Никто не будет оспаривать тот факт, что любая система, биологическая или техническая, не может существовать и развиваться без взаимной связи между ее отдельными частями. Поэтому не удивительно, что и системы автоматизации в любой области человеческой деятельности, по мере их развития, становятся сетевыми. Давно стали привычными компьютерные сети. В мире промышленной автоматизации никого не удивляют сети контроллеров, и все чаще и чаще в сети объединяются датчики и исполнительные механизмы.

Многообразие типов устройств и выполняемых ими функций, а также множество фирм-производителей оборудования породило большое количество интерфейсов и протоколов обмена. И даже усилия международных организаций по стандартизации не смогли уменьшить их количество до разумных значений.

Пока сети устройств в системах автоматизации включали в себя относительнооднородное оборудование, проблемы связи между ними, как правило, было возможно решить при помощи преобразователей интерфейсов. Протоколы у однотипных устройств, решающих похожие задачи получались, в общем-то, похожими. Но когда возникла потребность объединения в сеть устройств различных уровней: полевого оборудования, устройств управления, систем отображения и администрирования, возникла необходимость поиска универсального средства обмена.

Наиболее подходящим для универсального протокола оказался Ethernet. Сначала он стал фактическим стандартом внутри административного уровня. Появление конкурирующих протоколов c новыми возможностями, приводило лишь к тому, что спецификация Ethernet расширялась, обеспечивая и эти новые возможности. Затем разработчики устройств управления начали выпускать коммуникационные модули Ethernet для своих контроллеров. И постепенно Ethernet начинает завоевывать позиции на уровне полевых устройств.

Этапы развития Ethernet

• 1983 - появление спецификации IEEE 802.3 (ISO 8802/3) - определена шинная топология сети 10base5 (толстый Ethernet) со случайным доступом, разрешение конфликтов при передаче осуществлялось посредством случайных задержек повторной попытки передачи. Такая сеть идеально подходила для тех случаев, когда обмен производится небольшими пакетами, интенсивность обмена невысока и максимальное время ожидания некритично. С той же топологией и протоколами вскоре появился 10base2 (тонкий Ethernet). Скорость передачи 10 Мбит/сек. Определено предельное расстояние между точками одного сегмента - 2 км.

• 1985 - выпущена вторая версия спецификации IEEE 802.3 (Ethernet II), в ней изменена структура заголовка пакета. Сформирована жесткая идентификация Ethernet устройств. Каждое устройство теперь обязано иметь свой уникальный идентификатор, в котором присутствует идентификатор производителя.

• 1989 - появление 10baseT (витая пара) с физической топологией - звезда и концентраторами, логическая топология не изменилась (широковещательная передача). Спецификация IEEE 802.2 расширяет в пакете адресную информацию. В разрешении конфликтов изменений не произошло, но почва для этого подготовлена.

• 1992 - появление коммутаторов (swich). Используя адресную информацию, содержащуюся в пакете, коммутатор, по возможности, организует независимые каналы связи между парами абонентов. При этом вероятность появления конфликтов резко снижается и повышается производительность сети.

• Определено использование волоконно-оптических каналов связи 10baseF.

• Начиная с этого момента производятся реальные попытки использования Ethernet для связи в реальном времени. Отдельные фирмы разрабатывают для своих устройств протоколы обмена с детерминированным временем доступа.

• Затем, в спецификации IEEE 802.3x, появляется полный дуплекс и контроль соединения для 10baseT, спецификация IEEE 802.1p добавляет групповую адресацию и 8-ми уровневую систему приоритетов. Начинают расти скорости передачи IEEE 802.3u 100 Мбит/сек (Fast Ethernet) по витой паре и IEEE 802.3z 1000 Мбит/сек (Gigabit Ethernet) по оптическим каналам. Появление мостов и маршрутизаторов сняло ограничение на максимальный размер сети.

• На этом этапе уже есть все предпосылки для создания сетей с детерминированным временем доступа, достаточным для подавляющего большинства технологических процессов (до 20 мксек).

• В настоящее время работы по развитию Ethernet продолжаются: в группе 802 ведется разработка протокола 10 Гбит/сек, а производители аппаратуры готовят устройства для Gigabit Ethernet по витой паре.

Ethernet для управления технологическими процессами

Как уже упоминалось, продвижение Ethernet происходило сверху - вниз, с уровня администрирования на уровень управления. На уровне администрирования Ethernet довольно быстро вытеснил конкурентов и стал фактическим стандартом для локальных вычислительных сетей из персональных компьютеров. Этому способствовала высокая топологическая гибкость, достаточно высокая скорость передачи, дешевизна коммуникационных устройств и линий связи. Все это хорошо удовлетворяло потребности достоверной передачи данных в локальных сетях. Большое количество продаваемых коммуникационных устройств привело их на высокотехнологичный уровень - физический и логический протокол реализуется одной микросхемой.

