ПРОМЫШЛЕННЫЕ ШИНЫ И СЕТЕВЫЕ СТАНДАРТЫ
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
ПРОМЫШЛЕННЫЕ ШИНЫ И СЕТЕВЫЕ СТАНДАРТЫ Еще в недавнем прошлом большинство сетей были простыми, обычно они связывали одно устройство с другим или несколькими с помощью последовательного подключения. Скорость передачи данных была мала, что ограничивало количество передаваемой информации и не позволяло реализовать соединение в режиме реального времени. С наступлением эпохи стандартных протоколов связи на программном и на физическом уровне коммуникация стала существенно лучше. Сегодня доступно много различных стандартов, из которых пользователь может выбрать нужный с учетом своих предпочтений и требований. Происходившее в течение послед- специалисты по автоматизации раз- пытались использовать их для свя- них 15 лет усовершенствование рабатывают разные способы связи зи в режиме реального времени. внешних каналов связи различных с ним. Это очень активно исполь- Поскольку изначально они заду- устройств, к примеру, интерфейса зуется для создания кратковремен- мывались как протоколы ввода/ «человек-машина» для контролле- ной коммутации, например для ска- вывода данных, реализация задачи ров или устройств ввода/вывода, чивания программ, но с развитием требовала серьезного перепрограм- позволило вывести промышленное таких коммуникаций они становят- мирования. Это означало, что при производство на более высокий уро- ся самостоятельными сложными изменении приложения или модели вень. Колоссальный рост произво- архитектурами. контроллера реализация протокола дительности сделал возможными будет нарушена. использование сетей для управления СВЯЗЬ МЕЖДУ Одним из первых применений в реальном времени, создание связи КОНТРОЛЛЕРОМ было получение данных от ПЛК между контроллером и устройством И ПРИЛОЖЕНИЯМИ ПК и занесение их в электронную табли- ввода/вывода посредством внеш- Коммуникации сначала были цу. Начиная от ранних программ ней шины, которой сейчас отдается довольно простыми. Компьютеры вроде VisiCalc и заканчивая совре- предпочтение перед внутренними. работали на MS-DOS, интенсивно менным Microsoft Excel, таблицы Как только появились ПЛК , использовалась командная строка предназначались для регистрации инженеры стали искать способы и пакетные программы для обме- данных, полученных с использова- сбора данных из контроллеров, на данными между контроллером нием одной или нескольких про- загрузки данных и программ в них и ПК; это было просто и эффектив- стых внешних шин для связи между без отключения или изменения но в использовании и написании. компьютером и ПЛК. конструкции на этапе создания К сожалению, ранние протоколы Самой серьезной помехой для на заводе. В зависимости от того, связи создавали различные про- развития всех ранних средств связи чего мы ожидаем от контроллера, блемы для инженеров, которые была их специфичность, вследствие #1 (43), 2013 CONTROL ENGINEERING РОССИЯ
ПРОМЫШЛЕННЫЕ СЕТИ I 49 которой совместимость и взаимо- ния удаленных систем безопасности IE E E-488 — 8-би тна я шина заменяемость устройств и контрол- к централизованной системе обеспе- Master/Slave с максимальной скоро- леров от разных производителей чения контроля. стью передачи данных 1–8 Мбит/с, была невозможна, что приводило RS-422 использует для передачи в зависимости от реализации. Сей- к серьезным проблемам. витую пару, что позволяет преодо- час мы считаем, что это довольно левать бóльшие расстояния, чем медленное соединение. Но посколь- ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ с RS-485, однако он реализует P2P- ку лабораторное измерительное ИНТЕРФЕЙСЫ RS232, соединение. Этот протокол позво- и проверочное оборудование имеет RS422 И RS485 ляет подключать до 10 управляемых долгий срок службы, стандарт GPIB RS-232 предшествует контролле- устройств (Slave), но управляющее все еще в ходу. рам и микрокомпьютерам, и его исто- устройство (Master) одно. рия восходит ко временам телетайпов Несмотря на то, что RS-485 был MODBUS СТАНДАРТ и немых терминалов ввода/вывода. основой для многих ранних стан- СВЯЗИ ДЛЯ ПЛК Он используется с 1962 г. и, несмотря