книги / Микропроцессорные средства автоматизации энергетических систем. Сети автоматизации

Для подключения датчиков разработан специальный желтый плоский кабель 2 × 1,5 мм2 с трапецевидным профилем с подключением под прокол изоляции (ножевые клеммы предусмотрены в конструкции модулей ввода-вывода). Чтобы установить соединение, периферийное устройство просто прижимается к кабелю. Это устраняет необходимость в применении сложных разъемов (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Подключение к профилированному кабелю

Выпускается также специальный ASI-кабель, в котором оба проводника упакованы в специальную мягкую резиновую оболочку, которая делает его гибким и устойчивым к многократным изгибам. Этот кабель используется для подсоединения датчиков, устанавливаемых на подвижных частях механизмов.

Питание для внешних устройств может подаваться по дополнительному плоскому черному кабелю (30 В, 8 А). Периферийное устройство тогда имеет клеммы для его подключения.

Для физического кодирования данных используется манчестерский код. Такой тип кодирования снижает влияние на ASI-кабель внешних возмущений.

Топологией ASI-сети могут быть шина, звезда, кольцо или дерево с циклом опроса 31 узла за 5 мс (в 1-й версии), что сравнимо с циклом отработки программы в контроллере. Число вводов-выво- дов во второй версии – 62 узла, или 248 дискретных сигналов, при скорости передачи около 167 кбит/с.

191

Максимальный объем данных с одного ASI-узла за одну посылку – 4 бита. Максимальная длина– 100 м, с использованием повторителей– 300 м.

Сети на базе AS-интерфейса активно применяются в распределенных АСУТП реального времени, например в системах управления конвейерными производствами, поскольку позволяют полностью исключить из АСУТП аналоговые линии связи, кроссировочные шкафы и другое вспомогательное оборудование.

Тенденция в построении РСУ имеет явное стремление использовать технологии сквозного сетевого доступа. Система должна объединять в сеть не только контроллеры, но желательно и датчики. ASI имеет шлюзы в другие промышленные сети: Modbus, Profibus, Interbus-S, DeviceNet и др.

Развитие ASI позволяет:

–подключить в одну сеть до 124 простых датчиков и 124 простых исполнительных механизмов или до 62 программируемых датчиков/исполнительных устройств;

–подключать аналоговые подчиненные компоненты (slave) системы, что стало возможным, благодаря тому что ведущее устройство AS-интерфейса пропускает (передает) аналоговые значения непосредственновосновнойконтроллер(например, как16-разряднуювеличину).

Новейшей версией спецификации является ASI 3.0. Существует профиль протокола для систем повышенной безо-

пасности – ASI-Safe. Устройства повышенной безопасности подключаются по тому же кабелю и поддерживают уровень безопасности до

SIL 3 (Safety Integrity Level) согласно IEC 61508 и вплоть до Safety Category 4 (EN 954-1).

Каждый узел ASI-сети должен иметь специальную интерфейсную микросхему с поддержкой ASI-протокола. Упрощенная схема ASI-сети представлена на рис. 3.5.

ASI-master может быть организован на широком спектре контроллеров, через которые организуются шлюзы в СА более высокого уровня. Часто ASI-master оформляется в виде отдельной платы контроллера или компьютера.

192

Относительно ASI-сети всегда можно сказать с полной уверенностью, через какой временной промежуток изменение состояния подчиненного устройства станет известно главному. Для вычисления этого промежутка необходимо число узлов (включая главное устройство) умножить на 150 мкс. Максимальная задержка в сети ASI составляет, таким образом, 4,7 мс, что является очень неплохим результатом для большинства систем (у многих программируемых контроллеров длительность цикла опроса составляет 20 мс и более).

Шлюзы являются каналами передачи данных между уровнем датчика/исполнительного устройства AS-интерфейса и верхним уровнем различных систем промышленных шин. Шлюз является ведомым устройством и может быть рассмотрен как плата вводавывода промышленной шины с 124 входами и 124 выходами, подключенными через кабель AS-интерфейса.

В этом случае входы и выходы подключены к шлюзу через единый кабель AS-интерфейса. Шлюз в AS-интерфейсе является идеальным расширением (удлинением) систем промышленных шин высшего уровня.

Преимуществом ведущего устройства AS-интерфейса со степенью защиты IP67 является возможность непосредственного размещения на объекте без применения оболочки. Это позволяет осуществлять подключение в существующих системах без прерывания процесса управления (это возможно только для подключения в сис-

темах Profibus или Interbus).

В номенклатуре фирмы Pepperl + Fuchs имеются master-модули споследовательным АS-интерфейсом, master-плата для установки вПК,

шлюзыдляInterbus, Profibus, Modbus, Modbus Plus, DeviceNet, CANopen.

