Методы и средствапередачи информации в новых устройствах ЖАТ
1. Классификация линийпередачи по назначению
– Локальные шиныконтроллеров (ISA, PCI, VME),
– Цифровые промышленные сети (RS-485, RS-422, CAN,PROFIBAS, IL-BAS, Foundation Fieldbus, AS-интерфейс),
– Локальныевычислительные сети (Ethernet),
– Глобальныеинформационные сети (Internet, Intranet, СПД МПС),
– Кабельные сетисвязи с напольным оборудованием.
2. Отличия цифровыхканалов от прямопроводных соединений
Прежде всего, следуетотметить информационные возможности цифрового канала передачи данных. Еслиранее по одной паре проводов можно было получить только одно единственноетекущее значение измеряемой величины или, напротив, передать исполнительномумеханизму одну команду, то теперь количество передаваемых данных зависит толькоот «интеллектуальных» возможностей оконечных устройств. Что особенно важно,информационный канал становится двунаправленным. Наиболее важным практическимследствием этого обстоятельства является возможность осуществления удаленнойпараметризации и калибровки оконечных устройств. Наличие единой базыпараметров, обслуживание всех подключенных к ЦПС оконечных устройств с одногорабочего места свидетельствует о наступлении новой эры в работе службы КИПпредприятия, выводя эту службу на совершенно иной уровень оперативности иэффективности. Быстрая установка предельных уровней и режимов работы даётвозможность гибко управлять производственным процессом, перенастраивать егосогласно меняющимся условиям и задачам. Только применение цифровых методовпередачи данных позволяет использовать на полную мощность возможностисовременных датчиков и исполнительных механизмов. Кроме «количественной»составляющей новой концепции информационного обмена, следует отметитькачественно новые возможности, предоставляемые узлам ЦПС.
3. Среда передачиданных
– Медный кабель,
– ВОЛС,
– Радиосредства для связис подвижными объектами (Tetra,GSM-R, МАЛС, ГАЛС, АЛСР),
– Сети общегопользования.
4. Методы передачиданных в ЦПС
Существуют три основныхрежима обмена данными, эффективность использования которых зависит отконкретной задачи.
– Режим «Ведущий ведомый».В этом простейшем режиме один из узлов ЦПС является ведущим устройством,которое последовательно опрашивает подчиненные узлы. В зависимости отсодержания запроса ведомый узел либо выполняет полученную команду, либопередает ведущему текущие данные с подключенных оконечных устройств. Типичнымпримером ЦПС, построенной на таком принципе, являются сети PROFIBUS, RS-485. Как правило, роли ведущего иведомого закрепляются жестко и не меняются в процессе функционирования сети.
– Режим «Клиент сервер».Данный режим имеет много общего с предыдущим и используется в системах с гибкимраспределением функций. Узел клиент запрашивает данные, а узел сервер ихпредоставляет. При этом клиент может запрашивать несколько узлов, а сервер –иметь несколько клиентов. Также функции клиента и сервера могут совмещаться наодном узле. Примером могут послужить ЦПС CAN Foundation Fieldbus.
– Режим «Подписка». Вэтом режиме узел, нуждающийся в регулярном поступлении какой либо информации,подписывается на её получение от другого узла, после чего получает регулярныерассылки данных без дополнительных запросов. Режим имеет два варианта: в первомслучае данные передаются циклически с определенным интервалом вне зависимостиот динамики информации; во втором случае данные передаются только в случае ихизменения. Данный режим также используется в сетях Foundation Fieldbus.
Одним из основныхкритериев оценки систем АСУ ТП является надежность. Понятие это враспределенных системах весьма многогранно и требует внимательногорассмотрения. Для АСУ ТП, создаваемых на базе ЦПС, следует отметить несколькомоментов.
– По надежности цифровойметод передачи данных намного превосходит аналоговый. Передача в цифровом видемалочувствительна к помехам и гарантирует доставку информации благодарявстроенным в протоколы ЦПС механизмам контрольных сумм, квитирования и повтораискаженных пакетов данных.
– Надежностьфункционирования систем АСУ ТП на базе ЦПС с интеллектуальными узламизначительно выше, чем в традиционных структурах, так как выход из строя одногоузла не влияет, либо влияет незначительно на отработку технологическихалгоритмов в остальных узлах.
