обратно для исполнения. Более того, запаздывания в передаче данных могут в ряд случаев привести к неустойчивости процесса (раздел 6.7.1). Наконец, в распределен ных системах многочисленные процессоры значительно лучше справляются с обра боткой данных, чем один даже очень мощный процессор.

9.6.3. Протокол автоматизации производства (MAP)

Необходимость в практичном и едином способе соединения различных устройств производственных линий и систем управления в течение длительного времени была в центре внимания. Американский автостроительный гигант General Motors одним из первых осознал, что несовместимость различных вычислительных систем является главной помехой для комплексной автоматизации их производств. Компания начала исследования для объединения своих производственных ЭВМ. Было замечено, что затраты на системы управления значительно превышали общие затраты на переоснащение производства при запуске новых моделей автомобилей и имели только одну тенденцию - к увеличению. В соответствии с оценками, сделанными в начале 1980-х годов, к 1990 году было бы необходимо объединить порядка ста тысяч единиц различного оборудования типа роботов и ПЛК. Стоимость объединения должна была составить значительную долю всех вложений компании в автоматизацию. Поэтому General Motors пришла к необходимости разработать ясный и стандартный подход к открытой системе заводских коммуникаций, имея в виду универсальное взаимодействие и взаимозаменяемость. Первое означает, что любая информация должна быть понятна устройствам-получателям без использования программ преобразования; второе - что устройство нового поколения или другого производителя, заменяющее некоторое старое устройство, должно работать без изменений в системе, к которой оно присоединяется. Идея сразу вызвала интерес у основных производителей ВТ и других компаний, связанных с промышленной автоматизацией, и привела к созданию Протокола автоматизации производства {Manufacturing Automation Protocol - MAP).

Протокол MAP - не стандарт аппаратного интерфейса или типа электрического кабеля, а четкая концепция сопряжения разнотипного оборудования локального или заводского уровня и более высоких планирующих и управляющих подразделении-Принцип MAP достаточно прост - различные устройства должны иметь "озмо ность общаться друг с другом, используя общие протоколы, однако внедрение по бовало более тридцати лет, а концепция все еще далека от завершения. Главньхе чины - это отсутствие общего принципа для организации передачи данных ито основные корпорации не считали себя заинтересованными в производстве "Рсть совместимой с изделиями конкурентов. Сейчас наконец совместимость и озмо обмена информацией стали решающими аргументами при продаже и существу муникационные механизмы, базирующиеся на модели ВОС и соответствуют дартах или протоколе TCP/IP. ПпякажД""""

MAP следует схеме разделения на уровни, принятой в модели bUi. jpbi уровня существует определенный стандарт, являющийся частью общей jPcpe MAP. Стандарты уровней от 1 до 6 используются и в других приложениях, а . 4 ственно к MAP относится Служба производственных сообщений (Л«""- тв" Message Specification - MMS), которая описана далее. Ниже приведено соотв стандартов MAP уровням модели ВОС.

Уровень 7: ISO 9506 Manufacturing Message Specification (MMS) Уровень 6: ISO 8824 Abstract Syntax Notation (ASN.l) и ISO 8825 Basic Eacocling Rules

Уровень 5: ISO 8326/8327 Уровень 4: ISO 8072/8073

Уровень 3: ISO 8348/8473 (CLNS) и ISO 9542 (ES/IS)

Уровень 2; ISO 8802.2 Logical Link Control и ISO 8802.4 Token Bus

Уровень 1: Широкополосная/Узкополосная среда передачи (Broadband/Carrier-band Link)

Другими словами, МАР-устройство должно использовать физические соединения, которые соответствуют стандарту маркерной шины локальных вычислительных сетей {Token Bus) с управлением логическим звеном данных в соответствии с IEEE 802.2, должно кодировать данные, следуя ASN.l (ISO 8824) и ISO 8825, и обмениваться сообщениями в формате MMS (ISO 9506). Любая другая комбинация стандартов, даже если она технически возможна, не совместима со схемой MAP. Например, решение, при котором Ethernet используется вместо маркерной шины на физическом и канальном уровнях, не соответствует MAP. Тем не менее MMS в сочетании с Ethernet работает и находит применение в промышленности.

