Что такое полевая шина

Полевая шина

Промышленная сеть — сеть передачи данных, связывающая различные датчики, исполнительные механизмы, промышленные контроллеры и используемая в промышленной автоматизации. Термин употребляется преимущественно в автоматизированной системе управления технологическими процессами (АСУ ТП). Устройства используют сеть для:

В промышленных сетях для передачи данных применяют кабели, оптоволоконные линии, беспроводную связь. Промышленные сети могут взаимодействовать с обычными компьютерными сетями, в частности использовать глобальную сеть Internet.

Содержание

Достоинства

В сравнении с подключением периферийного оборудования к контроллеру отдельными проводами промышленная сеть имеет следующие достоинства:

Недостатки

Виды промышленных сетей

Другие распространённые в России промышленные сети

Мало распространённые в России промышленные сети

Ссылки

Полезное

Смотреть что такое «Полевая шина» в других словарях:

полевая шина — [Интент] полевая магистраль по зарубежной терминологии Имеет много терминов синонимов и обозначает специализированные последовательные магистрали малых локальных сетей (МЛС), ориентированны на сопряжение с ЭВМ рассредоточенных цифровых датчиков и … Справочник технического переводчика

полевая шина — [Интент] полевая магистраль по зарубежной терминологии Имеет много терминов синонимов и обозначает специализированные последовательные магистрали малых локальных сетей (МЛС), ориентированны на сопряжение с ЭВМ рассредоточенных цифровых датчиков и … Справочник технического переводчика

полевая шина — [Интент] полевая магистраль по зарубежной терминологии Имеет много терминов синонимов и обозначает специализированные последовательные магистрали малых локальных сетей (МЛС), ориентированны на сопряжение с ЭВМ рассредоточенных цифровых датчиков и … Справочник технического переводчика

KNX — EIB профессиональная аббревиатура от англ. European Installation Bus, что можно перевести как Европейская инсталляционная шина (шина в смысле сеть, полевая шина). EIB обозначение устаревшее, но продолжает использоваться в мире, и особенно в… … Википедия

EIB — аббревиатура от англ. European Installation Bus, что переводится как Европейская инсталляционная шина (как вариант магистраль). Данное словосочетание обозначает одну из доминирующих в мире, и особенно в Европе, технологий автоматизации зданий.… … Википедия

Промышленная сеть — Промышленная сеть сеть передачи данных, связывающая различные датчики, исполнительные механизмы, промышленные контроллеры и используемая в промышленной автоматизации. Термин употребляется преимущественно в автоматизированной системе… … Википедия

Полевые шины — Промышленная сеть сеть передачи данных, связывающая различные датчики, исполнительные механизмы, промышленные контроллеры и используемая в промышленной автоматизации. Термин употребляется преимущественно в автоматизированной системе управления… … Википедия

единичная точка отказа — [Интент] См. также полевая шина Тематики автоматизированные системы EN single point of failureSPOF … Справочник технического переводчика

интеллектуальное полевое устройство — [Интент] См. полевая шина Тематики автоматизированные системы EN intelligent field device … Справочник технического переводчика

Дитерихс, Михаил Михайлович — [10(22) ноября 1871 12 янв. 1941] сов. хирург. Засл. деят. науки РСФСР (1936). По окончании Военно мед. академии в 1898 был оставлен при клинике Н. А. Вельяминова. С 1912 проф. Киев. ун та, а с 1934 3 го Моск. мед. ин та. Исследования Д.… … Большая биографическая энциклопедия

Источник

Полевые шины

Промышленная сеть — сеть передачи данных, связывающая различные датчики, исполнительные механизмы, промышленные контроллеры и используемая в промышленной автоматизации. Термин употребляется преимущественно в автоматизированной системе управления технологическими процессами (АСУ ТП). Устройства используют сеть для:

В промышленных сетях для передачи данных применяют кабели, оптоволоконные линии, беспроводную связь. Промышленные сети могут взаимодействовать с обычными компьютерными сетями, в частности использовать глобальную сеть Internet.

