какую сетевую топологию реализует промышленная сеть interbus
Какую сетевую топологию реализует промышленная сеть interbus
Обзор и сравнение популярных открытых промышленных сетей
Какая сеть лучше?
На самом деле, какая-то единственная шина лучшей никогда не будет, поскольку невозможно удерживать первенство абсолютно во всех областях. Всегда будет существовать множество решений, каждое со своими достоинствами и недостатками. Однако если вам будут хорошо известны все особенности каждого из этих решений, все его «за» и «против», у вас будет возможность сделать обоснованный вывод. Иными словами, вы сможете выбрать одну или две шины, которые окажутся лучшими для вашего конкретного случая.
CAN: недорогая очень надежная основа для нескольких распространенных
промышленных шин: DeviceNet, CANopen
Высшая степень надежности
Понятно, что надежность связи в транспортном средстве в буквальном смысле вопрос жизни и смерти. Сбой сети просто-напросто НЕДОПУСТИМ, вне зависимости от его причины. Сеть CAN выживает в самых суровых условиях, причем статистическая вероятность отказа составляет менее одного случая за столетие.
Достоинства: дешевизна, широкое распространение, высокая надежность, эффективное использование пропускной способности, подача питающего напряжения по сетевому кабелю.
Недостатки: ограниченная пропускная способность, ограниченный размер сообщений, ограниченная длина соединения.
Interbus: высокоскоростная детерминированная европейская промышленная шина
Сеть Interbus одна из самых первых промышленных шин, получивших широкое распространение. Она остается популярной и сегодня благодаря своей гибкости, быстродействию, диагностическим средствам и автоадресации.
Физически Interbus напоминает обычную сеть с многоотводными соединениями, однако в действительности представляет собой последовательное кольцо на базе сдвиговых регистров. Каждый подчиненный узел имеет два коннектора: через один коннектор данные принимаются, через другой передаются в следующий узел. Информация об адресе в протоколе отсутствует; данные в сети пересылаются по кругу, и главное устройство всегда способно определить, из какого узла считывается или в какой узел передается информация по, так сказать, положению этого узла в кольце.
Издержки протокола, таким образом, минимальны; в типовых системах с несколькими десятками узлов и (возможно) десятком устройств ввода/вывода на узел немногие шины способны показывать лучшие результаты, чем Interbus.
Благодаря необычной сетевой топологии Interbus имеет два дополнительных преимущества. Во-первых, кольцевая топология дает главному устройству возможность самому себя конфигурировать, причем в некоторых случаях данный процесс не требует вмешательства со стороны пользователя. Таким образом, Interbus вполне может играть роль сети, «защищенной от дурака» (по крайней мере, защищенной в той же степени, в которой может быть «защищена от дурака» любая другая сеть). Во-вторых, точность сведений о сетевых отказах и месте их возникновения значительно упрощает процесс их (отказов) поиска и устранения.
Достоинства: существенно упрощающая конфигурирование системы автоадресации, расширенные диагностические возможности, широкая распространенность (особенно в Европе), низкие издержки, малое время отклика, рациональное использование пропускной способности, подача напряжения питания (для устройств ввода) по сетевому кабелю.
Недостатки: сбой любого соединения приводит к отказу всей сети; ограниченные возможности по передаче данных большого объема.
AS-I (Actuator Sensor Interface): самая простая (возможно, и самая дешевая) промышленная шина
Сеть ASI детерминированная. Это означает, что всегда можно сказать с полной уверенностью, через какой временной промежуток изменение состояния подчиненного устройства станет известно главному. Для вычисления этого промежутка необходимо число узлов (включая главное устройство) умножить на 150 микросекунд. Максимальная задержка в сети ASI составляет, таким образом, 4,7 миллисекунды, что является очень неплохим результатом для большинства систем (у многих программируемых контроллеров длительность цикла опроса составляет 20 и более миллисекунд!).
Достоинства: чрезвычайная простота, дешевизна, распространенность, высокое быстродействие, подача питающего напряжения по сетевому кабелю. Превосходное средство для объединения устройств цифрового ввода/вывода.
Недостатки: плохо подходит для объединения устройств аналогового ввода/вывода; ограниченные размеры сети; Детерминизм и длительность цикла опроса.
Ethernet: неофициальный мировой стандарт административных и вычислительных сетей
Необходимо создание единого «прикладного уровня». Когда устройство принимает данные, как оно может определить, в каком они формате? Являются ли они последовательностью данных ввода/вывода, текстовым документом или электронной таблицей? Быть может, это параметры для частотно-регулируемого электропривода? А каков порядок данных? На сегодняшний день в этой области существуют несколько конкурирующих между собой стандартов.