На физическом уровне MAP можно реализовать на основе различных сред передачи и типов сигналов. Первоначальные пожелания General Motors - передавать данные со скоростью 10 Мбит/с - требовали двух смежных каналов с полосой пропускания 6 МЕц, при условии использования широкополосной модуляции AM-PSK. Для узкополосного MAP определены две скорости передачи данных и применяется частотная модуляция ESK: для пропускной способности 5 Мбит/с несущие частоты равны 5 и 10 МЕц, для 10 Мбит/с - 10 и 20 МЕц.

Для обмена укрупненной (интегрированной) информацией о процессах и административными данными используется схема, аналогичная MAP, - это Протокол автоматизации учрежденческой деятельности (Тес/гшса/ and Office Protocol - TOP). Рхитектура TOP в основном совпадает с архитектурой MAP и опирается на те же андарты. В архитектуре ТОР на физическом и канальном уровне используется ernet, а не маркерная шина. На прикладном уровне протокол ТОР включает в се-виртуальный терминал {Virtual Terminal - VT), систему обработки сообщений •амГгр* awiZ/ng System - MHS) и протокол передачи, доступа и управления фай-орпо 7>ата/ег Лссе55 and Management - ETAM). Концепция ТОР разработана Ля .g" Boeing, которая в течение длительного времени использовала Ethernet снов"!" производственного оборудования и системы планирования производства.

Мар "Деи архитектур map и тор практически одинаковы. р был специально пазоаботан лля ппимрнрнма ня пг,г,т,-зпг,

пециально разработан для применения на производстве в режиме ре-ремени. Причина, определившая выбор конкретных стандартов для MAP, "а "Уо очередь широкополосной сети и маркерной шины в качестве метода досту-

."аКЛючаттаг-т г, --„„-.r-.w А,, „„„й-------

ЧОГо ;

"ерву

Заключалась в том, что они уже были опробованы в условиях реального производ-ерм""""" устройства производились серийно. Маркерная шина имеет JCflog "ированное и поддающееся расчету время передачи сообщения в наихудших Чьз" "" " протоколе Ethernet (некоторые приложения реального времени реализовать при неопределенном времени передачи сообщения). Не удиви-

J. цифровые коммуникации в управлении процессдц g g KoмУ управлении техническими процессами

тельно, что протоколы MAP и ТОР благодаря своей структуре были поддер компаниями с резко различающимися требованиями. General Motors производи томобили на конвейерах, движущихся с заданной скоростью, а компания Boeing бирает самолеты на неподвижных стапелях; соответственно, требования синхроцц зации совершенно различны. Совместимость на верхних уровнях гарантиру сопряжение приложений MAP и ТОР.

В системах автоматизации производства, вообще говоря, имеется три функццо нальных уровня - общее (целевое) управление, управление процессом или произвол ственной линией и локальное управление. MAP поддерживает взаимодействие на среднем уровне, на его основе координируется работа множества участков в технологической цепочке и нескольких технологических цепочек на уровне предприятия MAP не подходит для связи и управления на уровне датчиков. MAP является достаточно "тяжеловесным" продуктом из-за большого количества уровней и соответствующих протоколов, и поэтому не соответствует нуждам простых, быстрых и дешевых технологий, используемых на нижнем уровне автоматизации производства. Здесь рационален другой подход - использование шины локального управления Fieldbus (раздел 9.7). MAP также не годится для поддержки системы управления верхнего уровня, на котором принимаются стратегические решения. Программные средства этого уровня не должны удовлетворять специфическим требованиям реального времени и могут разрабатываться на основе обычного программирования, использующего статистическую обработку и анализ больших объемов данных. Тем не менее MAP остается ключевым подходом к практической реализации автоматизированных систем управления производством (АСУП, Compute?-Integrated Manufacturing - CIM).

9.6.4. Служба производственных сообщений

Служба производственных сообщений (Manufacturing Message Specification -MMS) - это набор абстрактных команд или язык для дистанционного мониторинга и управления промышленным оборудованием. MMS определяет содержание опросных и управляющих сообщений и действий, которые должны за ними следовать, ожидаемых реакций, процедур подтверждения и т. д. Структура MMS описана в стандарте ISO/IEC 9506 в следующих документах. Часть 1. Описание сдужбы (5errice £>е/ггайогг) Часть 2. Описание протокола (ProtocolDefinition) Часть 3. Управляющие сообщения робота (Robot Control Messages) Часть 4. Сообщения цифрового управления (Numerical Control Messages) Часть 5. Сообщения программируемого логического устройства (Messages J

