2.5. Системноориентирани спецификации за изграждане на интегрирани индустриални мрежи 2.5.1. Спецификация CIP за индустриални мрежи - въведение Спецификацията Common Industrial Protocol (CIP) е пример за приложение на системния подход и представлява опит за дефиниране на глобален комуникационен модел за индустриални мрежи от различни нива. Тук са изложени основните характеристики на тази спецификация, която представлява обща основа на няколко известни съвременни мрежови спецификации като: DeviceNet, ControlNet и Ethernet/IP. Спецификацията CIP дефинира обектноориентиран протокол за връзки между устройства на индустриалната автоматика като: сензори, изпълнителни механизми, контролери и пр. CIP моделът е инвариантен спрямо физическата среда и каналния слой на конкретните реализации. Той реализира следните две основни задачи: Транспортиране на вх./изх. данни между елементите на САУМК; Пренос на друга информация, индиректно свързана с управлението (настроечни параметри, диагностика и пр.). Понятието връзка е ключово за разбиране на философията на CIP, тъй като CIP дефинира схема, основана на връзки за комуникация между приложенията. Една CIP връзка представлява път за комуникация между множество крайни точки в мрежата. Крайните точки представляват конкретни приложения, които обменят данни. Преносите на информация посредством дадена връзка получават специален идентификатор при установяване на връзката. Този идентификатор на връзката се означава като Connection ID (CID). За целта специални обекти (Connection Objects) моделират комуникационните характеристики на конкретни взаимодействия между две приложения. Схемата на CIP, основана на връзки, дефинира динамични средства за установяване на следните два типа връзки: Вх./изх. връзки (I/O Connections) - осигуряват специално ориентирани логически пътища за комуникация между приложение - производител и едно или повече приложения - консуматори. Между крайните точки протича обмен на вх./изх. информация за целите на управлението с помощта на т. нар. имплицитни съобщения (implicit messages); Връзки за експлицитни съобщения (Explicit Messaging Connections) представляват логически път за свързване между възлите в мрежата на равноправна основа по механизъм от тип запитване-отговор; Структура на спецификацията CIP Спецификацията CIP дефинира приложния и потребителския слой на индустриални мрежи от всички нива в йерархията. Фиг. 2.5.1. илюстрира взаимовръзките между общата CIP архитектура и отделните подспецификации. Системна структура и топология Системната структура използва следната физическа организация: System = { Domain(s) } Системата (system) съдържа една или няколко области (domains). Domain = { Network(s) } Областта (domain) е съвкупност от една или няколко мрежи (networks) от различен тип. 84
Фиг.2.5.1. Обща CIP архитектура и отделни подспецификации Network = { Subnet(s) } Мрежата (network) е съвкупност от една или няколко подмрежи, състоящи се от възли с уникални за мрежата идентификатори (MAC ID). Subnet = { Nodes(s) } Подмрежата (subnet) е съвкупност от възли, използващи общ протокол и арбитриране на достъпа до средата, т.е. подмрежата може да съдържа множество сегменти и повторители. Segment = { Nodes(s) } Сегментът е съвкупност от възли, свързани към един непрекъснат участък от физическата среда (кабел). Node = { Object(s) } Възелът (node) е съвкупност от обекти, които комуникират в подмрежата. Едно физическо устройство (напр. PLC) може да съдържа един или повече възли. Логическа структура Системната структура използва следните логически елементи: (Cluster = { Node(s) } Кластър (cluster) е съвкупност от възли, които са логически свързани. Един възел може да принадлежи на един или повече кластъри. Един кластър може да обхваща подмрежи, мрежи или области (домейни) фиг. 2.5.2. 85
Фиг. 2.5.2. Логическа структура 2.5.2. Обектно моделиране в CIP спецификацията Спецификацията CIP използва абстрактно обектно моделиране за описание на: Набора от достъпни комуникационни услуги; Външно видимото поведение на един CIP възел; Общите средства, чрез които в един CIP продукт се осъществява достъп и обмен на информация Всеки CIP възел се моделира като съвкупност от обекти (Objects). При моделирането на CIP устройствата се използват следните термини: Обект (Object) Обектът е абстрактно представяне на отделен компонент от даден възел. Реализацията на този абстрактен обектен модел в даден продукт зависи от конкретното изпълнение. Клас (Class) Класът е множество от обекти, които представят един и същ системен компонент. Реализация (Instance) Реализация на обект е фактическото представяне на обект от даден клас. Всяка реализация притежава един и същ набор от атрибути, но с присъщи само на реализацията стойности. Атрибут (Attribute) Атрибутите са характеристики на обекта или класа. Обикновено атрибутите предоставят информация за състоянието и параметри за настройка или управляват начина на функциониране на обекта. Поведение (Behaviour) Поведението на обекта е спецификация на това как той реагира на различни събития. Услуга (Service) Услугите представляват специфични задачи (функции), които обектът/класът може да изпълни. CIP дефинира множество от т. нар. общи услуги (CIP Common Services). Комуникационни обекти (Communication Objects) Набор от обекти, които реализират обмена на имплицитни (вх./изх.) и експлицитни съобщения. Обекти на приложението (Application Objects) - Набор от обекти, които реализират функции, специфични за даден продукт. 