Начинается...

Топологии сети на полевом уровне

Топологии сети на полевом уровне

Еще десять лет назад большинство датчиков полевого уровня подключались напрямую к ПЛК или другим контроллерам посредством аналогового кабеля (часто 4-20 мА пост. тока). В системах сбора данных датчики были индивидуально жестко подключены, а мультиплексирование аналоговых сигналов было дорогим решением и использовалось только когда шла речь о передачи данных на очень большие расстояния. Иногда системы сбора данных даже не были подключены к главной системе.

Операторы извлекали данные при помощи ноутбука или другого портативного устройства, а затем передавали данные в главную систему вручную.

Датчики при этом подключались напрямую к входам и выходам ПЛК, то есть один сенсор подключался одним набором проводов к одному клеммному терминалу ПЛК. При этом ПЛК в основной массе представляли собой неавтономные устройства. Для передачи данных ПЛК использовали последовательный интерфейс, например, RS-232 или RS-485. Контроллеры «высокого» уровня могли подключаться к системе HMI посредством сети Modbus.

Тем не менее, примерно в это же время сетевые технологии перешли от офисных систем и предприятий в область промышленной автоматизации в том числе на нижний уровень. Сначала это была сеть Modbus, затем многоточечная сеть RS-485, затем Modbus RTU по RS-485 и, наконец, Ethernet. Многие годы предприятия не спешили использовать сети Ethernet из-за их недетерминированного характера. Это означает, что в случае высокой нагрузки в сети доставка некоторых пакетов данных может значительно затянуться. По словам экспертов, это могло бы привести к поломке оборудования, сбою в системе и, возможно, даже к травмам.

Однако изобретение коммутатора, а после и управляемого коммутатора Ethernet, изменило ситуацию. И хотя сеть Ethernet по-прежнему является недетерминированной, хорошо спроектированная сеть имеет очень малую вероятность сбоя в случае работы с большими потоками данных. Некоторые типы Ethernet-сетей нашли широкое применение в промышленной автоматизации, за исключением высокоточных и высокоскоростных приложений управления перемещением.

Теперь при проектировании системы сбора данных и управления разработчикам необходимо выбирать не только датчики, устройства управления и контроллеры, но и тип и топологию сети.

При этом необходимо учитывать три важные составляющие.

Во-первых, это сеть – транспортная составляющая. Сеть состоит из узлов. Эти узлы могут быть конечными точками, например, устройствами, разъемами, коммутаторами или концентраторами, а также шлюзами данных и преобразователями протоколов. Следующая составляющая, это среда которая соединяет узлы сети. Среда может быть проводной и беспроводной. Третья составляющая, это протокол. Протокол позволяет беспрепятственно передавать кодированные данные от узла к узлу по сети. Топология помогает нам визуализировать сеть и ее соединения. Топология относится как к физической сети (провода, концентраторы, коммутаторы, устройства и т. д.), так и к логической сети со всеми ее взаимосвязями.

ПОЛЕВОЙ УРОВЕНЬ

Оборудование полевого уровня включает в себя датчики, передатчики, переключатели, клапана, двигатели и приводы. В обычной системе все эти устройства были интегрированы по отдельности, часто даже разными инженерами. Инженера-механики обычно отвечают за клапана, двигатели и приводы, в то время как инженера по системе управления работают с преобразователями, датчиками и передатчиками. Иногда в процессе разработки общей системы они даже не пересекаются. Такой подход не вызывал проблем пока каждое устройство полевого уровня передавало данные напрямую другому устройству, например, контроллеру или системе HMI. За последние десять лет развития, ориентированного на расширение сети, они представляют собой просто устройства, подключаемые к коммутаторам, контроллерам, системам HMI и многим другим «узлам сети».

УСТРОЙСТВА – ЧТО ЭТО ТАКОЕ?