Programmable Logic Controllers) Часть 6. Сообщения управления процессом (Process Control Messages). MMS обеспечивает большое количество функций и вариантов обслуживания. Функции общего типа, например чтение и запись переменных на удаленном УР.. стве, запуск и остановка программ и передача файлов между различными устР° ствами, рассмотрены в частях 1 и 2. Связанные с MMS производственные стандаР (части 3-6) ориентированы на конкретные реальные устройства. Хотя при разрао ке MMS сделана попытка включить все функции, необходимые в задачах произвО/ ственной автоматизации, тем не менее оставлена определенная свобода, чтобы обе

чйть будущие расширения. Не обязательно, чтобы каждое устройство восприни-

ма.ло

все команды MMS, достаточно некоторого подмножества, как это описано в со-етствующей части документа. Каждое подмножество всего стандарта разрабаты-" ется и пересматривается независимо от других его частей.

jVilVlS основано на объектно-ориентированной концепции программирования, которой классы объектов определяются вместе с допустимыми операциями. Основной идеей MMS является концепция виртуального производственного устройства (Virtual Manufacturing Device - VMD). VMD - это набор всех возможных команд для устройства какого-либо типа, например робота. Реальный механизм будет реагировать на команды VMD, выполняя заданные операции стандартным, заранее ддределенным способом. MMS и VMD вынужденно являются сложными, чтобы охватить различные типы похожих устройств; реальные устройства обычно могут ис поднять лишь часть команд VMD.

Функции MMS основаны на модели "клиент-сервер" (рис. 9.27). Клиент запрз шивает определенную услугу от сервера. Сервер выполняет запрос и сообщает клиенту результат операции.

сеть

виртуальное

устройство

(сервер)

реальное устройство

воздействие ( на технический ) \процесс у

ис. 9,27. Модель "клиент-сервер" в архитектуре MMS

MD выполняет функции реального устройства, но с точки зрения клиента - это Ртуальный сервер. Клиент может отдать VMD-команду виртуальному роботу, на-,№мер повернуть руку на 30° вокруг оси Эта команда заставляет настоящего ро-выполнить это действие. Команды, которые вырабатываются системой управле-

ния роботом для его исполнительных устройств, могут быть совершенно другие в зависимости от их конкретной электрической и механической конструкции. В

-----.....------------------ J Случае, если робот не в состоянии выполнить команду поворота, например потому

рука достигла упора или ось Z вообще отсутствует, вырабатывается ответ с ко

возврата, который соответствует причине.

Важной чертой модели клиент-сервер является отсутствие у устройства-сепк состояний, определенных на локальном уровне и неизвестных клиенту. Все запро со стороны клиента приводят к самодостаточным ответам и не предполагают ссьцо" на ранее использованную информацию. Другими словами, информация от серве"* (VMD) может рассматриваться как его собственная база данных, в которой собио ются и хранятся новые значения. Независимость VMD от предшествующих данных которые должны собираться клиентом, и то, что все запросы обязательно подтверждаются VMD, помогают избежать ошибок и противоречий, которые могут произойти из-за потери или задержки сообщений.

9.7. Шины локального управления (Fieldbus)

9.7.1. Решение для производственных коммуникаций нижнего уровня

Особое внимание, уделяемое в протоколах ВОС и MAP организации связей между уровнями на основе специальных протоколов, не всегда совпадает с потребностью в быстрой, эффективной и малозатратной системе коммуникаций, которая необходима в промышленных системах реального времени. Как уже указывалось по поводу модели ВОС, не каждый уровень необходим для всех прикладных задач. Когда все связываемые устройства расположены в пределах замкнутого производственного участка и присоединены к одной и той же физической шине, нет необходимости в многочисленных проверках передачи, как в случае прохождения данных по международным коммуникационным сетям. Для соединения устройств в ограниченном пространстве производственного предприятия вполне достаточно организации о мена на 1-м и 2-м уровнях модели ВОС и протокола MMS. В этих условиях использо вание более высоких уровней нерационально и их можно не применять. je

В промышленных системах наибольшая часть работы (и стоимости) по с- и и обработке данных связана не с центральным вычислительным комплексом, а сится к локальному уровню, где установлены основные устройства. Для ™ дкм действительно воспользоваться преимуществами цифровой технологии, нео новый стандарт на цифровую связь низкого уровня. На сегодняшний день для задач применяются шины локального управления - Fieldbus. Следует ска единого стандарта Fieldbus не существует, но имеется несколько решении, ;,ен1 емых промышленностью и исследовательскими организациями. С течением то, что было предложено и работает в условиях производства, сконцентрирУ руг одной или нескольких технологий и станет частью более общего стаНД