Содержание

Достоинства

В сравнении с подключением периферийного оборудования к контроллеру отдельными проводами промышленная сеть имеет следующие достоинства:

Недостатки

Виды промышленных сетей

Другие распространённые в России промышленные сети

Мало распространённые в России промышленные сети

Ссылки

Полезное

Смотреть что такое «Полевые шины» в других словарях:

Полевые — 1. Полевые геокриологические (мерзлотные) исследования. М.: Изд во АН СССР, 1961. Источник: П 81 2001: Рекомендации по натурным исследованиям и диагностике грунтовых плотин, расположенных в зоне вечной мерзлоты … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

полевые соединения — 4.6.2.2 полевые соединения: Проводники или кабели, подключенные к производственному оборудованию, размещенному на территории электростанции (подстанции) при наличии общей системы заземления. Примерами полевых соединений могут служить кабели,… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

полевая шина — [Интент] полевая магистраль по зарубежной терминологии Имеет много терминов синонимов и обозначает специализированные последовательные магистрали малых локальных сетей (МЛС), ориентированны на сопряжение с ЭВМ рассредоточенных цифровых датчиков и … Справочник технического переводчика

полевая шина — [Интент] полевая магистраль по зарубежной терминологии Имеет много терминов синонимов и обозначает специализированные последовательные магистрали малых локальных сетей (МЛС), ориентированны на сопряжение с ЭВМ рассредоточенных цифровых датчиков и … Справочник технического переводчика

полевая шина — [Интент] полевая магистраль по зарубежной терминологии Имеет много терминов синонимов и обозначает специализированные последовательные магистрали малых локальных сетей (МЛС), ориентированны на сопряжение с ЭВМ рассредоточенных цифровых датчиков и … Справочник технического переводчика

MELSEC FX — MESEC FX семейство компактных ПЛК Mitsubishi Electric, является следствием последовательного развития компактного контроллера MELSEC F, производившегося с 1981 по 1989 годы. Контроллеры F/FX являются самыми распространенными моноблочными… … Википедия

PROFIBUS — (Process Field Bus) (читается «профи бас») открытая промышленная сеть, прототип которой был разработан компанией Siemens AG для своих промышленных контроллеров SIMATIC, на основе этого прототипа Организация пользователей PROFIBUS разработала… … Википедия

OPC-сервер — OPC (OLE for Process Control) семейство программных технологий, предоставляющих единый интерфейс для управления объектами автоматизации и технологическими процессами. Многие из OPC протоколов базируются на Windows технологиях: OLE, ActiveX,… … Википедия

OPC — Эта статья или раздел нуждается в переработке. Пожалуйста, улучшите статью в соответствии с правилами написания статей … Википедия

Профибас — PROFIBUS ((PROcess FIeld BUS)) (читается Профи бас) открытая промышленная сеть, прототип которой был разработан компанией Siemens AG для своих промышленных контроллеров Европе, особенно в машиностроении и управлении промышленным оборудованием.… … Википедия

Источник

Полевая шина

Резюме

Описание

Исторический

Bitbus

Стандартизация

Хотя технология fieldbus существует с 1988 года, с завершением разработки ISA S50.02, разработка международного стандарта заняла много лет. В 1999 году комитет по стандартизации IEC SC65C / WG6 собрался для устранения несоответствий в проекте стандарта полевой шины IEC. Результатом этой встречи стала первоначальная форма стандарта IEC 61158 с восемью различными наборами протоколов, называемых «Типами», а именно:

Технологии Foundation Fieldbus и Profibus в настоящее время широко применяются в области управления технологическими процессами как для новых разработок, так и для крупных модификаций. В 2006 году в Китае были установлены крупнейшие системы FF (Foundation Fieldbus) в компаниях NanHai и SECCO, к каждой из которых было подключено около 15 000 устройств fieldbus.

Спецификация стандарта IEC 61158

Было много конкурирующих технологий для fieldbus, и первоначальная надежда на единый механизм унифицированных коммуникаций не оправдалась. Это не должно быть неожиданностью, поскольку технология полевой шины должна быть реализована по-разному в разных приложениях; Автомобильная полевая шина функционально отличается от системы управления перерабатывающим заводом. Последняя редакция стандарта IEC 61158 допускает 8 технологий.