дартов связи, например Rockwell Представленный компанией на то, что не используется в ПК (вме- Automation/Allen-Bradley’s Data Modicon в конце 70-х годов Modbus сто него мы теперь имеем привыч- Highway и Profibus от Siemens, (сокр. от Modicon Bus) был разрабо- ный USB), он и его многоканальные ни RS-232, ни RS-485 не были спроек- тан специально для промышленных братья RS-422 и RS-485 часто встре- тированы с учетом требований кибер- контроллеров. В те времена фирме чаются в лабораториях. И поскольку безопасности, так как в те времена (теперь это часть Schneider Electric) в современных компьютерах уже нет Интернет не был столь широко рас- принадлежала существенная доля таких портов для связи с контролле- пространен, и попытка подключения рынка ПЛК и промышленных кон- рами или модемами, требуются пере- извне просто не рассматривалась. троллеров, и требовалось разра- ходники для подключения RS-232 ботать надежный метод передачи к компьютеру через USB. УНИВЕРСАЛЬНАЯ ШИНА данных между ними. Наиболее важным продвижением IEEE488 стандарта RS-232 стала возможность Изначально разработанный ком- Шина Modbus надежна, уверенной передачи последователь- панией Hewlett-Packard для своих ности двоичных данных. Однако лабораторных измерительных распространяется по ограничения этого стандарта затруд- и тестовых установок протокол лицензии «роялти-фри», няют его использование в мире, где IEEE-488 сначала назывался HPIB контроллеры и компьютеры исполь- (Hewlett-Packard Interface Bus). Это проста в эксплуатации зуют очень маленькие блоки пита- была параллельная шина, и она и способ передачи данных ния. Кроме того, многоканальный могла работать без микропроцес- по ней не накладывает RS-485 плохо реализован и требует сора, используя транзисторно- доработки с помощью ПО и каких- транзисторную логику (TTL). серьезных ограничений либо обходных путей. HPIB стала стандартом де-факто, на поставщиков потому что могла связать до 15 оборудования. устройств, причем каждый имел Последовательный интерфейс свой адрес. Когда другие произ- RS-232 известен с 1962 г. водители стали применять этот Modbus стала самой успешной стандарт, его стали называть GPIB шиной в истории, и тому было и, несмотря на то, что не используется (General Purpose Interface Bus), несколько причин. Во-первых, в современных ПК (вместо него а затем IEEE-4888. Со временем простота и надежность. Во-вторых, мы теперь имеем привычный USB), Институт инженеров по электро- она распространяется по лицензии технике и электронике (Institute «роялти-фри3» и администрируется он и его многоканальные братья of Electrical and Electronics сторонней организацией (Modbus RS-422 и RS-485 часто встречаются Engineers, IEEE 1) и Международ- Organisation). В-третьих, этот ная электротехническая комис- стандарт прост в обслуживании в лабораториях. сия (International Electrotechnical и использовании, и способ переда- Commission, IEC2) превратили его чи данных не накладывает серьез- Протоколы RS-232 и RS-485 способ- в двойной стандарт IEEE/IEC-488.1 ных ограничений на поставщиков ны к двусторонней передаче и легко и.2. К сожалению, пока канал свя- оборудования. Сейчас Modbus применимы в реализации двунаправ- зывает устройства, он не опреде- существует в нескольких разно- ленной связи на коротких дистанциях. ляет общие команды, таким обра- видностях: Сегодня они часто используются для зом устройства, поддерживающие • Modbus RTU используется для коммуникации лабораторного обору- IEEE-488, зачастую несовместимы соединения SCADA-систем 4 дования, анализаторов, присоедине- друг с другом. и RTU 5 в таких областях, как 1 Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE — международная организация, созданная в 1963 г. Занимается разработкой компьютерных и коммуникационных стандартов. 2 International Electrotechnical Commission, IEC — ведущая международная организация, которая публикует базирующиеся на консенсусе международные стандарты и осуществляет управление системами оценки соответствия для электрических и электронных продуктов, систем и услуг. 3 Royalty Free — вид лицензии, при котором плата за приобретенный продукт, в том числе технологию, производится только в момент покупки. 4 Supervisory for Control And Data Acquision, SCADA — диспетчерское управление и сбор данных. 5 Remote Terminal Unit — удаленный терминал. CONTROL ENGINEERING РОССИЯ #1 (43), 2013