В это время на уровне управления процессами конкурировало довольно много протоколов обмена (ModBus, DeviceNet, ControlNet, CANopen, InterBus, ProfiBus и т.д.). Некоторые из них были ориентированы только на обмен между управляющими устройствами - контроллерами, некоторые обеспечивали и взаимодействие с полевыми устройствами. Но все они были реализованы на последовательномb интерфейсе и имели сравнимые скорости и расстояния передачи. Явного лидера среди них не образовалось.

Появившиеся контроллеры с архитектурой персональных компьютеров принесли с собой не только возможности программирования, но и возможность работы с периферийным оборудованием персональных компьютеров, в том числе и с коммуникационным. И оказалось, что Ethernet, практически по всем параметрам превосходит существующие протоколы. Отдельные характеристики Ethernet, не удовлетворявшие потребности обмена в реальном масштабе времени, были довольно быстро улучшены, путем несущественных добавлений в логической части протокола. А при правильном проектировании сети (организации отдельных сегментов для обмена в реальном времени, правильном выборе скорости), удалось обеспечить все потребности обмена на уровне управления. В настоящее время без особых усилий на 10 Мбит/сек Ethernet удается получить детерминированное время обмена около 2 мсек, а при увеличении скорости и определенных ограничениях до 20 мксек.

Следующим шагом стала интеграция Ethernet устройств в программируемые логические контроллеры. Практически все производители контроллеров разработали коммуникационные Ethernet модули. А некоторые пошли дальше, например, фирма PLC Direct by Koyo разработала два новых класса устройств на основе Ethernet. Один из них - контроллер серии DL205 или DL405, превращенный в устройство обмена, связанный по Ethernet с персональным компьютером, на котором при помощи пакета Think & Do под WindowsNT реализуются функции управления и отображения. Второй - контроллер серии DL205 с процессорным модулем, в котором предустановленна операционная система WindowsCE и среда исполнения Think & Do. Связь с другими устройствами также осуществляется при помощи Ethernet. Фирмой выпускаются также коммуникационные модули для контроллеров DL205 и DL405, работающие по витой паре 10BaseT и по оптоволокну 10BaseFL.

Ethernet как полевая шина

Обмен информацией на уровне полевых устройств (датчиков и исполнительных механизмов), традиционно осуществлялся беспротокольными физическими сигналами. Сигналами служили значения токов, напряжений, сопротивлений. Но обеспечение надежной и точной передачи информации при таких сигналах, в условиях промышленных помех, стало большой проблемой. Особенно остро эта проблема проявлялась при передаче аналоговых сигналов. Решением задачи стало первичное преобразование сигнала в непосредственной близости от датчика. Аналоговый сигнал преобразовывался в вид, обеспечивающий неискаженную передачу в условиях помех. Сначала, это были преобразователи в частоту, а с появлением микропроцессоров - цифровые преобразователи. Передача информации в цифровом виде позволила исключить необходимость в отдельной линии связи к каждому устройству и организовать шинную структуру линий связи. Разработчикам удалось добиться некоторой стандартизации протоколов полевых шин, сегодня достаточно широко используются LonWorks, HART, SDS и другие протоколы. Для каждого из них разработано большое количество датчиков, практически все производители контроллеров обеспечивают взаимодействие с одной или несколькими полевыми шинами.

Однако после того как Ethernet распространился на уровень управления, стали естественными попытки использования его и в качестве полевой шины. Он удовлетворяет все требования по передаче информации, а использование оптоволоконных линий связи обеспечивает недостижимые ранее характеристики по помехозащищенности, безопасности, гальванической развязке и дальности передачи. Промышленные электромагнитные помехи никак не взаимодействуют с оптическим сигналом; мощность сигнала настолько мала, что обеспечиваются условия безопасности в самых опасных зонах; гальваническая развязка при использовании стеклянного или полимерного проводника не требует обсуждения; дальность передачи без повторителей при использовании многомодового кабеля составляет до 3 км, а при одномодовом кабеле - до 40 км.

Детерминированный Ethernet

Одной из, сложно решаемых задач, является детерминированное время доступа к информации. Этот параметр не является существенным для приложений уровня администрирования, где информацию принимает человек. Время его реакции существенно превышает максимально возможные запаздывания обычных Ethernet протоколов. Несколько иная ситуация наблюдается на уровне управления и полевых устройств. Здесь, для обеспечения качества и безопасности управления, иногда требуется очень малое и детерминированное запаздывание. Превышение допустимого значения запаздывания может привести к катастрофическим последствиям.

В стандартной реализации возможно достаточно большое время запаздывания при разрешении конфликтов передачи. Связано это со специфическим протоколом разрешения конфликтов. При обнаружении конфликта передающее устройство выдерживает паузу случайной величины, а затем повторяет попытку передачи. При небольшой загрузке сети задержка может составлять до 2, а при высокой загрузке (более 50%) - до 20 мсек и более.

