Четкое разделение на ведущее и ведомые устройства позволяет при работе жиме реального времени заранее точно рассчитать время реакции. Структура п тов данных Bitbus унаследована из протокола HDLC (раздел 9.4.5). Пакеты f! батываются и пересылаются как межзадачные сообщения программ ведущ£р ведомых устройств. Прикладной программист, однако, не работает непосредст но на уровне пакетов, поскольку функции взаимодействия с шиной реализовТн в виде набора стандартных процедур программного обеспечения Bitbus. Эти п цедуры включают функции чтения и записи в память ведомого устройства из памя ти ведущего (и следовательно, обеспечивают двухстороннюю связь с управляем процессом), загрузки задач и данных, запуска и остановки задач на удаленных уст ройствах и т. д.

Bitbus - это зрелый промышленный продукт, поддерживаемый несколькими компаниями. Это очень хорошее решение для небольших производственных участков или управляющих устройств с относительно небольшим объемом трафика, когда нет необходимости в нескольких ведущих устройствах для управления коммуникациями, и в то же время есть жесткие требования к работе в режиме реального времени. В системах большого масштаба ведущие устройства можно связать между co6oii высокоскоростной сетью и передавать агрегированные данные на более высоки!! уровень центральному управляющему компьютеру.

9.7.3. Шина PROFIBUS

Шина PROFIBUS (Process Fieldbus) поддерживается группой немецких производителей и институтов. Первоначально PROFIBUS разрабатывалась при координации Министерства исследований и техники Германии и теперь включена в не-.мецкий и европейский стандарты (соответственно DIN 19245 и EN 5О170). Подобно другим шинам локального управления, PROFIBUS сочетает функции уровней 1, 2 и 7 модели ВОС (физический, канальный и приложений). PROFIBl" соответствует существующим стандартам, определяющим разные уровни; основное внимание уделялось сохранению совместимости с уже используемым оборудованием. Наиболее важные операции с этим типом шин не требуют специализированных процессоров и выполняются программным обеспечением, работающим на обычных процессорах.

Физическая среда передачи PROFIBUS - это экранированная витая пара в соот ветствии со спецификацией интерфейса RS-485 с максимальной длиной 1200 м (до 4800 м с использованием повторителей). Скорости передачи данных 9.6, 19.2, и 500 Кбит/с. В новых конструкциях предусмотрено применение оптоволоконного кабеля и, соответственно, более высокие скорости.

PROFIBUS может работать как с одним постоянным ведущим устройством, так и конфигурации с несколькими ведущими. Управление доступом к среде основано г ридной версии маркерной шины IEEE 802.4, включающей ведущую и ведомую стании К ншне можно присоединить до 127 активных и пассивных станций. Между активньг станциями циркулирует маркер - станция может передавать информацию, если влаД маркером. Маркер недоступен пассивным станциям - активная станция должна запр сить пассивную, после чего она может ответить сообщением (рис. 9.28).

В системе PROFIBUS предусмотрено несколько типов сообщений - от прость запросов и подтверледеиий до более сложных пакетов данных. Сообщение имеет у

дуальную длину 256 байт; ему можно приписать один из двух уровней приоритета. "Чтения PROFIBUS основаны на подмножестве языка MMS, включающем поня-виртуального устройства (VMD) и модель клиент-сервер, а также набор команд выполнения сетевых операций, удаленного запуска и остановки задач и т. д. До-днительным свойством PROFIBUS являются функции управления, например из-",енение конфигурации шины, добавление и удаление станций, выявление и изоляция аварийных элементов.

маркер

(локальная сеть)

Рис. 9.28. Принцип работы шины PROFIBUS

Маркер циркулирует между ведущими станциями В, С, Е, F и G. Владелец маркера может вести передачу. Ведомые станции А, D и. Н не могут передавать данные произвольно, а должны отвечать на запрос ведущей

PROFIBUS разработана для поддержки на одной шине интеллектуальных датчиков одновременно с более сложными устройствами (типа ПЛК, регуляторов, небольших управляющих компьютеров и т. д.). Коммуникации на основе сообщений обеспечивают определенную гибкость в отношении типа и количества данных, которыми обмениваются устройства, однако это достигается за счет быстродействия. PROFIBUS не может гарантировать, что данные от каждого датчика поступают с постоянной скоростью. Соответствует ли это требованиям процесса или нет, нужно решать в каждом конкретном случае.

