

Сетевой

Канальный

Физический
Линия связи
Кадр канального уровня

Пакет сетевого уровня

Пакет транспортного ур.

Последовательность

бит

Рис. 1. Иллюстрирующий пример взаимодействия уровней модели OSI  
при передаче данных

1. Общие сведения о технологиях передачи данных 

Совокупность протоколов, описывающих обмен данными на всех 
этих уровнях, называется стеком протоколов.
Промышленные протоколы связи, использующие специфическую 
физическую среду, как правило, определяют взаимодействие на 1, 2 
и 7 уровнях [4, c. 11]. Остальные уровни не применяются ввиду простоты задачи. Если же промышленный обмен данными идет поверх 
обычной локальной сети, то применяется полный стек протоколов, 
присущий конкретной локальной сети. Специфика обмена сосредоточена в этом случае только на седьмом (прикладном) уровне.

1.3. Специфика применения сетей  
для промышленной автоматизации

Область управления технологическими процессами сформировалась как отдельный раздел техники достаточно давно. За такими системами закрепилось исторически сложившееся название «Автоматизированная система управления технологическими процессами» 
(АСУ ТП). В настоящее время в связи с развитием цифровой техники 
данная система имеет иерархическую структуру (рис. 2).

Уровень человеко-машинного
интерфейса для управления процессом

Уровень управления на базе
 промышленных контроллеров

Уровень датчиков и исполнительных
механизмов

Рис. 2. Уровни иерархии системы АСУ ТП

Для функционирования системы все уровни должны иметь каналы связи как между уровнями, так и между объектами одного уровня. 
Таким образом, задача обмена информацией между агентами автоматизации является ключевой для успешного проектирования и внедрения систем АСУ ТП [5, c. 71]. Сети обмена данными в этом случае 
часто называются сетями промышленной автоматизации (СПА) или 
промышленными сетями. Можно выделить несколько функций СПА:

1.3. Специфика применения сетей для промышленной автоматизации 

· передача информации от датчиков и исполнительных механизмов к управляющему контроллеру;
· обмен информацией между контроллерами, отвечающими за различные части технологического процесса;
· передача данных от контроллера на уровень человеко­машинного интерфейса (Human­Machine Interface — HMI).
Для каждой из вышеприведенных функций разработана своя группа сетевых решений, отличающаяся требованиями к обмену данными.
Критериями обмена данными являются:
· скорость обмена;
· максимальная протяженность сети;
· время получения информации (время цикла обмена);
· максимальное количество устройств, которое может быть подключено к сети.
Рассмотрим эти критерии более подробно.
Скорость обмена. В СПА, соединяющих ПЛК с нижним уровнем 
автоматизации, основное содержание передаваемой информации 
представляет собой показания датчиков и команды исполнительным 
механизмам. Этот объем информации невелик для средних систем 
автоматизации (содержащих до нескольких сотен датчиков), однако следует принимать во внимание требуемое время обновления показаний: быстроуправляемые системы (например, подвижные высокоскоростные объекты) могут требовать увеличения скорости обмена 
между контроллером и датчиками, что потребует увеличения скорости обмена по сети.
Например, типичными скоростями при обмене по специализированным сетям в АСУ ТП в области теплотехники и металлургии являются 
скорости 1–10 Мбит/с. СПА для пересылки данных на АРМ оператора (HMI­системы) более требовательна к скорости, т. к. объем информации, предоставляемый контроллером для системы верхнего уровня 
(SCADA­системы), как правило, включает в себя не только показания 
датчиков, но и информацию о состоянии технологического процесса 
(режимы работы, отсчитанные временные интервалы для прошедших 
или предстоящих событий, обработанные статистические данные и т. п). 
В связи с этим требования к скорости таких СПА приближаются к характеристикам современных локальных сетей: до 100 Мбит/с.
Максимальная протяженность сети. Так как промышленные сети, 
как правило, прокладываются в больших производственных помеще

1. Общие сведения о технологиях передачи данных 

ниях (заводских цехах), они предъявляют повышенные требования 
к максимальным допустимым расстояниям между узлами. Установка контроллера зачастую невозможна в непосредственной близости 
от объекта управления, на котором локализовано подавляющее большинство датчиков и исполнительных механизмов. Следовательно, 
СПА должна поддерживать работу с длинными линиями передачи 
данных (до нескольких километров).
Время цикла обмена. Данный параметр определяется, исходя из следующих характеристик оборудования: скорости работы датчиков и ИМ, 
скорости работы контроллера, требований к системе управления объектом. Очевидно, что если датчик обеспечивает низкую скорость измерения параметра, использование более быстрого цикла его опроса 
нецелесообразно. В другой ситуации для быстроменяющихся характеристик объекта требуется оперативная передача данных к управляющему контроллеру, а значит и малое время цикла обмена. Однако, 
в любом случае, быстродействие управления будет ограничено скоростью работы контроллера. Для СПА, передающих данные на верхний уровень, время цикла обмена не так важно, как для управляющего процессом оборудования.
Максимальное количество устройств. Среди устройств, вступающих 
в сетевое взаимодействие, можно выделить следующие: управляющие 
контроллеры, агрегирующие показания датчиков вспомогательные 
контроллеры (удаленная периферия), интеллектуальные измерительные и исполнительные устройства, имеющие свой выход в сеть (частотные приводы, интегрированные узлы учета и т. п.), промышленные ПК и панели оператора. Общее количество устройств для больших 
АСУ ТП может достигать десятков и сотен. Таким образом, требуется, чтобы архитектура СПА позволяла подключиться и бесперебойно 
функционировать большому количеству устройств.

Контрольные вопросы

1. Каковы основные этапы развития технологии сетей передачи 
данных?

2. Какой международный стандарт описывает требования к открытой промышленной сети передачи данных?