2.5.3. Адресиране на обектите Информацията, необходима за адресиране на обектите в една мрежа според спецификацията CIP, се генерира като комбинация от стойности на следните видове идентификатори: Идентификатор на възела (Media Access Control Identifier - MAC ID) представлява целочислена стойност, уникална за всеки отделен възел в мрежата. 86
Фиг.2.5.3. Идентификатори на възли в мрежата Идентификатор на класа (Class Identifier - Class ID) - целочислена стойност, уникална за всеки отделен клас от обекти в мрежата. Идентификатор на реализацията (Instance Identifier - Instance ID) - целочислена стойност, присвоена на всяка отделна реализация на даден обект в рамките на класа. Тази стойност е уникална в рамките на областта MAC ID:Class, където съществува реализацията. Идентификатор на атрибут (Attribute Identifier -Attribute ID) - целочислена стойност, присвоена за означаване на всеки отделен атрибут. Фиг.2.5.4. Идентификатори на класове, реализации и атрибути 2.5.4. Входно/изходни връзки Вх./изх. връзки осигуряват път за обмен съобщения между едно приложение производител и едно или няколко приложения консуматори на информацията. В САУМК по тези пътища се предават вх./изх. данни за хода на управлявания процес. Съответните съобщения се наричат Вх/изх съобщения (I/O Messages). Всяко вх/изх съобщение се състои от Идентификатор на връзката (Connection ID) и асоциирани с тази връзка вх./изх. данни. Важна особеност е, че смисълът на данните е заложен в идентификатора на връзката. Предполага се, че консуматорите на данни знаят 87
тяхното предназначение, след като са установили вече връзка (т. нар. Consuming I/O connection) и тя има конкретен идентификатор. 2.5.5. Връзки за обмен експлицитни съобщения Механизмът на експлицитните връзки (Explicit Messaging Connections) служи за универсална комуникация между кои да е два възела в мрежата. В този случай предмет на обмен са т. нар. експлицитни съобщения (Explicit Messages). Те се използват за управление изпълнението на задачи и докладване на резултатите от това изпълнение. Базирани са на механизъм запитване/отговор (request/response) и са типични приложения за конфигуриране и настройка на модули в различните устройства по мрежата. Спецификацията CIP съдържа специален протокол, който установява значението на отделните съобщения. Едно експлицитно съобщение съдържа както идентификатор на връзката, така и информация за вида на съобщението (в съответствие с протокола) и данни, ако се изискват такива. 2.5.6. Обектно моделиране на мрежово устройство За да се постигне взаимозаменяемост, е необходимо един и същ обект, реализиран в различни устройства, да има едно и също поведение. Всеки CIP продукт (мрежово устройство) съдържа поне няколко обекта, които си взаимодействат, за да осъществят заложените в устройството функции измерване, филтриране, управление и пр. Поради това, че поведението на отделните обекти е фиксирано, то и поведението на идентични множества от обекти ще е еднакво и вследствие на това и устройствата с еднакъв набор от вътрешни за тях обекти ще имат идентично външно видимо поведение. Така на системно ниво се постига взаимозаменяемост на устройствата дори и те да са от различни производители. Групирането на обектите в едно устройство се нарича обектен модел (фиг. 2.5.5). Този модел е основното съдържание на профила (Device Profile) на устройство и гарантира идентичното му поведение в мрежата с това на други устройства, изградени по същия профил. Фиг.2.5.5. Обектен модел на устройство в мрежа DeviceNet 88