Во времена аналоговых сенсоров устройства не выполняли никаких дополнительных функций. Их работа заключалась в том, чтобы получить значение и передать сигнал передатчику или контроллеру. Датчик скорости, датчик приближения, датчик уровня pH или другие подобные устройства вырабатывают сигнал при взаимодействии с процессом. Иногда эти электрические сигналы даже не выражены в технических единицах измерения. Сигнал поступает к другому устройству, например, передатчику или контроллеру, которые имеют достаточные ресурсы, чтобы обеспечить питание датчика, передачу сигнала, а также осуществить преобразование электрического сигнала в технические единицы измерения.

УСТРОЙСТВА МОГУТ ВЗАИМОДЕЙСТВОВАТЬ МЕЖДУ СОБОЙ

Как только сенсоры и другие полевые устройства стали оснащаться микропроцессорами, они стали «умными». Они получили возможность обмена информацией с главными компьютерами посредством цифровых данных, а также с другими устройствами полевого уровня напрямую.

Как только подобные устройства стали широко использоваться в промышленной автоматизации главным условием встало наличие у них взаимосвязи между собой, а также с контроллерами и другими приборами. Такая взаимосвязь является достаточно сложной структурой, визуальное отображение которой представляет собой топологию сети.

СЕТЕВАЯ СРЕДА

Для организации сетей могут использоваться различные типы сред. При этом физическую топологию сети представляют конфигурации кабельных соединений. Выбор среды передачи

данных, начиная от коаксиальных кабелей, многожильных витых пар, и заканчивая волоконно-оптическими кабелями, определяет размер, дальность и максимальную пропускную способность сети. С начала 2000-х годов к существующим средам передачи данных добавились радиочастотные каналы малой мощности, например, Wi-Fi и 802.15.4. Логическая топология сети отображает пути взаимодействия сигналов без учета физического подключения сетевых устройств и узлов. При этом, логическая топология сети не всегда совпадает с физической. Она показывает пути перемещения данных между узлами сети, а не физические соединения между самими узлами. Логическая топология сети во многом определяется применяемыми сетевыми протоколами.

СЕТЕВЫЕ ПРОТОКОЛЫ

Ethernet не является единственным стандартом построения сети. Сети также могут быть реализованы на базе различных стандартов начиная от Modbus RTU через многоточечный интерфейс RS-485, а также HART, Profibus, Foundation fieldbus и заканчивая стандартом беспроводных персональных сетей (WPAN). Проводные и беспроводные сети различаются средой передачи данных (провода или радиосигнал), но используют одни и те же сетевые топологии, поэтому могут сопрягаться и работать совместно в рамках сложных конфигураций.

Беспроводные сети, также, как и проводные, базируются на различных протоколах.

Существует по меньшей мере пять широко применяемых стандартизированных беспроводных сетевых протоколов: Zigbee, IEC62591- WirelessHART, ISA100.11a и китайский протокол WIA-PA. Все они основываются на IEEE 802.15.4 – стандарте беспроводной передачи данных малой мощности для ячеистых сетей.

Стандарт IEEE 802.11xx, обычно называющийся WiFi, использует несколько радиочастот и может также использоваться в подобных топологиях. Однако, протоколы Zigbee, WirelessHART, ISA100 и WIA-PA несовместимы между собой и не могут применяться в рамках единой сети.

Также существует множество нестандартизированных протоколов для беспроводных сенсорных сетей. Согласно исследованиям журнала Control magazine, порядка 30% беспроводных сенсорных сетей используют эти проприетарные протоколы и их число, по всей видимости, не собирается уменьшаться.

ТОПОЛОГИИ СЕТИ

Существует ограниченное число способов подключения сетевых узлов друг к другу и к общей сети. В промышленной области часто используются следующие топологии сети: линия, кольцо, ячеистая, звезда, дерево, шина. При этом важен тот факт, что эти топологии могут применяться для построения как проводных, так и беспроводных сетей. Они универсальны и независимы от используемых протоколов и типов передаваемых данных.

