Контроллер siemens S1200

Монолитная или открытая архитектура.

По структуре контроллеры  подразделяются на два класса: контроллеры, имеющие фирменную закрытую структуру, и контроллеры открытой структуры, основанной на одном из магистрально-модульных стандартов.

При фирменной структуре  изменения (модификации) контроллера  возможны, обычно, компонентами производителя. Сами изменения достаточно ограничены и заранее оговорены производителем.

При открытой магистрально-модульной структуре, имеющей стандартный интерфейс для связи центрального процессора с другими модулями контроллера, ситуация кардинально меняется:

1. открытость и широкая доступность стандарта на шину, соединяющую модули разного назначения, дает возможность выпускать в данном стандарте любые модули разным производителям, а разработчикам контроллеров дает возможность компоновать свои средства из модулей разных фирм;
2. возможность любой модификации и перекомпоновки средств путем замены в них отдельных модулей, а не замены самих средств, удешевляет эксплуатацию средств;
3. сборка контроллеров из готовых модулей позволяет точнее учитывать конкретные технические требования и не иметь в них лишних блоков и элементов, не нужных для данного конкретного применения;
4. широкая кооперация разных фирм, поддерживающих данный стандарт на шину и работающих в этом стандарте, позволяет пользователям

 

 

 

модулей не быть привязанным  к конкретному поставщику и иметь  широкий выбор необходимой ему  продукции.

Наиболее продвинутым по широте распространения в Европе и, в частности, в России стал стандарт VMEbus (VersaBus Module Eurocard).

В номенклатуру модулей VMEbus входят центральные процессоры, сетевые контроллеры, разные виды памяти, генераторы импульсов и функциональные генераторы, счетчики, таймеры, измерители электрических параметров, аналоговые и цифровые вводы/выводы сигналов разных уровней, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.

Средства VMEbus поддерживают практически все распространенные программные продукты: операционные системы, языки программирования, базы данных, сетевые интерфейсы и т. д. [2]

3.2 Семиуровневая система. Сети

Коммуникационные системы SIEMENS SIMATIC NET базируются на государственных и международных стандартах в соответствии с 7-уровневой моделью ISO/OSI (Open System Interconnection).^] Основой таких коммуникационных систем служат локальные вычислительные сети (ЛВС), которые могут быть реализованы как:

• Электрические
• Оптические
• Беспроводные
• Комбинация электрических/оптических/беспроводных
• Электрические искробезопасные

В состав сетевого окружения SIMATIC входят следующие компоненты:

• Коммуникационная сеть, состоящая из среды передачи, средств для подключения к сети и передачи данных, а также соответствующие технологии передачи:
• Протоколы и службы, используемые для передачи данных между перечисленными выше устройствами
• Модули, предназначенные для подключения программируемого контроллера или компьютера к ЛВС (коммуникационные процессоры "CP" или "интерфейсные модули").

Для объединения шкафов управления технологической линии  производства в сеть используются сети Industrial Ethernet, Profibus-DP и АС-интерфейс.

К особенностях Industrial Ethernet можно отнести стандарт Ethernet 10 BASE5/1/, введенный еще в 1985 году. Стандарт базируется на использовании в качестве среды передачи коаксиального кабеля. Свойством таких сетей является не модулированная передача данных и метод доступа CSMA/CD. Среда распространения сигнала формирует единый канал связи, ресурсы которого должны использоваться одновременно всеми подключенными терминальными устройствами (ООД). Все подключенные терминальные устройства принимают передаваемую информацию одновременно. В любое время правом на передачу данных обладает лишь одно терминальное устройство. Если несколько терминальных устройств передают данные одновременно, в канале связи возникает коллизия. Сигналы терминальных устройств, пытающихся передавать данные одновременно, подавляют друг друга.

