Построение распределенных систем автоматизации Теоретические основы

1. Построение распределенных систем автоматизации Теоретические основы se_training@ukr.net (учебный центр Модикон-Киев) Автор: Александр Пупена www.asu.in.ua
Учебный центр Модикон-Киев
NET-Введение
1

2. 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

3. 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)

4. 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

5. 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

6. 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
состояние
команда управления

7. 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

8. 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)

9. 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

10. 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…)

11. 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).

12. 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

13. 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…

14. 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

15. 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!

16. 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)

17. 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)
Публикация
Публикация
Запрос на публикацию

18. 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

19. Физический уровень. Обмен битами.
Учебный центр Модикон-Киев
Сети – теоретические основы
19
PHYSICAL (физический)
1
бит – кодированный сигнал – физическая среда передачи - кодированный сигнал - бит

20. Физический уровень. Тип связи.
Учебный центр Модикон-Киев
Сети – теоретические основы
20
PHYSICAL (физический)
1
бит – кодированный сигнал – физическая среда передачи - кодированный сигнал - бит

21. Физический уровень. Двоичное кодирование.
Учебный центр Модикон-Киев
Сети – теоретические основы
21
PHYSICAL (физический)
1
бит – кодированный сигнал – физическая среда передачи - кодированный сигнал - бит

22. Физический уровень. Модуляция.
Учебный центр Модикон-Киев
Сети – теоретические основы
22
PHYSICAL (физический)
1
бит – кодированный сигнал – физическая среда передачи - кодированный сигнал - бит
Модем

23. Физический уровень. Основные топологии
Учебный центр Модикон-Киев
Сети – теоретические основы
23
линейная (цепочка)
дерево
шина
звезда
кольцо

24. Канальный уровень. Доставка данных
Учебный центр Модикон-Киев
Сети – теоретические основы
24
Фільтр
Фільтр
процес
процес
канальний рівень
верхні рівні
обробка повідомлення
обробка повідомлення
А
Фільтр
процес
обробка повідомлення
B
Фільтр
процес
обробка повідомлення
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

25. 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 …

26. 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

27. Транспортный уровень.
Учебный центр Модикон-Киев
Сети – теоретические основы
27
App
1
App
2
App
3
App
4
?
?
А
Б

28. 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