Необходима разработка коннекторов в промышленном исполнении. Недорогие пластиковые «телефонные разъемы» для производственных условий непригодны, а равно и разъемы типа RJ45; нужен надежный промышленный разъем.
Многие пользователи хотели бы, чтобы по сетевому кабелю подавалось питающее постоянное напряжение 24 В. С практической точки зрения это выгодно: меньше кабелей, меньше источников питания; с другой стороны, подача питающего напряжения по сетевому кабелю приведет к дополнительным затратам, повышению уровня помех и вызовет некоторые другие технические проблемы.
Одним из основных требований некоторых систем является детерминизм. Обычная сеть Ethernet не обладает такими свойствами, как детерминизм и стабильность электрических характеристик (repeatability); иными словами, гарантия своевременной доставки в традиционной Ethernet отсутствует. Вместе с тем, уже существует ряд способов построения вполне детерминированных Ethernet-систем. Необходимо заметить, что большинству пользователей, желающих детерминизма, на практике требуется всего лишь быстродействие.
Достоинства: Ethernet самый распространенный и практически универсальный международный сетевой стандарт. Поддерживает передачу больших объемов данных с высокой скоростью, способна удовлетворить потребности крупных систем.
Недостатки: большие издержки при передаче данных небольшого объема. Подача питающего напряжения по сетевому кабелю не производится. Физически уязвимые коннекторы, повышенная по сравнению с другими промышленными шинами чувствительность к электромагнитным помехам. Слишком большое разнообразие открытых и фирменных стандартов обработки данных
Profibus: самая распространённая в мире открытая промышленная сеть
Хорошая скорость передачи, большая длина соединения и широкие возможности по обработке данных превращают Profibus в одну из лучших шин, предназначенных для систем управления многими технологическими процессами и интенсивной обработки информации. Наиболее часто используемый формат обмена сообщениями Profibus DP представляет собой сеть с опросом узлов (выделенное главное устройство периодически опрашивает состояние каждого узла сети); тем самым обеспечивается постоянный контроль состояния каждого устройства в сети (одно устройство за один цикл опроса может передавать до 244 байт полезной информации). Каждое сообщение содержит 12 дополнительных байт, вследствие чего максимальная длина всего сообщения составляет 256 байт.
Достоинства: Profibus самый распространенный в мире сетевой стандарт. Эта шина, применяемая в Европе почти повсеместно, весьма популярна в Северной и Южной Америке, а также в некоторых странах Африки и Азии. Версии DP, FMS и PA в целом удовлетворяют требованиям подавляющего большинства систем автоматизации.
Недостатки: относительно высокие накладные расходы при передаче коротких сообщений, отсутствие подачи питания по шине, несколько более высокая по сравнению с другими шинами стоимость. Кроме того, ориентация на продукты европейских компаний и изделия Siemens зачастую негативно оценивается пользователями в Северной Америке.
Обзорная таблица некоторых сетей:
Комментарии к материалу
Добавлен: rxs Дата: 2009-10-04
Спасибо за обзор.
Интересно узнать источник информации.
Какую сетевую топологию реализует промышленная сеть interbus
Обзор и сравнение популярных открытых промышленных сетей
Какая сеть лучше?
На самом деле, какая-то единственная шина лучшей никогда не будет, поскольку невозможно удерживать первенство абсолютно во всех областях. Всегда будет существовать множество решений, каждое со своими достоинствами и недостатками. Однако если вам будут хорошо известны все особенности каждого из этих решений, все его «за» и «против», у вас будет возможность сделать обоснованный вывод. Иными словами, вы сможете выбрать одну или две шины, которые окажутся лучшими для вашего конкретного случая.
CAN: недорогая очень надежная основа для нескольких распространенных
промышленных шин: DeviceNet, CANopen
Высшая степень надежности
Понятно, что надежность связи в транспортном средстве в буквальном смысле вопрос жизни и смерти. Сбой сети просто-напросто НЕДОПУСТИМ, вне зависимости от его причины. Сеть CAN выживает в самых суровых условиях, причем статистическая вероятность отказа составляет менее одного случая за столетие.
Достоинства: дешевизна, широкое распространение, высокая надежность, эффективное использование пропускной способности, подача питающего напряжения по сетевому кабелю.
Недостатки: ограниченная пропускная способность, ограниченный размер сообщений, ограниченная длина соединения.
Interbus: высокоскоростная детерминированная европейская промышленная шина
Сеть Interbus одна из самых первых промышленных шин, получивших широкое распространение. Она остается популярной и сегодня благодаря своей гибкости, быстродействию, диагностическим средствам и автоадресации.