топология сети

ЛИНЕЙНАЯ ТОПОЛОГИЯ ИЛИ «ТОЧКА-ТОЧКА»

Линейная цепь представляет собой самую простейшую топологию сети: две узловые точки сети постоянно подключены друг к другу напрямую. Существует два типа топологии «точка-точка».

Первый тип представляет собой определенное постоянное подключение – канал, который связывает две конечные точки. Двухпроводная линия от удаленного узла SCADA до центральной диспетчерской является классическим примером подобной топологии.

Второй тип линейной топологии является переключаемым. Сетевое соединение «точка-точка» устанавливается по требованию в случае необходимости. Примером топологии такого типа является аналоговая телефония, а технологии передачи дискретных данных с пакетной коммутацией являются логическим расширением этого типа топологии.

КОЛЬЦО

Топологию сети типа кольцо можно рассматривать как линейную сеть, у которой последний узел подключен к первому, образуя кольцо. Данные передаются по кольцу только в одном направлении, при этом каждый узел сети, ретранслируя данные, выступает в качестве повторителя, усиливая сигнал. Таким образом, каждый узел сети выступает в качестве приемника и передатчика. По этой причине каждый узел является критически важным звеном. Если одна из связей в кольце будет разорвана, то данные не смогут перемещаться по кольцу и топология сети нарушится.

ЯЧЕИСТАЯ ТОПОЛОГИЯ

Ячеистые сети являются предшественниками сетей Ethernet и используются в промышленной автоматизации с начала 1980-х годов. Последние десять– пятнадцать лет их значимость возросла поскольку почти все стандартные международные беспроводные протоколы базируются на ячеистой топологии сети. Ячеистая сеть подчиняется закону Рида по количеству возможных подключений: n(n-1)/2.

Но этот закон работает только, если ячеистая сеть является полносвязной. То есть каждый узел в сети подключен физически или логически с любым другим узлом. Это обеспечивает высокий уровень резервирования, необходимый в сенсорных сетях всех видов, поскольку пакет данных проходит путь от узла-источника к узлу-приемнику используя любой из путей ячеистой сети.

ячеистая топология

Сеть стандарта IEC62591 WirelessHART является примером полносвязной беспроводной ячеистой сети поскольку все устройства данной сети, включая шлюзы данных, должны быть маршрутизаторами, при этом не допускается использование конечных устройств, которые являются только передатчиками.

В частично связанной ячеистой сети некоторые узлы являются соединенными в режиме «точка-точка». Например, беспроводные протоколы стандарта IEEE 802.15.4, Zigbee и ISA100.11a, допускают подобное применение конечных устройств и прямого подключения. Это может быть реализовано только при помощи маршрутизатора, например, серии ADAM.

Стоимость проводной полносвязной ячеистой сети даже с малым количеством узлов является очень высокой, однако это не относится к беспроводным сетям. Беспроводные сети можно масштабировать практически бесконечно, реализуя последовательные цепочки (Daisy-Chain) ячеистых сетей.

ЗВЕЗДА

Топология «точка-точка» является частным случаем топологии типа звезда и представляет собой одно прямое соединение центрального узла и конечной точки.

Каждый узел в сети с топологией типа звезда подключен к центральному узлу, которым может выступать концентратор или коммутатор. Коммутатор обслуживает периферийные узлы так же, как сервер обслуживает клиентов. Весь трафик сети проходит через центральный узел или коммутатор. Считается, что сети с топологией типа звезда легко внедряются и просты в обслуживании. При этом звезда может иметь больше пяти лучей. К подобной сети несложно добавить еще один узел, просто подключив его физически или логически, при этом данные из нового узла будут проходить через концентратор звезды. Можно также подключить несколько звезд, соединяя в режиме «точка-точка» концентратор одной звезды с концентратором другой. Подобная структура часто называется «последовательная цепь звезд» или топология распределенной звезды. Однако, наиболее весомым недостатком топологии типа звезда является то, что концентратор или коммутатор в центре может оказаться точкой отказа.

