3.2. Обектноориентирани мрежови спецификации от ниво управление 3.2.1. Обектноориентирана мрежова спецификация ControlNet Характеристики ControlNet e спецификация за изграждане на индустриални мрежи с надеждни високоскоростни връзки за обмен на съобщения, съдържащи два основни типа информация: Вх./изх. данни и управляващи съобщения; Некритични по време съобщения. Информацията за целите на управлението е с най-висок приоритет. Фиг. 3.2.1. Топология на ControlNet Мрежите ControlNet поддържат почти всички мрежови топологии (магистрална, дървовидна, звезда или комбинирана) за удовлетворяване на различните потребности (фиг. 3.2.1). Отклонения от мрежата могат да се инсталират във всяка точка на магистралната линия, за да се присъединят външни устройства. В спецификацията е предвидено горещо резервиране на канала, като по този начин се гарантира по-висока надеждност и безотказност на мрежата. Мрежите ControlNet използват RG-6 коаксиален кабел и BNC съединители (широко използвани в кабелната телевизия). По този начин ControlNet инсталациите използват евтина и достъпна от много производители технология за различни приложения и с добри характеристики за електромагнитна съвместимост, което е важно условие за работа в производствена среда. Прилагат се и оптични кабели за осигуряване на по-голяма работна дължина и защита от електромагнитни смущения. Спецификацията ControlNet поддържа двумерни мрежови архитектури, като комбинира обновяването на входно-изходните данни с разширени възможности за равноправен (peer-to-peer) обмен на съобщения. Това не засяга общата производителност на мрежата и детерминизма: критичните по време данни са с гарантиран период за доставяне, а останалият трафик има предсказуемо максимално транзакционно време. Сравнително прости приложения (например 32 възела с по 8 цифрови входа/изхода всеки) постигат цикъл на обновяване от 2 ms. Използването на модела производител/консуматор позволява повече от един контролер да има достъп до вх./изх. данни по магистралата. За приложения, изискващи синхронизация на локални часовници, ControlNet осигурява точност на синхронизация по-добра от 10 микросекунди в цялата мрежа. ControlNet е достъпна от всеки възел през точки за временно включване - т. нар. Network Access Port (NAP), за конфигуриране, програмиране и диагностика. Много от мрежовите експлоатационни операции могат да бъдат изпълнени on-line, 98
без разрушаване на текущите връзки, като например: включване/отстраняване на възли или повторна конфигурация на устройство. Приложение на ControlNet Спецификацията ControlNet е разработена да удовлетвори изискванията на САУМК на ниво "управление" и за високоскоростни приложения в реално време. Тя е пригодена за приложения, изискващи детерминизъм, производителност, голям обем данни, пренос на вх./изх. данни на големи разстояния и синхронизирано управление. ControlNet мрежи може да се използват в различни системи за управление, като: системи за съгласуваното електрозадвижване, управление на подвижни обекти, системи за управление на процеси с голямо количество данни и системи с голям брой контури (контролери) и човеко-машинни интерфейси. Структура на Controlnet Фиг. 3.2.2 OSI модел и ControlNet-CIP ControlNet спецификацията е формално документирана според класическия OSI модел (ISO/IEC 7498-1) и включва дефиниции за: физическо ниво, канално ниво, мрежoвo и транспортно ниво, приложно ниво (комуникационни обекти и услуги) и асоциираните управленчески функции. Характеристики на физическото ниво ControlNet специфицира три варианта на носителя : RG-6 (кабелна телевизия) коаксиален кабел, използван с BNC съединители при шинна топология. Tap-устройства на коаксиалния кабел свързват възлите към основния физически канал за връзка чрез отклонения (drop-lines) - фиг. 3.2.3; Оптичен кабел за point-to-point връзки; NAP (Network Access Port) е локален RS-422 порт, който позволява директен достъп до ControlNet мрежата за: системно наблюдение, откриване на неизправности или програмиране на контролери. Допустими са различни топологии на мрежата - линейна, дървовидна, звезда и комбинации от тях. Адресите на възлите в една ControlNet мрежа са в обхвата 0-99. Работна дължина е 1000 m с два възела, 250 m с 48 възела и до 25 km, ако се използват повторители. 99
