Программирование и конфигурирование промышленных сетей

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 
Н.П. Деменков 
 
 
ПРОГРАММИРОВАНИЕ  
И КОНФИГУРИРОВАНИЕ  
ПРОМЫШЛЕННЫХ СЕТЕЙ 
 
 
 
Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2010 
 

УДК 621.318(075.8)  
ББК 32.965 
Д30 
Р е ц е нз е н ты :  
В.Е. Платонова, Б.Г. Трусов 
Д30
 
Деменков Н.П.  
  
 
       Программирование и конфигурирование промышленных 
сетей : учеб. пособие / Н.П. Деменков. — М.: Изд-во МГТУ  
им. Н.Э. Баумана, 2010. — 114, [2] с. : ил. 
 
Изложены вопросы программирования и конфигурирования 
промышленных сетей Modbus, Modbus Plus, Ethernet  и др. 
Для студентов, изучающих курсы «Управление в технических 
системах», «Основы автоматики и системы автоматического управления», «Проектирование интегрированных систем управления 
производственными процессами», «Управляющие ЭВМ и комплексы», «Алгоритмическое и программное обеспечение систем управления». Настоящее издание будет полезным также для научных работников, инженеров, аспирантов и студентов старших курсов 
технических университетов. 
 
УДК 621.318(075.8)  
ББК 32.965 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010 
 

ВВЕДЕНИЕ 
Основные предпосылки, вызывающие в настоящее время повсеместный переход разработчиков систем управления к применению распределенных сетевых технологий, следующие. 
Во-первых, изделия из кремния дешевеют, изделия из меди дорожают. За последние годы эта тенденция стала особенно заметна. 
Прошли те времена, когда нормой считался огромный шкаф,  
напичканный автоматикой, из которого выходят пучки кабелей, 
ведущих к датчикам и исполнительным механизмам. Сегодня в 
большинстве случаев становится более экономически целесообразной установка на площади цеха или участка нескольких локальных контроллеров или интеллектуальных устройств сопряжения с объектом (УСО), объединенных в сеть, чем прокладка 
разветвленных кабельных систем. 
Во-вторых, стоимость работ по установке, тестированию, вводу в эксплуатацию и сопровождению централизованной системы 
гораздо выше, чем распределенной. Количество проводных соединений в централизованной системе как минимум в 2 раза больше, 
нежели распределенной. 
В многочисленных кроссовых клеммных колодках многократно возрастает вероятность ошибки при монтаже проводников и 
усложняется поиск и устранение неисправностей. Если же в составе объекта управления появляется еще несколько входных или выходных каналов, то добавление новых линий связи к уже проложенной кабельной системе — занятие не простое. 
В-третьих, налицо растущая потребность в распределенном 
интеллекте. Сегодня, когда микропроцессоры и другие специализированные микросхемы стали достаточно дешевыми, стало целесообразным выделять в общей системе управления отдельные  
локальные задачи, решение которых поручается локальным кон 
3 