взаимодействие различных устройств, присоединенных к одной и той же фи: >ской среде передачи. Очевидным преимуществом цифровой техники по сравнени] ялоговой яв.пяется заметное уменьшение кабельных связей - один цифровой кан ожет заменить большое число проводников с токами в диапазоне 4-20 мА. * Применение шин локального управления дает значительные преимущества. Суш .венная доля "интеллекта", необходимого для управления процессом, переносится i пьный уровень. Обслуживание датчиков значительно облегчается, поскольку т кие операции, как тестирование и калибровка датчиков, можно выполнять дистанц онноибез непосредственного участия наладчиков. Естественно, что качество управл я находится в прямой связи с достоверностью и качеством собираемых данных. Несколько организаций, отвечающих за стандартизацию, например Междунаро, ная электротехническая комиссия, работают над созданием международного ста. дарта шин локального управления. В разных странах разрабатываются нацис кшьные программы по подготовке будущего стандарта. Хотя окончательно соглашение и не достигнуто, никто не хочет ждать введения общего стандарта - hi которые компании уже разработали свои продукты и выпустили их на рынок. Особ следует отметить национальные стандарты, выполненные во Франции и ГерманИ!

8 конце концов опыт и предложения могут быть обобщены в едином и общеприш том стандарте, хотя возможно, что различные, уже существующие решения буду жить своей собственной параллельной жизнью.

В этом разделе кратко рассмотрены основные черты шины Bitbus, разработанно] компанией Intel, а также шина локального управления PROFIBUS, разработанная группой немецких компаний.

9 7.2. Шина Bitbus

Шина Bitbus была объявлена компанией Intel в 1984 году, и на ней базируются мно "•е промышленные продукты других компаний. Шина Bitbus соответствует двум пер "ымуровням модели BOt - физическому (1-й уровень) и канальному (2-й уровень) Том Фиеском уровне Bitbus использует витую пару в соответствии со стандар RS-485. К одной шине можно подключить до 28 устройств, а несколько шин -"единить с помощью повторителей. Возможные скорости передачи - 62.5, 375 йне" 2-4 Мбит/с. При наименьшей скорости (62.5 Кбит/с) допустимое расстоя-

ежду повторителями составляет 1200 м. Ройств" " иерархически структурирована. Одно из присоединенных уст-Равл/ "ятся ведущим, остальные - ведомыми. Ведущее устройство всегда уп-%ает """ передачи сообщений с помощью механизма опроса: ведущий по-1?Ред;"Р° ведомому, который должен ответить; ведомое устройство не может "*otbi°°""" инициативе, а должно ждать запроса ведущего. Ведо-

"тве/ ведущему в течение определенного интервала времени. Если ведомый Sriep* повторяет запрос несколько раз. Если ответ не получен, веду-ведомого в разряд недоступных и виртуально выводит его из работы.

;i„ HeCKTiTti,,-----

руг одной или несколькнл icra..,.-..... " j, Несколько " "доступных и виртуально выводит его из работы,

кальных шин Eieldbus. ,„„т.пкое признанИ Ч интепл, - объединены в сеть, ведущее устройство служит и сете-Стандарт шин локального управления f>Н т""" "°™°" us не предусматривает несколько ведущих у -

этобылосостандартомнатоковуюпетлю4-20мА. Принятие стандар -Так чо,„ ,. "этому не опоелеляртсп.л о-п..,,,. „-------------- г. . У

..тандар! шип .-.wcu.,... , оп.д TrnMHaTHPCTaHflaDTaB.it-" Цп «поэтпл,,, • "г-сдусматривает несколько ведущих уст-

это было со стандартом на токовую петлю 4-20 м А. Приня тие " ,об. Т>; >Ное" определяет способ передачи прав ведущего. В обычной практике

бой снижение цен и минимизацию проблем с несовместимостью Щ обе Ч,, Ус гроиство, например управляющий компьютер, является ведущим а все

как в случае со стандартом MAP, стандарт шин локального управления до-/ "е устройства г мрнр .,т..,„й .члектпп„„„„.". „" . . " """

устройства с менее сложной электроникой - ведомыми.