Стандарты

Существует множество конкурирующих стандартов fieldbus. Некоторые из наиболее широко используемых включают:

См. Список протоколов автоматизации для получения дополнительных примеров.

Ценовое преимущество

Количество необходимых проводов в полевой шине намного меньше, чем в установках 4–20 мА. Это связано с тем, что многие устройства используют один и тот же набор кабелей в многоточечном режиме, а не требуют выделенного набора кабелей для каждого устройства, как в случае устройств 4–20 мА. Кроме того, несколько параметров могут передаваться на одно устройство в сети Fieldbus, в то время как только один параметр может передаваться по соединению 4-20 мА. Fieldbus также обеспечивает хорошую основу для создания стратегии прогнозирующего и упреждающего технического обслуживания. Диагностика, доступная от устройств fieldbus, может использоваться для устранения проблем с устройствами до того, как они станут критическими.

В 1980-х годах для решения проблем связи между различными системами управления в автомобилях немецкая компания Robert Bosch GmbH впервые разработала сеть контроллеров (CAN). Концепция CAN заключалась в том, что каждое устройство может быть подключено одним набором проводов, и каждое подключенное устройство может свободно обмениваться данными с любым другим устройством. CAN быстро перекочевал на рынок промышленной автоматизации (наряду со многими другими).

Для каждой технологии стандарты физической среды и физического уровня подробно описывают реализацию синхронизации, кодирования / декодирования, скорости передачи данных, длины шины и физического подключения приемопередатчика к устройствам. Стандарт уровня канала передачи данных отвечает за полное определение того, как сообщения собираются для передачи на физическом уровне, обработки ошибок, фильтрации сообщений и арбитража шины, а также за то, как эти стандарты должны быть реализованы в оборудовании. Стандарт прикладного уровня обычно определяет, как уровни передачи данных взаимодействуют с приложением, которое желает обмениваться данными. В нем описываются спецификации сообщений, реализации управления сетью и ответ на запрос сервисного приложения. Уровни с третьего по шестой не описаны в стандартах fieldbus.

Источник

Полевые шины – принцип работы

Промышленные сети передачи данных – это базовый элемент для построения современных АСУ ТП. Появление промышленных коммуникационных протоколов положило начало внедрению территориального распределенных систем управления, способных охватить множество технологических установок, объединить целые цеха, а иногда и заводы. Сегодня сфера промышленных коммуникаций развиваются семимильными шагами: известно более 30 стандартов коммуникационных сетей, специально адаптированных для промышленного применения, каждый год появляются новые прогрессивные технологии передачи данных. Это неудивительно, ведь именно коммуникационные сети в большей степени определяют качество, надежность и функционал АСУ ТП в целом.

Сети передачи данных входящие в состав АСУ ТП можно условно разделить на два класса:

— Полевые шины (^ Field Buses);

— Сети верхнего уровня (операторского уровня, Terminal Buses);

Но нам необходимо рассмотреть полевые шины.

Главной функцией полевой шины является обеспечение сетевого взаимодействия между контроллерами и удаленной периферией (например, узлами ввода/вывода). Помимо этого, к полевой шине могут подключаться различные контрольно-измерительные приборы (Field Devices), снабженные соответствующими сетевыми интерфейсами. Такие устройства часто называют интеллектуальными (Intelligent Field Devices), так как они поддерживают высокоуровневые протоколы сетевого обмена.

Как уже было отмечено, существует множество стандартов полевых шин, наиболее распространенные из которых приведены ниже:

Несмотря на нюансы реализации каждого из стандартов (скорость передачи данных, формат кадра, физическая среда), у них есть одна общая черта – используемый алгоритм сетевого обмена данными, основанный на классическом принципе Master-Slave или его небольших модификациях.

По типу физической среды полевые шины делятся на два типа:

1. Описание основных стандартов полевых шин

1.1 ^ HART-протокол (Highway Addressable Remote Transducer – Адресуемый Дистанционный Магистральный Преобразователь), разработан фирмой Fisher Rosemount Inc.

