Локальные сети

Поле подтверждения (АСК) состоит из области АСК длиной в 1 бит и ограничителя поля АСК. АСК-бит помещается на шину передатчиком как рецессивный (логическая 1). Приемники, корректно принявшие эти данные, преобразуют его в логический 0, делая его доминантным. Таким образом, передающий узел получает подтверждение, что хотя бы один приемник правильно принял его сообщение. Сообщения подтверждаются приемниками независимо от результата тестирования данных при приёме.

Конец сообщения указывается EOF (7 рецессивных бит), после которого идет пауза. Длина паузы равна минимальному количеству битов (3 бита), отделяющих последовательные сообщения.

В отличие от других шинных систем, в CAN протоколе не используются подтверждающие сообщения. Вместо этого он сигнализирует о возникших ошибках передачи. Всего в CAN-протоколе реализовано пять механизмов проверки на наличие ошибок. Флаг ошибки - это сообщение, содержащее 6 доминантных бит подряд. Другие узлы, приняв такую последовательность, также могут передать флаг ошибки. Поэтому максимальная длина этого поля может достигать 12 доминантных бит. Завершается кадр ошибки ограничителем флага ошибки из 8 рецессивных бит, после стандартной паузы (3 бита), прерванная кадром ошибки передача должна быть повторена.

Первые три алгоритма контроля реализованы на уровне сообщений:

Циклический контроль. Контролируемые поля кадра от SOF до CRC. При использовании этого метода в конце передачи добавляются биты циклического избыточного кода. При приеме сообщения происходит его повторное вычисление и сравнение с полученным кодом циклического контроля. Если эти два значения не совпадают, то выявляется ошибка CRC.

Контроль кадра. Проверяется соответствие структуры передаваемого кадра его фиксированному формату и размеру. Ошибки, которые могут возникнуть при проверке кадра, получили название "ошибки формата".

Ошибки подтверждения. Как уже ранее было сказано, принятые кадры подтверждаются всеми приемниками. Если передатчик не получил никакого подтверждения, то это может означать, что приемники обнаружили ошибку (искажено поле АСК), либо приемники вообще отсутствуют в сети.

Следующие два алгоритма определения ошибок реализованы в протоколе CAN на битовом уровне:

Мониторинг шины. Одна из особенностей CAN сети состоит в том, что передающий узел может контролировать свой собственный сигнал на шине во время передачи. Таким образом, каждый узел может наблюдать за уровнем сигнала на шине и определять различие переданного и принятого бита. Расхождение сигналов в поле арбитража требует прекращения передачи, а расхождение в других полях кадра генерирует ошибку.

Заполнение битами. В CAN используется сигнальный код NRZ. Однако, если подряд идет слишком много битов с одним и тем же значением, то возможен сбой синхронизации. Если в сообщении подряд идут пять битов с одинаковым значением, то передатчик автоматически вставляет дополнительный бит. Этот бит автоматически удаляется из сообщения приемниками. Если будет получено шесть последовательных битов с одним и тем же значением, то по CAN протоколу это считается ошибкой.

Если в течение передачи кадра хотя бы одна станция обнаружит ошибку по любому из алгоритмов контроля (локальная ошибка), то она передает кадр ошибки, который аварийно завершает текущую передачу. В этом случае все узлы сети не обрабатывают принятое сообщение, чем достигается непротиворечивость данных во всей сети. Узлы сети, не обнаружившие ошибку, после приема кадра ошибки должны повторить передачу кадра ошибки (глобализация ошибки), поэтому максимальная длина этого поля может достигать 12 доминантных бит. Завершается кадр ошибки ограничителем флага ошибки из 8 рецессивных бит, после стандартной паузы (3 бита), прерванная кадром ошибки передача должна быть повторена. Как правило, повторная передача начинается в течение периода времени, соответствующего передаче 23 битов, отсчитываемого с момента обнаружения ошибки.

Для реализации процедур самоконтроля каждый узел CAN сети содержит два счетчика: счетчик ошибок приема (REC) и счетчик ошибок передачи (TEC). Счетчики автоматически инкрементируются после обнаружения каждой ошибки и декрементируются после корректной передачи или приема кадра. В зависимости от состояния счетчиков ошибок узел может находиться в одном из трех состояний: активной ошибки, пассивной ошибки, отключен от шины.

Состояние активной ошибки является основным для узла CAN сети и предполагает его нормальное функционирование. При обнаружении ошибки в этом состоянии узел посылает кадр активной ошибки (6 доминантных бит). Состояние активной ошибки будет продолжаться до тех пор, пока число ошибок в любом из счетчиков не превышает 127. Если число ошибок превышает 96, микроконтроллеру узла передается сообщение о критическом числе ошибок. При числе ошибок более 127, но менее 256 узел переходит в состояние пассивной ошибки.

