Profibus. Протокол HART (highway Addressable Remote transducer), разработанный фирмой Rosemount Inc

BITBUS

ASI

HART

Протокол HART (Highway Addressable Remote Transducer), разработанный фирмой Rosemount Inc. в середине 80-х годов, реализует известный стандарт BELL 202 FSK (Frequency Shift Keying) для организации цифровой передачи, основанной на технологии 4-20 мА.

HART-протокол позволяет передавать до 1200 бит/с. MASTER-узел дважды в секунду получает все обновленные данные с других узлов.

Итак, в HART-протоколе реализована схема отношений между узлами сети по принципу MASTER/SLAVE, то есть ведомый узел (SLAVE) может активизировать среду передачи только по запросу ведомого узла (MASTER). В HART-сети может присутствовать до 2 MASTER-узлов (обычно один). Второй MASTER, как правило, освобожден от поддержания циклов передачи и занят под связь с какой-либо системой контроля/отображения данных.

Стандартная топология организована по принципу "точка-точка" или "звезда". Для передачи данных по сети используются два режима:

· по схеме "запрос-ответ", т.е. асинхронный обмен данными (один цикл укладывается в 500 мс);

· все пассивные узлы непрерывно передают свои данные на MASTER-узел (время обновления данных в MASTER-узле 250-300 мс).

Возможно построение топологии типа "шина" (до 15 узлов), когда несколько узлов подключены на одну витую пару. Здесь интересна зависимость метода экранирования проводников от длины шины (Табл. 7).

Весь набор команд, реализованных в HART-протоколе, условно можно разделить на три группы:

· Универсальные команды. Это команды общего назначения и используются на уровне операторских станций: код производителя устройства в сети, модель, серийный номер, краткое описание устройства, диапазоны ограничений, набор рабочих переменных.

· Команды для групп устройств: фиксация значения тока на выходном канале, сброс и т.д.

· Команды, зависящие от устройства: старт/стоп, специальные функции калибровки и т.д. За одну посылку один узел другому может передать до 4 технологических переменных, а каждое HART-устройство может иметь до 256 переменных, описывающих его состояние.

Структура информационного байта имеет стандартный формат:

· 1 стартовый бит

· 8 бит данных

· 1 бит контроля по нечетности

· 1 стоповый бит

Метод контроля корректности передаваемых данных основан на получении подтверждения.

В США HART-сообщения можно свободно передавать по телефонным линиям. В Европе это не разрешено - для этих целей необходимо иметь выделенный телефонный канал.

Объявлено, что на сегодня установлено около 600 тысяч HART-узлов. Наличие международной организации "HART Communication Foundation" позволяет активно продвигать эту промышленную сеть в среде пользователей.

Основная задача этой сети - связать в единую информационную структуру устройства самого нижнего уровня распределенной системы автоматизации, а именно: датчики и разнообразные исполнительные механизмы, имеющие соответствующий сетевой интерфейс. Название описываемой сети раскрывает ее предназначение: Actuator Sensor Interface (ASI) - интерфейс с датчиками и исполнительными механизмами.

Впервые ASI-протокоп вышел на рынок в конце 1989 года и уже сегодня поддержан рядом известных фирм: IFM, Limberg, Siemens, Pepperl+Fuchs, Allen-Bradley. Существует и одноименная ассоциация по поддержке этой сети, ASI.

Тенденция в построении распределенных систем автоматизации имеет явное стремление использовать технологии сквозного сетевого доступа. Система должна увязывать в сеть не только контроллеры, но уже желательно и датчики. Но эта увязка должна удовлетворять всем современным требованиям по надежности и открытости, предъявляемые к любой промышленной сети.

Сеть ASI эти задачи решает. С ее помощью можно строить системы, в которых датчики и контроллеры связаны одной сетью.

Причем ASI имеет шлюзы в другие промышленные сети: PROFIBUS, INTERBUS-S и другие (см. рис. 5).

Каждый узел ASI-сети должен иметь специальный интерфейсный кристалл с поддержкой ASI-протокола.

ASI-интерфейс позволяет передавать как данные, так питающую нагрузку к узлам сети, поскольку существует большое число фотоэлектрических и индуктивных датчиков. Упрощенно ASI-сеть может выглядеть, как на рис. 6.

Топологией ASI-сети может быть линия, кольцо или дерево. Длина сегмента до 100м. За счет репитеров длину сети и число узлов можно увеличивать. Цикл опроса для 31 узлов укладывается в 5 мс.

Логическим центром любой топологии является MASTER-узел, который контролирует всю работу сети, организует обмен данными с PLC.

ASI-MASTER может быть организован на широком спектре контроллеров, через которые организуются шлюзы в промышленные сети более высокого уровня. Часто ASI-MASTER оформляется в виде отдельной платы контроллера или компьютера. Максимальное число узлов к одному MASTER-узлу - 31.

В качестве среды передачи используется пара обычных проводников. Скорость передачи ограничена до 167 Кбод. Сегодня появился специальный ASI-кабель, в котором оба проводника упакованы в специальную мягкую резиновую оболочку, которая делает этот кабель гибким и устойчивым к многократным изгибам. Этот кабель используется для подсоединения датчиков, устанавливаемых на подвижных частях механизмов. В сечении этот кабель выглядит так:

Для кодирования данных используется известный Манчестерский код, в котором "О" и "1" кодируются по восходящему и нисходящему фронту сигнала. Такой тип кодирования снижает влияние на ASI-кабель внешних возмущений.