Стандартная топология организована по принципу «точка-точка» или «звезда». Для передачи данных по сети используются два режима:

Возможно построение топологии типа «шина», когда несколько узлов подключены на одну пару проводов. Питание осуществляется по шине.

За одну посылку один узел другому может передать до 4 технологических переменных, а каждое HART-устройство может иметь до 256 переменных, описывающих его состояние.

Метод контроля корректности передаваемых данных основан на получении подтверждения.

^ HART протокол использует стандарт BELL 202 кодировки сигнала методом частотного сдвига (FSK), при котором цифровой сигнал накладывается на аналоговый измерительный сигнал 4…20 мА, на нижнем уровне. Для представления двоичных «1» и «0» используются две разные частоты, 1200 Гц и 2200 Гц, соответственно (рис. 1.1.1).

Рис. 1.1.1 Форма сигнала передачи

Метод формирования физических сигналов и среда передачи данных HART протокола соответствует физическому уровню OSI модели протоколов.

Синусоидальные модуляции накладываются на сигнал постоянного тока. Среднее значение синусоидального сигнала равно нулю. Поэтому, несмотря на прохождение цифровых данных, к сигналу 4…20 мА никакая компонента постоянного тока не добавляется. Следовательно, существующие аналоговые приборы продолжают работать как обычно – низкочастотная фильтрация эффективно отбрасывает коммуникационный сигнал.

Поскольку двоичные числа передаются на скорости обмена данными 1200 бод, число «1» представлено одиночным циклом 1200 Гц, а число «0» представлено приблизительно двумя циклами 2200 Гц.

Такой выбор частот для формирования сигналов и скорости передачи данных соответствует американскому стандарту BELL 202, одной из нескольких частот, используемых для посылки цифровой информации по телефонным сетям. В результате, сюда подходят широко распространенные модемные платы на интегральных схемах.

В HART протоколе определяется, что главные устройства (ведущая система управления или ручной коммуникатор) передают сигнал в виде напряжения, в то время как подчиненные (первичные) устройства передают токовый сигнал. Токовый сигнал преобразуется в соответствующее напряжение с помощью сопротивления нагрузки контура. Следовательно, все устройства должны использовать такие приемники, схемы которых способны принимать напряжение [4,2].
1.2 Протокол ^ PROFIBUS (PROcess Field BUS) разработан совместно группой немецких компаний: Siemens, Bosch, и Klockner-Moeller.

Сеть PROFIBUS отвечает требованиям международных стандартов IEC 61158 и EN 50170. PROFIBUS использует обмен данными между ведущим и ведомыми устройствами. Требования пользователей к получению открытой, независимой от производителя системе связи, базируется на использовании стандартного протокола PROFIBUS. Стандарт протокола описывает уровни 1, 2 и 7 OSI-модели. В PROFIBUS используется гибридный метод доступа в структуре Master/Slave и децентрализованная процедура передачи маркера. Сеть может состоять из 122 узлов, из которых 32 могут быть Master-узлами. Адрес 0 зарезервирован для режима широкого вещания («broadcast»). Общая схема PROFIBUS-сети представлена на рис. 1.2.1

Рис. 1.2.1 Обобщенная схема сети PROFIBUS

В среде Master-узлов по возрастающим номерам узлов передается маркер, который предоставляет право ведения циклов чтения/записи на шине. Все циклы строго регламентированы по времени, организована продуманная система тайм-аутов. Протокол хорошо разрешает разнообразные коллизии на шине. Настройка всех основных временных параметров определяется пользователем.

При передаче данных обнаружение и исправление ошибок ведется на основе хеммингова расстояния 4, то есть в любой посылке данных 3 ошибочных бита будет обнаружено, а один бит может быть восстановлен [1].

Одни и те же каналы связи сети PROFIBUS допускают одновременное использование нескольких протоколов передачи данных:

Особенностью стандарта Foundation Fieldbus является то, что в нем определен дополнительный пользовательский уровень (^ User Level), позволяющий, применяя определенные функциональные блоки, например, аналоговый ввод или вывод, ПИД–регулятор, строить промышленные сети с распределенным интеллектом.