50 I ПРОМЫШЛЕННЫЕ СЕТИ водоснабжение и канализация, ВНЕШНИЕ производителей — неважно, DSC, электроснабжение, источники И ВНУТРЕННИЕ PLC или PAC — могут использовать альтернативной энергии, нефте- УСТРОЙСТВА устройства ввода/вывода, монти- и газопроводы. ВВОДА/ВЫВОДА руемые на DIN-рейку. • Modbus TCP/IP используется Современные внешние устрой- Модернизация внешнего устрой- для соединения через порт 502. ства ввода/вывода подключаются ства ввода/вывода для новых при- Кроме того, Modbus использу- к контроллерам через какой-либо ложений также проста. Например, ется в смешанных сетях, а также цифровой канал передачи данных, достижение более высокой скорости легко распространяется и на сети а внутренние — непосредственно работы машины облегчается воз- Ethernet. к контроллеру через внутреннюю можностью перенастройки суще- структуру шины. ствующего устройства или заменой ETHERNET Часто не совсем понятно, из чего его совместимым, при этом не тре- ВСЕ БЕРЕТ НА СЕБЯ на самом деле складывается стои- буется менять все провода и сам мость подключения контроллера контроллер. к устройству ввода/вывода и дру- Внешние порты ввода/выво- Современные контроллеры гим компонентам. Большая часть да делают поиск неисправностей и компьютеры всегда оборудуются ее составляет фактическая проклад- и обслуживание доступнее, потому ка проводки от устройства к кон- что позволяют не подвергать кор- портом Ethernet, и реализация троллеру и от контроллера к системе пус контроллера риску поврежде- стандарта подразумевает работу автоматизации и информирования. ния в среде, где присутствует грязь, Plug&Play. По этим причинам Например, в опасной зоне, где тре- химические пары или другие агрес- буются специальные взрывозащи- сивные вещества, которые опасны Ethernet станет единым стандартом щенные провода, трубы и соеди- для электронных схем контролле- связи в ближайшее десятилетие. нительные коробки, затраты могут ра. Если передача входных данных доходить до до $3000 за фут (около перестала работать, проще заменить 30,5 см). Во многих случаях, напри- устройство ввода/вывода, когда Повсеместное распространение мер на отдельной части производ- оно является внешним, пусть даже Ethernet сделало его по-настоящему ства и технологических установок, и подключенным к контроллеру «технологией связи XXI в.». Этот пространство ограничено, и исполь- через шину на системной плате. стандарт, по существу, предназна- зование концентраторов и сортиро- Использование внешних устрой- чен для перемещения данных в сети вочных шкафов не требуется. Это ств также способствует разработ- и может быть использован для означает, что продолжительность ке лучшего ПО и стандартизации трансляции чрезвычайно больших жизни устройства ввода/вывода драйверов устройств. Это очень объемов данных на очень высо- ожидается больший, чем у контрол- важно, чтобы избежать ситуации, кой скорости, вплоть до гигабит лера, к которому оно подключается, когда простое обновление драйвера в секунду. Ethernet-коммутаторы потому что замена устройства ввода/ устройства может привести к сбою и маршрутизаторы поставляются вывода требует крайне дорогостоя- в коммуникации между контролле- с прошивкой управления, также щей замены всей проводки. ром и системой ввода/вывода. в них учитываются требования Последнее, но зачастую самое кибербезопасности, чего, как уже важное преимущество — простота было сказано, нет у более старых Если передача данных перестала комбинирования устройств от раз- протоколов. работать, внешне устройство личных поставщиков и даже из раз- Совр еменные контр оллеры ных поколений контроллеров. и компьютеры всегда оборудуют- ввода/вывода заменить проще, пусть ся портом Ethernet, и реализация даже оно подключено к контроллеру ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ стандарта подразумевает рабо- через шину на системной плате. УСТРОЙСТВА