Физически Interbus напоминает обычную сеть с многоотводными соединениями, однако в действительности представляет собой последовательное кольцо на базе сдвиговых регистров. Каждый подчиненный узел имеет два коннектора: через один коннектор данные принимаются, через другой передаются в следующий узел. Информация об адресе в протоколе отсутствует; данные в сети пересылаются по кругу, и главное устройство всегда способно определить, из какого узла считывается или в какой узел передается информация по, так сказать, положению этого узла в кольце.
Издержки протокола, таким образом, минимальны; в типовых системах с несколькими десятками узлов и (возможно) десятком устройств ввода/вывода на узел немногие шины способны показывать лучшие результаты, чем Interbus.
Благодаря необычной сетевой топологии Interbus имеет два дополнительных преимущества. Во-первых, кольцевая топология дает главному устройству возможность самому себя конфигурировать, причем в некоторых случаях данный процесс не требует вмешательства со стороны пользователя. Таким образом, Interbus вполне может играть роль сети, «защищенной от дурака» (по крайней мере, защищенной в той же степени, в которой может быть «защищена от дурака» любая другая сеть). Во-вторых, точность сведений о сетевых отказах и месте их возникновения значительно упрощает процесс их (отказов) поиска и устранения.
Достоинства: существенно упрощающая конфигурирование системы автоадресации, расширенные диагностические возможности, широкая распространенность (особенно в Европе), низкие издержки, малое время отклика, рациональное использование пропускной способности, подача напряжения питания (для устройств ввода) по сетевому кабелю.
Недостатки: сбой любого соединения приводит к отказу всей сети; ограниченные возможности по передаче данных большого объема.
AS-I (Actuator Sensor Interface): самая простая (возможно, и самая дешевая) промышленная шина
Сеть ASI детерминированная. Это означает, что всегда можно сказать с полной уверенностью, через какой временной промежуток изменение состояния подчиненного устройства станет известно главному. Для вычисления этого промежутка необходимо число узлов (включая главное устройство) умножить на 150 микросекунд. Максимальная задержка в сети ASI составляет, таким образом, 4,7 миллисекунды, что является очень неплохим результатом для большинства систем (у многих программируемых контроллеров длительность цикла опроса составляет 20 и более миллисекунд!).
Достоинства: чрезвычайная простота, дешевизна, распространенность, высокое быстродействие, подача питающего напряжения по сетевому кабелю. Превосходное средство для объединения устройств цифрового ввода/вывода.
Недостатки: плохо подходит для объединения устройств аналогового ввода/вывода; ограниченные размеры сети; Детерминизм и длительность цикла опроса.
Ethernet: неофициальный мировой стандарт административных и вычислительных сетей
Необходимо создание единого «прикладного уровня». Когда устройство принимает данные, как оно может определить, в каком они формате? Являются ли они последовательностью данных ввода/вывода, текстовым документом или электронной таблицей? Быть может, это параметры для частотно-регулируемого электропривода? А каков порядок данных? На сегодняшний день в этой области существуют несколько конкурирующих между собой стандартов.
Необходима разработка коннекторов в промышленном исполнении. Недорогие пластиковые «телефонные разъемы» для производственных условий непригодны, а равно и разъемы типа RJ45; нужен надежный промышленный разъем.
Многие пользователи хотели бы, чтобы по сетевому кабелю подавалось питающее постоянное напряжение 24 В. С практической точки зрения это выгодно: меньше кабелей, меньше источников питания; с другой стороны, подача питающего напряжения по сетевому кабелю приведет к дополнительным затратам, повышению уровня помех и вызовет некоторые другие технические проблемы.
Одним из основных требований некоторых систем является детерминизм. Обычная сеть Ethernet не обладает такими свойствами, как детерминизм и стабильность электрических характеристик (repeatability); иными словами, гарантия своевременной доставки в традиционной Ethernet отсутствует. Вместе с тем, уже существует ряд способов построения вполне детерминированных Ethernet-систем. Необходимо заметить, что большинству пользователей, желающих детерминизма, на практике требуется всего лишь быстродействие.
Достоинства: Ethernet самый распространенный и практически универсальный международный сетевой стандарт. Поддерживает передачу больших объемов данных с высокой скоростью, способна удовлетворить потребности крупных систем.
