Протокол передачі даних - набір угод логічного рівня, які визначають обмін даними між різними . Ці угоди задають однаковий спосіб передачі повідомлень і при взаємодії програмного забезпечення рознесеною в просторі , з'єднаної тим чи іншим інтерфейсом.
У сучасних системах автоматизації в результаті постійної модернізації виробництва все частіше зустрічаються завдання побудови розподілених промислових мереж з використанням гнучких протоколів передачі даних.
Пройшли ті часи, коли де-небудь в апаратній ставилося величезний шафа з обладнанням, до нього тягнулися кілометри товстих пучків кабелів, провідних до датчиків і виконавчих механізмів. Сьогодні, в переважній більшості випадків, набагато вигідніше встановити кілька локальних контролерів, об'єднаних в єдину мережу, тим самим заощадивши на установці, тестуванні, введенні в експлуатацію і технічному обслуговуванні, у порівнянні з централізованою системою.
Для організації промислових мереж використовується безліч інтерфейсів і протоколів передачі даних, наприклад Modbus, Ethernet, CAN, HART, PROFIBUS та ін. Вони необхідні для передачі даних між датчиками, контролерами і виконавчими механізмами (ІМ) - калібрування датчіков- харчування датчиків і им- зв'язку нижнього і верхнього рівнів АСУ ТП. Протоколи розробляються з урахуванням особливостей виробництва і технічних систем, забезпечуючи надійне з'єднання і високу точність передачі даних між різними пристроями. Поряд з надійністю роботи в жорстких умовах все більш важливими вимогами в системах АСУ ТП стають функціональні можливості, гнучкість у побудові, простота інтеграції та обслуговування, відповідність промисловим стандартам.
Найбільш поширеною системою класифікації мережевих протоколів є теоретична модель OSI (базова еталонна модель взаємодії відкритих систем, англ. Open Systems Interconnection Basic Reference Model). Специфікація цієї моделі була остаточно прийнята в 1984 році Міжнародною Організацією по Стандартизації (ISO). У відповідності з моделлю OSI протоколи діляться на 7 рівнів, розташованих один над одним, за своїм призначенням - від фізичного (формування і розпізнавання електричних або інших сигналів) до прикладного (API для передачі інформації додатками). Взаємодія між рівнями може здійснюватися, як вертикально, так і горизонтально. У горизонтальному взаємодії програмами потрібен загальний протокол для обміну даними. У вертикальному - за допомогою інтерфейсів.
Прикладний рівень
Прикладний рівень - рівень додатків (англ. Application layer). Забезпечує взаємодію мережі й додатків користувача, що виходять за рамки моделі OSI. На цьому рівні використовуються наступні протоколи: HTTP, gopher, Telnet, DNS, SMTP, SNMP, CMIP, FTP, TFTP, SSH, IRC, AIM, NFS, NNTP, NTP, SNTP, XMPP, FTAM, APPC, X.400, X .500, AFP, LDAP, SIP, ITMS, Modbus TCP, BACnet IP, IMAP, POP3, SMB, MFTP, BitTorrent, eD2k, PROFIBUS.
Представницький рівень
Представницький рівень (англ. Presentation layer) - рівень представлення даних. На цьому рівні може здійснюватися перетворення протоколів і стиснення / розпакування або кодування / декодування даних, а також перенаправлення запитів іншому мережному ресурсу, якщо вони не можуть бути оброблені локально. Запити додатків, отримані з рівня додатків, він перетворить у формат для передачі по мережі, а отримані з мережі дані перетворить у формат, зрозумілий додаткам. До цього рівня зазвичай відносять такі протоколи: HTTP, ASN.1, XML-RPC, TDI, XDR, SNMP, FTP, Telnet, SMTP, NCP, AFP.
Сеансовий рівень
Сеансовий рівень (англ. Session layer) управляє створенням / завершенням сеансу зв'язку, обміном інформацією, синхронізацією завдань, визначенням права на передачу даних і підтримкою сеансу в періоди неактивності додатків. Синхронізація передачі забезпечується приміщенням у потік даних контрольних точок, починаючи з яких поновлюється процес при порушенні взаємодії.
Використовувані протоколи: ASP, ADSP, DLC, Named Pipes, NBT, NetBIOS, NWLink, Printer Access Protocol, Zone Information Protocol, SSL, TLS, SOCKS.
Транспортний рівень
Транспортний рівень (англ. Transport layer) організовує доставку даних без помилок, втрат і дублювання в тій послідовності, як вони були передані. Розділяє дані на фрагменти рівної величини, об'єднуючи короткі і розбиваючи довгі (розмір фрагмента залежить від використовуваного протоколу). Використовувані протоколи: TCP, UDP, NetBEUI, AEP, ATP, IL, NBP, RTMP, SMB, SPX, SCTP, DCCP, RTP, TFTP.
Мережевий рівень.
Мережевий рівень (англ. Network layer) визначає шляхи передачі даних. Відповідає за трансляцію логічних адрес і імен у фізичні, за визначення найкоротших маршрутів, комутацію і маршрутизацію, за відстеження неполадок і заторів в мережі. Використовувані протоколи: IP, IPv6, ICMP, IGMP, IPX, NWLink, NetBEUI, DDP, IPSec, ARP, RARP, DHCP, BootP, SKIP, RIP.
