Развитие и приложение на мрежите в индустриалните предприятия
автори:
Димитър Дамянов, Стефанка Петрова
Въведение в развитието на индустриалните мрежи
В началото на 20-ти век системите за управление на процесите и производствените системи са се изграждали главно на основата на механична технология и аналогови устройства. По късно с развитието на техниката са въведени технологията за пневматично и хидравлично задвижване на управляваните механизми. Това позволява отдалечени системи да се контролират от една централизирана система за управление. Тези техники са широко използвани и до днес.
През 1960г., за първи път компютър се свързва с дигитален контролер като тогава използването на миникомпютъра е било скъпо решение за системите за управление, но е реализирана съществена крачка по отношение на философията за управление на обект. Междувременно е създаден програмируемият контролер (PLC), който измества конвенционалните контролери, основани на релейна логика, но все още е с ограничени функции за управление. Разработват се още много технологии за производство на машини и дискретни производствени процеси. По това време машините с ЦПУ (цифрово-програмно управление) започват да се управляват от компютри и се създават роботи.
С ускореното навлизане на компютрите и дигиталните технологии се развиват индустриалните мрежи и се преминава от аналогов към цифров обмен на данни. Започва създаването на стандартни индустиални мрежи.
В средата на 70те е представена първата децентрализирана компютърна система за управление (DCCS) на компанията Honeywell, която представлява йерархична система на управление с много микропроцесори. Концепцията за DCCS намира широко приложение в много автоматизирани индустриални системи. В днешно време инсталацията на децентрализирани системи за управление в новите заводи или подмяната на вече съществуващите аналогови или централизирани такива е често срещано решение в производствения мениджмънт.
През 80те години за свързване на отделните компютри и автоматизирани устройства от индустриалната автоматизирана система започват да се използват локалните компютърни мрежи (LAN). Високите скорости и големите възможности, съчетани с ниските цени на комуникациите при проектирането и изграждането на тези мрежи, помагат за широкото приложение на децентрализираните системи за управление и създаването на много иновативни софтуерни приложения в областта на автоматизацията. Често индустриалните автоматизирани системи за управление, се изграждат с отворена децентрализирана архитектура като комуникацията се осъществява през цифрови мрежи.
Днес за потребителите свързани в локална мрежа, е съвем естествено да комуникират с компютри или автоматизирани устройства от друга локална мрежа, чрез гейтуей (gateways), свързан с мрежа, разпростираща се на големи площи.
Поради нарастването на индустриалните автоматизирани системи за управление и броя на автоматизираните устройства, изключително важно в индустриалната автоматизация е осигуряването на стандарти, които да позволяват многото и разнообразни автоматизирани устройства да комуникират по стандартен начин (със съответен протокол). Положени са значителни усилия за международно стандартизиране, в областта на локалните мрежи.
Приложение на мрежите в индустриалните предприятия. Индустриалните мрежи обхващат много производствени приложения. В много от приложенията видовете устройства и техните характеристики, определят какъв да е типа на мрежата, например при необходимост от обработка на информацията в реално време, е подходящо да се избере оптична мрежа, защото тя не се влияе от електромагнитни смущения и може да бъде изградена на големи разстояния като същевременно се запазва ниска цената за необходимите инвестиции. Ето защо различните типове индустриални мрежи трябва да могат да отговарят на множество различни потребности.
Индустриалната мрежа изисква разделяне на физическите I/O (входно-изходни) сигнали и сензори и функционално разпределяне на приложенията, които обезпечават правилното функциониране на системата за управление. Повечето индустриални мрежи предават битовете информация на пакети. Предимството на пакетния трансфер на информация, е че при него пренасянето на данни между различните устройства се осъществява с малко на брой комуникационни кабели, т.е. с по-малко кабели може да се изпраща информация на по-големи разстояния. Тъй като при индустриалните мрежи няколко устройства работят по една и съща лния, е лесно да се добави ново устройство към вече съществуваща система.
