Промышленные локальные сети, Ethernet TCP/IP (IP)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Тольяттинский государственный университет

Институт  финансов, экономики и управления

Кафедра «Менеджмент организации» 
 
 
 
 

Реферат

по теме «Промышленные локальные сети, Ethernet TCP/IP (IP)»

Дисциплина «Сети ЭВМ» 
 
 
 
 
 
 

Выполнил: Кабанова Л.Р.             

Группа: УК – 201

Проверил: Сенько В.В. 
 
 
 
 
 
 
 

Тольятти 2010 

Содержание:

Введение…………………………………………………………………… 3

1. Промышленные локальные сети…………………………………………. 4-5

            2(а). TCP/IP…………………………………………………………… 5-11

            2(б). Сеть ControlNet™………………………………………………. 11-14

            2(в). Сеть Data Highway Plus™ (DH+)……………………………… 14-15

            2(г). Шина DeviceNet™……………………………………………… 15-17

            2(д). AS-I (Actuator Sensor Interface)………………………………... 17-18 

3. Промышленный Ethernet…………………………………………………..  19-20

4. Оборудование для промышленной Ethernet-инфраструктуры………….  20-23

5. Ethernet наступает………………………………………………………….  24-25

Заключение…………………………………………………………………  26

Литература 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Введение

   Построение  единой информационной инфраструктуры промышленных предприятий, обеспечивающей совместную работу программных и аппаратных средств систем АСУП и АСУТП, становится все более актуальной задачей.

   На  пути резко возрастающих информационных потоков стоят технологические  барьеры между различными уровнями автоматизации, возникшими в результате независимого развития АСУП и АСУТП. По оценкам экспертов, только сбор данных в реальном масштабе времени о различных аспектах производственных процессов приведет в ближайшие годы почти к тридцатикратному увеличению трафика в распределенных системах промышленного управления, причем значительно возрастут потоки информации между датчиками и программируемыми контроллерами. Поэтому одной из задач комплексной автоматизации является организация межсетевого обмена в масштабах всего предприятия на основе стандартной масштабируемой высокопроизводительной технологии.

   Современные системы АСУП, базирующиеся на стандартах, используют в коммуникационных инфраструктурах  сети Ethernet и протоколы TCP/IP. В информационных комплексах предприятий широко применяются Internet-технологии. В области АСУТП со стандартизацией дело обстоит намного хуже. Существует более полусотни коммуникационных технологий, относящихся к классу промышленных сетей или полевых шин, предоставляющих возможность создания распределенных систем, в состав которых входят программируемые логические контроллеры, датчики и исполнительные устройства. Значительная часть этих технологий основана на собственных протоколах и аппаратных средствах компаний-производителей. Естественно, интерес к унификации промышленных сетей, предоставляющих возможность построения мультивендорных систем, весьма велик, хотя этому и препятствует достаточно узкая сегментация рынка по отраслям промышленности, а также коммерческие интересы крупнейших производителей (Fisher-Rosemount, Honeywell, Rockwell Automation, Siemens и ряда других), долгое время выпускающих собственные коммуникационные продукты. В последние годы поставщики оборудования для автоматизации производственных процессов обратили внимание на Ethernet. Однако до сих пор вопрос о масштабах проникновения Ethernet в комплексы управления производственными процессами и возможности замены таких распространенных технологий, как Foundation Fieldbus, Profibus или DeviceNet, остается открытым.  
 
 

   Промышленные  локальные сети

   Промышленная  сеть — сеть передачи данных, связывающая различные датчики, исполнительные механизмы, промышленные контроллеры и используемая в промышленной автоматизации. Термин употребляется преимущественно в автоматизированной системе управления технологическими процессами (АСУ ТП). Описывается стандартом IEC 61158.

   Устройства  используют сеть для:

• передачи данных, между датчиками, контроллерами и исполнительными механизмами
• диагностики и удалённого конфигурирования датчиков и исполнительных механизмов
• калибрования датчиков
• питания датчиков и исполнительных механизмов
• передачи данных между датчиками и исполнительными механизмами минуя центральный контроллер
• связи между датчиками, исполнительными механизмами, ПЛК и АСУ ТП верхнего уровня
• связи между контроллерами и системами человеко-машинного интерфейса (SCADA)

   В промышленных сетях для передачи данных применяют:

• кабели
• волоконно-оптические линии
• беспроводную связь (радиомодемы и Wi-Fi).

