Industrial Ethernet на базе триаксиальных и коаксиальных кабелей, а также промышленных витых пар



В электрических сетях с классической магистральной структурой в каче стве каналов связи используются триаксиальные кабели (типа 727-0), стандартные промышленные витые пары ITP и соединительные коаксиальные кабели 727-1. Сеть включает в свой состав несколько сегментов. Протяженность каждого сегмента может достигать 500 м. К одному сегменту можно подключать до 100 трансиверов. Если длины одного сегмента не хватает, то через повторители R можно подключить дополнительные сегменты (рис.1).

Повторители R обеспечивают соединение двух сегментов для увеличения протяженности сети, обеспечивая при этом гальваническую развязку сегментов. Установка каждого повторителя увеличивает протяженность сети на 500 м.

Трансиверы служат для подключения сетевого узла к магистральному кабелю 727-0. Триаксиальный кабель 727-0 подключается к трансиверу с помощью винтового соединения, а сетевой узел - с помощью 15-контактного соединителя D-типа. Трансивер обеспечивает прием и передачу сигналов в сеть, автоматическое обнаружение коллизий, блокировку неисправного коммуникационного процессора, гальваническую развязку узла от сети.

Электрический модуль связи ELM выполняет функции повторителя и обеспечивает подключение терминалов к существующим триаксиальным сетям и сетям на основе витых пар.

С его помощью можно подключить до трех терминалов (персональные компьютеры PC, контроллеры S7-300 и S7-400, программаторы PG, панели оператора OP и т.д.), кроме того, он может использоваться в качестве автономного блока в небольших сетях.

Модуль имеет три 9-контактных гнезда соединителей D-типа для подключения витых пар и AUI-интерфейс для подключения кабеля 727-1, электрического (Mini UTDE) или оптического (Mini OTDE) трансивера.

Рис. 1 - Кабельные сети Industrial Ethernet 10 Мбит/с

Оптический трансивер Mini OTDE служит для сопряжения оптической линии связи к AUI-интерфейсу и обеспечивает подключение друг к другу терминалов с AUI-интерфейсом по оптической линии связи, т.е. Mini OTDE является обычным переходником. Пример сети на Mini OTDE дается на рис.2.

Для подключения терминалов к промышленным сетям совместно с повторителями можно применять электрические модули связи ELM с поддержкой интерфейса промышленных витых пар (ITP). С помощью этих компонентов конфигурируются относительно недорогие звездообразные топологии, соответствующие требованиям стандарта IEEE 802.3 (рис.1).

Использование витых пар более перспективно, поскольку они значительно лучше противостоят воздействию помех, что в условиях промышленного производства представляет большой интерес.

Рис. 2 - Использование Mini OTDE

Межсетевой обмен данными

При построении комплексных систем автоматического управления очень часто возникают задачи построения сложных коммуникационных систем, поддерживающих обмен данными между Industrial Ethernet, PROFIBUS, AS-Interface и другими сетями. В системах автоматизации SIMATIC межсетевой обмен данными может поддерживаться компьютерами, программируемыми контроллерами или специализированными коммуникационными модулями. В компьютерах и программируемых контроллерах для решения подобных задач используются встроенные коммуникационные интерфейсы или коммуникационные модули соответствующих типов.

Через модуль DP/AS-I Link Advanced,сеть Asi подсоединяется к сети PROFIBUS (рис.3). В сети PROFIBUS этот модуль выполняет функции ведомого DP устройства, а в сети AS-Interface выполняет функции ведущего устройства. Он реализует одно или два ведущих устройства AS-Interface. При работе с одним встроенным интерфейсом ведущего устройства AS-Interface он способен обслуживать до 62, а с двумя встроенными интерфейсами ведущего устройства AS-Interface – до 124 ведомых устройств и в этом случае два сегмента сети AS-Interface работают независимо друг от друга.

Модуль DP/AS-I Link 20E обеспечивает доступ к 62 ведомым устройствам, но не может работать в сочетании с повторителями RS485. Конфигурирование модуля может выполняться дистанционно через сеть PROFIBUS или локально спомощью встроенных в модуль кнопок.