За да може системата да работи е необходимо да е проектиран и въведен в експлоатация комуникационен протокол, който да определя реда на протичне на информацията по мрежата от устройства, контролери, компютри и др. Благодарение на подобрените информационни протоколи, вече е възможно да се намали времето нобходимо за трансфера на данни, да се осигури по-добра защита, да се гарантира синхронизаиця по време, а за някои приложения е възможен отговор в реално време.
За по-ниските нива на комуникация в индустриалните автоматизирани системи за управление, използването на локални индустриални мрежови решения не е подходащо, защото те са твърде скъпи или не могат да удовлетворят изискванията за бърз отговор – в зависимост от приложението. Поради тази причина е разработен филдбъс протокла например, който отговаря на тези изисквания. Много компании днес полагат усилия за създаване на филдбъс стандарт за приложенията на индустриалните автоматизирани системи за управление.
В по-големите индустриални мрежи един кабел не е дотатъчен за да се свържат всички комуникационни обекти (точки). За целта трябва да се определи каква е топологията на мрежата, и тя да се проектира така, че да осигурява отделяне на различните обекти и спазване на работните характериситки. В много случаи е необходимо допълнително мрежово оборудване, тъй като приложенията комуникират през различен тип мрежи.
Видове мрежови компоненти и тяхната типология при приложението им в индустриалните предприятия:
- Ретранслатори (repeater, amplifier) – устройство, което усилва електрическите сигнали, така че те да могат да достигат до по-отдалечени обекти от системата. С негова помощ към мрежата може да се свържат голям брой точки. Чрез ретранслатора могат да се адаптират физически различни среди като коаксален и оптичен кабел, така че да работят в една система;
- Рутер (router) – той насочва комуникационните пакети и определя пътя им между различните сегменти на мрежата като гарантира достигането на пакета от данни от източника до крайната точка (адресат);
- Мост/Бридж (bridge) – с негова помощ, връзката между два различни секции на мрежата може да притежава различни електрически характеристики и протоколи. Той може да присъедини два различни типа мрежи, така че приложенията им да споделят информацията помежду си;
- Гейтуей (gateway) – подобно на моста, той осигурява взаимодействие между различните типове мрежи с различни видове протоколи, така че приложенията могат да комуникират през него помежду си.
Съвременните индустриални автоматизирани системи за управление са сложни и са структурирани на няколко йерархични нива, като всяко от тях има свое собствено комуникационно ниво, което е съобразно целите му. Това поставя различни изисквания към комуникационната мрежа.
Индустриалните мрежи могат да се класифицират в няколко различни категории, според тяхната приложение: мрежи на обектно ниво (сензори или задвижки), мрежи на контролно ниво (контролни бъсове) и мрежи на информационно ниво.
Сензорите и задвижващите механизми се използват предимно за да свързват обикновени дискретни устройства с елементарна логика като например фото датчик, краен изключвател или соленоиден клапан към контролери и компютри. За да се намали цената за разходи на комуникационна точка, са разработени.
Обектно ниво (field level). Това е най-ниското ниво от йерархията на автоматизираните системи и включва крайните устройства като сензори и задвижки. Устройствата от обектно ниво прехвърлят данни между произведения продукт и производствения процес. Тези данни могат да бъдат цифрови или аналогови. Тук измерените стойности са на раположение за сравнително кратък период от време, в сравнение с останалите нива.
За комуникация на обекно ниво се използват паралелни, многожилни кабели, сериен интерфейс и др. Серийните комуникациони интерфейси като RS232C, RS422 и RS485 са най-често използваните протоколи, заедно с паралелния комуникационен интерфейс IEEE4888. Тези методи на комуникация пиър-ту-пиър са развивани с цел намаляване разходите за окабеляване и за да се постигне високо качество на комуникацията.
Ниво управление (control level). Тук информационният поток се състои главно в зареждане на програми, параметри и данни. В процесите с кратки времена за престой на машините това се прави по време на производствения процес, без той да бъде прекъсван. При малките контролери (с ограничена оперативна и работна памет) може да се наложи да се зареждат подпрограми по време на един производствен цикъл, което определя необходимостта от синхронизация.