   Промышленные  сети могут взаимодействовать с  обычными компьютерными сетями, в частности использовать глобальную сеть Internet.

   Полевые шины

   Более 30 лет компании, занимающиеся промышленной автоматизацией, создавали собственные  «нишевые» полевые шины для связи  оборудования контроля и управления производственными процессами. Это требовало значительных финансовых и временных затрат на проектирование конфигураций и протоколов промышленных сетей, их кабельных систем, специализированных микросхем, интерфейсных блоков и программного обеспечения. В середине 80-х в Международной электротехнической комиссии (МЭК) началась разработка стандарта промышленной сети IEC61158, который не утвержден до сих пор. В начале 90-х приобрела статус национального стандарта спецификация Profibus, созданная группой специалистов ряда компаний и исследовательских институтов Германии. В середине 90-х американская ассоциация Fieldbus Foundation завершила разработку промышленной сети Foundation Fieldbus, а в Европе появился European Fieldbus Standard, основанный на национальных стандартах Германии (Profibus), Дании (P-Net) и Франции (FIP). Это лишь небольшая часть подобных спецификаций. Следует отметить, что многие производители продают или выпускают вместе с партнерами оборудование для сетей различных стандартов.

   Идея  международной стандартизации в области коммуникации в различных отраслях промышленности не потеряла своей привлекательности как для производителей, так и для многочисленных системных интеграторов. В конце 1999 года большинство национальных комитетов МЭК одобрили создание на основе IEC61158 проекта стандарта Final Draft International Standard for Data Link Layer and Application Layer, включающего около десятка независимых технологий полевых шин.

   Термин  полевая шина является дословным переводом английского термина fieldbus. Термин промышленная сеть является более точным переводом и в настоящее время именно он используется в профессиональной технической литературе. 