Адрес каждого сетевого устройства записывается в его постоянной памяти.

С тем чтобы обеспечить короткий ASI-цикл на низкой скорости передачи, был выбран наиболее компактный формат телеграммы:

ST: стартовый бит ("О")

EB: стоповый бит ("1")

SB: управляющий бит (0-это данные или параметр; 1-это команда)

А0..А4: адрес (1-31)

10..14: информация (м.б. и данные)

РВ: бит четности

Некоторые электрические характеристики: общий ток в системе ограничен 2А, к каждому узлу должно быть подано до 24 В.

Протокол BITBUS разработан фирмой INTEL в 1984 году для построения распределенных систем, в которых должны быть обеспечены высокая скорость передачи, детерминизм и надежность. За основу был взят широко известный протокол управления каналом передачи данных, разработанный фирмой IBM - SDLC (Synchronous Data Link Control). Логика сети использует принцип MASTER/SLAVE. Физический интерфейс основан на RS-485. Институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) BITBUS-протоколу был присвоен статус стандарта, а именно: IEEE 1118.

На основе BITBUS можно строить системы двух конфигураций (см. рис. 7).

Протокол не дает возможности построения сложных систем - структура его информационных пакетов проста. Все это позволяет говорить о BITBUS как о протоколе относительно простом и не требующем больших аппаратных затрат на его реализацию.

Использование многоуровневой сетевой структуры (тип "б") оправдано тогда, когда нужно состыковать несколько BlTBUS-сетей, использующих различные скорости передачи данных.

Информационный обмен организован по принципу "запрос (MASTER) - ответ (SLAVE)". Функции MASTER-узла могут (а, как правило, так и есть) концентрироваться в одном узле и распределяться по нескольким MASTER-узлам. В этом случае необходима организация механизма передачи телеграммы-маркера (права доступа к шине) от одного MASTER-узла к другому. Но организация этого механизма довольно сложна.

Протокол BITBUS определяет два режима Передачи данных по шине:

1) синхронный режим

Этот режим используется при необходимости работы на большой скорости, но на ограниченных расстояниях. В этом случае топология сети может включать до 28 узлов, а длина шины ограничиваться 30 м. Скорость может быть от 500 до 2400 Кбод. Синхронный режим передачи предполагает использование двух дифференциальных сигнальных пар: одной для данных, другой для синхронизации.

2) режим с самосинхронизацией

Использование этого режима позволяет значительно удлинить шину. Стандартом определены две скорости передачи: 375 Кбод (до 300м) и 62,5 Кбод (до 1200м). Используя шинные репитеры, можно объединять последовательно несколько шинных сегментов (до 28 узлов на сегмент). Тогда общее число узлов можно довести до 250, длину общей шины - до нескольких километров.

При этом режиме передачи используются две дифференциальные пары: одна для данных и одна для управления репитером.

В протоколе BITBUS биты кодируются на основе NRZI-способа.

В общем виде стандартный формат любой информационной посылки в этом протоколе можно представить так:

Для поддержки протокола BITBUS в фирме INTEL разработан ряд специальных микроконтроллеров. Среди них, например:

· Intel N 80C152JA (12 МГц)

· Intel N 80C152JB (16 МГц)

PROFIBUS (Process Field Bus) появился на свет благодаря усилиям группы немецких компаний: Bosch, Siemens и Klockner-Moller. В его задачи входит:

· организация связи с устройствами, гарантирующими быстрый ответ;

· создание простой и экономичной системы передачи данных, основанной на стандартах;

· реализация интерфейса между уровнями 2 и 7 OSI-модели.

Стандарт протокола описывает уровни 1, 2 и 7 OSI-модели (физический уровень, уровень передачи данных и прикладной уровень). В PROFIBUS используется гибридный метод доступа в структуре MASTER/SLAVE и децентрализованная процедура передачи маркера. Сеть может состоять из 122 узлов, из которых 32 могут быть MASTER-узлами. Адрес 0 зарезервирован для режима широкого вещания ("broadcast"). Общая схема PROFIBUS-сети представлена на рисунке 8.

В среде MASTER-узлов по возрастающим номерам узлов передается маркер, который предоставляет право ведения циклов чтения/записи на шине. Все циклы строго регламентированы по времени, организована продуманная система тайм-аутов. Протокол хорошо разрешает разнообразные коллизии на шине. Настройка всех основных временных параметров идет по сценарию пользователя.

Протоколом определены следующие ациклические команды:

· SDN (послать данные без подтверждения);

· SDA (послать данные с подтверждением);

· SRD (послать и запросить данные);

Также реализована циклическая команда:

· CSRD (циклическая посылка и запрос данных).

При передаче данных обнаружение и исправление ошибок ведется на основе хеммингова расстояния 4, то есть в любой посылке данных 3 ошибочных бита будет обнаружено, а один бит может быть восстановлен.

Задачи в области промышленной связи часто требуют разных решений. В одном случае необходим обмен комплексными (сложными, длинными) сообщениями со средней скоростью. В другом - требуется быстрый обмен короткими сообщениями с использованием упрощенного протокола обмена, например, с датчиками или исполнительными механизмами. В третьем случае необходима работа в опасных участках производства, например, в газопереработке. Все эти задачи протоколу PROFIBUS под силу. Сегодня, говоря о PROFIBUS, необходимо иметь в виду, что под этим общим названием понимается совокупность трех различных, но совместимых протоколов: PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-DP и PROFIBUS-PA.