ту Plug&Play. По этим причинам ВВОДА/ВЫВОДА Ethernet станет единым стандар- RS -232, IEEE-488, Modbus, том связи в ближайшее десятиле- Многие производители делают Profibus, HART и другие промыш- тие. Не последнее значение имеет сторонние системы ввода/вывода, ленные шины обычно имеют сильно и тот факт, что последовательные которые подключаются к контрол- ограниченную пропускную способ- протоколы Modbus, DeviceNet, леру, потому что есть значительные ность, поэтому скорость передачи Profibus и HART могут работать отличия в конфигурациях и разме- данных очень мала. Если вы сравни- по каналу Ethernet. Для высоко- рах между устройствами от раз- те устройство ввода/вывода с кана- производительных машин и робо- ных поставщиков. Использование лом RS-232, выдающее 1 Мбит/с, тов широко применяются сети сторонних систем не только обе- и гигабитный Ethernet, сразу станет на основе Ethernet — EtherCAT спечивает более широкий набор ясно, что для таких применений, и Powerlink. функций, но и ведет к снижению как передача видео или смешанные С приходом IPv6 и ростом количе- затрат. Когда используется внешнее сети, Ethernet предпочтительнее. ства разрешенных IP-адресов стано- устройство ввода/вывода, выпол- Вопрос в том, насколько быстрой вится возможным запускать Ethernet нять настройку и перенастройку может быть связь, и насколько на каждом устройстве в мире проще, чем при использовании быстро должно работать устройство несколько раз одновременно. встроенных систем. Большая часть ввода/вывода? Ответ зависит от кон- #1 (43), 2013 CONTROL ENGINEERING РОССИЯ
ПРОМЫШЛЕННЫЕ СЕТИ I 51 кретного применения. На примере Первая современная внутренняя для Macintosh, в первую очередь гигабитного Ethernet мы видим, шина ISA7 была разработана вместе используется в качестве шины кон- какой может быть скорость. Это с PC IBM в 1981 г. и предназначалась троллера CD-ROM. фактический предел для устройства. для работы с 8-разрядными микро- Все эти интерфейсы имеют схо- Скорость передачи данных теперь процессорами Intel 8088. Позднее жие достоинства и недостатки. Пре- равна скорости внутренней шины стандарт был модифицирован для имущества — это стандартизация компьютера или контроллера. Как работы с 16-разрядными данными и в некоторой степени увеличение правило, общая скорость работы для компьютеров под управлени- производительности по сравнению системы определяется скоростью ем микропроцессора Intel 80286, с предшественниками. Недостатки внутреннего обмена данными. Это и далее превратился в EISA8 для заключались во все еще недоста- было слабым местом первых микро- 32-разрядных процессоров. точной производительности для процессорных контроллеров. ISA и EISA были предназначе- многих промышленных примене- ны для работы в качестве «рас- ний, а также отсутствием реальной ВНУТРЕННИЕ ширителей шины» для локальной Plug&Play-функциональности. ИНТЕРФЕЙСЫ внутренней архитектуры микро- КОМПЬЮТЕРА процессора. Платы расширения PCI МЕНЯЕТ ВСЕ И КОНТРОЛЛЕРА могут быть установлены для связи В начале 1990-х гг. PCI 10 была В архитектуре ПК процессор с устройствами, такими как жест- представлена как способ связи и основная память взаимосвязаны, кие диски, принтеры и модемы. чипов на материнской плате взамен иногда они реализованы на одном Проблема заключалась в том, что недостаточно проработанной шины чипе (кэш-память). Это связано очень немногие периферийные ISA. Она передавала данные с часто- с тем, что производительность устройства поддерживали прин- той 33 МГц, это больше, чем у ISA процессора значительно опережа- цип Plug&Play, и часто приходилось и ATA, распространенных в то вре- ет возможности передачи большого устанавливать перемычки и специ- мя, и достаточно для большинства объема данных. альные драйверы устройств. Изме- периферийных устройств. нения в архитектуре и драйверах Со временем производитель- Первые микрокомпьютеры, такие как часто приводят к тому, что пери- ность увеличилась до такой степе- ферийные устройства не работают ни, что частота процессора возросла Altair 8800, требовали соединения вообще или работают плохо. до 3 ГГц и более. К тому же