   TCP/IP

    
Transmission Control Protocol / Internet Protocol (TCP/IP) - Промышленный стандартный  набор протоколов, которые обеспечивают связь в гетерогенной среде, то есть обеспечивают совместимость между компьютерами разных типов. Совместимость - одно из основных преимуществ ТСР/IP, поэтому большинство ЛВС поддерживает его. Кроме того, ТСР/IP предоставляет доступ к ресурсам Interneta, а также маршрутизируемый протокол для сетей масштаба предприятия. Поскольку ТСР/IP поддерживает маршрутизацию, он обычно используется в качестве межсетевого протокола. Благодаря своей популярности ТСР/IP стал стандартом де - факто для межсетевого взаимодействия.  
ТСР/IP имеет два главных недостатка: размер и недостаточная скорость работы. ТСР/IP - относительно большой стек протоколов, который может вызвать проблемы у MS-DOS клиентов. Однако для таких ОС, как Windows NT или Windows 95 размер не является проблемой, а скорость работы сравнима со скоростью протокола IPX/SPX. 
NetBEUI 
NetBEUI - расширенный интерфейс NetBIOS первоначально NetBIOS и NetBEUI были тесно связаны и рассматривались как один протокол. Затем некоторые производители ЛВС так обособили NetBIOS, протокол сеансового уровня, что он уже не мог использоваться на ряду с другими маршрутизируемыми транспортными протоколами. NetBIOS - это интерфейс сеансового уровня с ЛВС, который выступает в качестве прикладного интерфейса с сетью, Этот протокол предоставляет программ средство для осуществления сеансов связи с другими сетевыми программами. Он очень популярен, так как поддерживается многими приложениями. NetBEUI небольшой быстрый и эффективный протокол Транспортного уровня, который поставляется со всеми сетевыми продуктами фирмы Microsoft. Преимуществам NetBEUI относится небольшой размер стека, высокая скорость передачи данных по сети и совместимость со всеми сетями Microsoft. Основной недостаток NetBEUI он не поддерживает маршрутизацию. Это ограничение относится ко всем сетям Microsoft. 
Х.25 
Х.25 - набор протоколов для сетей с коммутацией пакетов его использовали службы коммутации, которые должны были соединять удаленные терминалы с мэйн фреймами.  
IPX/SPX и NWLink 
IPX/SPX и NWLink - стек протоколов используемый в сетях NET WARE фирмы NOVELL. Как и NetBEUI, относительно небольшой и быстрый протокол, но, в отличии от NetBEUI он поддерживает маршрутизацию.  
NWLink - реализация IPX/SPX фирмы Microsoft. Это транспортный маршрутизируемый протокол. 
Исходя из выше приведенного и анализа основных тенденций развития сетевых протоколов считается наиболее перспективным использование протокола TCP/IP как наиболее полно удовлетворяющего предъявляемым требованиям. 
Кабельные системы в компьютерных сетях. 
Сегодня подавляющее большинство компьютерных сетей в качестве среды передачи использует провода или кабели. Существуют различные типы кабелей, которые удовлетворяют потребностям всевозможных сете от больших до малых. 
В большинстве сетей применяется только три основные группы кабелей: 
– коаксиальный кабель (coaxial cable); 
– витая пара (twisted pair): 
– неэкранированная (unshielded); 
– экранированная (shielded); 
– оптоволоконный кабель, одно модовый, много модовый (fiber optic). 
На сегодня самый распространенный тип кабеля и наиболее подходящий по своим характеристикам - это витая пара в частности экранированная. Остановимся на ней более подробно. 
Кабель экранированная витая пара (STP) имеет медную оплетку, которая обеспечивает большую защиту чем неэкранированная витая пара. Кроме того пары проводов STP обмотаны фольгой. В результате экранированная витая пара обладает прекрасной изоляцией, защищающей предаваемые данные от внешних помех. Все это говорит о том, что STP меньше подвержена воздействию электрических помех и может передавать сигналы на большее расстояние, а также меньше излучает и собственных побочных электромагнитных полей. И состоит из четырех витых пар медного провода. С целью снижения взаимных наводок шаг скрутки у всех пар различен. Провода пар различаются цветом изоляции, причем один из них окрашен целиком, а другой белого цвета с нанесенной полосой цвета пары. Цвет, шаг скрутки и диаметр строго нормированы. Экранированная витая пара способна передавать данные со скоростью до 100 Мбит/сек.  
Компоненты кабельной системы. 
К компонентам кабельной системы относятся пассивные соединители. Для подключения витой пары к компьютеру используется коннекторы RJ-45 имеющие восемь контактов (для работ требуются RJ-45 в экране). Для построения развитой кабельной системы и в тоже время для упрощения работы с ней требуются следующие компоненты. 
Распределительные стойки и полки, предназначены для монтажа кабеля. Они позволяют централизованно организовать множество соединений и при этом занимают достаточно мало места. 