Через модуль IЕAS-i LINK PN IO сеть AS-i можно подсоединить к сети PROFINET, где он будет ведомым, а в сети AS-i ведущим устройством

Таким образом, AS-i сеть становится подсистемой общей сети автоматизированного производства.

 

Рис. 3 - Пример конфигурации подсистемы AS-i в общей сети

 

Связь между сетями SIMATIC NET осуществляется двумя способами:

· с помощью специализированного устройства связи, обеспечивающего преобразование интерфейсов;

· с помощью коммуникационных (связных) процессоров или специализированных модулей, устанавливаемых в терминальное устройство.

Для подключения терминального устройства одновременно к двум сетям в него следует установить два коммуникационных модуля с соответствующими интерфейсами. В табл.3 приведены возможные варианты объединения сетей с помощью коммуникационных процессоров и специальных модулей связи.

Таблица 3 – Межсетевой обмен данными

Industrial Ethernet - PROFIBUS

Коммуникационный процессор для подключения к сети Industrial Ethernet Устройство Коммуникационный процессор для подключения к сети PROFIBUS
CP 1613, CP 1612, CP 1512 Персональный компьютер CP 5613, CP 5613FO, CP 5614, CP 5614FO, CP 5611, CP 5511
CP 443-1, CP 443-1 IT Контроллер S7-400 CP 443-5 Basic, CP 443-5 Extend.
CP 343-1, CP 343-1 IT, CP 343-1 PN Контроллер S7-300 CP 342-5, CP 342-5 FO, CP 343-5
- Устройство связи IE/PB Link -

Industrial Ethernet – MODBUS

Коммуникационный процессор для подключения к сети Industrial Ethernet Устройство Коммуникационный процессор для подключения к сети MODBUS
CP 343-1, CP 343-1 IT, CP 343-1 PN Контроллер S7-300 CP 341 с загружаемым драйвером
CP 443-1, CP 443-1 IT Контроллер S7-400 CP 441 с загружаемым драйвером

PROFIBUS – MODBUS

Коммуникационный процессор для подключения к сети PROFIBUS Устройство Коммуникационный процессор для подключения к сети MODBUS
CP 342-5, CP 342-5 FO, CP 343-5 Контроллер S7-300 CP 341 с загружаемым драйвером
CP 443-5 Basic, CP 443-5 Extended Контроллер S7-400 CP 441 с загружаемым драйвером

Промышленная сеть PROFIBUS

Говоря о PROFIBUS, необходимо иметь в виду, что под этим общим названием понимается совокупность трех различных, но совместимых протоколов: PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-DP и PROFIBUS-PA.

PROFIBUS-FMS разработан для связи контроллеров и интеллектуальных устройств в многомастерном режиме. Основное его назначение - передача больших объемов данных.

PROFIBUS-DP решает задачи управления в реальном масштабе времени, где на первое место встает такой параметр, как продолжительность цикла шины, а не программного цикла. Это одномастерный протокол. PROFIBUS-DP позволяет увеличить производительность шины. Так, например, для передачи 512 бит данных, распределенных по 32 станциям, требуется всего 6 мс.

PROFIBUS-PA используется в устройствах, работающих во взрывопасных производствах. В основе протокола PA (Process Automation) лежит протокол ISP (Interoperable Systems Project). Физический уровень (уровень 1 OSI-модели) реализует стандарт IEC 1158-2 (с внутренней защитой данных). Уровень 2 - это функциональное подмножество стандарта DIN 19245.

Распределенная система может состоять из устройств, реализующих все три типа стандарта, однако РА-устройства необходимо подключать через специальные устройства связи.

2.2.1 Физический уровень для DP/FMS (световоды)

Помимо витой пары и коаксиального кабеля, PROFIBUS поддерживает работу и на оптоволокне. При использовании оптоволокна в сети PROFIBUS расстояние между компонентами сети может быть увеличено. Оптоволоконная техника устойчива к электромагнитным помехам и обеспечивает полную гальваническую развязку между устройствами сети.

