Файл: Системы малой автоматизации (О.И. Николайчук, 2003).pdf

•контроль (прослушивание) занятости канала перед началом передач, который иногда называют правилом «слушай, прежде чем говорить»;

•контроль (прослушивание) канала во время передачи, который также называют «слушай, пока говоришь».

Эти методы (правила) могут использоваться либо по отдельности, либо в комбинации.

Самым простым по реализации является базовый «асинхронный» метод, однако он обеспечивает самый низкий коэффициент использования канала, не превышающий 18 %. При этом методе узлы сети могут осуществлять доступ к сети в произвольные моменты времени, соответственно даже при небольшом количестве узлов очень велика вероятность наложения нескольких передач. Следует отметить, что информация в локальных сетях передается блоками фиксированной или переменной длины, которые имеют детерминированную структуру и наиболее часто называются фреймами (frame) или кадрами. Принимающий узел проверяет принятый фрейм обычно по контролирующей последовательности или контрольной сумме, передаваемым в конце фрейма. В случае безошибочного приема фрейма принимающий узел отправляет передающему узлу подтверждение правильности приема в виде фрейма «квитанции». В случае наличия искажений данных в принятом фрейме передается фрейм ошибки. Время передачи ответного фрейма обычно ограничено. Если передающий узел не получил ответный фрейм в отведенное время, он производит еще некоторое количество попыток передачи фреймов с данными. В таких сетях каждый узел имеет свой адрес, для него определено время задержки передачи ответа и количество попыток. Если ни одна из отведенных попыток не завершилась успешно, виртуальный канал объявляется дефектным и закрывается [26].

Второй метод позволяет повысить коэффициент использования примерно в два раза и достичь 37 %. Метод заключается в том, что в канал через определенные равные промежутки времени передаются тактовые импульсы, а любой узел может начинать передачу только в момент появления этого импульса. Во всем остальном принцип обмена по сети такой же, как у предыдущего метода.

Использование третьего правила «слушай, прежде чем говорить» позволяет достичь примерно 80 %. Метод (правило) основывается на том, что узел, желающий осуществить доступ к каналу, сперва контролирует наличие передачи в канале, и если «чужая» передача обнаружена, ожидает ее завершения. Конфликт фреймов в этом случае может произойти только тогда, если два (или несколько) узлов одновременно, не обнаружив передачи в канале, начнут свои передачи. Недостатком этого метода является то, что если несколько узлов начали свои передачи, они их продолжают до конца, т. к. они не контролируют искажения информации во время передачи.

Этот недостаток устраняется при четвертом методе, который отличается от третьего тем, что собственная передача фрейма контролируется самим узлом-пе- редатчиком в момент передачи. Если узел обнаруживает искажение передачи, он ее прерывает и пытается повторить снова.

Комбинация двух последних методов чрезвычайно эффективна и позволяет использовать 95—98 % пропускной способности канала.

18 Системы малой автоматизации

Многие фирмы, разработавшие LAN, предлагают свои спецификации протоколов сети в качестве стандартов.

Протоколы сети указывают, что и как должны делать узлы сети для осуществления связи. В частности, протоколы определяют такую важную характеристику сети, как формат кадра передаваемого сообщения. Обычно фрейм имеет преамбулу (признак начала фрейма) и ряд полей (байтов, слов и т. п.), содержащих информацию об адресе передатчика, адресе приемника, длине фрейма, иногда скорости передачи, собственно данных и контрольной сумме. Длины фреймов у различных сетей сильно отличаются. От длины фрейма и его структуры достаточно сильно зависит такой важный параметр, как максимальная производительность сети, под которой обычно понимается предельно возможное количество полных циклов обмена в сети без учета возможных коллизий в единицу

Приведенный список постоянно пополняется. Разрабатываются все новые и новые сети. К настоящему моменту в мире насчитывается уже насколько тысяч типов LAN и интерфейсов DCS. Достаточно глубоко описаны такие LAN, как

ETHERNET, RING, FIBRENET, FIELDBUS, PROFIBUS, LONWORKS. Также хорошо описаны интерфейсы распределенных систем управления DCS, таких как: PROWAY, ИРМ, BITBUS, MAP, MIL-1553, MIL-1773, RS422, RS485, CAN.