PROFIBUS может работать в режимах с несколькими или с одним ведущим устройством. Если имеется только одно ведущее устройство, то порядок последова-тельного опроса ведомых устройств можно точно определить и рассчитать предварительно.

PROFIBUS позволяет осуществлять настройку различных параметров, которое делятся на параметры шины, одинаковые для всех станций, и параметры уст-иства, отличающиеся от станции к станции. Параметры шины должны быть оп-Делены таким образом, чтобы получить требуемые функциональные Ристики и при этом обойти слабые места. Например, параметр шины "Вре-обращения маркера" (Target rotation time), т. е. максимальное время, необходи-Чт ( полного обращения маркера по шине, должен выбираться таким образом, обы активные станции не простаивали бы слишком долго в ожидании доступа к Л передачи. Время обращения маркера можно вычислить только на основании формации о типе коммуникации к о типичной длине сообщения. На практике J*HM работы сети должен анализироваться, проверяться и настраиваться с помо-о соответствующего анализатора, который позволяет оценить эффективность Раций в терминах определенных показателей (пропускная способность, среднее Ремя ожидания, среднее время реакции).

9.7.4. Будет ли создан стандарт Fieldbus?

Описанные здесь решения не являются единственными. Почти каждая серьез компания, работающая в сфере промышленной автоматизации, пользуется собствен ным типом шины локального управления, которая более или менее основана на су шествующих стандартах и совместима с ними. Несколько различных вариантов шины Fieldbus не обязательно являются недостатком, если дают выифыщ в качестве управления. Для PROFIBUS характерна гибкость систем с маркером - любое устройство может начать запрашивать данные, если обладает маркером. Bitbus, основанная на идее центрального устройства, более эффективна, когда необходимо придерживаться определенной последовательности операций и обращаться к простым ведомым устройствам, но менее эффективно поддерживает асинхронные операции с более или менее независимыми, т. е. обладающими интеллектом, устройства,ми. Bitbus - это строго иерархическая структура с единственным ведущим устройством, а PROFIBUS поддерживает параллельные действия нескольких интеллектуальных устройств.

Трудно предугадать, появится ли интегрированный стандарт Fieldbus или же будут сосуществовать несколько разнотипных стандартов. Выполняется целый ряд национальных и международных проектов для выработки унифицированных стандартов, например проект SP50 под эгидой ISA {Instmment Society of America), проекты Европейского союза по программе ESPRIT - CNMA {Communication Network for Manufacturing Applications) и FICIM {Fieldbus Integration into Computer Integrated Manufacturing), проект программы EUREKA EU 68 Fieldbus и проект ТС 65 Международной электротехнической комиссии. Поскольку национальная гордость и рыночные механизмы играют по крайней мере такую же роль, как и комитеты по стандартизации, положение, описанное выше, скорее всего, таковым и останется. Хотя, может быть, это и не так плохо. Проигрыш в унификации на уровне компонентов будет перекрываться свободой выбора метода коммуникаций, который в наибольшей степени подходит к решаемой задаче. Ориентированные на задачи реального времени типы локальных шин, такие как Bitbus, могут применяться на самом низком уровне для сбора информации от датчиков в базу данных производственного участка, а с помощью PROFIBUS можно соединить в гибридную систему несколько независимых устройств и интеллектуальных датчиков.

9.8. Применение сетей общего пользования

Локальные вычислительные сети удобны для соединения устройств в Р, одного здания или какой-либо ограниченной территории. С другой стороны, лок ные сети редко используются, если расстояния превышают километр или есл бель должен пройти по общественной территории. Во многих странах, осоЬен Европе, можно построить мощную локальную сеть в границах одной шюшадкт получить разрешения от властей на то, чтобы протянуть кабель в офисное зд находящееся на другой стороне улицы. Вопросы, касающиеся монополии на с довольно запутаны и здесь обсуждаться не будут, однако всегда нужно УЧИть национальные или территориальные условия. На практике это означает, что в р случаев информация должна передаваться по сетям, находящимся в собственно государственных, смешанных или частных почтовых, телеграфных или телефон

компаний. Более того, набирающее силу ограничение естественных монополий означает, что несколько компаний могут предложить обслуживание, связанное с передачей информации на основе разных технологий и по разумным ценам. Другим подозрительным для пользователя фактом является то, что, несмотря на огромное число производителей и телекоммуникационных компаний, технология подключения к се--гяМ общего пользования постоянно унифицируется. Таким образом, если не удается протянуть кабель через дорогу, можно выбрать одну из конкурирующих компаний для передачи информации по ее сетям.