Благодаря специальным пластиковым световодам и простым способам их подключения, эта техника становится сравнительно дешевой и начинает использоваться уже на сетевом уровне.

В качестве среды передачи используются световоды со стеклянными или пластиковыми волокнами. В зависимости от используемого типа проводника длина сегмента может достигать 15 км на стеклянном оптоволокне и 80 м на пластиковом.

Для подключения устройств к оптоволокну используются 3 типа модулей:

· Модуль OLM (Optical Link Module). Этот модуль похож на репитер (повторитель) RS-485. Он имеет два функционально разделенных электрических канала и выходы для одного или двух оптических каналов. Модули OLM соединяются с участниками сети или сегментами шины через интерфейс RS-485 (рис.4).

· Модуль OLP (Qptic Link Plug). С помощью модулей OLP можно соединять друг с другом оптическим волокном пассивных участников шины (Slave). Модули OLP подключаются прямо на 9-штырьковый штекер участника, получают энергию от участника и поэтому не нуждаются в напряжении питания. Как видно из рис.5, для подключения активных участников шины (Master) к OLP-кольцу всегда используется OLM.

· Интегрированное LWL-подключение (Licht Wellen Leiter - нем.). Прямое подключение участников PROFIBUS к световоду. Такое подключение возможно только у приборов со встроенным оптическим LWL-входом.

Рис. 4 - Пример шинной конфигурации с OLM-техникой

Физический уровень для PA

В PROFIBUS-PA передатчик соответствует требованиям IEC 1158-2. Этот стандарт гарантирует требуемую электробезопасность при питании полевых приборов прямо по проводам информационной шины.

Для передачи данных используется протокол передачи H1 без постоянной составляющей на базе манчестерского кода MII (рис.6). При передаче данных с помощью инвертированного манчестерского кода бинарный 0 передается как перепад фронта импульса с 0 на 1, а бинарная 1 - как перепад фронта с 1 на 0.

Рис. 5 - Оптическое однопроводное кольцо с OLM-техникой

Рис. 6 - Передача данных в PROFIBUS-PA при модуляции тока кодом Манчестер II

Интерфейс RS-485

Схемотехнически система PROFIBUS состоит из нагруженной с двух сторон активной линии - шинной структуры, которая обозначается как сегмент шины RS-485.

К шинному сегменту по стандарту RS-485 можно подключить 32 устройства RS-485. Каждый подключенный к шине участник (Master или Slave) представляет собой токовую нагрузку.

Если нужно подключить к системе PROFIBUS больше 32 устройств, то следует использовать несколько шинных сегментов. Шинные сегменты должны соединяться друг с другом через повторитель. Повторитель, в соответствии со стандартом, усиливает передаваемый сигнал.

Однако на практике повторитель реализует не усиление сигнала, а его восстановление, поэтому число повторителей, которые можно включить последовательно, зависит только от его конструкции, технических характеристик и изготовителя и может быть больше трех.

Так, например, повторителей типа 6ES7 972-0АА00-0ХА0 фирмы Siemens можно последовательно включить до девяти штук. Максимальное удаление между двумя участниками шины зависит от скорости передачи. В табл. 4 даны значения общей допустимой длины сегментов в зависимости от выбранной скорости работы сети для повторителя типа 6ES7 972-0АА00-0ХА0.

Таблица 4 – Максимально возможное расширение конфигурации PROFIBUS при включенных в ряд 9 повторителей в зависимости от скорости передачи

Скорость передачи, кбит/с 9,6-187,5 500 1500 12000
Общая длина всех сегментов, м 10000 4000 2000 1000

Промышленная сеть Modbus

Протокол Modbus и сеть Modbus являются самыми распространенными в мире. Одним из преимуществ Modbus является 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 – многомастерный протокол с кольцевой передачей маркера и Modbus TCP рассчитанный на использование в сетях Ethernet.

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.

 Стандарт Modbus предусматривает применения 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 использован интерфейс RS-232 или RS-422.