Совершенно очевидно, что возникает необходимость в координировании доступа к среде передачи, используемой совместно. Для решения данной проблемы необходимо использовать протокол CSMA/CD, который также известен как протокол LWT (Listen While Talk). Такой метод доступа является распределённым, поскольку все терминальные устройства, подключенные к сети, обладают равными правами. Если терминальное устройство собирается передавать данные, оно сначала проверяет, не передаются ли по каналу связи данные другими терминальными устройствами. Если другие терминальные устройства не передают данные, оно может начать передачу. Если же терминальное устройство обнаружило, что среда передачи уже используется другим ООД, оно должно дождаться освобождения канала связи.

Все терминальные устройства информируются о передаваемых данных. Информация об адресе назначения, содержащаяся в данных, позволяет терминальному устройству распознать, должно оно принимать данные или нет.

Если несколько терминальных устройств собираются передавать данные одновременно, и оба они обнаружили, что канал связи свободен, они начинают передачу. Спустя короткое время произойдёт столкновение передаваемых данных.

Терминальные устройства снабжены механизмом, который позволяет  им обнаруживать такие коллизии. Все  терминалы, оказавшиеся участниками коллизии, прекращают передачу и в течение некоторого времени, величина которого случайна и рассчитывается для каждого отдельного терминала по- разному, вновь предпринимают попытку передачи данных. Так повторяется до тех пор, пока один из терминалов не добьётся успешной передачи в отсутствии коллизий. Другие терминалы ожидают освобождения канала связи.

Техника доступа CSMA/CD функционирует без ошибок в сети Ethernet, протяжённость которой ограничена максимальным допустимым временем распространения пакета данных. Расстояние, в пределах которого протокол CSMA/CD работает корректно, называют доменом обнаружения коллизий или "коллизионным доменом". В классических сетях Ethernet (10 Мбит/с) домен обнаружения коллизий имеет протяжённость 4520 м.

В качестве среды передачи для построения сетей Industrial Ethernet используются витая пара и волоконно-оптический канал связи. Витая пара и оптический канал позволяют устанавливать соединения «точка-точка» между двумя электрически активными компонентами. Это означает, что между ООД и портом сетевого компонента всегда устанавливается прямая связь (прямой канал). Сетевой компонент осуществляет усиление принятых сигналов и их дальнейшую передачу через все свои выходные порты. В сетях Industrial Ethernet семейства SIMATIC NET эти задачи выполняются такими сетевыми компонентами, как OLM, ELM, OSM и ESM, а при использовании оптоволокна только компонентом OLM. Максимальная длина канала для витой пары, связывающего ООД и сетевой компонент (известная как длина сегмента.) не может превышать 100 м., трехпроходного коаксиального кабеля 50 м.

АС-интерфейс, необходимый  для подключения датчиков и исполнительных механизмов, называемый сокращённо AS-i, является коммуникационной системой, предназначенной для использования на самом нижнем уровне иерархии промышленного автоматизированного комплекса - уровне управляемого процесса. Непременный атрибут этого уровня - развитая сеть соединительных кабелей, замещается одним единственным кабелем AS-интерфейса. С помощью AS-i кабеля и ведущего устройства AS-интерфейса простейшие бинарные датчики и исполнительные устройства могут подключаться к средствам управления на полевом уровне посредством модулей AS-интерфейса. Отличительными чертами AS-интерфейса являются следующие основные характеристики:

• AS-интерфейс оптимален для подключения бинарных датчиков и исполнительных механизмов. Кабель AS-i используется как для обмена данными между датчиками/исполнительными механизмами (ведомыми устройствами AS-i) и ведущим устройством AS-i, так и для подачи напряжения питания на датчики/исполнительные механизмы.
• Более простой и экономичный монтаж соединений. Благодаря использованию метода прокалывания изоляции упрощается монтаж кабеля и достигается высокая гибкость, необходимая для построения древовидной топологии.
• Малое время реакции: ведущему устройству AS-i требуется не более 5 мс для циклического обмена данными с 31 узлом сети.
• В качестве узлов (AS-i ведомых) кабеля AS-интерфейса могут выступать либо датчики/исполнительные механизмы со встроенным AS-i интерфейсом, либо модули AS-i, к которым можно подключить до 4 обычных бинарных датчиков/исполнительных механизмов.
• При использовании стандартных AS-i модулей на кабеле AS-i может находиться до 124 исполнительных механизмов/датчиков.
• Если используются AS-i модули с расширенным режимом адресации, с одним ведущим устройством, с расширенным режимом адресации могут работать до 186 исполнительных механизмов и 248 датчиков.