Важно также отметить, чторазумное распределение управляющих функций значительно снижает нагрузку нацентральную управляющую ЭВМ, что также способствует повышению надежностисистемы в целом. Важной проблемой является защита ЦПС от повреждения кабельнойсети, особенно в том случае, если ее топология имеет вид шины. Для критическиважных технологических участков эта задача должна решаться дублированием линий связиили наличием нескольких альтернативных путей передачи информации. Системы АСУТП редко делаются раз и навсегда; как правило, их состав и структура подверженыкоррекции в силу изменяющихся требований производства. Поэтому важнымикритериями оценки закладываемых в проект решений являются гибкость имодифицируемость комплекса. По этим показателям ЦПС, несомненно, намногопревосходит традиционную централизованную схему: добавление или удалениеотдельных точек ввода вывода и даже целых узлов требует минимальных монтажныхработ и может производиться без остановки системы автоматизации.Переконфигурация системы осуществляется на уровне программного обеспечения итакже занимает минимальное время. Другая проблема, связанная с развитиемсистемы АСУ ТП, заключается в необходимости применять оборудование различныхпроизводителей. На ранних этапах развития ЦПС вопрос совместимости протоколов,заложенных в интеллектуальные оконечные устройства, стоял очень остро. Сейчаспрактически все широко распространенные решения в этой сфере стандартизованы,что позволяет разработчикам АСУ ТП выбирать оборудование из широкого спектрапоставщиков, оптимизируя стоимость проекта и его технологическую структуру.
5. PROFIBUS — семейство ЦПС, обеспечивающеекомплексное решение коммуникационных проблем предприятия, было разработанофирмой Siemens в начале 90-х годов. На нижнем уровне применяется сеть PROFIBUSDP, обеспечивающая высокоскоростной обмен данными с оконечными устройствами.Протокол физического уровня соответствует стандарту RS-485. Скорость обменапрямо зависит от длины сетевого сегмента и варьируется от 100 кбит/с нарасстоянии 1200 метров до 12 Мбит/с на дистанции до 100 метров. Взаимодействиеузлов в сети PROFIBUS определяется моделью «Master slave ».
Master сегмента последовательноопрашивает подключенные узлы и выдает команды в соответствии с заложенной внего технологической программой. Протокол обмена данными гарантируетопределенное время цикла опроса в зависимости от скорости обмена и числа узловв сегменте, что позволяет применять PROFIBUS в системах реального времени. Наболее высоком уровне применяется сеть PROFIBUS MS, ориентированная наобеспечение информационного обмена одноранговых устройств. Во взрывоопасныхзонах используется PROFIBUS PA, основанная на стандарте физического уровня IEC61158 2. Сегмент PROFIBUS PA может иметь длину до 1900 метров со скоростьюобмена между узлами 31,25 кбит/с. Применяемый кабель — Belden 3077. СегментыPROFIBUS PA подключаются к PROFIBUS DP через разделительные мосты, обеспечивающиефункционирование ЦПС во взрывоопасной зоне.
Фирмой Siemens разработаны устройства сопряженияPROFIBUS с волоконно-оптическими линиями связи, что позволяет увеличитьдистанцию передачи данных до нескольких десятков километров при максимальнойскорости передачи.
6. Ethernet для связи УВК с рабочими станциямиДСП и ШНЦ
В 1995 году произошёлнастоящий прорыв в направлении повышения производительности сетей Ethernet:IEEE обнародовал спецификацию 802.3u (100Base T)«быстрого » Ethernet (FastEthernet), согласно которой скорость передачи данных увеличивалась в десять раздо 100 Mбит/с. В эту спецификацию была заложена поддержка сразу трех физическихсред передачи данных:
●кабель, содержащийдве витые пары пятой категории (100Base TX);
●кабель, содержащийчетыре витые пары третьей категории (100Base T4);
●две оптическиелинии на базе многомодового оптоволокна (100Base FX).
В 1997 году настало времяпреодоления самого главного недостатка технологии Ethernet, связанного спротоколом доступа CSMA/CD. Как известно, заложенный в его основе методразрешения коллизий основан на процедуре случайных задержек повторной передачиинформационного кадра. При увеличении нагрузки на сеть растёт вероятностьвзаимной блокировки станций друг другом, а в случае худшего развития этой ситуацииреальная пропускная способность сети может упасть до нуля. Данный недостатокбыл главным препятствием на пути использования Ethernet в ответственныхприменениях. Кардинальным способом решения проблемы стало введениеполнодуплексного режима обмена данными, при котором вследствие физическогоразделения каналов приема и передачи становятся невозможными сами коллизии.Помимо этого, применение полнодуплексного режима обмена позволяет теоретическиудвоить пропускную способность канала. Стремительное внедрение средствавтоматизации и компьютерных технологий привело в 1998 году к очередномуподнятию планки пропускной способности сети Ethernet: IEEE выпустилспецификацию 802.3z (1000Base X), которая устанавливает скорость передачи 1Гбит/с. Новая спецификация поддерживает следующие среды передачи данных:
●многомодовоеоптоволокно с длиной волны 850 нм (1000Base SX);
●одно имногомодовое оптоволокно с длиной волны 1300 нм (1000Base LX);
●экранированнаявитая пара (1000Base CX).
7. Передача данных всистемах МПЦ через общедоступные сети
В процессе развитиясистем централизации радиус их действия непрерывно увеличивался. Дежурный постанции на посту механической централизации устанавливал напольные устройствапосредством тросовых тяг, и расстояние между устройствами управления инапольным оборудованием было небольшим. В настоящее время диспетчер центрауправления может находиться в сотнях километров от напольных устройств системмикропроцессорной централизации (МПЦ), входящих в контролируемую им зону.