Модель OSI протокола Modbus содержит три уровня: физический, канальный и прикладной (табл. 5).

Таблица 5 – Модель OSI для Modbus

Номер уровня Название уровня Реализация
7 Прикладной MODBUS Application Protocol
6 Уровень представления Нет
5 Сеансовый Нет
4 Транспортный Нет
3 Сетевой Нет
2 Канальный Протокол «ведущий/ведомый». Режимы RTU и ASCII
1 Физический RS-485 или RS-232

Физический уровень

Modbus – шина должна состоять из одного магистрального кабеля, от которого могут быть сделаны отводы. Магистральный кабель Modbus должен содержать три проводника в общем экране, два из которых представляют собой витую пару, а третий соединяет общие («земляные») выводы всех интерфейсов RS-485 в сети. Общий провод и экран должен быть заземлены в одной точке, желательно около ведущего устройства. Устройства могут подключаться к кабелю тремя способами:

· непосредственно к магистральному кабелю;

· через пассивный разветвитель (тройник);

· через активный разветвитель (содержащий развязывающий повторитель интерфейса).

Modbus – устройства обязательно должно поддерживать скорости обмена 9600 и 19200 бит/с, из них последнее устанавливается «по умолчанию». Допускаются также скорости 1200, 2400, 4800,…,38400 бит/с.,65 кбит/с..

Скорость передачи должна выдерживаться в передатчике с погрешностью не хуже 1%, а приемник должен принимать данные при отклонении скорости передачи до 2%.

Сегмент сети, не содержащий повторителей интерфейса, должен допускать подключение до 32 устройств, однако их число может быть увеличено, если это допустимо исходя из нагрузочной способности передатчиков.

Максимальная длина магистрального кабеля при скорости 9600 бит/с и сечении жил более 0,13мм2 составляет 1 км. Отводы от магистрального кабеля не должны быть длиннее 20м.

Канальный уровень

Протокол Modbus предполагает, что только одно ведущее устройство (контроллер) и до 247 ведомых (модулей ввода-вывода) могут быть объединены в промышленную сеть. Обмен данными всегда инициируется ведущим. Ведомое устройство никогда не начинают передачу данных, пока не получат запрос от ведущего. Ведомые устройства также не могут обмениваться данными друг с другом. Поэтому в любой момент времени в сети Modbus может происходить только один акт обмена.

Адреса с 1 по 247 являются адресами Modbus устройств в сети, а с 248 по 255 зарезервированные. Ведущее устройство не должно иметь адреса и в сети не должно быть двух устройств с одинаковыми адресами.

Ведущее устройство может посылать запросы всем устройствам одновременно (широковещательный режим) или только одному. Для широковещательного режима зарезервирован адрес «0» (при использовании в команде этого адреса она принимается всеми устройствами сети).

Сообщения Modbus RTU передаются в виде кадров (рис. 7), для каждого из которых известно начало и конец. Признаком начала кадра является пауза (тишина) продолжительностью не менее 3.5 шестнадцатеричных символа (14 бит). Кадр должен передаваться непрерывно. Если при передаче кадра обнаруживается пауза продолжительностью более 1,5 шестнадцатеричных символа (6 бит), то считается, что кадр содержит ошибку и должен быть отклонен принимающим модулем.

Рис. 7 – Формат кадра протокола Modbus RTU; PDU (Protocol Data Unit) - элемент данных протокола; ADU (Application Data Unit) - элемент данных приложения

Поле адреса всегда содержит только адрес ведомого устройства, даже в ответах на команду, посланную ведущим. Благодаря этому ведущее устройство знает, от какого модуля пришел ответ.

Поле «Код функции» говорит модулю о том, какое действие нужно выполнить.

Поле «Данные» может содержать произвольное количество байт. В нем может содержаться информация о параметрах, используемых в запросах контроллера или ответах модуля.

Поле «Контрольная сумма» содержит контрольную сумму CRC длиной 2 байта.


Дата добавления: 2019-01-14; просмотров: 229; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!