появле- процессора и оперативной памяти Из-за того, что Apple не приме- ние гигабитного Ethernet и других няет чипсет Intel, Apple II, Apple III, сетевых протоколов привели к тому, с периферийными устройствами, Apple Lisa и Apple Macintosh не могут что пропускная способность шины включая дисководы гибких дисков использовать S100 или ISA. Ком- PCI стала достаточной только для и последовательные порты. Первая пании приходится разрабатывать одного периферийного устройства. свои собственные шины — NuBus, Однако в момент своего появления современная внутренняя шина а позднее SCSI (Small Computer PCI имела огромное превосходство называлась ISA, она предназначалась Systems Interface). Эти шины при- над ISA и ATA, включая независи- для работы с 8-разрядными влекательны тем, что значительно мость процессора, изоляцию буфе- более адаптированы по принципу ра, принцип Plug&Play. В короткое микропроцессорами Intel 8088. Plug&Play, чем IBM PC. Кстати, это время шина объединила всю вну- привело к распространенному мне- треннюю структуру ПК. Когда данные перемещаются нию, что компьютеры Apple проще Однако PCI не была идеальной. от процессора к периферийным в использовании. Шло время, ограничение ее скорости устройствам, скорость передачи В 1986 г. Western Digital, Control стало серьезным препятствием для снижается. С начала 1980-х гг. про- Data Corporation и Compaq дальнейшего развития, тем более должается улучшение внутренней Computer Corporation создали что пропускная способность шины архитектуры шины компьютера первый интерфейс для дисковых была поделена между всеми устрой- с целью достижения более высокой накопителей — IDE9, специально ствами. PCI была разработана без скорости передачи данных и боль- предназначенный для повышения возможности управления питани- шей совместимости с периферий- производительности жестких дис- ем, что стало неудобно при наличии ными устройствами. ков в персональных компьютерах. новых, маломощных устройств. Это Первые микрокомпьютеры, такие Идея заключалась в том, чтобы накладывало очень строгие правила как Altair 8800, требовали соеди- интегрировать контроллер диска на маршрутизацию данных, и, что нения процессора и оперативной и интерфейс на одной микросхе- хуже всего, не было никакой под- памяти с периферийными устрой- ме, подключенной к материнской держки передачи данных в режиме ствами, включая дисководы гибких плате. Позже этот интерфейс стал реального времени. Для решения дисков и последовательные порты. известен как ATA с PC-AT. Шина этих и других вопросов разработ- Структура шины S100, введенной SCSI, изначально разработанная чики следующего поколения шин в середине 1970-х гг., являла собой 6 простое соединение всех контак- CP/M — операционная система СР/М для микроЭВМ, предшественник PC-DOS и MS-DOS. 7 Industry Standard Architecture, ISA — архитектура шины промышленного стандарта. тов на чипе Intel 8080 с разъемом 8 Extended Industry Standard Architecture, EISA — расширенная стандартная архитектура для промышленного применения. на задней панели. S100 был стан- 9 Integrated Drive Electronics, IDE — встроенный интерфейс накопителей. дартом для CP/M6. 10 Peripheral Component Interconnect, PCI — шина для соединения периферийных компонентов. CONTROL ENGINEERING РОССИЯ #1 (43), 2013
52 I ПРОМЫШЛЕННЫЕ СЕТИ Ethernet не мог использоваться Развитие технологий в качестве внутренней шины ком- передачи данных пьютера не только из-за ограниче- ний скорости, но в первую очередь из-за нехватки IP-адресов в схеме IPv4. На самом деле, в 2010 г. уже не осталось доступных IP. Некоторые обходные пути были найдены, однако только с перехо- дом на IPv6, который предоставля- ет огромное количество IP-адресов ( до с таточно, ч то бы ка ж дом у устройству с наличием Ethernet- подключения во всем мире при- своить несколько адресов), стало возможным дальнейшее развитие технологии. Это делает возможным сконцентрировались на улучшении высокой скорости ввода/вывода, внутреннюю IP-адресацию в устрой- PCI до PCI Express (PCIe). возможности управления движе- ствах, что, возможно, даже практич- Последовательная шина PCIe нием и