Максимальное число узлов составляет 240 на сегмент (поддерживается до 65000 сегментов), длина соединения до 1900 метров (для ^ H1).

Методы обмена сообщениями:

уведомление о событиях (Event Notification).

Сеть Foundation Fieldbus может быть использована в качестве полной замены аналогового стандарта токовой петли 4. 20 мА.

Протокол ^ MODBUS работает по принципу Master/Slave или «ведущий-ведомый». Конфигурация на основе этого протокола предполагает наличие одного Master-узла и до 247 Slave-узлов.

Только Master инициирует циклы обмена данными. Существует два типа запросов:

Протокол MODBUS описывает фиксированный формат команд, последовательность полей в команде, обработку ошибок и исключительных состояний, коды функций. Для кодирования передаваемых данных используются форматы ASCII (American Standard Code for Information Interchange) и RTU (Remote Terminal Unit). Каждый запрос со стороны ведущего узла включает код команды (чтение, запись и т.д.), адрес абонента (адрес 0 используется для широковещательной передачи), размер поля данных, собственно данные или буфер под данные и контрольный CRC-код. Функция обслуживания тайм-аута реализована для фиксирования коллизий при приеме/передаче данных.

Набор команд протокола описывает функции:

Протокол MODBUS можно назвать наиболее распространенным в мире. Для работы со своими изделиями его используют десятки фирм. Хотя ограничения этого протокола достаточно очевидны, он привлекает простотой логики и независимостью от типа интерфейса [4].

2. Выбор ключевых параметров

Сравнение технических характеристик основных протоколов полевых шин представлено в таблице 2.1

Таблица 2.1 Технические характеристики основных протоколов полевых шин

Таблица 2.1 (Окончание)

3. Сравнительный анализ

Хоть все сравниваемые протоколы и поддерживают цифровой обмен данными, между ними существует множество различий по архитектуре функциям и уровню совместимости.

К примеру, HART является самым дешевым и ко всему прочему работать по данному протоколу могут устройства очень большого количества компаний, обеспечивается высокая помехозащищенность, но скорость обмена данными очень мала и при этом в большинстве случаев каждому компоненту сети участвующему в обмене – передаче данных необходим HART-модем, к тому же сложно обеспечивать взрывозащиту.

В настоящее время происходит замена аналогового стандарта 4-20 мА на цифровой, и на первый план выходят стандарты PROFIBUS и ^ FOUNDATION FIELDBUS.

Архитектура FOUNDATION FIELDBUS, несомненно, обладает рядом преимуществ перед PROFIBUS. Вне всякого сомнения, FOUNDATION FIELDBUS — более открытый протокол, разработанный и поддерживаемый организацией, в состав которой входит большинство крупнейших производителей аппаратно-программных средств для промышленной автоматизации. И, напротив, контроль над PROFIBUS осуществляется одной компанией. Хотя технология PROFIBUS, вероятно, сможет удовлетворить потребности большого числа пользователей в ближайшем будущем, эта технология, несомненно, является устаревшей по сравнению с открытой, постоянно совершенствующейся технологией ^ FOUNDATION FIELDBUS.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Шины и протоколы в промышленной автоматике: как всё это работает

Наверняка многие и вас знают или даже видели, каким образом управляются большие автоматизированные объекты, например, атомная станция или завод со множеством технологических линий: основное действо часто происходит в большой комнате, с кучей экранов, лампочек и пультов. Это комплекс управления обычно называется ГЩУ — главный щит управления для контроля за производственным объектом.

Наверняка вам было интересно, как всё это работает с точки зрения аппаратной и программной части, и какие там используются протоколы передачи данных. В этой статье мы разберемся, как различные данные попадают на ГЩУ, как подаются команды на оборудование, и что вообще нужно, чтобы управлять компрессорной станцией, установкой производства пропана, линией сборки автомобиля или даже канализационно-насосной установкой.

Нижний уровень или полевая шина — то, с чего всё начинается

Этот неясный для непосвященных набор слов используется, когда нужно описать средства общения устройств управления с подведомственным оборудованием, например, модулями ввода-вывода или измерительными устройствами.