Модули с AS-интерфейсом объединяют бинарные и аналоговые «разумные» датчики и исполнительные устройства, а также стандартные датчики и исполнительные устройства, которые не совместимы с магистралью.

Перечислим преимущества AS-интерфейса:

♦ высокая помехозащищенность, простота и низкая стоимость монтажа;

194

♦не требуются терминаторы на шине (простое подключение);

♦экономия кабеля: подключение приборов по двум проводам на шину «сигнал + питание», можно подключать относительно мощные устройства – соленоиды (ток до 10 А);

♦дешевизна, недорогие интерфейсные устройства;

♦дружественность по отношению к пользователю (все, что необходимо сделать пользователю при конфигурировании сети, – это задать адрес каждого узла, а также входы и выходы этого узла);

♦приборы можно подключать и отключать онлайн (не надо перегружать ведущее устройство или останавливать обмен по сети).

Недостатки AS-интерфейса следующие:

♦плохо приспособлен для передачи аналоговых сигналов;

♦ограниченные длина и скорость передачи;

♦требуются специальные источники питания (24 В не всегда подходят);

♦устройства не годятся для наружных условий большинства регионов России (минимум – минус 25 °С);

♦если устройства ASI иногда поливаются водой, то нарушается контакт с кабелем, при этом выходят из строя все устройства на данном кабеле; найти место нарушения – сложная задача, но это справедливо не для всех приборов.

3.3. ШИНА М-BUS

Шина М-bus (MeterBus) предназначена для считывания данных ведущим устройством (контроллером шины) с множества ведомых по двухпроводной линии (витая пара, телефонный кабель и т.д.).

Передача данных от ведущего устройства к ведомому осуществляется через изменение уровня напряжения. Логической единице соответствует +36 В (пауза), логическому нулю (передача) – уменьшение уровня на 12 В (до +24 В).

Передача от ведомого устройства к ведущему осуществляется путем изменения тока, потребляемого ведомым. Логической едини-

195

це соответствует ток не более 1,5 мА, логическому нулю – увеличение потребляемого тока до 11–20 мА (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Представление битов данных на шине М-bus

Интерфейс М-bus позволяет осуществлять питание моделей slave от master. Максимальное количество подключаемых устройств зависит от мощности блока питания контроллера шины.

Модули шины и контроллер шины обеспечивают гальваническую развязку от линий связи. Максимальная скорость приема/передачи – 4800 Бод.

М-bus – новый европейский стандарт. Он может широко использоваться в системах с малым трафиком (например, в бытовых системах АСКУЭ).

3.4. INTERBUS-S

Сеть Interbus была разработана фирмой Phoenix Contact в 1987 году под именем Interbus-S и затем вошла в стандарт CENELECEN 50254. Целью этого проекта являлось создание ши-

196

ны для связи датчиков и управляющих устройств, которая была бы оптимальной для обмена данными на самых нижних уровнях в иерархии автоматизации. Существенным отличием таких данных является то, что они поступают циклически, и поэтому должны обрабатываться в строго определенной тактовой сетке. Это требование четко отражается на свойствах Interbus благодаря целому ряду интересных структурных решений.

Прежде всего следует отметить максимальное расстояние, которое может охватывать эта ПС, – до 13 км (рис. 3.8). Для сетей, физический уровень которых основан на стандарте RS-485, этот показатель очень высок, и обеспечивается он благодаря ретрансляции сигнала

вкаждом узле. Максимальное количество узлов– 512, расстояние между ними – до 400 м, используемый кабель – Belden 3119A. Узлыретрансляторы образуют основу топологии Interbus, оконечные же устройства подключаются к дополнительным кольцевым сегментам,

вкоторых питающее напряжение передается вместе с данными. Длина дополнительных сегментов может составлять до 200 м, для их прокладки используется обычная неэкранированная витая пара. Доступ ксреде передачи данных в Interbus организован по принципу суммирующего фрейма и обеспечивает гарантированное время передачи информации. Таким образом, Interbus является хорошим решением для унифицированной автоматизации производства, компоненты которого находятсянабольшомрасстояниидруготдруга.

Рис. 3.8. Топология сети Interbus

197

Interbus-S остается популярной и сегодня благодаря дальности охвата, гибкости, быстродействию, диагностическим средствам и автоадресации. В отличие от большинства других Fieldbus-систем, Interbus использует подлинно кольцевую конфигурацию на основе интерфейса RS-485 и представляет собой последовательное кольцо на базе сдвиговых регистров. Она обладает несколькими преимуществами перед магистральной конфигурацией. Одно из них заключается в том, что на один сегмент кабеля приходятся только один отправитель и только один получатель, благодаря чему исчезает проблема управления доступом. Одновременно электрическая развязка отдельных сегментов позволяет существенно удлинить всю систему (в случае Interbus – до 13 км) и легче локализовать места повреждения. Недостаток заключается в том, что выход из строя одного из абонентов сети приводит к сбою всей Fieldbus-системы. Однако он не имеет большого значения, потому что частичная работа системы возможна и разумна лишь в редких случаях, а в большинстве при выходе из строя одного из абонентов необходимо полное выключение системы.

