Характеристики шины Controller Area Network (CAN)

· Топология: последовательная шина, с обоих концов линии стоят заглушки (120 Ом)

· Обнаружение ошибок: 15-битовый CRC-код

· Локализация ошибок: различают ситуации с постоянной ошибкой и временной; устройства с постоянной ошибкой отключаются

· Текущая версия: CAN 2.0B

· Скорость передачи: 1 Мбит/с

· Длина шины: до 30 м

· Количество устройств на шине: ~ 64 (теоретически неограничено)

Profibus.

Слово PROFIBUS получено из сокращений PROcess Field BUS, что приблизительно переводится как «промышленная шина для технологических процессов». Стандарт Profibus был первоначально принят в Германии в 1987 г., в 1996 г. он стал международным.

Profibus использует обмен данными между ведущим и ведомыми устройствами (протоколы DP и PA) или между несколькими ведущими устройствами (протоколы FDL и FMS). Требования пользователей к получению открытой, независимой от производителя системе связи, базируется на использовании стандартных протоколов Profibus.

Физический уровень Profibus

Физически Profibus может представлять собой:

§ электрическую сеть с шинной топологией, использующую экранированную витую пару, соответствующую стандарту RS-485;

§ оптическую сеть на основе волоконно-оптического кабеля;

§ инфракрасную сеть.

Скорость передачи по ней может варьироваться от 9,6 Кбит/сек до 12 Мбит/сек.

Протокол доступа к шине

Для всех версий Profibus существует единый протокол доступа к шине. Этот протокол реализуется на 2 уровне модели OSI (который называется в Profibus FDL). Данный протокол реализует процедуру доступа с помощью маркера (англ. token). Сеть Profibus состоит из ведущих (англ. master) и ведомых (англ. slave) станций. Ведущая станция может контролировать шину, то есть может передавать сообщения (без удалённых запросов), когда она имеет право на это (то есть когда у неё есть маркер). Ведомая станция может лишь распознавать полученные сообщения или передавать данные после соответствующего запроса. Маркер циркулирует в логическом кольце, состоящем из ведущих устройств. Если сеть состоит только из одного ведущего, то маркер не передаётся (в таком случае в чистом виде реализуется система master-slave). Сеть в минимальной конфигурации может состоять либо из двух ведущих, либо из одного ведущего и одного ведомого устройства.

Далее мы будем рассматривать только Profibus DP, поскольку он получил несравненно более широкое распространение, чем FMS и РА.

Канальный уровень модели OSI в Profibus называется FDL-уровнем (Field- bus Data Link — промышленный канал связи). Объект MAC (Medium Access Control — управление доступом к каналу) на канальном уровне определяет процедуру передачи данных устройствами, включая управление правами на передачу данных через сеть. Протокол канального уровня обеспечивает выполнение следующих важных требований:

в процессе коммуникации между ведущими устройствами необходимо обеспечить выполнение каждым из них своей задачи в течение заранее определенного интервала времени;

взаимодействие ведущих устройств (контроллеров) с ведомыми должно происходить максимально быстро.

В сети Profibus для доступа ведущих устройств к сети используется метод передачи маркера (рис. 2.23). В этом методе сеть имеет логическую топологию кольца (т.е. кольца на уровне адресов устройств), каждое ведущее устройство получает доступ к сети только при получении маркера. Маркер выполняет роль арбитра, который предоставляет устройству право доступа. По истечении определенного времени это устройство должно передать маркер следующему

Логическое кольцо с маркером

Profibus имеет также широковещательный режим работы, когда ведущее устройство посылает сообщение «всем», не ожидая уведомления о получении, и многоабонентский режим, когда ведущее устройство посылает одно и то же сообщение сразу нескольким участникам сети.

Modbus.

Протокол Modbus и сеть Modbus [135-137] являются самыми распространенными в мире. Несмотря на свой возраст (стандартом де-факто Modbus стал еще в 1979 г.), Modbus не только не устарел, но, наоборот, существенно возросло количество новых разработок и объем организационной поддержки этого протокола. Миллионы Modbus-устройств по всему миру продолжают успешно работать, а последняя версия описания протокола появилась в декабре 2006 г. [135].