Под устройствами управления мы подразумеваем ПЛК, т.е. программируемые логические контроллеры (англ. PLC), или ПКА, т.е. программируемые контроллеры автоматизации (англ. PAC). Между ПЛК и ПКА есть некоторые различия, однако, в рамках данной статьи они не существенны, поэтому для упрощения будем использовать общий термин «контроллер».

В русскоязычном сообществе асушников канал общения между контроллером и другими устройствами обычно называют «полевой шиной», потому что он отвечают за передачу данных, которые приходят с «поля».

«Поле» — это глубокий профессиональный термин, обозначающий тот факт, что некое оборудование (например, датчики или исполнительные механизмы), с которым взаимодействует контроллер, находятся где-то далеко-далеко, на улице, в полях, под покровом ночи. И неважно, что датчик может быть расположен в полуметре от контроллера и измерять, допустим, температуру в шкафу автоматики, все равно считается, что он находится «в поле». Чаще всего сигналы с датчиков, приходящие в модули ввода-вывода все-таки преодолевают расстояния от десятков до сотен метров (а иногда и больше), собирая информацию с удаленных площадок или оборудования. Собственно, поэтому шина обмена, по которой контроллер получает значения с этих самых датчиков, называется обычно полевой шиной или реже шиной нижнего уровня или промышленной шиной.

Тут следует отметить, что в Европе и США полевым уровнем считаются только сами устройства, расположенные «в поле», но не среда передачи данных. В российских реалиях термин «полевая шина» или «шина нижнего уровня», пожалуй, слегка размыт и обозначает способ передачи данных от модулей ввода-вывода к контроллеру и наоборот.

Общая схема автоматизации промышленного объекта

Итак, электрический сигнал от датчика проходит некое расстояние по кабельным линиям (чаще по обычному медному кабелю с некоторым количеством жил), к которым подсоединяются несколько датчиков. Затем сигнал попадает в модуль обработки (модуль ввода-вывода), там он преобразуется в понятный контроллеру цифровой язык. Далее этот сигнал по полевой шине попадает непосредственно в контроллер, где и обрабатывается уже окончательно. На основе таких сигналов и строится логика работы самого контроллера. Существует и обратный путь: от контроллера команда управления по полевой шине попадает в модуль вывода, где преобразуется из цифрового вида в аналоговый и поступает по кабельным линиям к исполнительным механизмам и различным устройствам (на схеме выше не указаны).

Верхний уровень: от гирлянды до целой рабочей станции

Верхним уровнем называют все то, к чему может прикасаться обычный смертный оператор, который управляет технологическим процессом. В простейшем случае верхний уровень представляет собой набор лампочек и кнопочек. Лампочки сигнализируют оператору о неких происходящих событиях в системе, кнопочки служат для подачи команд контроллеру. Такую систему часто называют «гирлянда» или «ёлка», потому что выглядит очень похоже (как можно убедиться по фотографии в начале статьи).

Если оператору повезло больше, то в качестве верхнего уровня ему достанется панель оператора — некий плоскопанельный компьютер, который тем или иным образом получает данные для отображения от контроллера и выводит их на экран. Такая панель обычно монтируется на сам шкаф автоматики, поэтому взаимодействовать с ней приходится, как правило, стоя, что вызывает неудобства, плюс качество и размер изображения — если это малоформатная панелm — оставляет желать лучшего.

Ну и, наконец, аттракцион невиданной щедрости — рабочая станция (а то и несколько дублирующих), представляющая собой обычный персональный компьютер.

Для наглядного отображения информации на рабочих станциях и плоскопанельных компьютерах используют специализированное программное обеспечение — SCADA-системы. На человеческий язык SCADA переводится как система диспетчерского управления и сбора данных. Она включает в себя множество компонентов, таких как человеко-машинный интерфейс, визуализирующий технологические процессы, систему управления этими процессами, систему архивирования параметров и ведение журнала событий, систему управления тревогами и т.д. Всё это дает оператору полноценную картину происходящих на производстве процессов, а также возможность ими управлять и оперативно реагировать на отклонения от технологического процесса.

