Выбор оптимального протокола передачи данных промышленных сетей полевого уровня угольной шахты

Совершенствование технологии выемки полезных ископаемых, высокая концентрация горных работ, применение мощных, высокопроизводительных машин и механизмов ведет к увеличению неравномерности поступления в рабочую атмосферу метана, продуктов сгорания, угольной пыли и других вредных веществ. В связи с этим для обеспечения безопасности необходимо использовать современные методы мониторинга параметров шахтной атмосферы. В настоящее время ведется активная разработка и внедрение информационно-измерительных систем безопасности шахт, в которых используются новые приборы, способные осуществить мониторинг и управление производством на должном уровне. Необходимость быстрой и надежной связи всех приборов системы очевидна, такая связь осуществляется с помощью промышленной сети.

На кафедре Электротехники и информационных систем разрабатываются подобные системы и подсистемы обеспечения безопасности, как общешахтные, так и для отдельных участков. Одной из задач при разработке участковых систем обеспечения безопасности является обеспечение надежной и высокоскоростной связи датчиков и исполнительных механизмов с участковым контроллером.

Цель работы настоящей работы - выбор оптимального сетевого протокола для передачи данный на полевом уровне угольной шахты.

Промышленная сеть

Промышленная сеть — сеть передачи данных, связывающая различные датчики, исполнительные механизмы, промышленные контроллеры и используемая в промышленной автоматизации. Термин употребляется преимущественно в автоматизированной системе управления технологическими процессами (АСУ ТП).

Промышленные шины и шины производственных участков Эти шины отличаются друг от друга тем, что промышленные шины соединяют между собой внешние устройства некоторого технологического процесса, а шины производственных участков - отдельные производственные участки. Их принадлежность к системам различного класса мощности поясняет следующее сопоставление требований к обеим шинным системам.

Промышленные шины

В зависимости от области применения весь спектр промышленных сетей можно разделить на два уровня:

Field level (промышленные сети этого уровня решают задачи по управлению процессом производства, сбором и обработкой данных на уровне промышленных контроллеров);

Sensor/actuator level (задачи сетей этого уровня сводятся к опросу датчиков и управлению работой разнообразных исполнительных механизмов).

Другими словами, необходимо различать промышленные сети для системного уровня (field busses) и датчикового уровня (sensor/actuator busses) [1].

Сравнение этих двух классов в самом общем виде можно получить по критериям из табл. 1.

Основные характеристики различного уровня

Таблица 1

Основные критерии	Fieldbus	Sensorbus
Расширение сети	От 100м до 1км	До 100м
Время цикла	От 10мс до 10с	От 1мс до 1с
Объем передаваемых данных за цикл	От 8 байт до нескольких сотен байт	От 1 до 8 байт
Доступ к шине	Фиксированный/свободный	свободный

На сегодняшний день спектр протоколов для обоих этих классов довольно широк. Но надо помнить, что область их применения лежит на одном из двух уровней.

Типичные представители открытых промышленных сетей:

• •    PROFIBUS (Process Field Bus)

• •    BITBUS

Типичные открытые сенсорные (датчиковые) сети:

• •    ASI (Actuator/Sensor Interface)

• •    Interbus-S

• •    PROFIBUS-DP (Profibus for Distributed Periphery)

• •    SERCOS interface

Типичные открытые сети для обоих уровней применения:

• •    CAN (Controller Area Network)

• •  FIP (Factory Instrumentation Protocol)

• •  LON (Local Operating Network)

Обзор и краткое описание протоколов для уровня SensorbusAS-Interface

Actuators/Sensors Interface – интерфейс приводов и датчиков –это открытая промышленная сеть полевого уровня, предназначенная для организации связи с приводами и датчиками в соответствии с требованиями международного стандарта EN 50295.

Топологией ASI-сети может быть шина, звезда, кольцо или дерево. К одному контроллеру можно подключить до 31 устройства. Протяженность сегмента ASI - шины может достигать 100м. За счет повторителей длину сети и число узлов можно увеличивать. Цикл опроса 31 узла укладывается в 5 мс. Максимальный объем данных с одного ASI-узла – 4 бита. Все датчики и приводы подключаются к сети, выполненной 2-жильным кабелем. По этому кабелю обеспечивается питание всех сетевых устройств, производится опрос датчиков и выдача команд управления .

Достоинства: чрезвычайная простота, дешевизна, распространенность, высокое быстродействие, подача питающего напряжения по сетевому кабелю. Превосходное средство для объединения устройств цифрового вво-да/вывода.

Недостатки: плохо подходит для объединения устройств аналогового ввода/вывода; ограниченные размеры сети; Детерминизм и длительность цикла опроса. приводами, скорость передачи ограничена до 167 Кбод [2].

HART

Highway Addressable Remote Transducer, разработанный фирмой для организации цифровой передачи, основанной на технологии 4-20 мА. В этом протоколе организована передача данных по принципу MASTER/SLAVE, то есть ведомый узел (SLAVE) может активизировать среду передачи только по запросу ведущего 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 дан-ных.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

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 [2].

InterBus (InterBus Loop)

Interbus использует процедуру доступа к шине по схеме веду-щий/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.

Максимальная скорость передачи: 1 Mbit/s при длине линии до 40 м или - 40 Kbit/s при длине линии 1000 м. При этом практически любой CAN – контроллер допускает программирование скорости обмена - от 1 Mbit/s до 10Kbit/s

Общее количество CAN - узлов не ограничено протоколом. Сообщения по CAN – шине могут передаваться одному или одновременно нескольким узлам, настроенным на прием одних и тех же параметров [2].

Достоинства:

• -    гарантированное время отклика;

• -    гибкость конфигурации;

• -    групповой прием с синхронизацией времени;

• -    система непротиворечивости данных;

• -    обнаружение ошибок и их сигнализация.

LON

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.

Сравнительные характеристики

Таблица 2

	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.

Таблица №3

Количественные характеристики

	Макс. расстояние	Макс. Кол-во узлов	Размер сообщения	Скорость передачи
ASI	300м	62	4 бита	53 кбит/с
DEVICE NET	500м	64	8 байт	125-500кбит/с
CAN	1000м	64	0-8 байт	40кбит/с-1мби/с
FIELDBAS	2000м	240 на сегмент +65500сегм.	128 байт	31,25кбит 100мбит
PROFI BAS-PA	1900м	126	0-244байт	31,25кбод
INTERBUS	200м	512	512байт	500кбит/с -2мбит/с
HART	3000м	15 –slave, 2- мастер	0-25байт	1.2кбит/с
LON TALK	В пределах здания	32000 в одном домене	228бит	До 1.25 Мбод
WorldFIP	15000м	128	128байт	1мбит/с- 2.5мбит/с

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.