Date post: | 29-Jun-2015 |
Category: |
Engineering |
Upload: | alexandr-pupena |
View: | 218 times |
Download: | 2 times |
Построение распределенных систем автоматизации
Теоретические основы [email protected] (учебный центр Модикон-Киев)
Автор: Александр Пупена www.asu.in.ua
Учебный центр Модикон-Киев NET-Введение 1
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
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)
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
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
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
состоя
ние
команда
управления
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
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)
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
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…)
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).
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
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…
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
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!
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)
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)
Публ
ика
ция
Публ
ика
ция
Запрос на
публикацию
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
Физический уровень. Обмен битами.
Учебный центр Модикон-Киев Сети – теоретические основы 19
PHYSICAL (физический) 1 бит – кодированный сигнал – физическая среда
передачи - кодированный сигнал - бит
Физический уровень. Тип связи.
Учебный центр Модикон-Киев Сети – теоретические основы 20
PHYSICAL (физический) 1 бит – кодированный сигнал – физическая среда
передачи - кодированный сигнал - бит
Физический уровень. Двоичное кодирование.
Учебный центр Модикон-Киев Сети – теоретические основы 21
PHYSICAL (физический) 1 бит – кодированный сигнал – физическая среда
передачи - кодированный сигнал - бит
Физический уровень. Модуляция.
Учебный центр Модикон-Киев Сети – теоретические основы 22
PHYSICAL (физический) 1 бит – кодированный сигнал – физическая среда
передачи - кодированный сигнал - бит
Модем
Физический уровень. Основные топологии
Учебный центр Модикон-Киев Сети – теоретические основы 23
линейная
(цепочка) дерево шина звезда кольцо
Канальный уровень. Доставка данных
Учебный центр Модикон-Киев Сети – теоретические основы 24
Фільтр Фільтр
процес процес
каналь
ний
рівень
верхні
рівні
обробка
повідомл
ення
обробка
повідомл
ення
А
Фільтр
процес
обробка
повідомл
ення
B
Фільтр
процес
обробка
повідомл
ення
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
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 …
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
Транспортный уровень.
Учебный центр Модикон-Киев Сети – теоретические основы 27
App
1
App
2
App
3 App
4
? ?
А Б
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