1.4. Основные понятия о системах малой автоматизации

В предыдущих разделах мы ознакомились с основными понятиями о распределенных системах управления DCS и малых локальных сетях LAN. Эти понятия достаточно близки, т. к. практически все современные DCS реализуются на основе малых и средних LAN, соответственно они имеют перекрывающиеся признаки и области применения.

Системами малой автоматизации — SAS называются малые распределенные системы управления или контроля (DCS), реализованные на основе специализированных малых и средних локальных сетей (SAN), ориентированные на работу в режиме реального времени (Real Time). Первостепенными качествами систем малой автоматизации считаются низкая себестоимость, обеспечение режима реального времени, относительно простое проектирование, модернизация и эксплуатация, относительно простое программное и аппаратное обеспечение в сочетании с достаточно высокой надежностью.

Эти системы широко применяются для автоматизации небольших технологических, измерительных, исследовательских систем (обычно территориально расположенных в пределах одного помещения), а в последнее время и для автоматизации домашнего хозяйства.

Рассмотрим основные факторы, способствующие развитию этих систем:

1.Постоянное снижение цен на персональные компьютеры (PC) при значительном повышении их вычислительной мощности и надежности привело к тому, что стало экономически выгодным использование PC на верхнем уровне управления даже очень простых SAS. При этом оптимально решаются проблемы визуализации, хранения и документирования данных системы.

2.Быстрое развитие высокопроизводительных и дешевых х51-совместимых микроконтроллеров фирм Cygnal и Atmel и семейства AVR фирмы Atmel. Эти микроконтроллеры характеризуется высокой производительностью, соизмеримой

спроизводительностью !386-компьютеров, а некоторые из новых микроконтрол-

леров фирмы Cygnal (семейства F12x) даже достигают производительности 5x86- и PII-компьютеров. Эти микроконтроллеры имеют очень мощный набор периферийных узлов, большие объемы памяти программ, они ориентированы на работу в сложных условиях эксплуатации, имеют высокопроизводительные последовательные каналы передачи данных UART. Многие из них имеют также встроенные многоканальные аналого-цифровые преобразователи ADC (Analog-to- Digital Convertor) и несколько встроенных цифроаналоговых преобразователей

DAC (Digital-to-Analog Convertor), аналоговые компараторы СРТ, охранные таймеры WDT (WatchDog Timer), последовательные интерфейсы SPI, SMBus (I2C), CAN и т. п. Перечисленные достоинства современных микроконтроллеров позволяют создавать на их базе мощные малогабаритные универсальные локальные контроллеры управления и измерения (которые часто называют универсальными технологическими контроллерами), которые при этом имеют достаточно низкую стоимость и относительно простую аппаратную реализацию.

3. Наблюдаемая в последнее десятилетие глобальная тенденция к реструктуризации крупных производственных и научных учреждений и созданию на их основе малых производственных фирм и научно-исследовательских центров повышает актуальность создания малых систем автоматизации. А снижение или полное прекращение во многих странах объемов централизованного финансирования автоматизации производства и научных исследований приводит к тому, что SAS, обладающие более низкой первоначальной стоимостью и высокой гибкостью, чем большие универсальные DCS, становятся экономически все более выгодными и оправданными.

4. Развитие сетевых технологий и создание новых типов SAN, обладающих низкойСТОИМОСТЬЮпривысокихкачественныхпоказателях,специальноориентированных на работу в составе SAS, также способствует их быстрому развитию. Наиболее часто в современных SAS используются так называемые команд- но-информационные сети — CI-LAN (Command — Information LAN). Мы подробно ознакомимся с ними в одной из следующих глав, а сейчас только поясним смысл названия. Сети CI-LAN характеризуются тем, что имеют в своем составе только один персональный компьютер (или мощный специализированный контроллер, оснащенный полным комплектом периферийного оборудования), и некоторое количество универсальных (или специализированных) контроллеров — станций. Сеть работает по принципу опроса. Компьютер является инициатором всех обменов в сети, т. е. «ведущим» узлом. Он передает всем станциям фрейм команды, содержащий, в том числе, и адрес одной из станций. Все станции пассивны, т. е. работают в режиме «ведомого». Они не имеют права инициализировать обмены в сети (за исключением аварийных ситуаций). Они принимают и анализируют фрейм команды, но только одна из них, адрес которой совпал с адресом фрейма, выполняет предписанные командным фреймом действия и либо сообщает компьютеру о выполнении команды, либо передает в него полученные данные. Таким образом, полный цикл обмена состоит из команды и ответной информации, отсюда и термин — командно-информационные сети. Этот тип SAN обладает всеми требуемыми качествами для создания малых систем автоматиза-

ции и находит в последнее время широкое применение.