Коммутационные панели, существуют различные типы панелей в том числе и в экране. Количество портов может меняться от 8 до 96. 
Розетки, соединители, с помощью кабеля соединяются с коммутационными панелями. Они обеспечивают скорость передачи до 100 Мбит/сек. 
Сетевое оборудование. 
К сетевому оборудованию относятся: 
– сетевые карты; 
– концентраторы; 
– коммутаторы; 
– маршрутизаторы; 
– спец оборудование для доступа к глобальным сетям. 
Сетевые карты, являются одной из важнейших компонент любой компьютерной сети. Сетевые карты выступают в качестве физического интерфейса для соединения, между компьютером и сетевым кабелем. Сетевая карта вставляется в свободный слот расширения на материнской плате компьютера и различаются по типу используемого разъема: ISA, EISA, PCI.  
Основное назначение сетевой карты: 
– подготовка данных, поступающих от компьютера, к передаче по сетевому кабелю; 
– передача данных другому компьютеру; 
– управление потоком данных между компьютером и кабельной системой. 
Кроме того, сетевая плата, принимает данные из кабеля и переводит их в форму, понятую центральному процессору компьютера. Также каждая сетевая карта имеет уникальный адрес (MAC). Сетевые адреса определены комитетом IEEE, этот комитет закрепляет за каждым производителем некий интервал адресов. Производители «зашивают» эти адреса в микросхемы сетевой карты. 
Концентратор, является центральной частью компьютерной сети в случае реализации топологии «звезда». И является самым простым устройством при создании компьютерных сетей. У него отсутствует возможность управления и применяется, как правило в сетях малых офисов или подразделений.  
Коммутатор, выступает в качестве ведущего элемента компьютерной сети. Обеспечение связи с базовой магистралью или группой серверов по высокоскоростным каналам, может соединять сегменты сети, служит также для изоляции трафика в сети, что способствует более высоким скоростям передачи информации. Коммутаторы решают следующие проблемы: 
– увеличивают размеры сети; 
– увеличивают максимальное количество компьютеров в сети; 
– устраняют узкие места, появляющиеся в результате подключения избыточного числа компьютеров и, как следствие, возрастание трафика. 
Коммутатор при работе выполняет следующие действия: 
– «слушает» весь трафик; 
– проверяет адреса источника и получателя пакетов Ethernet; 
– строит таблицу маршрутизации, состоящую из MAС адресов; 
– передает пакеты Ethernet. 
Можно сказать, что коммутаторы обладают некоторым «интеллектом», поскольку изучают, куда следует направлять данные. В начале работы таблица маршрутизации пуста, но затем она наполняется и концентратор изучая эти данные знает расположение компьютеров в сети. На сегодняшний день использование коммутаторов самый перспективный способ построения компьютерных сетей. 
Маршрутизатор - это элемент компьютерной сети объединяющей несколько сетевых сегментов с различными протоколами и архитектурами. Маршрутизаторы могут выполнять следующие функции: 
– фильтровать и изолировать трафик; 
– соединять сегменты сети; 
Таблица данных которая находится в маршрутизаторе содержит сетевые адреса. Она включает следующую информацию: 
– все известные сетевые адреса; 
– способы связи с другими сетями; 
– возможные пути между маршрутизаторами; 
– стоимость передачи данных по маршруту. 
На основании этих данных маршрутизатор выбирает наилучший маршрут для данных, сравнивая стоимость и доступность различных вариантов. Маршрутизаторы требуют специальной адресации: им понятны только номера сетей и адреса локальных сетевых карт. К удаленным компьютерам маршрутизаторы обращаться не могут. 
Маршрутизаторы могут работать не со всеми протоколами, а только с маршрутизируемыми, к ним относятся: 
– DECnet; 
– TCP/IP; 
– IPX/SPX; 
– OSI; 
– XNS. 
К не маршрутизируемым протоколам относятся: 
– LAT; 
– NetBEUI. 
Маршрутизаторы объединяют сети и обеспечивают фильтрацию пакетов. Они также определяют наилучший маршрут для передачи данных. Перед применением маршрутизаторов необходимо убедится, что в сети отсутствуют не маршрутизируемые протоколы.  
Использование маршрутизаторов оправдано, если сеть имеет выход в глобальные сети или при использовании в качестве узлового элемента сети, уровня корпорации. 
Спец оборудованием, называются специальное терминальное оборудование для доступа к глобальным сетям. Более подробный обзор этого оборудования будет приведен в следующих материалах. 
Типовые требования предъявляемые к оснащению и модернизации типовых локальных узлов — объектов. 
Общие положения 
Размещение и монтаж оборудования в центрах СФД должны быть выполнены в соответствии с: 