Подниво «клетка» – за операциите на това ниво, синхронизацията на машините и управлението на събитията, може да изискват бърз отговор от бъса. За да се удовлетворят комуникационните изисквания на това ниво се използват локални мрежи (LAN). След въвеждането на комп=търно интегрирано производство (CIM) и DCCS концепциите, много компании развиват техни собствени мрежи за ниво «клетка» на автоматизираните им системи за управление. Етернет заедно с TCP/IP (Transmission control protocol/Internet protocol) е възприет за стандарт на това ниво, въпреки че не може да осигури истинска комуникация в реално време.
Подниво «зона/област» – състои се от клетки обединени в групи. Клетките са проектирани, така че функционалността им е съобразена с конкретното приложение. Управляващте функции са реализирани в контролерите на локално под ниво.
Обикновено мрежите на контролно ниво се използват като пиър-то-пиър връзки между отделните програмируеми контролери (PLC – Programmable Logic Controllers), децентрализирани системи за управление (DCS – Decentralized Control Systems) и компютърни системи, използвани като интерфейс човек-машина (HMI – Human Machine Interface), архиви на минали събития, и мониторинг (Supervisory Control). Като примерни протоколи и интерфейс могат да се отбележат ControlNet и PROFIBUS. Освен това все по-често се използва Етернет с TCP/IP протокол за свързване на контролни устройства от по-високо ниво с компютри.
Информационно ниво (information level). Това е най-виското ниво в завода и автоматизираната система за управление. Всички важни параметри за процесите се събират и архивират в база от данни, необходима за вземането на управленски решения. На информационно ниво съществуват мрежи с голям мащаб като: WAN (Wide Area Network) планиране на производството и управление на информационния обмен.
Като заключение може да се приеме, че приложението на мрежите в индустриалните предприятия търпи динамично развитие като обхваща все по-голям обем информация за целите на управлението, създавайки едно разновесие с външната електронна среда. По такъв начин става възможна безпроблемната им комуникация и ефективното им функциониране, дефинирайки ги вече като високо автоматизирани системи за управление на информационните процеси.
Литература:
1. TANENBAUM, A.S., ‘Computer Networks’, Prentice Hall, 2004
2. NEEDHAM, R.M., and SCHROEDER, M.D.: “Using Encryption for Authentication in Large Networks of Computers,” Commun. of the ACM, vol. 21, pp. 993-999, Dec. 1978.
3. LEE, J.S., and MILLER, L.E.: CDMA Systems Engineering Handbook, London: Artech House, 1998.
4. KUROSE, J.F., and ROSS, K.W.: Computer Networking: A Top-Down Approach Featuring the Internet, Boston: Addison-Wesley, 2001.
Данни за авторите:
Димитър Дамянов, професор доктор инж., катедра „АДП” при МФ, ТУ – София.
Стефанка Петрова, докторант инж., катедра “АДП” при МФ, ТУ – София.
Сходни статии:
- Категоризация на мрежите според архитектурата Мрежите могат да бъдат разгледани според : Физическия обхват Метод на администриране Мрежова операционна система По протокол По топология По архитектура В тези няколко страници ще разгледаме „Категоризацията на мрежите...
- Развитие на масовите услуги в Интернет автор: Лилия Тицианова Великова специалност “Финанси” в Стопанска академия “Д. А. ЦЕНОВ” – Свищов Катедра “Бизнес информатика” За човека, който днес за първи път е в мрежата Интернет представлява едно...
- Информационните системи в производството 1.Интеграция – различни системи обслужват различни функции. Трудно е свързването м/у различните организационни нива. За интеграцията в големите корпорации плановете са за интеграция повече от десетилетие 2.Разширява се обхвата на...
- Автоматизирани системи за управление на технологични процеси автор: Гергана Андонова Иванова специалност: Компютърни интегрирани системи за управление Система – множество от елементи, намиращи се в определени отношения и връзки помежду си и образуващи едно цяло. Днес понятието...
- Информационни системи Понятието система представлява съвкупност от елементи, работещи заедно в определена среда за постигане на дадена цел . Информационната система е система, чрез която данните и информацията се обработват и предават...