Fieldbus Intro V1
0 likes806 views
Документ охватывает теоретические основы построения распределенных систем автоматизации, включая различные типы устройств, способы коммуникации, и методы обмена данными между контроллерами и устройствами. Он описывает архитектуру сетей, стандарты, обмен параметрическими и процессными данными, а также диагностические возможности и протоколы связи. Также рассматриваются требования к промышленным сетям, их топологии и управление данными на различных уровнях связи.
Fieldbus Intro V1
- 1. Построение распределенных систем автоматизации Теоретические основы se_training@ukr.net (учебный центр Модикон-Киев) Автор: Александр Пупена www.asu.in.ua Учебный центр Модикон-Киев NET-Введение 1
- 2. Типы устройств Учебный центр Модикон-Киев NET-Введение 2 - контроллеры (PLC, регуляторы) - SCADA/HMI - Devices (I/O Device, Drives …) - датчики/ИМ - программаторы SCADA HMI SCADA PLC PLC PLC Распредел. устр. I/O Приводы и другие устр-ва Программатор датчики ИМ Программатор коммуникации другое ПО коммуникации
- 3. PLC<->PLC Модикон Киев NET-Введение PLC1 Распределенное приложение переменные 3 Локальное приложение переменные PLC2 PLC3 Локальное приложение переменные Локальное приложение переменные переменные переменные данные процесса -обмен данными процесса (циклический/по запросу, реальное время) -обмен диагностическим данными (по запросу)
- 4. PLC<-> Devices Учебный центр Модикон-Киев -обмен данными процесса: PLC<-> Devices (циклический/ по изменению, в реальном времени) -обмен параметрическими данными: PLC-> Devices (в предоперационном состоянии) -команды управления режимом работы устройства: PLC-> Devices -диагностика работы устройств: Devices ->PLC (проверка состояния, диагностика причины ошибок) функциональность как у PLC<->локальные модули
- 5. Распределенное приложение Devices <-> Devices Учебный центр Модикон-Киев NET-Введение 5 -обмен данными процесса (циклический, реальное время) Device1 функция/ФБ функция/ФБ данные процесса Device2
- 6. SCADA/HMI<->PLC/Device Учебный центр Модикон-Киев NET-Введение PLC1 6 Локальное приложение переменные -обмен данными процесса: PLC<->SCADA/HMI (циклический, мягкое реальное время) -иногда обмен диагностическим данными: PLC->SCADA/HMI (для однородных систем) -иногда управление состоянием: SCADA/HMI->PLC (по требованию) SCADA/HMI Приложение SCADA/HMI переменные данные процесса состояние команда управления
- 7. Программатор<->PLC/Device/SCADA/HMI Учебный центр Модикон-Киев NET-Введение 7 -подключение только по необходимости -обмен параметрическими данными (загрузка, выгрузка с PLC) -обмен данными процесса (при отладке, мягкое реальное время) -обмен диагностическим данными (диагностика неисправностей) -управление состоянием
- 8. SCADA/HMI<->SCADA/HMI/другое ПО Учебный центр Модикон-Киев NET-Введение 8 -обмен данными процесса (мягкое реальное время) -статистические/исторические данные процесса (не в реальном времени)
- 9. данные процесса Обмен данными/командами Учебный центр Модикон-Киев NET-Введение 9 -сравнительно небольшие объемы -реальное время -для ввода/вывода цикличный обмен или по изменению -высокоприоритетный по сравнению с параметрическими -сравнительно большие объемы данных -нет требования к реальному времени -передача данных только по необходимости (загрузка/выгрузка конфигурации) -низкий приоритет параметрические данные -передача состояния устройства - циклический обмен, реальное время, высокий приоритет -передача причины ошибки - по необходимости (по запросу), низкий приоритет диагностические данные -перевод в режимы: операционный (Operate/RUN), остановлен (NotOperate/STOP) предоперационный (PreoPerate), инициализация (Init) , и др. -передача команды по запросу пользователя или управляющей системой -высокий приоритет управление режимом
- 10. обмен данными процесса Коммуникационные сервисы Учебный центр Модикон-Киев NET-Введение 10 обмен параметрическими данными диагностические сервисы управление режимом устройства -какими именно данными? -какая цикличность: циклически, периодически, по запросу, по изменению? -как настраивается обмен (интерфейс)? -какую часть конфигурационных данных можно поменять? -в какой момент это делается? -как настраивается (интерфейс)? -какую диагностическую информацию можно получить? -автомат состояний -как настраивается (интерфейс)? -автомат состояний устройства -как настраивается (интерфейс)? Коммуникационный Сервис – услуги предоставляемые коммуникацией устройства или её частью (сетевой картой, драйвером, функцией…)
- 11. Сети. Определения Учебный центр Модикон-Киев NET-Введение 11 Сеть – Network Компьютерная сеть – computer network, network Промышленная сеть – Industrial communication network (Fieldbus, Industrial Ethernet) Промышленная сеть, полевая шина – Fieldbus network (IEC 61158) - a set of nodes connected by some type of communication medium, including any intervening repeaters, bridges, routers and lower-layer gateways Conceptually, a fieldbus is a digital, serial, multidrop, data bus for communication with industrial control and instrumentation devices such as — but not limited to — transducers, actuators and controllers (IEC 61158).