– "Временными санитарными нормами и правилами для работников вычислительных центров" (в том числе: 6 кв.м. на одного человека с учетом максимального числа одновременно работающих в смену); 
– СНиП 2-09-04-87; 
– Административные и бытовые здания и помещения производственных предприятий"; 
– "Правилами устройства электроустановок"; 
– "Инструкцией по проектированию зданий и помещений для ЭВМ"; 
– справочником "Абонентские устройства ГТС"; 
– справочником "Монтажник связи"; 
– справочником "Стандарты по локальным вычислительным сетям"; 
– ГОСТ 11326.2-79, ГОСТ 11326.16-79; 
– структурной схемой ЛВС; 
– необходимыми документами по обеспечению режимных мероприятий, специальными требованиями, предъявляемыми к электронно-вычислительной технике (ЭВТ) объектов информации соответствующей категории и предписаниями на эксплуатацию. 
Требования к средствам вычислительной техники 
Стандартными средствами при оснащении объектов СФД являются ПЭВМ типа РС/АТ. ПЭВМ монтируется в стандартном системном блоке “защищенном” с дисководами для гибких магнитных дисков и лазерных компакт дисков “СD-ROM”. Оснащается манипуляторами типа “мышь” и клавиатурой. На все средства вычислительной техники обязательно должно быть заключения по СП и СИ. 
Вычислительные ресурсы ПЭВМ должны обеспечивать надежное функционирование аппаратно - программных средств и гарантийный срок эксплуатации не мнение 3 (трех) лет. После чего подвергать модернизации или капитальному ремонту с прохождением СП и СИ. 
Емкость оперативной памяти должна быть не менее 32Мб, емкость жесткого диска должна быть не менее 2Гб, оснащаться сетевой картой Ethernet, иметь порты расширения для подключения внешних периферийных устройств. Видео подсистема должна обеспечивать разрешение 800х600 точек для рабочих станций операторов и 1024х786 точек для графических рабочих станций. Частота кадровой развертки для монитора должна составлять не менее 75 Гц. 
Требования к коммуникационному (сетевому) оборудованию 
Аппаратный комплекс средств коммуникационного оборудования должен обеспечивать обмен информацией, как закрытого так и открытого характера. Базироваться на современных технологиях передачи информации. На все средства коммуникационного оборудования обязательно должно быть заключения по СП и СИ. 
Для локальных сетей объектов СФД локальная вычислительная сеть (ЛВС) создается с применением технологии Ethernet 10/100. Аппаратные средства ЛВС должны обеспечивать возможность создания виртуальных сетей на одном устройстве (коммутаторе), обеспечивать возможность управления маршрутизацией IP. Иметь встроенные средства защиты от несанкционированного доступа.  
Для выхода в федеральные сети передачи данных должны использовать специализированные терминальные устройства поддерживающие протокол связи Х.25, как по выделенным так и по коммутируемым каналам связи. 
С целью защиты от несанкционированного доступа из глобальных сетей федерального масштаба должны использоваться межсетевые экраны (FIREWALL) соответствующего класса.  
Требования к системе электропитания 
Система электропитания объекта СФД должна быть выполнена в соответствии с требованиями Правил устройства электроустановок (ПУЭ), предъявляемых к электроустановкам до 1 кВ. 
Электрические установки и кабели, предназначенные для электропитания объектов СФД должны размещаться в пределах контролируемой зоны. Способы и средства заземления электроустановок оговариваются отдельно. 
На объектах СФД электропитание должно осуществляться через сертифицированные по требованиям безопасности информации сетевые помехоподавляющие фильтры с фильтрацией сигналов в нулевом проводе, либо с использованием активного зашумления.  
Рекомендуется применить на объектах СФД двух проводные или четырех проводные сетевые помехоподавляющие фильтры, рассчитанные на номинальные напряжения и токи в электроцепях, с полосой подавления помех в диапазоне частот 0,02 - 1000МГц и с вносимым затуханием в указанной полосе частот не менее 60 дБ. 
Двухпроводные сетевые фильтры должны устанавливаться и монтироваться таким образом, чтобы исключить появление наведенного сигнала в отходящих от фильтра проводах электропитания. 
Для особо важных частей объекта рекомендуемся использование агрегатов бесперебойного питания, рассчитанных на соответствующую потребляемую мощность. 
Система заземления должна отвечать следующим требованиям: 
– электропитание объектов СФД питание которых производится по схеме с глухозаземленной нетралью, должно выполнятся зануление корпусов ВТ; 
– электрически связанные между собой устройства ВТ не должны заземлятся на разные системы заземления; 
– в системах заземления не должны образовываться замкнутые контуры из заземляющих проводов, шин или экранов; 
– сопротивление заземляющего устройства для заземления не должно превышать 4 Ома в любое время года. 