Каждый подчиненный узел имеет два коннектора: через один коннектор данные принимаются, через другой – передаются в следующий узел.

Информация об адресе в протоколе отсутствует; данные в сети пересылаются по кругу, и главное устройство всегда способно определить, из какого узла или в какой узел передается информация, по положению этого узла в кольце. Издержки протокола, таким образом, минимальны. В типовых системах с несколькими десятками узлов и (возможно) десятком устройств ввода-вывода на узел немногие шины способны показывать более хорошие результаты, чем Interbus.

Благодаря необычной сетевой топологии Interbus имеет два дополнительных преимущества. Во-первых, кольцевая топология дает главному устройству возможность самому себя конфигурировать, причем в некоторых случаях данный процесс не требует вмешательства со стороны пользователя. Во-вторых, точность сведений

198

о сетевых отказах и месте их возникновения значительно упрощает процесс их поиска и устранения.

Сеть Interbus может работать с устройствами как аналогового, так и цифрового ввода-вывода. Канал РСР представляет собой коммуникационный механизм упаковки в Interbus-протокол конфигурационных параметров и управляющих команд без какого-либо влияния на процесс передачи обычных данных ввода-вывода.

Максимальное число узлов в сети – 512, длина соединения (расстояние между узлами) – до 400 м. Общая дальность охвата сети – до 12,8 км, скорость передачи – 500 кбит/с. Размер сообщения – 512 байт данных на узел, число передаваемых блоков не ограничено. Типы обмена сообщениями – сканирование устройств вводавывода, РСР-канал для передачи данных.

Для упрощения проводки в одном кабеле проложены подводящая и отводящая линии, благодаря чему возникает впечатление линейной структуры (см. рис. 3.8). При этом различают удаленную шину (Fernbus), работающую на больших расстояниях, и периферийную, которая предназначена для локальной прокладки кабельной сети (например, стойка коммутации). Периферийная шина обходится более простой техникой коммуникации. Линия связи между узлами выглядит как часть кольца, замкнутого клеммами шины (ВК). Наряду со структурированием сети в подсистемы клемма шины оказывается полезной при изоляции в случае ошибки. В этом случае периферийная шина с дефектом очень просто отсоединяется от главной.

Вдальнейшем было решено объединять наиболее простые датчики и устройства управления в отдельные линии связи, назы-

ваемые циклами (Interbus Loop).

Всоответствии с требованием простого прокладывания проводов цикл использует двухпроводную линию для одновременной передачи энергии и данных. В отличие от Fernbus, в Interbus Loop,

подводящая и отводящая линии помещены в разные кабели. Подключение к дистанционной или периферийной шине происходит здесь также через клеммы шины.

199

При использовании кольцевой структуры данные проходят через узлы. Кроме того, узел может не иметь специального адреса, так как легко идентифицируется по их позиции в кольце. Это свойство и использует протокол сети Interbus, который, в отличие от многих других Fieldbus-систем, является протоколом «ведущий – ведомый» с общим кадром (рис. 3.9). При этом у каждого узла в информационном кадре есть квант времени, который соответствует его функциям. Регистры входа-выхода узлов образуют большой разделенный регистр сдвига. Когда весь информационный кадр будет передан через сеть, у каждого узла в буфере появятся предназначенные для него данные. Аналогично функционирует перенос данных от датчиков к master-устройству. Таким образом, для циклической актуализации всех узлов сети достаточно одного информационного кадра. Затраты, необходимые для синхронизации, управления и помехоустойчивости, могут оказаться ниже для цикла, что дает более высокую эффективность протокола. Из-за высокой эффективности может также легко поддерживаться скорость передачи данных 500 кбит/с.

Рис. 3.9. Общий кадр в Interbus

Метод общего кадра является оптимальным только для типичных данных процесса, которые занимают всего несколько бит, являются эквидистантными и передаются на короткое расстояние. Для передачи большого объема данных, необходимых, например, для установления параметров приборов, можно назначить дополнительные кванты времени. В этом случае данные будут передаваться маленькими пакетами, не мешая обмену данными процесса. Сравнительно долгое время передачи данных в этом случае вполне допустимо, так как такие данные обычно не являются критическими.

200