Состояние пассивной ошибки свидетельствует о часто повторяющихся ошибках. Узел из этого состояния может самостоятельно вернуться к активной ошибке, если число ошибок в счетчиках станет менее 128. При обнаружении очередной ошибки узел имеет право передать только кадр пассивной ошибки (6 рецессивных бит), который не может изменить текущую передачу любого другого узла. При повторении прерванной передачи этого узла должна быть сделана дополнительная пауза (8 рецессивных бит) для того, чтобы не мешать передаче кадров других узлов.

Если число ошибок в любом из счетчиков превысит 255, узел должен отключиться от шины (на практике REC содержит только 8 дв. разрядов и поэтому число ошибок приема не может превысить этот порог). Самостоятельно CAN контроллер узла не может вернуться в рабочее состояние. Если произведен внешний сброс, CAN контроллер возвращается в состояние активной ошибки и после паузы 128х11 (1408) может передавать сообщения.

CAN протокол определяет правила накопления числа ошибок в счетчиках REC и TEC. В зависимости от вида ошибки увеличение числа ошибок в счетчиках может быть от 1 до 8 при обнаружении однократной ошибки. Декремент содержимого счетчиков в состоянии активной ошибки производится всегда только на 1. Это позволяет присваивать разные веса различным ошибкам. Например, обнаружение ошибки при приеме увеличивает REC на единицу одновременно с отправкой кадра активной ошибки; если принимается доминантный бит после отправки узлом кадра активной ошибки, REC увеличивается на 8, т.к это означает, что только данный узел обнаружил ошибку. Успешный прием кадра узлом уменьшает REC (если он был не нулевым) на 1 в состоянии активной ошибки; если узел был в состоянии пассивной ошибки, в REC устанавливается величина от 119 до 127 (т.е. при TEC менее 128 узел перейдет в состояние активной ошибки).

Любой узел может также послать кадр перегрузки (overload frame), если, во-первых, он не успевает обрабатывать поступающие сообщения и не может обеспечить прием следующего сообщения, во-вторых, при приеме доминантных бит в паузе между кадрами (это может означать потерю синхронизации при приеме). Кадр перегрузки имеет такой же формат, как и кадр ошибки, но передается всегда только после завершения приема кадра. А кадр ошибки может быть передан только в процессе передачи кадра. Кадр перегрузки не увеличивает состояние счетчиков ошибок и не приводит к повторной передаче кадров. Допускается передача узлом не более 2 кадров перегрузки подряд.

В соответствии со всеми процедурами контроля:

передача кадра считается успешной, если не обнаружено ошибок до конца поля EOF;

прием кадра считается успешным, если не обнаружено ошибок и в течение межкадрового интервала (3 бита после EOF).

Необходимо помнить, что CAN протокол не содержит эффективных средств контроля и восстановления искаженных данных кроме процедуры контроля CRC. Процедуры LLC не предусмотрены, несмотря на высокую помехоустойчивость возможны выпадения и вставки. Если необходимы дополнительные средства контроля данных, они должны реализовываться HLP протоколами.

В настоящее время выпускают CAN контроллеры, которые поддерживают одну из трех версий протокола. Версия CAN 2.0A поддерживает работу только с кадрами стандартного формата, имеющими 11-битный идентификатор. CAN 2.0B passive обеспечивает передачу кадров стандартного формата, а прием и обработку кадров и стандартного формата, и расширенного формата с 29-битным идентификатором. CAN 2.0B active обеспечивает обработку кадров обоих форматов.

Рис.1. Архитектура CAN контроллера

Очевидно, что CAN контроллер должен содержать буферные ЗУ и для передаваемых данных, и для принимаемых данных. Реализация процедур CAN протокола, как правило, производится аппаратно с передачей через трансивер выходных сигналов узла (Tx) и входных сигналов с шины (Rx). Приемный фильтр аппаратно производит селективную запись принимаемых кадров по их идентификаторам в буферное ЗУ. Предполагается, что буфер передачи должен обеспечивать хранение, по крайней мере, одного сообщения, а буфер приема - не менее двух сообщений. Чаще всего CAN контроллеры имеют больший объем буферных ЗУ. Доступ к данным в буферных ЗУ может производиться по алгоритму FIFO либо в более сложных реализациях с учетом уровня приоритета, определяемого идентификатором. Интерфейс CAN контроллера с управляющим микроконтроллером узла - стандартный. Через этот интерфейс производится настройка параметров, режимов, приемного фильтра и т.п., а также обмен данными с CAN шиной. В настоящее время производится достаточно большое число управляющих микроконтроллеров, которые содержат встроенные средства для обмена данными по CAN сети.