ДЕРЕВО

Сеть с топологией типа дерево представляет собой иерархическую структуру с как минимум тремя уровнями, которые состоят из корневого узла, подключенного к одному или нескольким узлам ниже по иерархии при помощи соединения «точка-точка». Такая структура представлена в виде ветвей дерева. Дерево является симметричным, когда каждый узел соединен с определенным числом узлов на следующем более низком уровне. Топология типа дерево хорошо масштабируема и напоминает гибридные сети. Она надежна и экономически выгодна для проводных сетей, однако для беспроводных сетей подходит в меньшей степени из-за необходимости прохождения всех узлов ветки перед тем как достичь магистрали. Подобная топология не очень подходит для сенсорных сетей из-за потенциальных задержек, однако вполне применима для сети уровня предприятия.

ШИНА

В шине, например, полевой шине, все устройства подключены к единому кабелю шины. Сигнал передается по всей длине шины пока не найдет устройство, которому он предназначается. Если адрес устройства не соответствует требуемому адресу, то данные продолжат передаваться по шине, пока не найдут принимающее их нужное устройство.

Цифровые сети на базе протоколов Profibus и Foundation fieldbus, широко применяющиеся в промышленной области, также имеют шинную топологию. Шинная топология является недорогим решением, поэтому часто используется в промышленной автоматизации в качестве топологии сетей на уровне датчиков и устройств.

Проблема шинной топологии заключается в том, что они являются достаточно дорогими в обслуживании и могут быть единственным уязвимым звеном в системе. Поэтому данная топология применяется в простых и коротких сетях, таких, как сенсорные сети или сети управления установками, ведь никто не хочет понести убытки и получить обрушение всей сети при обрыве кабеля.

ГИБРИДНЫЕ СЕТЕВЫЕ ТОПОЛОГИИ

Сети с различными топологиями могут соединяться последовательно при условии, что все узлы работают с одним и тем же протоколом или используются преобразователи протоколов. Таким образом существует возможность построения сети на базе нескольких протоколов, которая

позволит обмениваться данными по проводным и беспроводным соединениям в рамках одного предприятия или завода. Вот почему гибридные сетевые топологии становятся широко

распространенным решением. Например, на типовом заводе может использоваться проводная сеть Profibus, подключенная к коммутатору Ethernet, который в свою очередь подключается к шлюзу беспроводной ячеистой сети и к сети Modbus TCP/IP на базе Ethernet. И скорее всего подобные виды гибридных сетевых топологий будут в будущем только усложняться.

ВЫБОР ПРАВИЛЬНОЙ ТОПОЛОГИИ СЕТИ

В некоторых случаях, особенно в области промышленной автоматизации, инженер выбирает топологию, которая позволит объединить все существующие устройства.

В других случаях инженер должен тщательно подобрать устройства и топологию сети, чтобы обеспечить экономически выгодное, прочное и надежное решение.

Проводные сетевые топологии обычно используют протоколы на базе Ethernet, такие, как TCP/IP, Modbus TCP, Profibus/PROFINET или Foundation fieldbus. В действующих приложениях, особенно в обрабатывающей промышленности или водоочистительных системах, большинство полевых устройств подключены к сетям HART, которые могут работать с другими сетями, например, Profibus и Foundation fieldbus. Кроме того, последние несколько лет сети HART могут быть реализовываться как проводные, так и беспроводные благодаря выбору стандартного протокола МЭК WirelessHART.

ВЫБОР БЕСПРОВОДНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Как правило, при построении сетевого решения инженер должен принимать во внимание тот факт, что разные сетевые топологии обладают различными характеристиками. Модули Advantech серии ADAM- 2000 поддерживают топологии сети типа звезда, дерево и ячеистую топологию. Для построения сети не требуется никакого дополнительного конфигурирования – сеть организуется автоматически исходя из расположения подключенных модулей ADAM-2000. Пользователь может выбрать необходимую топологию и установить модули ADAM-2000 в соответствие с требованиями его системы.

Читайте также:

ВЫПУСК 3/2022



Читать онлайн