Решение этой проблемы осуществляется пассивным и активным способом. К пассивным способам можно отнести: увеличение скорости обмена, отделение сегмента реального времени от остальной сети, использование дуплексного режима работы коммуникационных устройств, использование протоколов с небольшим размером пакета. К активным способам относится применение коммутаторов (swich) вместо концентраторов (hub), что позволяет резко уменьшить количество конфликтов при звездообразной топологии сети, а также использование мостов (bridge) и маршрутизатов (router) для отделения сегментов, в которых работают устройства реального времени, от остальной сети.

Активные способы, за счет дополнительной обработки пакетов, несколько увеличивают время передачи, но сильно уменьшают вероятность конфликтов и ограничивают максимальное время на разрешение конфликта.

Все это позволяет не допустить перегрузку сети и уменьшить максимальное время запаздывания передачи до допустимых значений. Так, например, опрос 32 контроллеров при размере пакета 1.5 Кбайт и скорости 10 Мбит/с гарантированно укладывается в 4 мсек, а при скорости 100 Мбит/с - 1 мсек.

Некоторые производители реализуют в своих устройствах дополнительные функции, которые также приводят к повышению производительности и надежности передачи. Например, коммуникационное оборудование фирмы Hirshmann, даже в самых простых модификациях, таких, как 4-портовый концентратор, обладает следующими функциями:

• регенерация тактовой частоты,
• восстановление потерянного заголовка пакета,
• фиксация слишком коротких пакетов и удлинение их для более уверенной обработки ошибок периферийными устройствами,
• фиксацию конфликтов и быстрый ответ устройству,
• автоматическое определение отказов в линиях и отключение их от общей шины с выдачей диагностического сигнала,
• при поступлении по отказавшей линии нормального пакета производится автоматическое восстановление связи,
• обрезание ненормально длинных пакетов.

Высоконадежный Ethernet

Другой принципиально важной проблемой является обеспечение надежности связи. В системах с большим количеством устройств необходимый уровень надежности удается обеспечить только за счет избыточности. Использование одиночных устройств накладывает такие требования по их надежности, что это оказывается либо нереализуемо, либо экономически неоправданно.

Стандартная топология Ethernet - звезда или шина - затрудняет построение резервированных сетей, дублировать приходится не только линии связи, но и оконечные устройства. Фирмой Hirshmann предложено несколько иное решение: кольцевая топология сети с контролем избыточности. Контроль избыточности осуществляют устройства серии Industrial Line. Это концентраторы, коммутаторы и специальные контроллеры избыточности. Концентраторы и коммутаторы позволяют диагностировать собственные отказы и отказы в линиях связи, с выдачей дискретных сигналов в другие устройства. Они допускают подключение к двум оптоволоконным кольцам и при обрыве связи в одном из них, обмен продолжается по другому. Контроллер избыточности, посылая диагностические пакеты, определяет неисправность линии связи или одного из устройств кольца и производит динамическое переключение направления обмена. Логическая топология сети при этом остается шинной. Этот же контроллер выполняет функции коммутатора и к нему можно подключить до 8 дополнительных линий связи. Время фиксации отказа и переключения, в зависимости от длины кольца, составляет от 20 до 300 мсек. Переключение происходит без потери информации.

Перспективы Ethernet для промышленной автоматизации

Сегодня Ethernet является основным средством обмена в локальных сетях. Для того, чтобы вытеснить конкурирующие протоколы, ему понадобилось около 5 лет. Первые реализации обмена при помощи Ethernet на уровне управления появились около двух лет назад, а сейчас Ethernet используется примерно в половине новых разработок. Начинается применение полевых устройств с передачей информации при помощи Ethernet. Если эта тенденция сохранится, то через два-три года системы промышленной автоматики окажутся связанными между собой и с информационными системами однородной Ethernet сетью.

Использование Ethernet, как физической среды передачи данных, приводит к использованию хорошо адресуемых логических протоколов. Уже сейчас большинство устройств поддерживают протокол TCP/IP, хотя острой необходимости в этом нет. Впоследствии это позволит легко интегрировать локальные системы управления технологическими процессами в сети любого масштаба, включая глобальную сеть интернет. Существующая информационная инфраструктура станет доступна для передачи технологической информации. Создание новых каналов передачи станет существенно проще и дешевле.

Результатом этого станет существенное изменение структуры и распределения функций в системах автоматического управления и телеметрии. Существующее сейчас, достаточно жесткое, деление системы управления по информационным уровням будет сильно сглажено. Появится возможность непосредственной передачи информации с одного информационного уровня на другой, практически без ограничения расстояний и скоростей.

По разным оценкам, сейчас Ethernet занимает 8- 20% рынка сетей реального времени, к 2 003 году прогнозируется 22-70% и он передвинется с 3-2 на первое место.

Пора к этому готовиться…