троллерам. Контур управления, таким образом, замыкается на 
нижнем уровне. Сеть же позволяет контроллерам в качестве аргументов для вычисления управляющего вектора использовать переменные других контроллеров, обеспечивая связанность системы 
управления в целом. Такая архитектура существенно увеличивает 
производительность, надежность и масштабируемость систем. 
Кроме того, современные исполнительные механизмы, как правило, уже сами являются интеллектуальными и законченными субъектами промышленных сетей. 
Fieldbus — термин, который в русском переводе означает 
«промышленная шина». Fieldbus — это не какой-то определенный 
протокол передачи данных и не тип сетевой архитектуры. Этот 
термин не принадлежит ни одной отдельно взятой компании и 
обозначает, скорее, сферу применения, чем какую-либо конкретную сетевую технологию.  
Промышленные сети — это сегмент рынка, где сталкиваются 
интересы крупнейших корпораций, создаются и внедряются самые 
передовые технологии, ведется война стандартов, появляются новые участники и стараются удержаться старые.  
Промышленная сеть — это среда передачи данных, которая 
должна отвечать множеству разнообразных, а зачастую противоречивых требований.  
Промышленная сеть — это набор стандартных протоколов обмена данными, позволяющих связать воедино оборудование различных производителей, а также обеспечить взаимодействие нижнего и верхнего уровней АСУ.  
Наконец, промышленная сеть — это образ мысли инженера, 
определяющий конфигурацию и принципы построения системы. 
От того, какая сетевая архитектура выбирается сегодня, будут зависеть не только затраты на создание системы, но и срок ее жизни, 
ее способность к развитию, т. е., как принято сейчас говорить, интегральная стоимость владения. 
Промышленная сеть обеспечивает снижение затрат на установку, 
меньшую чувствительность к электромагнитным помехам, возможность распределения информации, точную диагностику в случае неисправности, более простую замену неисправного оборудования.  
Cформулируем некоторые основные требования, которые 
можно предъявить к промышленной сети [1]: 
 
4 

1) производительность; 
2) предсказуемость времени доставки информации; 
3) помехоустойчивость; 
4) доступность и простота организации физического канала передачи данных; 
5) максимальный сервис для приложений верхнего уровня; 
6) минимальная стоимость устройств аппаратной реализации, 
особенно на уровне контроллеров; 
7) возможность получения «распределенного интеллекта» путем предоставления максимального доступа к каналу нескольким 
ведущим узлам; 
8) управляемость и самовосстановление в случае возникновения нештатных ситуаций. 
Очевидно, что в получившемся списке первое требование противоречит второму, третье — четвертому и т. д. 
Подобные противоречия приходится устранять постоянно на 
всех уровнях проектирования, начиная с выбора формата пакета 
передачи данных (того, который позволит осуществлять расширенное управление сетью и удаленную загрузку, или обеспечивающего максимально быструю работу с большим числом дискретных сигналов) и заканчивая решением «философской» 
проблемы: что лучше — применять не самое современное, но 
проверенное годами решение или использовать кажущееся блестящим и современным решение, которое почему-то оказывается 
дороже и еще до сих пор не применяется на предприятииконкуренте. 
Таким образом, создание промышленной сети предполагает 
множество компромиссных решений, обусловленных конкретными задачами, стоящими перед сетевой архитектурой. 
Целью настоящего учебного пособия является знакомство студентов с основными промышленными шинами и сетями, получение знаний по конфигурированию, программированию и обмену 
данными в сетях Modbus, Modbus Plus и Ethernet между отдельными устройствами в системе управления, по работе с которыми  
на кафедре «Системы автоматического управления» МГТУ 
им. Н.Э. Баумана накоплен определенный опыт [2 − 9]. 
 
5 

 
Глава 1. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ШИНЫ И СЕТИ 
К промышленным шинам и сетям применимы результаты теоретических исследований в области коммуникационных сетей общего назначения, включая модель взаимодействия открытых систем OSI (Open System Interconnection), принятую Международной 
организацией по стандартизации (ISO) и содержащую семь уровней. 
Выделим три наиболее значимых параметра, по которым будем 
сравнивать сети, а именно:  
• топология сети;  
• объем информационного сервиса, предоставляемого сетью; 
• способ доступа к физическому каналу передачи данных. 
Под шиной будем понимать совокупность устройств, имеющих 
общую память, а под сетью — распределенную память. 
Основные виды топологии сети приведены на рис. 1.1. 
 