Преимуществами Modbus являются отсутствие необходимости в специальных интерфейсных контроллерах (Profibus и CAN требуют для своей реализации заказные микросхемы), простота программной реализации и элегантность принципов функционирования. Все это снижает затраты на освоение стандарта как системными интеграторами, так и разработчиками контроллерного оборудования. Высокая степень открытости протокола обеспечивается также полностью бесплатными текстами стандартов, которые можно скачать с сайта www.modbus.org.

В России Modbus по распространенности конкурирует только с Profibus. Популярность протокола в настоящее время объясняется, прежде всего, совместимостью с большим количеством оборудования, которое имеет протокол Modbus. Кроме того, Modbus имеет высокую достоверность передачи данных, связанную с применением надежного метода контроля ошибок. Modbus позволяет унифицировать команды обмена благодаря стандартизации номеров (адресов) регистров и функций их чтения-записи.

Основным недостатком Modbus является сетевой обмен по типу «ведущий/ведомый», что не позволяет ведомым устройствам передавать данные по мере их появления и поэтому требует интенсивного опроса ведомых устройств ведущим.

Разновидностями Modbus являются протоколы Modbus Plus [137] — мно- гомастерный протокол с кольцевой передачей маркера и Modbus TCP [144], рассчитанный на использование в сетях Ethernet и Интернет.

Протокол Modbus имеет два режима передачи: RTU (Remote Terminal Unit — удаленное терминальное устройство) и ASCII. Стандарт предусматривает, что режим RTU в протоколе Modbus должен присутствовать обязательно, а режим ASCII является опционным. Пользователь может выбирать любой из них, но все модули, включенные в сеть Modbus, должны иметь один и тот же режим передачи.

Мы рассмотрим только протокол Modbus RTU, поскольку Modbus ASCII в России практически не используется. Отметим, что Modbus ASCII нельзя путать с частно-фирменным протоколом DC0N, который используется в модулях фирм Advantech и ICP DAS и не соответствует стандарту Modbus.

Стандарт Modbus предусматривает применение физического интерфейса RS-485, RS-422 или RS-232. Наиболее распространенным для организации промышленной сети является 2-проводной интерфейс RS-485. Для соединений точка-точка может быть использован интерфейс RS-232 или RS-422.

17. Сетевое оборудование(Промышленные сети и интерфейсы)

Промышленной сетью называют комплекс оборудования и программного обеспечения, которые обеспечивают обмен информацией (коммуникацию) между несколькими устройствами. Промышленная сеть является основой для построения распределенных систем сбора данных и управления.

Поскольку в промышленной автоматизации сетевые интерфейсы могут быть неотъемлемой частью соединяемых устройств, а сетевое программное обеспечение прикладного уровня модели OSI исполняется на основном процессоре промышленного контроллера, то отделить сетевую часть от устройств, объединяемых в сеть, иногда физически невозможно. С другой стороны, смену одной сети на другую часто можно выполнить с помощью замены сетевого ПО и сетевого адаптера или введением преобразователя интерфейса, поэтому часто один и тот же тип ПЛК может использоваться в сетях различных типов.

Промышленные сети отличаются от офисных следующими свойствами:

· специальным конструктивным исполнением, обеспечивающим защиту от пыли, влаги, вибрации, ударов;

· широким температурным диапазоном (обычно от -40 до +70 °С);

· повышенной прочностью кабеля, изоляции, разъемов, элементов крепления;

· повышенной устойчивостью к воздействию электромагнитных помех;

· возможностью резервирования для повышения надежности;

· повышенной надежностью передачи данных;

· возможностью самовосстановления после сбоя;

· детерминированностью (определенностью) времени доставки сообщений;

· возможностью работы в реальном времени (с малой, постоянной и известной величиной задержки);

· работой с длинными линиями связи (от сотен метров до нескольких километров).

Промышленные сети обычно не выходит за пределы одного предприятия. Однако с появлением Ethernet и Internet для промышленных сетей стали применять ту же классификацию, что и для офисных:

· LAN (Local Area Network) — сети, расположенные на ограниченной территории (в цехе, офисе, в пределах завода);

· MAN (Metropolitan Area Networks) — сети городов;

· WAN (Wide Area Network) — глобальная сеть, охватывающая несколько городов или континентов. Обычно для этого используют Интернет- технологию.

Важной характеристикой промышленных сетей является надежность доставки данных. Надежность характеризуется коэффициентом готовности, вероятностью доставки данных, предсказуемостью времени доставки, безопасностью, отказоустойчивостью.