- 12. Сети. Градация Учебный центр Модикон-Киев NET-Введение 12 Коммуникации с точки зрения ШЭ делятся на Buses и Network компьютерные сети* сети* уровня контроллеров (controller level) сети* полевого уровня (field level + sensor actuator level) Каждая сеть предназначена для определенных целей (набор сервисов). Условно их можно поделить на: WorldFIP, Profibus FMS Ethernet + TCP/IP Ethernet/IP, Profinet CBA, Profibus DP CANopen, DeviceNET, ProfiNET IO, Profibus PA CANbus, Hart, AS-I, CClinkIO Modbus RTU, Modbus/TCP * - сети и протоколы
- 13. Промышленные сети. Требования/критерии Учебный центр Модикон-Киев NET-Введение 13 •детерминированность (для обмена данными процесса): определить время доставки данных; •помехоустойчивость: требования к кабелям и их прокладке •условия эксплуатации сетевых компонентов (IP - пыле/влаго, IK - удар) •надежность элементов, живучесть сети •простота и быстрота обслуживания •возможность питания узлов по кабелю промышленной сети •топология и способы подключения – надежность, скорость монтажа, длины кабелей…
- 14. Многоуровневая архитектура сети Учебный центр Модикон-Киев NET-Введение 14 Сервис уровня – услуга предоставляемая нижнем уровнем для верхнего (например для передачи данных определенным способом такому же уровню другого узла) Протокол уровня – правила, по которым осуществляется обмен (например структура сообщения, порядок обмена, правила кодирования …) Интерфейс уровня – набор функций (объектов, методов…) с помощью которых верхний уровень может воспользоваться сервисами этого уровня
- 15. Модель архитектуры сети ISO OSI Учебный центр Модикон-Киев NET-Введение 15 PHYSICAL (физический) DATA LINK (канальный) NETWORK (сетевой) TRANSPORT (транспортный) SESSION PRESENTATION APPLICATION (приложения) 1 2 3 4 5 6 7 бит – кодированный сигнал – физическая среда передачи - кодированный сигнал - бит обеспечивает доставку набора байт нужным узлам в той же сети; обеспечивает порядок доступа к общей среде передачи обеспечивает доставку набора байт нужным узлам в разных сетях, объединенных маршрутизаторами обеспечивает доставку набора байт нужному приложению на узле обеспечивает обмен данными между приложениями Обмен данными возможен только при совместимости на всех уровнях сети!