Применение сетей общего пользования для передачи информации может определяться и другими причинами. В некоторых типах производств необходимо собирать информацию с объектов, имеющих значительную географическую протяженность, например при наблюдении за линиями электропередачи, системами водо- или газоснабжения. В ряде случаев сооружение собственных коммуникационных линий для наблюдения за удаленной на 100 километров трансформаторной подстанцией может оказаться непрактичным. Это типичная ситуация, когда рационально привлечение постороннего поставщика услуг связи.

Приведенное ниже описание - короткое введение в сети общего назначения с точки зрения подключения абонентов. Внутренние механизмы этих сетей рассматриваться не будут.

9.8.1. Телефонная сеть и модемы

Телефонная сеть справедливо может считаться одним из современных чудес света. Она существует, работает и ее можно использовать для передачи информации. Она соединяет примерно полмиллиарда телефонов во всех странах мира и обеспечивает, хотя и не всегда, вполне удовлетворительное качество связи. Это хороший притертого, как очень сложная система может постепенно развиваться на сравнительно простой основе, вместо того чтобы строиться по плану, как это принято сейчас. До iBoero современного состояния телефонная система развивалась в течение более ста -ет. Безусловно, телефонные сети отражают и значительные различия между страна-- мира. По оценкам ООН телефон недоступен примерно двум третям населения "ланеты.

пдо Т™ зрения передачи информации типовое телефонное соединение является 1очно" пропускания составляет приблизительно 3000 Ец, что доста-

*Рени различимой передачи человеческого голоса, но малоприемлемо с точки ельнос"" ширины полосы пропускания происходит в действи-Ubix из-за качества цепей в телефонном аппарате и не из-за свойств кабель-

тен к?Г"/°° обеспечивать скорости передачи данных до нескольких - Оит/с, а из-за фильтров, установленных на телефонных станциях и телефон-

•yjn""" *°"Ь1Й спектр искусственно сужается, чтобы обеспечить сжатие типлексирование для передачи на большие расстояния. В телефонных систе-

и,Чу

Чея" =«=-оговые и цифровые технологии. Еолосовой сигнал абонента

*°""1!Г1"Л"° "° тй паре (аналоговая форма).

лефонной станции сигнал преобразуется в цифровую форму и передается по ско-плексным каналам (по медному „ оптоволоконному кабелю, по спут-кроволновым каналам) до следующей станции. Здесь выделяется ис-

мульти

•тным

)(о°Ь1м или микроволновым--------

(ЧЫЙ сигнал и по витой паре передается абоненту.

Цифровую информацию нельзя передавать по телефонной линии непосредстз но, поскольку узкая полоса пропускания срежет постоянные составляющие и исц " зит сигналы, изменяющиеся с высокой частотой. Чтобы преодолеть эти трудцц, " применяются модемы, которые согласуют цифровые данные с характеристиками лефонной линии. Слово "модем" является аббревиатурой от "модулятор/демодул тор". Модем относится к аппаратуре окончания канала данных (раздел 9.3.6). Моде генерирует несущую с частотой от 1000 до 2000 Гц и модулирует ее в соответствии передаваемой информацией. Частота и тип модуляции (амплитудная, частотная фазовая) меняются в зависимости от стандарта.

Режим работы модема может быть полудуплексным или дуплексным. В полудуплексном режиме одно устройство в каждый момент времени является передающим другое - принимающим. Изменение направления передачи определяется протоколом. В дуплексном режиме для передачи в разных направлениях используются разные частоты, поэтому прием и передача могут выполняться одновременно. Некоторые из современных модемов способны адаптироваться к характеристикам сети, скоростям передачи и другим параметрам. Обычный интерфейс между ЭВМ или терминалом и модемом - EIA-232-D (раздел 9.3.6).

