Обзор и сравнение популярных открытых промышленных сетей

В настоящее время существует и наиболее распространены следующие открытые промышленные сети – Profibus, CAN, DeviceNet, CANopen, Interbus, AS-Interface, ControlNet, Foundation Fieldbus. Применение сети само по себе дает огромные преимущества, причем преимущества эти тем значительнее, чем крупнее система: сокращается время на прокладку связующих кабелей, уменьшается стоимость установки, появляется модульность, создаются потенциальные возможности для проведения диагностики.

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