7. Средства промышленных сетей

В течение многих лет системы обмена данными строились по тра­диционной централизованной схеме, в которой имелось одно мощное вычислительное устройство и огромное количество кабелей, посредст­вом которых осуществлялось подключение датчиков и исполнительных механизмов. Такая структура диктовалась высокой ценой ЭВМ и относительно низким уровнем автомати­зации производства. На сегодняшний день у этого подхода практически не осталось приверженцев. Такие недостатки централизованных АСУ ТП, как большие затраты на кабельную сеть и вспомогательное обору­дование, сложный монтаж, низкая надежность и сложная реконфигура­ция, сделали их во многих случаях абсолютно неприемлемыми как эко­номически, так и технологически.

В условиях бурно растущего производства микропроцессорных устройств альтернативным решением стали цифровые промышленные сети (Fieldbus), состоящие из многих узлов, обмен между которыми производится цифровым способом. На сегодняшний день на рынке представлено около сотни различных типов промышленных сетей, про­токолов и интерфейсов, применяемых в системах автоматизации среди которых Modbus, PROFIBUS, Interbus, Bitbus, CAN, LON, Foundation Fieldbus, DH+, Control Net, Device Net, Ethernet и др.

Использование промышленной сети позволяет расположить узлы, в качестве которых выступают контроллеры и интеллектуальные уст­ройства ввода-вывода, максимально приближенно к оконечным уст­ройствам (датчикам и исполнительным механизмам), благодаря чему длина аналоговых линий сокращается до минимума. Каждый узел про­мышленной сети выполняет несколько функций:

– прием команд и данных от других узлов промышленной сети;

– считывание данных с подключенных датчиков;

– преобразование полученных данных в цифровую форму;

– отработка запрограммированного технологического алгоритма;

– выдача управляющих воздействий на подключенные исполни­тельные механизмы по команде другого узла или согласно технологи­ческому алгоритму;

– передача накопленной информации на другие узлы сети.

АСУ ТП на базе промышленных сетей по сравнению с традицион­ными централизованными системами имеют несколько особенностей:

1. Существенная экономия кабельной продукции. Вместо километров дорогих кабелей требуется несколько сот метров дешевой витой пары. Также сокращаются расходы на вспомогательное оборудование (кабельные каналы, клеммы, шкафы).

2. Повышение надежности системы управления. По надежности цифровой метод передачи данных намного превосходит аналоговый. Передача в цифровом виде малочувствительна к помехам и гарантиру­ет доставку информации благодаря специальным механизмам, встроен­ным в протоколы промышленных сетей (контрольные суммы, повтор передачи искаженных пакетов данных). Повышение надежности функ­ционирования и живучести АСУ ТП на базе промышленных сетей так­же связано с распределением функций контроля и управления по раз­личным узлам сети. Выход из строя одного узла не влияет либо влияет незначительно на отработку технологических алгоритмов в остальных узлах. Для критически важных технологических участков, возможно дублирование линий связи или наличие альтернативных путей переда­чи информации. Это позволяет сохранить работоспособность системы в случае повреждения кабельной сети.

3. Гибкость и модифицируемость. Добавление или удаление отдель­ных точек ввода-вывода и даже целых узлов требует минимального количества монтажных работ и может производиться без остановки системы автоматизации. Переконфигурация системы осуществляется на уровне программного обеспечения и также занимает минимальное время.

4. Использование принципов открытых систем, открытых технологий, что позволяет успешно интегрировать в единую систему изде­лия от различных производителей.

В 1978 году Международной организацией по стандартизации (ISO) в противовес закрытым сетевым системам и с целью разрешения проблемы взаимодействия открытых систем с различными видами вы­числительного оборудования и разными стандартами протоко­лов была предложена «Описательная модель взаимосвязи открытых систем» (модель ISO/OSI), которая распреде­ляет сетевые функции по семи уровням (физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, представления, прикладной).

Иерархия АСУ промышленным предприятием обычно представ­ляется в виде многоэтажной пирамиды (рис. 4), определяющей разные уровни управления:

– Уровень управления и планирования предприятием (ERP/MES);

– Уровень управления технологическими процессами (SCADA/HMI);

– Уровень управления устройствами объекта автоматизации (Control I/O).

В последнее время рассмотренная структура систем управления существенно усложняется, при этом стираются четкие грани между различными уровнями. Это связано с проникновением Internet-технологий в промышленную сферу, значительными успехами про­мышленного Ethernet, использованием некоторых промышленных се­тей Fieldbus во взрывоопасных зонах на предприятиях химической, нефтегазовой и других отраслей промышленности с опасными усло­виями производства. Кроме того, появление интеллектуальных датчи­ков и исполнительных механизмов и интерфейсов для связи с ними фактически означает появление самого нижнего уровня АСУ ТП - уровня сети оконечных устройств (рис. 42).

Рис. 42. Структура многоуровневого ПТК

Большое разнообразие открытых промышленных сетей, интерфей­сов и протоколов связано с многообразием требований автоматизируе­мых технологических процессов. Эти требования не могут быть удов­летворены универсальным и экономически оптимальным решением. Сейчас уже очевидно, что ни одна из существующих сетей не станет единственной, похоронив все остальные. Когда обсуждается вопрос о выборе типа промышленной сети, не­обходимо уточнять, для какого именно уровня автоматизации этот вы­бор осуществляется. В зависимости от места сети в иерархии про­мышленного предприятия требования к ее функциональным характе­ристикам будут различны. Рассмотрим наиболее часто используемые промышленные сети.