Обектният модел на едно устройство е описание, което реализира следните функции: Идентифицира всички класове от обекти в устройството, като те могат да бъдат задължителни, незадължителни и условни; Установява броя реализации (instances) на всеки обект от даден клас. Ако устройството поддържа динамично създаване и премахване на реализациите, то се специфицира и максимално възможният брой реализации за всеки обект (например на фиг. 2.5.7 Application Object има три реализации, а Assembly Object - една); Указва дали и как даден обект влияе на поведението (състоянието) на устройството; Дефинира интерфейса на всеки обект, т. е. какви са връзките между отделните обекти и класове от обекти в устройството; Обекти в едно устройство Всяко устройство може да съдържа обекти от три типа - задължителни, незадължителни и с условно присъствие. Задължителните трябва да присъстват във всеки продукт, създаден по вече дефинирания профил (Device Profile). Всеки профил съдържа таблица с интерфейсите на всички обекти. Мрежово устройство, създадено в съответствие със спецификацията CIP, съдържа реализации на обекти от следните задължителни класове: Connection Object Class или Connection Manager Object Class; Network specific object (DeviceNet, ControlNet, TCP/IP Object Class); Identity Object Class; Message Router Object Class. Въпреки, че не е отделен обект, разпределителят на несвързаните съобщения (Unconnected Message Manager UCMM), служещ за обработка на експлицитните съобщения, също е задължителен за всяко устройство. В добавка към изброените класове от обекти всяко устройство съдържа и редица задължителни обекти, които служат за реализиране на неговите специфични функции. Може да бъдат включени и обекти, които не влияят на външно видимото поведение на устройството, а изпълняват вътрешни функции като диагностика, самонастройка и пр. Тези обекти се означават в профила като незадължителни (optional) или изискуеми при някакво условие (conditional). В последния случай профилът задължително указва и какво е условието за наличие на даден клас от обекти. Формат на вх./изх. данни В тази част на профила се прецизира информацията за това с какъв формат на данните устройството комуникира по мрежата с останалите възли. Обикновено интелигентните устройства в САУМК произвеждат/консумират стойностите на няколко вх./изх. величини, както и диагностична и друга информация. Всяка величина се представя като Атрибут (Attribute) на някой от вътрешните обекти в устройството. Твърде често е удобно да се обменят множества от стойности на величини, за да се намали натоварването на мрежата. Например стойностите на параметрите за настройка на един ПИД регулатор, които в цифровите системи са поне 4, е удобно да се предават/приемат посредством едно съобщение вместо с 4 отделни. Групирането на такива стойности в един блок в CIP се извършва с реализации на специален групиращ обект (Assembly Object). Дефинирането на формàта на вх./изх. данни всъщност представлява дефиниране на реализациите на този обект за групиране на стойности на величини, които ще се предават като единен блок. Във всеки профил на устройс- 89
тво се извършва дефиниране на формàта на вх./изх. данни в съответствие със следните условия: групите от данни (т. нар. I/O Assemblies) са или входни (Input), или от изходен тип (Output) от страна на мрежата; всяко устройство може да съдържа повече от една група данни, като формàтът на данните може да се конфигурира и външно. 2.5.7. Протокол на съобщенията в CIP Спецификацията CIP се базира на идеята за връзки. Под връзка се разбира логически път за обмен на данни между приложения. Когато се установи една връзка, съобщенията, които я обслужват, включват т. нар идентификатор на връзката (Connection ID - CID). Ако връзката предполага двупосочен обмен, се създават два идентификатора. Точната дефиниция и формат на идентификаторите зависят от конкретната мрежова реализация. Например в мрежите DeviceNet идентификаторите на връзките са базирани на формàта, приет в CAN протокола (CAN Identifier Field). Експлицитни съобщения и тяхното управление Специфичен обект за управление на експлицитните съобщения (Unconnected Message Manager-UCMM) се използва за обработка на потока от заявки и отговори към/от дадено приложение. Те се отнасят както за т. нар. несвързани съобщения, така и за връзки, по които се обменят вх./изх. данни. Когато UCMM се използва за установяване на връзка за експлицитни съобщения, то те постъпват към обекта за маршрутизиране (Message Router object). Връзките за обмен на експлицитни съобщения са винаги от тип точка в точка (point-to-point), т.е. само между две устройства. Устройството, което инициира създаването на връзката (клиентът), е едната крайна точка (end-point) на връзката. Модулът, който получава и отговаря на заявката (сървърът), е другата крайна точка на връзката. Връзки за обмен на вх./изх. данни (I/O Connections) Спецификацията CIP не дефинира правила за това кой може да създава и конфигурира връзки за обмен на вх/изх данни. Например едно устройство от тип операторска станция може да се обърне към две други устройства и да създаде връзка за такъв обмен между тях. Транспортни класове Всеки транспортен клас се грижи за различно ниво услуги (services). Това са услуги, които позволяват комуникацията между приложенията. Те се означават с номерa, като тези с по-висок номер са изградени върху функциите на тези с по-ниски номерa. Приложението-инициатор преценява кой клас да използва за преноса на данни. Class 1: използва една връзка за доставка на информацията на цикличен принцип; проверява заглавната част (header) на пакета, за да установи дублирана доставка на пакети, като освобождава приложението от тази задача; използва втора връзка, за да получи пътя на информацията или heartbeat сигнал за поддържане на връзката; Class 3: използва една връзка, за да достави данните; използва и втора връзка за верификация дали предадената информация е получена и прочетена от получателя; използва се за change-of-state съобщения. Налични са многочислени транспортни параметри, които могат да бъдат комбинирани, за да съответстват на конкретните потребности. Различните транспортни 90