Рис. 1.1. Архитектура/топология сети:     
а — общая шина; б — кольцо; в — звезда;  
ПЛК — программируемый логический контроллер 
 
6 

Наиболее распространенный тип сетевой топологии — общая 
шина (рис. 1.1, а). Основное преимущество — простота и дешевизна, легкость переконфигурирования. Не боится отключения или 
подключения устройств во время работы. Хорошо подходит для 
сильнораспределенных объектов. Имеет ряд недостатков, а именно: присутствие в каждой точке сети общего трафика и опасность 
потери связи при одиночном обрыве канала связи или фатальном 
выходе из строя одного узла. 
Топология «кольцо» (рис. 1.1, б) очень популярна со времен 
выхода на рынок сети Token Ring фирмы IBM. Использование 
протокола с циклической передачей маркера (стандарт IEEE-802.5) 
позволяет сетям с такой топологией обеспечить абсолютную предсказуемость и хорошую пропускную способность. Основными недостатками топологии являются высокая стоимость организации 
канала связи, нерациональное использование сетевого трафика и 
потеря всей синхронизации сети в случае сбоя и отключения хотя 
бы одного из узлов. 
Топология «звезда» (рис. 1.1, в), являясь логическим продолжением моноканала, обеспечивает дополнительную защиту всей 
сети от выхода из строя или отключения узлов, позволяет оптимизировать трафик, передавая пакеты только в те «лучи», где находятся их получатели. Последнее особенно существенно для сетей, 
где допускаются коллизии. 
Полнота информационного сервиса определяется моделью 
ISO/OSI, призванной разграничить и формализовать функции,  
выполняемые различными уровнями аппаратного и программного 
обеспечения сетевой структуры. Эта модель определяет семь 
уровней сервиса, предоставляемого сетью (табл. 1.1). 
На физическом уровне определяются физические характеристики канала связи и параметры сигналов. 
Выбор среды влияет на скорость, расстояние и электромагнитную защищенность. Наиболее часто используемые среды — экранированная витая пара, коаксиальные кабели и оптоволокно. 
Большинство разработчиков систем промышленной автоматизации и сетей передачи данных используют стандарты EIA:  
RS-232, RS-422 или RS-485 на витые пары. Стандарт RS-232  
(телефонная линия) обеспечивает связь «точка — точка» через  
25-штырьковый или 9-штырьковый разъем SUB-D на расстоянии 
 
7 

до 15 м со скоростью менее 20 Кбит/с. Стандарт RS-422 — это 
многоабонентская четырехпроводная шина, обеспечивающая одновременную передачу в двух направлениях (дуплекс) на расстояние до 1000 м со скоростью 100 Кбит/с. Стандарт RS-485 — это 
многоабонентская двухпроводная шина, обеспечивающая попеременную передачу в двух направлениях (полудуплекс) на расстояние до 1000 м со скоростью 100 Кбит/с.  
Таблица 1.1 
Номер 
уровня 
Название 
Назначение 
7 
Прикладной уровень 
Application 
6 
Уровень представления 
Presentation 
5 
Уровень сессий 
Session 
4 
Транспортный уровень 
Transport 
3 
Сетевой уровень 
Network 
2 
Канальный уровень 
Data Link 
1 
Физический уровень 
Physical 
 
Практически все компьютеры в промышленном исполнении 
оснащены средствами организации информационного обмена с 
использованием данных интерфейсов. Современные интеллектуальные датчики и элементы управления наряду с традиционным 
интерфейсом RS-232C также могут иметь в своем составе подсистему последовательного ввода/вывода информации на базе интерфейса RS-485. Программируемые логические контроллеры (ПЛК) 
многих производителей в качестве средств организации территориально-распределенных систем сбора данных и управления содержат ту или иную реализацию интерфейсов RS-422/RS-485. 
Канальный уровень формирует основную единицу передаваемых данных — пакет — и отвечает за дисциплину доступа 
устройства к каналу связи (Medium Access Control) и установление логического соединения (Logical Link Control). Основные 
способы доступа к среде Master/Slave (ведущий/ведомый; главный/подчиненный): кольцо с маркером или случайный доступ. 
Контроль качества передачи выполняется путем контроля четности на уровне байтов, проверкой действительности сообщения с 
 