Расширенные ведущие  устройства AS-интерфейса обеспечивают простой доступ к аналоговым датчикам/исполнительным механизмам или модулям, функционирование которых соответствует профилю ведомых устройств AS- интерфейса 7.3/7.4.

AS-интерфейс обладает следующими характеристиками:

• Технология доступа "Ведущий - Ведомый" (Master - Slave)

AS-интерфейс является системой с одним ведущим устройством. Это означает, что в сети AS-интерфейса присутствует одно единственное ведущее устройство, которое управляет обменом данными. Это устройство опрашивает поочерёдно все ведомые устройства AS-i одно за другим, ожидая от каждого ответ.

• Электронная установка адреса

Адрес ведомого устройства AS-i является его идентификатором. Присвоение адреса происходит в системе AS-интерфейса только один раз. Установку адреса можно выполнить либо с помощью специального модуля задания сетевых адресов, или с помощью ведущего устройства AS-i. Адрес постоянно хранится в ведомом устройстве AS-i. При изготовлении в устройство по умолчанию всегда записывается адрес "0".

• Надёжность функционирования и гибкость

Используемая техника передачи (модуляция тока) гарантирует высокую эксплуатационную надёжность. Ведущее устройство контролирует напряжение на кабеле, а также передаваемые данные. Оно распознаёт ошибки передачи и выход из строя ведомых устройств и передаёт сообщение на PLC (programming logic controller). Пользователь имеет возможность среагировать на такое сообщение. Замена или добавление ведомых устройств в режиме нормальной работы не окажет влияние на обмен данными с другими ведомыми устройствами AS-i.

PROFIBUS-это коммуникационная сеть полевого уровня и уровня отдельных производственных участков, базирующаяся на стандарте EN 50170-12 и использующая гибридный метод доступа к шине (маркерное кольцо между активными узлами и "ведущий - ведомый" между активными и пассивными узлами). Средой передачи может являться витая пара, волоконно-оптический кабель или беспроводная среда. Архитектура протоколов PROFIBUS базируется на модели OSI (Open System Interconnection). На рисунке 6 изображена модель ISO/OSI для коммуникационных стандартов, состоящая из 7 уровней, подразделяющихся на два класса:

• ориентированных на пользователя с уровня 5 по уровень 7;
• ориентированных на сеть (уровни 1-4).

Уровни с 1 по 4 описывают  пересылку передаваемых данных из одного пункта в другой, в то время как уровни с 5 по 7 предоставляют в распоряжение пользователя доступ к сети в соответствующей форме.

В данном типе сети (рис.3) реализованы первый, второй и седьмой уровни. Благодаря такой архитектуре достигается быстрая передача данных. В основу пользовательского интерфейса положены необходимые пользовательские функции, а также системные и аппаратно- зависимые функции различных типов PROFIBUS-DP- приборов. Для PROFIBUS назначен способ передачи RS485, базирующийся на полудуплексной,

асинхронной синхронизации. Данные передаются внутри 11- разрядного кадра в NRZ- коде (Non Return to Zero). Значения сигнала (биты) не изменяются во время передачи сигнала.

Уровень 7	Application
Уровень 6	Presentation
Уровень 5	Session
Уровень 4	Transport
Уровень 3	Network
Уровень 2	Data link
Уровень 1	Phisical

Рисунок 2 – Модель ISO/OSI для стандартов

В то время, как передача бинарного значения "1" соответствует положительному значению на проводнике RxD/TxD-P (Receive/Transmit-Data-P), напротив, на проводнике RxD/TxD-N (Receive/Transmit-Data-N) присутствует "0". Состоянию покоя между отдельными телеграммами соответствует двоичный сигнал "1". В литературе часто также оба проводника PROFIBUS обозначают как А-проводник и В-проводник. При этом А- проводник соответствует RxD/TxD-N, а В-проводник - RxD/TxD-P.