   ControlNet™

   Сеть Allen-Bradley ControlNet является современной  управляющей сетью, которая удовлетворяет  требованиям приложений реального  времени с высокой пропускной способностью. Сеть ControlNet объединяет функциональность сети ввода/вывода и сети обмена «точка-точка», обеспечивая высокую производительность для обеих функций.

   Сеть ControlNet обеспечивает детерминированные, периодические пересылки всех критических управляющих данных, в дополнение к поддержке пересылки некритичных ко времени данных. Фирменный метод доступа к носителю, используемый в сети ControlNet, приводит к детерминированной доставке критичных ко времени данных (запланированных), назначая им более высокий приоритет, чем для некритичных ко времени данных (незапланированных). В результате, обновление входов/выходов и взаимные блокировки контроллеров всегда берут приоритет над загрузкой/сохранением программ и обменом сообщениями.

   Сеть ControlNet и такие продукты, как устройство для связи ControlNet<–>DeviceNet (номер по каталогу 1788-CN2DN), помогают создать решения, которые интегрируют устройства FOUNDATION Fieldbus и устройства DeviceNet в общую, полную архитектуру.

   Все устройства в сети ControlNet имеют прямой доступ ко всем данным в сети FOUNDATION Fieldbus. Устройство для связи ControlNet<–>FOUNDATION Fieldbus (H1) (номер по каталогу 1788-CN2FF), имеет много преимуществ:

• конфигурирование устройств FOUNDATION Fieldbus из сети ControlNet;
• двухстороннее совместное использование данных между устройствами ControlNet и FOUNDATION Fieldbus;
• диагностическая обратная связь и мониторинг нескольких сетей FOUNDATION Fieldbus из одной сети ControlNet;
• централизованные контроллеры в сети ControlNet управляют событиями в сети FOUNDATION Fieldbus. Гибкие опции инсталляции сети ControlNet включают:
• Опция избыточного носителя помогает быть уверенным, что система может поддерживать функционирование при повреждении кабеля;
• Опция искробезопасности позволяет вам установить сеть ControlNet во взрывоопасных условиях. Сочетание волоконно- оптических концентраторов ControlNet 1786 и ControlNet Ex 1797 обеспечивает безупречный высокоскоростной детерминированный поток данных и обмен сообщениями между опасными и безопасными областями. Эта комбинация функционирует как естественный безопасный разделитель между опасными и безопасными областями и может обеспечить дальнюю связь.

    
Связь

   Сеть ControlNet обеспечивает функции Data Highway Plus и универсального Remote I/O Allen-Bradley со скоростью 5 Мбит/с. Несколько процессоров могут управлять своими собственными назначенными выходами по одному общему сегменту ControlNet и каждый из них — считывать состояние всех входов на сегменте. Любой процессор на сегменте может послать сообщение любому другому процессору на сегменте.

   Сообщения от узла на одном сегменте ControlNet могут  быть маршрутизированы через шлюз ControlLogix к узлу на другом сегменте ControlNet, сегменте DeviceNet, сегменте DH+ или сегменте Ethernet.

    
Характеристики

• Поддерживает программирование, межпроцессорное управление и управление вводом/выводом на одном сегменте без влияния на ввод/вывод, критичный ко времени.
• Опции избыточности носителя и искробезопасности.
• Обеспечивает функции сетей Data Highway Plus и универсального Remote I/O при 5 Мбит/с.
• Обеспечивает высокую пропускную способность данных, что улучшает производительность ввода/вывода и взаимные блокировки контроллеров.
• Поддерживает максимум 99 узлов, без минимального расстояния между ними.
• Обеспечивает простую, гибкую установку и настройку, которые не требует специальных инструментов.
• Позволяет вам иметь доступ к сети из любого узла для программирования процессора PLC и диагностики.
• Широковещание данных, как входов, так и обмена, для сокращения программирования.
• Включает улучшенную системную диагностику, которая облегчает конфигурирование и поддержку.
• Широкий выбор устройств ввода/вывода.
• Обеспечивает детерминированную, циклическую передачу данных от/к устройствам дискретного и аналогового ввода/вывода.
• Позволяет вам выбрать время обновления входов/выходов и блокировок между процессорами PLC, которое соответствует требованиям вашего приложения.
• Позволяет процессорам связываться с несколькими устройствами за одну пересылку.
• Устраняет необходимость программирования блок-трансферов.
• Совместим с большим числом текущих продуктов Allen-Bradley и будет совместимым с еще большим в будущем.
• Обеспечивает работу в средах с высоким уровнем помех с помощью волоконно-оптических сегментов.
• Сообщения от/к узлу на одном сегменте ControlNet могут быть маршрутизированы через шлюз ControlLogix к узлу на другом сегменте ControlNet, сегменте DH+ или сегменте Ethernet.