класове позволяват да се извършва: откриване на дублиране, потвърждаване приемането (ACK) на съобщения, както и верификация и фрагментиране на съобщенията. Клиент/сървър взаимодействия Термините клиент и сървър се отнасят за двете крайни точки на една връзка. Клиентът е източник на заявка, а сървърът реагира на тази заявка. В някои случаи сървърът изпраща и обратно съобщение до клиента. Технология за връзка производител/консуматор (Producer/Consumer) Производител/консуматор е понятие, което сe отнася към метода, по който информация се изпраща на каналното ниво (вж. т. 1.3). Когато използва производител/консуматор модел, "авторът" на данните поставя число в предната част на всеки пакет. Това число е идентификаторът на връзката (connection ID, CID). Съобщението се изпраща в мрежата и всяко устройство прочита CID, за да определи дали данните са за неговата консумация. Ако е така, устройството става "потребител". Като резултат връзки за групова комуникация (multicast връзки) се осъществяват естествено и ефективно в производител/консуматор средата. Администраторът може да конфигурира всяко устройство да следи и консумира данни с определен CID, като игнорира останалия трафик. Алтернатива на модела производител/консуматор е по-старият модел източник/получател (source/destination). При модела източник/получател възлите приемат само пакетите, които съдържат техния адрес. Ако повече от един възел се нуждае от същите данни, те трябва да се предават многократно. Това е неефикасно и може да причини проблеми в синхронизацията, тъй като възлите, нуждаещи се от еднакви данни, ги получават по различно време. На основа на технологията производител/консуматор CIP реализира master/slave, peer-to-peer, multicast- и broadcast комуникации, което придава значителна гъвкавост и пълнота на този протокол за индустриални мрежови комуникации. 2.5.8. Конфигуриране на устройства в мрежата Освен обектния модел и формáта на данните, профилът на устройството съдържа и спецификация на конфигурационните параметри на устройството и начина за достъп до тях. Конфигурационните параметри на устройството пряко се отразяват върху неговото поведение. Освен общите и еднакви за всички конфигурационни параметри, всяко устройство може да притежава и допълнителни, които не са дефинирани за съответния тип. Публичният интерфейс за конфигуриране на устройството става чрез обръщение към реализации на обекти от класа Parameter Group Object Class. Поне една от следните спецификации се изисква за всеки конфигурационен параметър: описание на атрибутите на всяка реализация (instance attributes) на обекта Parameter Object Class (за всеки параметър поотделно); данните от частта Parameter Section на специален файл за автоматично конфигуриране (Electronic Data Sheet EDS); като минимум поне следната информация: - име на параметъра; - път до атрибута (class, instance, attribute); - тип на данните; - мерни единици на параметъра; - min/max допустими и начални стойности; ефектът на всеки параметър върху поведението на устройството. 91
2.5.9. Физически слой на CIP Спецификацията CIP е пример за дефиниране на приложен слой в мрежовата комуникация. Физическият слой не е обект на дефиниране в тази спецификация. Следователно тя може да се използва в множество и различни физически мрежови реализации. По тази причина различни мрежови спецификации, основани на CIP, имат и различни физически слоеве. Мрежите DeviceNet използват физически канал от сериен тип по усукана двойка и CAN протокол, мрежите Ethernet/IP използват Ethernet физически слой с TCP/IP и UDP протоколи и т. н. От друга страна, използването на единен подход за дефиниране на приложния слой, който уеднаквява семантиката на съобщенията, позволява изграждането на САУМК от всички слоеве на тристепенната йерархия. По този начин се улеснява вертикалната интеграция в индустриалните мрежи и се създава възможност за по-ефективно функционално взаимодействие между системите за управление на производството. Спецификацията CIP не е единственият опит за унифициране на приложния слой, но представлява интерес поради множеството си реализации и разпространение, както и поради факта, че обхваща всички слоеве от тристепенната йерархия на индустриалната автоматизация. 92