В связи с тем, что CAN протокол определяет только процедуры физического и MAC уровней, а построение сети требует решения и других задач, связанных, например, с процедурами LLC, процедурами автоматического выбора параметров и режимов при инициализации работы узлов, разработаны так называемые CAN HLP протоколы.

К настоящему времени известно уже более четырех десятков CAN HLP. Среди CAN HLP наибольшее распространение в системах промышленной автоматизации получили четыре, поддерживаемых ассоциацией CiA: CAL/CANopen, CAN Kingdom, DeviceNet и SDS.

3.2 Сети PROFIBUS

Комплекс коммуникационных средств для решения задач автоматизации SIMATIC NET (Siemens) содержит три самостоятельных технологии передачи данных для разных уровней управления: AS-интерфейс, сеть Profibus, сеть Industrial Ethernet. Области применения каждой технологии показаны на рис.2. Industrial Ethernet - технология классических компьютерных сетей и на верхнем уровне управления решает задачи информационного взаимодействия подсистем управления. AS-интерфейс с упрощенными алгоритмами организации передачи данных предназначен для обеспечения связи между двухпозиционными элементами локальных систем управления: датчиками, исполнительными устройствами, контроллерами нижнего уровня и т.п. Profibus содержат средства для реализации и технического взаимодействия локальных систем управления, и информационного взаимодействия подсистем управления.

3.2.2 Сеть Profibus-DP

Технологии сетей PROFIBUS (Siemens) подразделяются на 3 протокола: DP, FMS и PA. Profibus-DP оптимизирован для быстрого обмена данными между системами автоматизации и децентрализованной периферией. FMS-сервисы (Fieldbus Message Specification) обеспечивают большую гибкость при передаче больших объемов данных. Profibus-DP и Profibus-FMS (стандарт EN 50170) применяют одинаковую технику передачи и единый протокол доступа к шине и поэтому могут работать через общий кабель. PROFIBUS-PA - специальная концепция, позволяющая подключать датчики и приводы, находящиеся во взрывоопасной зоне.

Физический уровень реализован по протоколу RS485 с соответствующими ограничениями по скорости и расстоянию. (Могут использоваться также волоконно-оптические или беспроводные каналы связи). Физически система PROFIBUS состоит из нагруженной с двух сторон активной линии - шинной структуры, которая обозначается, как сегмент шины RS485. Предельные параметры сети приведены в табл.1. К кабельному сегменту можно по стандарту RS-485 подключить до 32 устройств. Стандартные скорости: 9.6 кбит/с, 19.2 кбит/с, 45.45 кбит/с, 93.75 кбит/с, 187.5 кбит/с, 500 кбит/с, 1.5 Мбит/с, 3 Мбит/с, 6 Мбит/с или 12 Мбит/с.

Таблица 1

В сетях PROFIBUS используются методы доступа “Token Bus" (сеть с передачей маркера или маркерное кольцо) для активных станций и “Master-Slave" (Ведущий-Ведомый) - для пассивных. Алгоритм доступа не зависит от конкретной среды передачи данных и реализуется следующим образом:

Все активные узлы (ведущие) формируют логическое маркерное кольцо, имеющее фиксированный порядок, при этом каждый активный узел "знает" другие активные узлы и их порядок в логическом кольце (порядок не зависит от расположения активных узлов на шине).

Право доступа к каналу передачи данных, так называемый “маркер”, передаётся от активного узла к активному узлу в порядке, определяемом логическим кольцом.

Если узел получил маркер (адресованный именно ему), он может передавать пакеты. Время, отпущенное ему на передачу пакетов, определяется временем удержания маркера. Как только это время истекает, узлу разрешается передать только одно сообщение высокого приоритета. Если такое сообщение отсутствует, узел передаёт маркер следующему узлу в логическом кольце. Маркерные таймеры, по которым рассчитывается максимальное время удержания маркера, конфигурируются для всех активных узлов.

Если активный узел обладает маркером и для него сконфигурированы соединения с пассивными узлами (соединения "ведущее устройство - ведомое устройство"), производится опрос пассивных узлов (например, считывание значений) или передача данных на эти устройства (например, передача команд).

Пассивные узлы никогда не принимают маркер.

При инициализации сети каждому узлу назначается адрес в диапазоне 0-126. Активные узлы, подключенные к PROFIBUS, упорядочены по возрастанию их адреса в логическом маркерном кольце. Время одного обращения маркера через всех активных участников называется временем обращения маркера. Устанавливаемое заданное время обращения маркера Ttr (Time target rotation) определяет максимально разрешенное время обращения маркера.