Типовая структура современных систем малой автоматизации, построенных с использованием CI-LAN, приведена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Типовая структура современных систем малой автоматизации

Единственный в SAS персональный компьютер (PC) выполняет роль единственного в системе генератора заданий и получателя информации. Только он имеет право инициировать обмены информацией по сети. Кроме того, он получает всю предварительно обработанную информацию от N периферийных станций SI, S2, ..., SN (Station I...N), которые не имеют право самостоятельного доступа к сети. Они только имеют право отвечать на поступившую команду. Исключением может быть случай аварийной ситуации в станции (станциях) или в обслуживаемой подсистеме объекта регулирования. Станции между собой соединяются с помощью кабелей с разъемами (обычно типа DB9) через параллельно соединенные пары разъемов XI, Х2, ..., XN на каждой из станций SI,

S2, ..., SN. Каждая из станций в сети имеет индивидуальный номер, устанавливаемый на модификаторах (переключателях или перемычках) или записанный во Flash-памяти микроконтроллера. Соединение персонального компьютера может производиться к одной из станций непосредственно или через специальный узел диспетчера персонального компьютера DPC (PC Dispatcher) в зависимости от используемого количества станций N, необходимости преобразования интерфейсов (выходного интерфейса персонального компьютера в интерфейс сети) и оптической развязки. Кабельная часть сети называется сетевой средой — ТМ (Transmission Medium). В каждой станции имеется узел, согласующий интерфейс микроконтроллера станции (обычно UART) с сетевой средой. Он обычно называется диспетчером станции DS (Station Dispatcher) или MGT (Station Management).

Современные системы малой автоматизации SAS по количеству используемых станций подразделяются на три группы: малые (до 16—32 станций), средние (до 128—256 станций) и большие (свыше 256 станций) SAS. Большие SAS в виде сети одного уровня выполняются редко, ввиду ограниченной нагрузочной способности существующих последовательных интерфейсов. Чаще всего большие SAS либо являются сетью одного уровня с комбинацией интерфейсов, либо выполняются в виде многоуровневых сетей.

Условно структуру SAS можно разбить на два уровня. Первый верхний уровень — уровень организации командно-информационных сетей CI-LAN. Второй нижний уровень — уровень организации станций, в качестве которых используются так называемые универсальные технологические контроллеры. Каждому из этих уровней будет посвящена отдельная глава настоящей книги. Но прежде чем рассмотреть более подробно эти вопросы, давайте познакомимся с основными тенденциями развития и требованиями, которые предъявляются к современным SAS.

Практически во всех работах, посвященных архитектуре современных малых систем автоматизации производства и научных исследований, в качестве основных отмечаются тенденции децентрализации, минимальной стоимости, простоты установки и эксплуатации, максимальной эффективности. Рассмотрим эти понятия.

Современное понятие децентрализации системы предполагает и территориальное рассредоточение вычислительной системы, и разделение функции системы (измерений, первичной обработки и управления) на ряд слабосвязанных функций, и распределение этих функций между несколькими децентрализованными вычислителями. Таким образом, современные децентрализованные системы являются системами с множеством потоков команд и данных MIMD (Multiply Instruction Multiply Data). С другой стороны, каждая из станций (сосредоточенный вычислитель) также может выполнять несколько слабосвязанных функций одновременно и состоять из нескольких слабосвязанных вычислителей, т. е. быть мулыпимикропроцессорной (MMPS).

Создание децентрализованных систем автоматизации производства и научных исследований в условиях малых производственных фирм и научно-исследо- вательских центров определяет в качестве одного из основных требований — требование минимальной стоимости.