Модемы, работающие на основе сложных схем кодирования, достигают сегодня приблизительно половины максимальной теоретической скорости передачи, определяемой теоремой Шеннона (уравнение 9.3). При наличии шума их эффективность быстро уменьшается, а необходимость применения схем коррекции снижает их реальную пропускную способность до уровня, меньшего, чем у более медленных модемов. Типичные модемы для обычных телефонных линий работают в диапазоне между 9600 и 19 200 бит/с, а некоторые достигают скорости 57 600 бит/с на хороших линиях с высоким отношением сигнал/шум. Скоростные модемы могут автоматически переключаться на меньшие скорости, если это необходимо из-за низкого качества линии и узкой полосы пропускания. Скорость 30 ООО бит/с является практически верхним пределом для передачи информации по обычным телефонным линиям и, скорее всего, не возрастет. Современная тенденция заключается в замене аналоговых линий цифровыми с большей пропускной спосоо-ностью.

Решение, которое позволяет увеличить скорость передачи данных и используется в некоторых конструкциях модемов, - это сжатие данных. Например, вместо тог" чтобы посылать последовательно сто нулей, более эффективно послать управляю щий код, означающий, что следующие 100 знаков - это нули. Эффективность с» тия данных зависит от их вида. Значительного выигрыша можно достичь для даннЫ; с избыточностью, но сжатие неэффективно, если данные не содержат повторен и изменяются по закону, близкому к случайному.

9.8.2. Цифровые сети

К наиболее важным способам передачи цифровых данных относятся:

- коммутация цепей (устройств);

- выделенные линии;

- коммутация сообщений;

- коммутация пакетов.

мутация цепей

Коммутация цепей (устройств) (circuit switching) - это непосредственное соеди-ение двух устройств с помощью физического тракта передачи, например модемов церез телефонную сеть. Соединение устанавливается после набора номера и остается .тйвным до тех пор, пока одно из устройств не инициирует его разрыв - "повесит убку". Название происходит от того, что на старых декадно-шаговых АТС при ус-фоъке соединения происходит замыкание контактов соответствующих реле, после цего возникает прямой физический тракт передачи между двумя оконечными устройствами. Стоимость зависит от продолжительности соединения.

Выделенные линии

Выделенная линия (leased line) - это постоянно установленное соединение между двумя определенными точками. Для передачи данных используются обычные аналоговые линии повышенного качества, т. е. специально протестированные и экранированные, чтобы обеспечивать большую полосу пропускания и отношение сигнал/шум и, соответственно, пропускную способность. Арендная плата обычно фиксирована за месяц или за год и не зависит от объемов трафика, который может включать себя и голос, и данные. На таких линиях обычно используются модемы со скоростями 19.2, 56 Кбит/с и выше.

Шмутация сообщений и Интернет

Еще один способ передачи информации - коммутация сообщений (message snitching). Цифровое сообщение целиком отправляется в сеть и передается от узла к узлу, пока не достигнет конечного пункта, при этом используется метод передачи Мнных с промежуточным хранением (store-and-forward). Этот способ применяется "ри передаче телексных сообщений и сообщений электронной почты и практически "представляет интереса в задачах промышленной автоматизации.

Особым типом сети коммутации сообщений является Интернет, который в последние годы приобрел всемирную популярность. Интернет является исключительно ибкой сетью, которая использует все возможные комбинации цифровых сетей. При-"нение протокола TCP/IP позволяет пользователям обмениваться сообщениями Контактировать друг с другом по всему миру.

Следует, однако, отметить, что Интернет не дает ни гарантий какого-либо опреде-ного качества работы, ни того, что сообщение достигнет адресата или что это про-°Идет за определенное время. Поэтому Интернет нельзя рассматривать в качестве ежного средства передачи информации для производственной системы реально-Ремени. Если необходимо наблюдать за каким-либо удаленным объектом, то Но обеспечить цифровую связь этого объекта с ближайшим сервером Интернета, layP"" будут передаваться к центральной системе обработки инфор-

таком случае можно потребовать от поставщика услуг связи трансляции Ровых сообщений прямо к пункту назначения, минуя Интернет.

пании, придающие большое значение связям с общественностью, например !)Л°системы или химические предприятия, могут открыть в Интернете страницу, бывающую их деятельность или даже позволяющую следить за реальным нзме-"Ием во времени каких-либо основных параметров (например, текущих значений

Ие