Адреса всех имеющихся на шине активных узлов заносятся в LAS (List of Active Station - список активных станций). Для управления маркером при этом особенно важны адреса предыдущей станции PS (Previous Station), от которой маркер поступает, и следующей станции NS (Next Station), которой маркер передается. LAS также нужен, чтобы при текущей работе исключать из кольца вышедших из строя или дефектных активных участников и, соответственно, принимать вновь появившихся участников без помех текущему обмену данными по шине.

Метод Master-Slave дает возможность мастеру (активному узлу), который имеет право прямой передачи, опрашивать назначенных ему Slaves (пассивных узлов). Мастер при этом имеет возможность передавать и принимать сообщения от Slave. Цикл обмена между DP-Master и одним DP-Slave состоит из кадра запроса (Request Frame), отправляемого DP-Master, и передаваемого DP-Slave ответа или кадра подтверждения (Response Frame).

При инициализации сети должны согласовано задаваться различные временные параметры, необходимые для контроля работы сети по тайм-аутам. При обмене данными DP-Slave реагирует на кадры-запросы Data_Exchange DP-Master (класс 1), который его параметрировал и конфигурировал. Другие сообщения DP-Slave не обрабатывает. Внутри пользовательских данных нет дополнительных управляющих или структурных элементов для описания передаваемых данных, то есть передаются чистые пользовательские данные. С помощью кадров запрос-ответ можно обмениваться данными между DP-Master и DP-Slave в обоих направлениях объемом до 244 байт. Форматы кадров канального уровня:

Кадр с фиксированной длиной

Кадр с фиксированной длиной поля данных

Кадр с переменной длиной поля данных

Кадр квитирования

Кадр-token (маркер)

SC (Single Character) отдельный символ, используется только для квитирования (SC = E5h);

SD1-SD4 (Start Delimiter) стартовый байт для отличия различных форматов (SD1 = 10h, SD2 = 68h, SD3 = A2h, SD4 = DCh);

LE / LEr (LEngth) байт длины, указывает длину информационных полей для кадров с переменной длиной;

DA (Destination Adress) байт адреса узла - приемника;

SA (Source Adress) байт адреса узла - источника;

FC (Frame Control) контрольный байт содержит информацию о службе для данного сообщения и приоритет сообщения;

Data Unit поле данных, может также содержать возможные расширения адреса;

FCS (Frame Check Sequence) проверочный байт, содержит контрольную сумму;

ED (End Delimiter) оконечный байт, указывает на завершение кадра (ED = 16h).

При приеме кадров могут быть распознаны следующие ошибки:

ошибки символьного формата (четность, переполнение, ошибка кадра);

ошибки протокола;

ошибки разделителей начала и окончания;

ошибки байта проверки кадра;

ошибки длины кадра.

Кадр, у которого обнаружена ошибка, повторяется, по крайней мере, один раз. Имеется возможность повторять кадры до 8 раз (шинный параметр Retry). Наряду с передачей данных "точка-точка", могут осуществляться также передачи во многие точки Broadcast и Multicast. При коммуникациях Broadcast активный участник посылает сообщение всем остальным участникам (Master и Slave). Прием данных не квитируется. При коммуникациях Multicast активный узел посылает сообщение группе участников (Master и Slave). Прием данных также не квитируется.

В некоторых случаях необходимо, чтобы шинный цикл DP по времени оставался постоянным (рис.3) и, следовательно, обмен данными должен происходить строго периодически. Это находит применение, например, в технике электроприводов для самосинхронизации нескольких приводов. В отличие от нормального DP цикла при постоянном по времени цикле в DP-Master резервируется определенная часть времени для ациклической передачи данных. Постоянный по времени DP-цикл может быть установлен только в системе с одним мастером.

Рис.3. Циклический обмен в PROFIBUS DP

При спроектированной перекрестной связи DP-Slave отвечает не кадром one-to-one (Slave > Master), а специальным кадром one-to-many (Slave > m). Таким образом, входные данные Slave, содержащиеся в ответном кадре, предоставляются не только соответствующему мастеру, но и всем узлам шины.

Интерфейс PROFIBUS DP в функциональных модулях SIMATIC S7 (Siemens) может поддерживаться встроенными интерфейсами модулей, с помощью дополнительных интерфейсных DP-модулей или коммуникационных процессоров.