машинного зрения. но. Современные скорости этого работает со скоростью 2,5 Гбит/с, Новым вариантом PCIe, в котором стандарта (например, гигабитный пакетируя данные PCI, а затем пере- заинтересована, в первую очередь, и терабитный Ethernet) достигают ходит в последовательный режим для Apple, является Thunderbolt, кото- или даже превышают внутренние передачи пакетов по каналу. Пропуск- рая сочетает в себе протоколы PCIe скорости интерфейсов PCI и PCIe. ная способность доступна в обоих и DisplayPort и значительно улучшает направлениях, и производительность работу графического дисплея и про- СЕТИ И ИНТЕРФЕЙСЫ каждого слота может составлять изводительность HMI. Хотя Apple В БУДУЩЕМ от 200 Мбит до 3,2 Гбит в любом был создателем Thunderbolt, дру- В настоящее время шина PCIe направлении, на вход или выход. гие компьютерные компании также является лучшей, а Ethernet является Появление PCIe — это громадный предлагают использовать его. предпочтительным для сетей. С пере- скачок в преодолении ограничения ходом Ethernet TCP/IP к версии IPv6, пропускной способности, по срав- ВЕЗДЕСУЩИЙ USB он, кажется, готов стать доминирую- нению с PCI, при этом сохранена Ни одно обсуждение компьютер- щей, и, пожалуй, единственной сете- совместимость портов. ных интерфейсов не будет полным вой технологией. Это простой про- Уровневая структура PCIe обе- без разговора о USB11. Этот интер- токол, легко управляемый, он имеет спечивает тридцатикратное уве- фейс заменил последовательные встроенные функции безопасности личение производительности, и параллельные схемы соединения и понятен большому количеству сете- по сравнению с оригинальным в ПК и лэптопах. USB имеет высокую вых специалистов как в промышлен- интерфейсом PCI. Это делает воз- пропускную способность (USB 3.0 ных, так и коммерческих средах. можным создание устройств вво- легко поддерживает передачу полно- Однако остается вопрос, появит- да/вывода следующего поколения кадрового видео), а его возможности ся ли новая шина или сетевая струк- с высокой пропускной способно- Plug&Play распространяются практи- тура в ближайшем будущем. Судя стью для приложений с высокой чески на все доступные устройства. по скорости развития технологий, производительностью, таких как USB может использоваться в каче- мы можем предположить, что ответ высокоскоростная передача и сбор стве внутренней шины или быть будет положительным. Но следует данных или промышленные муль- выведен с помощью концентратора. учесть, что из-за надежности и попу- тимедийные приложения. Послед- Протокол поддерживает питание лярности PCIe и Ethernet любой няя эволюция интерфейса PCIe устройств, например внешних жест- прогресс в компьютерной или сете- даже поддерживает виртуализацию ких дисков, CD- или DVD-приводов вой технологии должен будет обе- аппаратных устройств ввода/выво- и других периферийных устройств. спечивать обратную совместимость да. Почти все современные видео- USB также позволяет с помощью с этими протоколами. карты имеют интерфейс PCIe. переходников передавать данные Какие сети или шины для авто- Необходимость вывода интер- по GPIB, RS-232 и Modbus. матизации выбрать — зависит, как фейса вне компьютера привело USB обладает достаточной про- всегда, от конкретных потребно- к появлению ePCIe, или внешней пускной способностью и надежно- стей. На данный момент PCIe, ePCIe, шины PCIe, которую иногда назы- стью для промышленного контроля USB и Ethernet, кажется, в состоя- вают кабелем шины PCIe. Такое в реальном времени, к примеру при нии решить большинство вопросов развитие делает возможным рас- соединении контроллера на основе передачи данных в области про- ширение внутренней скоростной ПК с устройством ввода/вывода. мышленной автоматизации. шины PCIe на внешние устройства 11 ввода/вывода. Это, в свою очередь, ПРОГРЕСС ETHERNET Статья подготовлена Universal Serial Bus, USB — универсальная приводит к увеличению произво- Повсеместно распространенный специалистами компании последовательная шина дительности и достижению очень в качестве сетевой технологии, Advantech #1 (43), 2013 CONTROL ENGINEERING РОССИЯ
Вы также можете почитать