Условием дляобеспечения такой дальности управления является передача данных черезобщедоступные сети. Эта технология уже несколько лет используется длясоединения диспетчерских постов в региональных диспетчерских центрах и линейныхпунктов на железных дорогах Германии (DBAG). В линейных пунктах используютсяуже проверенные в эксплуатации системы МПЦ. Однако если зона действия МПЦпревышает 15 км, то необходимо дополнительно устраивать исполнительные посты. Всистемах МПЦ компании Siemens эти посты соединяют с распорядительным постомдвухканальной шиной МПЦ, обладающей высокой эксплуатационной готовностью. Пошине МПЦ данные передаются без задержек и в реальном масштабе времени. К числупередаваемых данных относятся, например, извещения о положении стрелок,свободности пути, команды управления. В зависимости от объема передаваемыхданных в качестве среды передачи использовались медный и волоконно-оптический(со стеклянными или синтетическими световодами) кабели. Максимальное расстояниемежду двумя исполнительными постами составляет в настоящее время примерно 30 км(без промежуточных усилителей).
Отказ от прокладкикабеля между исполнительными постами МПЦ
Специальная технологиякомпании Siemens позволяет передавать ответственные данные междуисполнительными постами МПЦ по стандартным выделенным линиям. Стандартныевыделенные линии с заданной пропускной способностью выделяются операторамисетей связи (например, компаниями Arcor или Deutsche Telekom). В отличие откоммутируемых выделенные соединения подключены по жесткой схеме в узлахкоммутации операторов сетей.
Отказом от прокладкикабеля между исполнительными постами могут быть сэкономлены значительныеинвестиции. Стоимость прокладки кабеля к дополнительному исполнительному постуМПЦ составляет примерно 60 евро за погонный метр (включая стоимость кабеля).Плата за аренду выделенных линий связи увеличивает эксплуатационные расходы, ноона все же ниже, чем проценты, которые можно получить от вложения сэкономленныхинвестиций. На региональных железнодорожных линиях расстояние между станциями(исполнительными постами) может быть весьма значительным. Для таких линийхарактерны расстояние между станциями 10 – 20 км, простая программаэксплуатации (например, тактовый график с часовым межпоездным интервалом),скорость движения поездов до 120 км/ч. Региональные железнодорожные линииотличает также большое число переездов, расположенных в среднем через каждые1,5 км.
Исходя из этихсоображений, компания Siemens расширила семейство своих системмикропроцессорной централизации El S новой системой El S Public net,предназначенной для региональных линий. Новая МПЦ имеет тот же объем функций,что и системы El S и El S net. Для передачи данных необходимы только обновлениепрограммного обеспечения МПЦ и дополнительные устройства передачи данных — модули защиты данных и преобразователи.
Для железнодорожныхкомпаний преимущества от использования системы El S Public net состоят в том,что в измененной шине МПЦ будут использоваться только проверенные временемстандартные компоненты безопасной передачи данных. Технология управленияшифрованием идентична используемой для соединения диспетчерских постов центровуправления и линейных пунктов. В связи с тем, что выделенные линии обладаютменьшей шириной полосы пропускания по сравнению с межстанционными кабелями,область применения El S Public net ограничена небольшими постами централизациина региональных железнодорожных линиях.
Применение выделенныхлиний связи позволяет сформировать звездообразную структуру МПЦ, котораяобладает более высокой эксплуатационной готовностью по сравнению страдиционными решениями. При традиционном решении выход из строя одного измодулей системы МПЦ El S net или исполнительного поста МПЦ означает, что всеостальные устройства МПЦ оказываются отрезанными от распорядительного поста. Вслучае использования общедоступных сетей этого не произойдет.
Передача ответственныхданных по общедоступным сетям
При обмене информациеймежду безопасно работающими компьютерами все пакеты данных должны абсолютнонадежно и без искажений поступить нужному получателю в пределах установленногоинтервала времени. В системах типа El S эту задачу выполняет шина МПЦ. Каждыйабонент этой шины периодически проверяет каждое соединение посредствомконтрольных телеграмм. При этом проверяются возможности следующих нарушенийпередачи пакетов данных через шину МПЦ:
· несанкционированнаяповторная передача;
· пропаданиепакетов;
· введение в шинупосторонних пакетов;
· нарушениеочередности передачи пакетов;
· искажение данных;
· задержка передачипакета данных.
Вследствие использованияобщедоступных сетей в системе El S Public net проверяется также появление влинии телеграмм из других шин МПЦ и допустимых телеграмм из общедоступной сети.Это требует использования модулей защиты данных, которые хорошо зарекомендовалисебя при соединении диспетчерских постов региональных центров управления слинейными пунктами (рис. 1).
Основной упор приподтверждении безопасности шины МПЦ, реализованной через общедоступную сеть,делался на проверке распознавания отказов и независимости используемыхкомпонентов, а также рассмотрении многократных отказов и задании параметровзащитного кода.
/>
Рис. 1