Оборудование верхнего уровня обязано взаимодействовать неким образом с контроллером (иначе зачем оно нужно?). Для такого взаимодействия используются протоколы верхнего уровня и некая технология передачи, например, Ethernet или UART. В случае с «ёлкой» таких изощрений, конечно, не нужно, лампочки зажигаются с использованием обычных физических линий, никаких мудреных интерфейсов и протоколов там нет.

В общем-то, этот верхний уровень менее интересен, нежели полевая шина, поскольку этого верхнего уровня может вообще не быть (из серии нечего там смотреть оператору, контроллер сам разберется, что и как нужно делать).

«Древние» протоколы передачи данных: Modbus и HART

Мало кто знает, но на седьмой день создания мира Бог не отдыхал, а создавал Modbus. Наравне с HART-протоколом, Modbus, пожалуй, самый старый промышленный протокол передачи данных, он появился аж в 1979 году.

В качестве среды для передачи изначально использовался последовательный интерфейс, затем Modbus реализовали поверх TCP/IP. Это синхронный протокол по схеме «мастер-слейв» (главный-подчиненный), в котором используется принцип «запрос-ответ». Протокол довольно тяжеловесный и медленный, скорость обмена зависит от характеристик приемника и передатчика, но обычно счет идет чуть ли не на сотни миллисекунд, особенно в реализации через последовательный интерфейс.

Более того, регистр передачи данных Modbus является 16-битным, что сразу же накладывает ограничения на передачу типов real и double. Они передаются либо по частям, либо с потерей точности. Хотя Modbus до сих пор повсеместно используется в случаях, когда не нужна высокая скорость обмена и потеря передаваемых данных не критична. Многие производители различных устройств любят расширять протокол Modbus своим исключительным и очень оригинальным образом, добавляя нестандартные функции. Поэтому данный протокол имеет множество мутаций и отклонений от нормы, но все же до сих пор успешно живет в современном мире.
Протокол HART тоже существует с восьмидесятых годов, это промышленный протокол обмена поверх двухпроводной линии токовой петли, в которую напрямую включаются датчики 4-20 мА и другие приборы с поддержкой протокола HART.

Для коммутации линий HART используются специальные устройства, так называемые HART-модемы. Также существуют преобразователи, которые на выходе предоставляют пользователю уже, допустим, протокол Modbus.

Примечателен HART, пожалуй, тем, что помимо аналоговых сигналов датчиков 4-20 мА в цепи передается и цифровой сигнал самого протокола, это позволяет соединить цифровую и аналоговую часть в одной кабельной линии. Современные HART-модемы могут подключаться в USB-порт контроллера, соединяться по Bluetooth, либо же старинным способом через последовательный порт. Десяток лет назад по аналогии с Wi-Fi появился и беспроводной стандарт WirelessHART, работающий в диапазоне ISM.

Второе поколение протоколов или не совсем промышленные шины ISA, PCI(e) и VME

На смену протоколам Modbus и HART пришли не совсем промышленные шины, такие как ISA (MicroPC, PC/104) или PCI/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), а также VME.

Настала эра вычислителей, имеющих в своем распоряжении универсальную шину передачи данных, куда можно подключать различные платы (модули) для обработки некоего унифицированного сигнала. Как правило, в этом случае процессорный модуль (вычислитель) вставляется в так называемый каркас, который обеспечивает взаимодействие по шине с другими устройствами. Каркас, или, как его любят называть трушные автоматизаторы, «крейт», дополняется необходимыми платами ввода-вывода: аналоговыми, дискретными, интерфейсными и т.д., либо все это слепливается в виде бутерброда без каркаса — одна плата над другой. После чего это многообразие на шине (ISA, PCI, etc.) обменивается данными с процессорным модулем, который таким образом получает информацию с датчиков и реализовывает некую логику.

Контроллер и модули ввода-вывода в каркасе PXI на шине PCI. Источник: National Instruments Corporation

Все бы ничего с этими шинами ISA, PCI(e) и VME, особенно для тех времен: и скорость обмена не огорчает, и расположены компоненты системы в едином каркасе, компактно и удобно, горячей замены плат ввода-вывода может и не быть, но пока еще и не очень хочется.