- 16. Обработка данных в сети (пример) Учебный центр Модикон-Киев Сети – теоретические основы 16 APDU (Application Protocol Data Unit) TPDU (Transport Protocol Data Unit) пакет (packet) или NPDU (Network Protocol Data Unit) кадр (frame)
- 17. Прикладной уровень. Модель обмена Учебный центр Модикон-Киев Сети – теоретические основы 17 Pull Publishing Manager Pull Subscriber Pull Subscriber Pull Subscriber Pull Publisher Push Publisher Push Subscriber Push Subscriber Push Subscriber Application - Client Application - Server Запрос (Request) Ответ (Response) Client-Server Model Publish-Subscribe Model (Pull) Publish-Subscribe Model (Push) Публикация Публикация Запрос на публикацию
- 18. Пример модели Клиент–Сервер Учебный центр Модикон-Киев Сети – теоретические основы 18 Узел 2 Узел 1 10 процесс-клиент читать значение переменой А, результат записать в В переменные другие уровни переменные В R A A 10 r А 10 другие уровни физическая среда передачи процесс-сервер
- 19. Физический уровень. Обмен битами. Учебный центр Модикон-Киев Сети – теоретические основы 19 PHYSICAL (физический) 1 бит – кодированный сигнал – физическая среда передачи - кодированный сигнал - бит
- 20. Физический уровень. Тип связи. Учебный центр Модикон-Киев Сети – теоретические основы 20 PHYSICAL (физический) 1 бит – кодированный сигнал – физическая среда передачи - кодированный сигнал - бит
- 21. Физический уровень. Двоичное кодирование. Учебный центр Модикон-Киев Сети – теоретические основы 21 PHYSICAL (физический) 1 бит – кодированный сигнал – физическая среда передачи - кодированный сигнал - бит
- 22. Физический уровень. Модуляция. Учебный центр Модикон-Киев Сети – теоретические основы 22 PHYSICAL (физический) 1 бит – кодированный сигнал – физическая среда передачи - кодированный сигнал - бит Модем
- 23. Физический уровень. Основные топологии Учебный центр Модикон-Киев Сети – теоретические основы 23 линейная (цепочка) дерево шина звезда кольцо
- 24. Канальный уровень. Доставка данных Учебный центр Модикон-Киев Сети – теоретические основы 24 Фільтр Фільтр процес процес канальний рівень верхні рівні обробка повідомлення обробка повідомлення А Фільтр процес обробка повідомлення B Фільтр процес обробка повідомлення C D кадр 1) по адресу получателя в кадре (большинство сетей): узел принимает только тот кадр, который предназначен ему; в некоторых сетях доступно широковещание (всем), мультивещание (группе устройств); 2) по идентификатору кадра (CAN): узлы принимают только те кадры, которые проходят фильтр по идентификатору (Producer-Consumer) Способы доставки кадров нужным узлам
- 25. Канальный уровень. Методы доступа Учебный центр Модикон-Киев Сети – теоретические основы 25 Только для широковещательных сетей! Если два передатчика одновременно начнут передавать свои биты по одной среде – наступит коллизия. Чтобы обеспечить нормальную передачу, все узлы должны передавать биты в разное время. Порядок доступа к среде определяется методом доступа. Сеть Collision Методы доступа: Master-Slave (Ведущий-Ведомый), Token Ring (Маркерное кольцо), CSMA/CD, TDMA …
- 26. Сетевой уровень. Учебный центр Модикон-Киев Сети – теоретические основы 26 1.2 5.1 M1 3.1 M3 1.1 1.3 5.2 5.3 М4 2.2 3.2 2.3 1 2 3 3.3 M2 1 2 #1 #2 #3 #4 #5 101 15 103 102 11 15 18 12 13 11 2 1 25 1 2 3 105 #6 1.4 6.1 3.4 4 1 4.1 4.2 1 2 3 4.3 6.2 2.1 5.4
- 27. Транспортный уровень. Учебный центр Модикон-Киев Сети – теоретические основы 27 App 1 App 2 App 3 App 4 ? ? А Б
- 28. Сегментация Учебный центр Модикон-Киев Сети – теоретические основы 28 PRESENTATION PHYSICAL DATA LINK NETWORK TRANSPORT SESSION APPLICATION PRESENTATION PHYSICAL DATA LINK NETWORK TRANSPORT SESSION APPLICATION Gateway Router Bridge Repeater Gateway (Шлюз) – обеспечивает обмен данными между различными сетями (различные протоколы, например Modbus и Profibus) Router (маршрутизатор) – объединяет несколько сегментов разных сетей, обеспечивает передачу данных между ними по сетевому адресу и маршрутным таблицам (одинаковый сетевой протокол) Switch (комутатор) – много-портовый мост Bridge (мост) – соединяет два сегмента одной сети, но проводит фильтрацию кадров между ними (одинаковый протокол канального уровня) Hub (концентратор) – соединяет несколько физических сегментов одной сети в единую «электрическую» шину Repeater (повторитель) – соединяет два физических сегмента одной сети, содержит 2 приемопередатчика для ретрансляции