Фиг. 3.2.3. Горещо резервиране на шината ControlNet поддържа ефикасно горещо резервиране на линията (фиг. 3.2.3), като всички устройства на мрежата са свързани чрез два кабела (канал А и канал B) и прослушват сигнала непрекъснато. Използва се тази линия, която предоставя покачествен сигнал. Данните се предават с постоянна скорост от 5 Мbit/s. Използва се Manchester кодиране на битовете. Предаваните пакети включват и 16-битово CRC поле за допълнително откриване на грешки. Характеристики на каналното ниво (Data Link) ControlNet използва метод за достъп до шината от вида CTDMA (Concurrent Time Domain Multiple Access). Той е ориентиран към обмен на времекритични данни, например вх./изх. данни и управляващи сигнали независимо от некритичните съобщения. Този метод използва алгоритъм на времеделене: абсолютното време е разделено на повтарящи се на интервали - NUT (Network Update Time), дължината на които може да се конфигурира между 2ms и 100ms. Във всеки NUT период времето за предаването е разпределено в три интервала: резервиран интервал (scheduled) - за критични по време съобщения; свободен интервал (unscheduled) - за некритична информация; защитéн интервал (guardband) - служебен, за синхронизиране на мрежата. Достъпът до шината, предоставен на индивидуалните възли, използва неявен ротационен алгоритъм с предаване на маркер във всеки NUT. Откриването на дублирани адреси (MAC ID) също е включено в този метод за достъп. Арбитражът на шината се изпълнява като децентрализирана задача. Всички възли са непрекъснато синхронизирани, така че точно "знаят" кога ще имат достъп до мрежовата среда, за да предадат своите данни. Символната ротация работи на кръгов принцип от найниския към най-високия конфигуриран възлов адрес (SMAX, UMAX) и започва отново в следващия NUT интервал. Ако даден възел откаже достъп, друг, използващ следващия по-висок адрес (MAC ID), предава своята информация след като изчака известно време (slot time). Когато отсъстващият възел отново стане активен, той автоматично се синхронизира с реда на предаване, без да въздейства на функционалността на мрежата. Ако възелът няма данни за изпращане, той предава нулев кадър. В ControlNet се резервира предварително определено време за възли, предаващи данни в реално време. Този резервиран (scheduled) интервал в рамките на всеки NUT е детерминиран. Резервираното време се основава на изискванията на приложението. 100
Оставащото време за предаване се използва за обмен на некритични по време данни. Този нерезервиран (unscheduled) интервал не е запазен за отделни възли, а се използва, ако е необходимо. Данните, изпратени в този интервал, не засягат доставянето на данни в резервирания интервал. Те също са с детерминирано максимално време на доставка. Преди края на NUT-периода е резервиран интервал от време, наречен guardband, който се използва за синхронизация на възлите. По време на този интервал модераторът (възелът с най-малък адрес) изпраща информация в кадър, наречен moderator frame, която синхронизира всички останали възли в ControlNet мрежата. За целта в този възел се поддържа специален обект - Keeper Object, съхраняващ конфигурацията на мрежата. Всеки възел предава информация в ControlNet, като я опакова в MAC кадри. Всеки MAC кадър може да съдържа повече от един пакет данни - Lpackets, които се транспортират заедно. Структурата на един кадър и Lpacket е показана на фиг. 3.2.4. Фиг. 3.2.4. Формат на кадър в ControNet Основното поле в тези пакети е идентификаторът на връзката (Connection_ID, CID), определящ типа на информацията, която следва. Съществуват два формàта на CID: Формат за фиксирана идентификация на връзката (2 байта) - съдържа код на услугата (service code) и адрес на получателя (destination network address). Code байтът се използва за да означи изискваната услуга, а destination байтът показва на кой адрес трябва да