Таблица 2

Службы с различными алгоритмами обмена данными (табл.2) вызываются через точки доступа к службе SAP (Service Access Point) из вышестоящего уровня. В PROFIBUS-FMS используются эти точки доступа для адресации логических коммуникационных связей. В PROFIBUS-DP и PA применяемые точки доступа строго упорядочены. У всех активных и пассивных участников можно использовать параллельно несколько точек доступа. Различаются точки доступа источника SSAP (Source Service Access Point) и точки доступа цели DSAP (Destination Service Access Point).

DP-Slave в системе SIMATIC S7 (Siemens) по структуре и функциям подразделяются на 3 группы:

Компактные DP-Slave, модули с фиксированной структурой портов ввода/вывода, доступных для передачи данных.

Модульные DP-Slave,. модули с программируемой структурой портов ввода/вывода, доступных для передачи данных.

Интеллектуальные DP-Slave (I-Slave), как правило, контроллерные модули с передачей данных не из портов ввода/вывода, а из доступного в PROFIBUS адресного пространства ОЗУ.

Для решения типовых коммуникационных задач в PROFIBUS используются профили, объединяющие в единый комплекс необходимый набор сетевых средств. Профили также указывают набор коммуникационных функций, которые должны поддерживать используемые технические средства.

Для PROFIBUS FMS определены следующие профили:

Коммуникации между контроллерами (профиль 3.002). Этот коммуникационный профиль устанавливает, какие FMS-службы применяются для коммуникаций между контроллерами (PLC). Установлены службы, параметры и типы данных, которые каждый PLC должен поддерживать.

Профиль для автоматизации зданий (профиль 3.011). Это отраслевой (специализированный) профиль и основа для многих открытых стандартов в автоматизации зданий. Описывает, как осуществляется обмен, управление, регулирование, обслуживание, обработка и архивирование сигналов в системах автоматизации зданий через FMS.

Коммутационные низковольтные приборы (профиль 3.032) Этот профиль определяет алгоритмы работы низковольтных коммутационных приборов при коммуникациях через FMS.

Установлены следующие профили PROFIBUS-DP:

Профиль NC/RC (профиль 3.052). Профиль описывает управление и обслуживание роботов через PROFIBUS-DP. На основании конкретной блок-схемы алгоритма описывается движение и программное управление роботом.

Профиль Encoder для преобразователя угол-код (профиль 3.062). Профиль описывает подключение Encoder к PROFIBUS-DP. Определены основные и дополнительные функции такие, как масштабирование сигналов и расширенная диагностика.

Профиль для приводов с изменяемым числом оборотов (профиль 3.072). Ведущие производители приводов разработали общий PROFIDRIVE-профиль. Профиль устанавливает, как приводы параметрируются и передают заданные и истинные значения, содержатся необходимые установки для вида работы регуляторов скорости и позиционирования. Профиль устанавливает основные функции приводов и дает свободное пространство для пользовательских расширений. Профиль содержит описание пользовательских функций DP или альтернативных функций FMS.

Профиль для управления и наблюдения HMI (Human Machine Interface) (профиль 3.082). Профиль устанавливает для средств HMI правила подключения через PROFIBUS-DP к компонентам автоматизации. Профиль использует для коммуникаций расширенные функции PROFIBUS-DP.

Профиль для защищенной от ошибок передачи данных через PROFIBUS-DP (профиль 3.092) В этом профиле устанавливаются дополнительные механизмы защиты данных для коммуникаций с защищенными от ошибок компонентами.

В целом, коммуникационные технологии Profibus являются завершенными интерфейсными средствами для систем автоматизации. Эта завершенность, с одной стороны, существенно облегчает их применение. Но, с другой стороны, снижает функциональную гибкость и возможность изменения алгоритмов работы в соответствии с какими-либо требованиями. Интерфейсы Profibus реализованы в полной мере в функциональных модулях различного назначения, предлагаемых фирмой Siemens для решения задач автоматизации в промышленности.

1. Уолрэнд Дж. Телекоммуникационные и компьютерные сети. - М.: Постмаркет, 2007.

2. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. - СПб.: "Питер", 2004.

3. Новиков Ю.В., Кондратенко С.В. Основы локальных сетей. - М.: 2005.

4. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Основы сетей передачи данных. - СПб.: "Питер", 2005.

5. Хамбракен Д. Компьютерные сети: Пер. с англ. - М.: ДМК Пресс, 2004.

6. Новиков Ю.В., Кондратенко С.В. Локальные сети. Архитектура, алгоритмы, проектирование. - М.: ЭКОМ, 2009.

7. Нанс Б. Компьютерные сети: Пер. с англ. - М.: "БИНОМ", 2006.

Страницы: 1, 2, 3