8 

помощью контрольной суммы или проверкой формата сообщения с помощью ограничителя. 
Сетевой уровень отвечает за адресацию и доставку пакета по 
оптимальному маршруту. 
Транспортный уровень анализирует содержимое пакетов, формирует ответы на запросы или организует запросы, необходимые 
для уровня сессий. 
Уровень сессий оперирует сообщениями и координирует взаимодействие между участниками сети. 
Уровень представления занимается преобразованием форматов 
данных. Уровень представления — открытая система, профиль 
или файл EDS. Открытая система обеспечивает взаимозаменяемость и взаимодействие компонентов. Профиль — это стандартизованный способ описаний функций устройства. Файлы EDS — 
это листы электронных данных со строгим синтаксисом.  
Прикладной уровень — это набор интерфейсов, доступных программе пользователя. Обмен сообщениями осуществляется по системе «клиент — сервер» (Modbus, UNI-TE, FMS) или по системе «производитель — потребитель» (CANopen, DeviceNet). Клиент — 
устройство, требующее обслуживания, сервер — устройство,  
отвечающее на запрос клиента. Производитель — одиночное устройство, производящее информацию, а потребитель — устройство, 
которое использует эту информацию. Типы данных делятся на 
данные обработки и данные обслуживания. Обмен трафиками бывает циклический (для данных обработки) и нециклический (для 
данных обслуживания). 
На практике большинство промышленных сетей ограничиваются только тремя уровнями: физическим, канальным и прикладным. 
Наиболее продвинутые сети решают основную часть задач аппаратно, оставляя программную прослойку только на уровне 7. Дешевые 
сети (например, Modbus) зачастую используют на физическом 
уровне интерфейсы RS-232 или RS-485, а все остальные задачи, начиная с канального уровня, решают программным путем. 
Тип доступа к физическому каналу, согласно стандарту 
ISO/OSI, это уровень 2 модели  — канальный. Существуют два 
типа доступа: с коллизиями и без таковых. 
Доступ к каналу с обнаружением коллизий применяют сети 
Ethernet, CAN и LON. Такой тип доступа позволяет эффективно 
 
9 

использовать пропускную способность канала и предоставлять 
доступ в сеть нескольким активным узлам.  
Единственным минусом такого подхода являются собственно 
коллизии, которые не позволяют указанным сетям на равных конкурировать с детерминированными протоколами в ряде задач.  
Для разрешения коллизий применяются различные приемы. 
В сетях Ethernet применяется технология CSMA/CD (Carrier 
Sense Multiple Access/Collision Detection — коллективный доступ с 
опознаванием несущей/обнаружением коллизии), основанная на 
постоянном прослушивании линии всеми узлами и генерации повторной попытки занятия канала через случайный промежуток 
времени при обнаружении попытки одновременного доступа к каналу нескольких станций. 
Принципиально другую форму разрешения коллизий демонстрирует сеть CAN. Ее протокол относится к классу CSMA/CR (Carrier Sense Multiple Access/Collision Resolution). Разрешение коллизий производится аппаратурой по принципу побитового сравнения 
сетевых адресов конфликтующих устройств (рис. 1.2). 
 
 
 
Рис. 1.2. Разрешение коллизий в сети CAN 
 
Станция, пытающаяся передать очередную единицу из своего 
адреса, видя, что реально в канале передается нуль, понимает, что 
вступает в конфликт, и откладывает попытку занять канал до лучших времен. Станция, передающая нуль, спокойно продолжает 
свое дело. Таким образом, хотя коллизии и возникают, но разрешаются предсказуемо и в предсказуемое время. Именно это позволило сетям на основе CAN-протокола занять достойное место в 
различных отраслях, особенно в автомобилестроении, где важны 
многомастерные сети с распределенным интеллектом. 
Дальнейшее развитие данная технология получила в сетях 
LON. Только в отличие от CAN аргументами в споре за канал являются не сетевые адреса, а динамически изменяемые приоритет 
10