Недостатки: большие издержки при передаче данных небольшого объема. Подача питающего напряжения по сетевому кабелю не производится. Физически уязвимые коннекторы, повышенная по сравнению с другими промышленными шинами чувствительность к электромагнитным помехам. Слишком большое разнообразие открытых и фирменных стандартов обработки данных
Profibus: самая распространённая в мире открытая промышленная сеть
Хорошая скорость передачи, большая длина соединения и широкие возможности по обработке данных превращают Profibus в одну из лучших шин, предназначенных для систем управления многими технологическими процессами и интенсивной обработки информации. Наиболее часто используемый формат обмена сообщениями Profibus DP представляет собой сеть с опросом узлов (выделенное главное устройство периодически опрашивает состояние каждого узла сети); тем самым обеспечивается постоянный контроль состояния каждого устройства в сети (одно устройство за один цикл опроса может передавать до 244 байт полезной информации). Каждое сообщение содержит 12 дополнительных байт, вследствие чего максимальная длина всего сообщения составляет 256 байт.
Достоинства: Profibus самый распространенный в мире сетевой стандарт. Эта шина, применяемая в Европе почти повсеместно, весьма популярна в Северной и Южной Америке, а также в некоторых странах Африки и Азии. Версии DP, FMS и PA в целом удовлетворяют требованиям подавляющего большинства систем автоматизации.
Недостатки: относительно высокие накладные расходы при передаче коротких сообщений, отсутствие подачи питания по шине, несколько более высокая по сравнению с другими шинами стоимость. Кроме того, ориентация на продукты европейских компаний и изделия Siemens зачастую негативно оценивается пользователями в Северной Америке.
Обзорная таблица некоторых сетей:
InterBus (InterBus Loop)
Interbus использует процедуру доступа к шине по схеме ведущий/ведомый (Master/Slave) с передачей маркера. При этом шинный Мастер обеспечивает одновременный интерфейс к высокоуровневой управляющей системе и выполняет функции управления шиной. Топология Interbus это физическое и логическое кольцо, у которого физический уровень построен на основе стандарта RS485. Это дифференциальный интерфейс, использующий витую пару для информационных передач. Для реализации кольца Interbus-кабель использует две витые пары (для дуплексного режима) плюс дополнительный провод для передачи сигнала логическая земля. Такая физическая структура позволяет организовать сеть, работающую на скорости 500 кбит/с на расстоянии 200 м между двумя соседними узлами сети. Общее число устройств сети ограничено 512 узлов.
Достоинства: существенно упрощающая конфигурирование системы автоадресации, расширенные диагностические возможности, широкая распространенность (особенно в Европе), низкие издержки, малое время отклика, рациональное использование пропускной способности, подача напряжения питания (для устройств ввода) по сетевому кабелю.
Недостатки: ограниченные возможности по передаче данных большого объема [2].
ProfiBus PA
Протокол PROFIBUS-PA основан не на RS485, а на реализации стандарта IEC1158-2,который обеспечивает надежность и питание полевых приборов через шину, для организации технологии передачи в опасных средах. С помощью PROFIBUS-PA могут быть реализованы отдельные структуры: линейные, древовидные, звездообразные, а также их комбинации.
Количество шинных сегментов, занятых участниками шины зависит от установленных источников питания, тока, потребляемого участниками, типа кабеля и экрана шинной системы. На шинную систему можно подключить до 32 участников. С обеспечением внутренней безопасности на одном сегменте PROFIBUS-PA могут работать до десяти абонентов, при условии, что общее потребление тока никогда не превышает 100 мА. В помещениях, не требующих обеспечения внутренней безопасности, на одном сегменте PROFIBUS-PA могут работать до 30 абонентов. Используемая скорость передачи равна тогда 31,25 Кбит/с [2].
CANbus
CAN (Control Area Network) – магистраль с топологией «шина». Интерфейс CAN является универсальным решением, его можно использовать как на уровне Field level так и на уровне Sensor level.
— гарантированное время отклика;
— групповой прием с синхронизацией времени;
— система непротиворечивости данных;
— обнаружение ошибок и их сигнализация.
Протокол LON (LONTalk ) – от Local Operating Network – разработан в для интеллектуальных систем жизнеобеспечения зданий. В LONTalk есть протоколы и методы кодирования для разнообразных физических каналов передачи данных. Например, для витой пары используется метод манчестерского кодирования, для работы на сегментах линий электропроводки и на радиоканалах применяется частотная модуляция. LON-сеть может состоять из сегментов с различными физическими средами передачи. Это витая пара, радиочастотный канал, инфракрасный луч, линии напряжения, коаксиальный и оптический кабели. Для каждого типа физического канала существуют трансиверы, обеспечивающие работу сети на различных по длине каналах, скоростях передачи и сетевых топологиях. Назначение адресов производится при помощи средства менеджмента сети. Этим средством может выступать как программа, так и аппаратный узел. Адрес LON устройства состоит из трех частей: номер домена; номер подсети; номер узла. Номер домена определяет набор LON устройств, которые могут взаимодействовать между собой. Устройства должны иметь одинаковый номер домена, чтобы обмениваться между собой. Возможно нахождение до 32385 устройств в одном домене. [2]
Проведем сравнительный анализ протоколов полевого уровня. Для этого составим таблицу сравнительных характеристик, в которой представлены такие показатели как топология сети, канал передачи данных, метод коммуникации, возможность передачи питания вместе с данными.