се достави тази информация; Формат за основна идентификация на връзката (3 байта) - съдържа уникален номер, използван да специфицира пакета с данни. В ControlNet пакетите с данни се обменят между устройствата чрез механизма производител/консуматор (producer/consumer). Вместо с определен адрес на източника и адресанта, пакетите се адресират със CID идентификатор. Източникът (producer) чрез съобщение от тип broadcast предава до всички пакет с данни, при което всички заинтересувани консуматори могат да използват този пакет, като го филтрират в съответствие с намиращия се в него идентификатор CID. Този модел 101
позволява виртуално всички класически способи на комуникация: master/slave, multimaster или връзка чрез равноправен механизъм (peer-to-peer). Характеристики на мрежовото и транспортното ниво Функциите на тези нива се изпълняват от протокола Common Industrial Protocol - CIP (вж. т. 2.5). Използва се набор от транспортни параметри, които могат да бъдат комбинирани, за да съответстват на потребностите на приложенията. Механизмите за комуникация могат да бъдат равноправни (peer-to-peer) или групови (multicast). Данни могат да бъдат изпращани с циклични (cyclic), изменение-на-състоянието (change-of-state) и други типове съобщения. Различните транспортни класове позволяват да се открива дублиране, потвърждава приемането (ACK) на съобщение, както и да се извършва верификация и фрагментиране на съобщенията. Характеристики на приложното ниво Горните слоеве на ControlNet протокола са основани на съвременните принципи на обектноориентираното проектиране. Мрежовата връзка и организацията на приложението се моделират като обекти. Специфичният обмен на съобщения в ControlNet изисква всяка заявка за услугата да бъде изпълнена в съответните обекти (или техните атрибути). Тази моделна схема осигурява по-ясно специфициране на конфигурации, състояния, данни и променливи във възела (вж. т. 2.5). Управление на мрежата ControlNet се характеризира с динамично планиране на мрежата. Всеки възел съдържа копие от параметрите на връзката и локалната scheduling информация. Специфични възли пазачи (keeper-възли) пазят тези параметри за глобалната мрежа. Един основен (първичен) keeper-възел притежава цялостната конфигурационна последователност - от началното включване и преконфигурирането на мрежата до текущия момент, а вторични пазачи автоматично резервират първичния. Като резултат, индивидуални резервирани (scheduled) връзки могат да бъдат променени, без това да въздейства на текущия обмен на информация. Възли могат също да се прибавят или отстраняват, без това да се отразява на останалата част на мрежата. ControlNet протоколът определя специфични съобщения за разпределение на времето, които заедно с механизмите за синхронизация на вътрешния часовник в каналното ниво позволяват часовниците на отделните възли да бъдат синхронизирани с точност, по-добра от 10 µs. Обобщени характеристики на мрежите ControlNet Параметър Стойности Топология Линейна с отклонения, дървовидна, звезда; комбинации: Скорост на шината Захранване на отделните устройства Механизми за комуникация Метод за проверка 5 Mbit/sec Външно, отделно за всяко устройство master/slave; multi-master; peer-to-peer. 16 бита CRC; предаващото устройство следи предаването в реално време; съобщенията се потвърждават. 102
Параметър Метод на работа Брой на устройствата в една мрежа Време за сканиране по шината (NUT) Метод на адресиране Комуникационен модел Преносна среда Дължина на сегмент Брой на повторителите Максимална дължина с повторители Съединители Размер на пакета данни Стойности multi-master; равноправен достъп; multi-cast (един-към-много); промяна на състоянието, циклично 99 възела 2-100 ms Софтуерно конфигуриране през мрежата или хардуерно адресиране Производител/консуматор Коаксиален и оптичен кабел до 1000m (коаксиален) при 5 Mbit/s; до 250m при 48 възела 5max последователно; 6 сегмента (5 повторителя); последователно; 48 сегмента паралелно; 5000 m (коаксиален) при 5 Mbit/s до 30km (оптичен кабел) BNC, RJ-45 Променлив, 0-510 байта max. 103