Но есть ложка дегтя, и не одна. Распределенную систему довольно сложно построить в такой конфигурации, шина обмена локальная, нужно что-то придумывать для обмена данными с другими подчиненными или равноправными узлами, тот же Modbus поверх TCP/IP или какой другой протокол, в общем, удобств маловато. Ну и вторая не очень приятная штука: платы ввода-вывода обычно ждут на вход какой-то унифицированный сигнал, и гальванической развязки с полевым оборудованием у них нет, поэтому нужно городить огород из различных модулей преобразования и промежуточной схемотехники, что сильно усложняет элементную базу.

Промежуточные модули преобразования сигнала с гальванической развязкой. Источник: DataForth Corporation

«А что с протоколом обмена по промышленной шине?» — спросите вы. А ничего. Нет его в такой реализации. По кабельным линиям сигнал попадает с датчиков на преобразователи сигналов, преобразователи выдают напряжение на дискретную или аналоговую плату ввода-вывода, а данные с платы уже читаются через порты ввода/вывода, средствами ОС. И никаких специализированных протоколов.

Как работают современные промышленные шины и протоколы

А что теперь? К сегодняшнему дню классическая идеология построения автоматизированных систем немного поменялась. Роль сыграли множество факторов, начиная с того, что автоматизировать тоже должно быть удобно, и заканчивая тенденцией на распределенные автоматизированные системы с удаленными друг от друга узлами.

Пожалуй, можно сказать, что основных концепций построения систем автоматизации на сегодняшний день две: локализованные и распределенные автоматизированные системы.

В случае с локализованными системами, где сбор данных и управление централизовано в одном конкретном месте, востребована концепция некоего набора модулей ввода-вывода, соединенных между собой общей быстрой шиной, включая контроллер со своим протоколом обмена. При этом, как правило, модули ввода-вывода включают в себя и преобразователь сигнала и гальваническую развязку (хотя, разумеется, не всегда). То есть конечному потребителю достаточно понять, какие типы датчиков и механизмов будут присутствовать в автоматизированной системе, сосчитать количество требуемых модулей ввода-вывода для разных типов сигналов и соединить их в одну общую линейку с контроллером. В этом случае, как правило, каждый производитель использует свой любимый протокол обмена между модулями ввода-вывода и контроллером, и вариантов тут может быть масса.

В случае распределенных систем справедливо все, что сказано в отношении локализованных систем, кроме этого, важно, чтобы отдельные компоненты, например, набор модулей ввода-вывода плюс устройство сбора и передачи информации — не очень умный контроллер, который стоит где-нибудь в будке в поле, рядом с краном, который перекрывает нефть, — могли взаимодействовать с такими же узлами и с главным контроллером на большом расстоянии с эффективной скоростью обмена.

Как разработчики выбирают протокол для своего проекта? Все современные протоколы обмена обеспечивают довольно высокое быстродействие, поэтому зачастую выбор того или иного производителя обусловлен не скоростью обмена по этой самой промышленной шине. Не так важна и реализация самого протокола, потому что, с точки зрения разработчика системы, это все равно будет черный ящик, который обеспечивает некую внутреннюю структуру обмена и не рассчитан на вмешательство извне. Чаще всего обращают внимание на практические характеристики: производительность вычислителя, удобство применения концепции производителя к поставленной задаче, наличие нужных типов модулей ввода-вывода, возможность горячей замены модулей без разрыва шины и т.д.

Популярные поставщики оборудования предлагают собственные реализации промышленных протоколов: например, всем известная компания Siemens разрабатывает свою серию протоколов Profinet и Profibus, компании B&R — протокол Powerlink, Rockwell Automation — протокол EtherNet/IP. Отечественное решение в этом списке примеров: версия протокола FBUS от российской компании Fastwel.

Есть и более универсальные решения, которые не привязаны к конкретному производителю, такие как EtherCAT и CAN. Мы подробно разберем эти протоколы в продолжении статьи и разберемся, какие из них лучше подходят для конкретных применений: автомобильной и аэрокосмической промышленности, производства электроники, систем позиционирования и робототехники. Оставайтесь на связи!

Источник