| Топология | Канал передачи | Метод коммуникации | Питание с данными | |
| ASI | Шина, звезда, Дерево | Витая пара | Master\Slave с опросом | + |
| DEVICE NET | Шинная с отводами | 4-х проводной кабель | Master/Slave multimaster | + |
| CAN | шина | Скрученная пара | CSMA\CA | — |
| FIELDBAS | Звезда, шина | витая пара, оптоволокно | Клиент-сервер | + |
| PROFI BAS-PA | Дерево, шина, звезда | Витая пара | мaster/slave +маркер | + |
| INTERBUS | кольцо | Витая пара | Master/Slave+ маркер | + |
| HART | Точка-точка звезда | Экр. витая пара | Master/Slave+ цикл. опрос | + |
| LON TALK | дерево | различные | CDMA/CS | + |
| WorldFIP | шина | Витая пара оптоволокно | Broadcast+арбитр | + |
Из табл. 2 видно, что лишь в протоколе INTERBUS используется топология кольцо, это несомненно является его преимуществом по отношению к другим протоколам. Так как при разрыве сети сообщение может пойти в обратную сторону кольца и все равно достигнет адресата, при использовании других топологий передача данных прекратится.
Что касается канала передачи данных, основными критериями при выборе являются: доступность, дешевизна, простота монтажа. Бесспорно лучшим каналом, исходя из этих характеристик, является витая пара. Следовательно протоколы, поддерживающие этот физический интерфейс являются более распространенными, реализация сетей на их основе наиболее целесообразна.
Метод коммуникации имеет большое значение с точки зрения надежности передачи данных, он определяет приоритеты всех узлов на получение сообщения, отвечает за разрешение коллизий. Наиболее надежным можно назвать метод Master/Slave+маркер. Использование маркера позволяет увеличить надежность, избежать коллизий. Исходя из этого, протоколы INTERBUS, PROFIBAS-PA являются более приемлемыми при построении сети.
Возможность передачи питания по одному каналу вместе с данными является дополнительным преимуществом, все рассматриваемые протоколы кроме CAN позволяют это организовать.
Для более детального анализа построим вторую таблицу, в которой представлены количественные характеристики протоколов, такие как максимальное расстояние передачи данных, максимальное количество узлов сети, размер сообщения с полезной информацией, скорость передачи данных.
Выводы
Из табл. 3 видно, что все из представленных протоколов позволяют передавать информацию на расстояние большее 100м, а в табл. 1 показано, что расстояния на полевом уровне не превышают 100м, следовательно все из рассматриваемых протоколов могут без каких либо ограничений использоваться на этом уровне.
Скорости передачи данных, которые могут реализовать протоколы, колеблются от 1кбит/с до 2,5 мбит/с. Главным условием построения сети является обмен информацией узлами в режиме реального времени. Если учесть что скорость передачи сообщений одного датчика порядка 50кбит/с, то протокол должен обеспечивать суммарную скорость не менее 800кбит/с между всеми узлами сети. Отнюдь не все из рассматриваемых протоколов способны это реализовать.
В результате сравнительного анализа, исходя из сведений табл. 2 и 3, хотел бы выделить протокол INTERBUS, который удовлетворяет всем критериям выбора, а по многим показателям превосходит своих конкурентов. В нем единственном из всех рассмотренных используется топология сети «кольцо»,что несомненно является его достоинством с точки зрения надежности. Кроме того он позволяет передавать данные со скоростью до 2 мбит/с, что полностью удовлетворяет условиям построения сети. Вместе с тем INTERBUS позволяет организовать соединение до 512 узлов, что так же является хорошим показателем по сравнению с альтернативными решениями. Каналом передачи является витая пара, которая обладает относительно небольшой стоимостью и проста при монтаже. Единственным наглядным параметром, по которому INTERBUS уступает другим шинам, является максимальное расстояние передачи, равное 200м, однако эта характеристика не является критичной для нижнего уровня ИИС, следовательно, оптимальным протоколом является INTERBUS.
Билет 27. Протоколы нижнего уровня SensorBUS, основные требования, решаемые задачи, характеристики, режимы, топология связи.