Канальний рівень
Канальний рівень (англ. Data link layer) призначений для забезпечення взаємодії мереж на фізичному рівні. Отримані з фізичного рівня дані перевіряє на помилки, якщо потрібно виправляє, упаковує у фрейми, перевіряє на цілісність, і відправляє на мережевий рівень. Канальний рівень може взаємодіяти з одним або декількома фізичними рівнями. Специфікація IEEE 802 розділяє цей рівень на 2 підрівня - MAC (Media Access Control) регулює доступ до поділюваного фізичного середовища, LLC (Logical Link Control) забезпечує обслуговування мережного рівня. Використовувані протоколи: STP, ARCnet, ATM, DTM, SLIP, SMDS, Ethernet, FDDI, Frame Relay, LocalTalk, Token ring, StarLan, L2F, L2TP, PPTP, PPP, PPPoE, PROFIBUS.
Фізичний рівень
Фізичний рівень (англ. Physical layer) призначений безпосередньо для передачі потоку даних. Здійснює передачу електричних або оптичних сигналів в кабель або в радіоефір і, відповідно, їх прийом і перетворення в біти даних відповідно до методами кодування цифрових сигналів. Використовувані протоколи: RS-232, RS-422, RS-423, RS-449, RS-485, ITU-T, xDSL, ISDN, T1, E1, 10BASE-T, 10BASE2, 10BASE5, 100BASE-T, 1000BASE-T , 1000BASE-TX, 1000BASE-SX.
Як ви могли помітити, багато протоколи згадуються відразу на декількох рівнях. Це говорить про недоработанности і віддаленості теоретичної моделі від реальних мережевих протоколів, тому прив'язка деяких з них до рівнів OSI є умовною.
У світовій практиці, серед мереж загального застосування, найбільш широко поширений протокол HTTP (англ. HyperText Transfer Protocol - «протокол передачі гіпертексту»). Відноситься до прикладного та представницькому рівням теоретичної моделі OSI. HTTP базується на технології «клієнт-сервер», тобто існує споживач (клієнт), який ініціює з'єднання і посилає запит, і постачальник (сервер), який очікує з'єднання для отримання запиту, проводить необхідні дії і повертає назад повідомлення з результатом. Основним типом НТТР-клієнта є браузер, наприклад Mozilla Firefox, Opera або Microsoft Internet Explorer. HTTP в даний час повсюдно використовується у Всесвітній павутині для отримання інформації з веб-сайтів.
На базі HTTP розроблені розширені протоколи: HTTPS (англ. Hypertext Transfer Protocol Secure), що підтримує шифрування, і HTTP-NG (англ. HTTP Next Generation), що збільшує швидкодію Web і розширює можливості промислового застосування.
Позитивні сторони: простота розробки клієнтських додатків, можливість розширення протоколу шляхом додавання власних заголовків, поширеність протоколу.
Негативні сторони: великий розмір повідомлень, в порівнянні з двійковими даними, відсутність навігації в ресурсах сервера, неможливість використання розподілених обчислень.
Області промислового застосування: створення віддалених диспетчерських пунктів, Web-додатки для SCADA систем, програмне забезпечення промислових контролерів, організація відеоспостереження.
На сьогоднішній день протокол HTTP і його модифікації підтримуються обладнанням та програмним забезпеченням більшості виробників. Розглянемо деякі з них.
В обладнанні компанії Korenix серій JetNet, JetRock, JetPort, JetI / O, JetBox (побудова мереж на базі промислового Ethernet), JetWave (бездротові рішення) протоколи сімейства HTTP використовуються для організації доступу, конфігурації і управління пристроями.
Компанія ICPDAS для роботи з протоколом HTTP пропонує наступне обладнання і програмне забезпечення. Контролери серії ХРАК, WinPAC, WinCon, LinPAC, ViewPAC працюють під управлінням операційних систем Windows і Linux, з вбудованим HTTP-сервером. Програмні пакети InduSoft (SCADA), ISaGRAF, Web HMI, VXCOMM, MiniOS7 Studio, також використовують HTTP-сервер для зв'язку і взаємодії з пристроями.
Керовані комутатори, що вбудовуються комп'ютери, обладнання промислових бездротових мереж, виробництва компанії Моха, не обходяться без використання протоколів сімейства HTTP.
Для організації взаємодії між елементами автоматизації в промислових мережах передачі даних широко застосовується комунікаційний протокол Modbus. Існують три основні реалізації протоколу Modbus, дві для передачі даних по послідовним лініях зв'язку, як мідним EIA / TIA-232-E (RS-232), EIA-422, EIA / TIA-485-A (RS-485), так і оптичним та радіо: Modbus RTU і Modbus ASCII, і для передачі даних по мережах Ethernet поверх TCP / IP: Modbus TCP.
Різниця між протоколами Modbus ASCII і Modbus RTU полягає в способі кодування символів. У режимі ASCII дані кодуються за допомогою таблиці ASCII, де кожному символу відповідає два байти даних. У режимі RTU дані передаються у вигляді 8-ми розрядних двійкових символів, що забезпечує більш високу швидкість передачі даних. ASCII допускає затримку до 1 секунди на відміну від RTU, де повідомлення повинні бути безперервними. Також режим ASCII має спрощену систему декодування і управління даними.
Протоколи сімейства Modbus (Modbus ASCII, Modbus RTU і Modbus TCP / IP) використовують один прикладний протокол, що дозволяє забезпечити їх сумісність. Максимальна кількість мережевих вузлів в мережі Modbus - 31. Протяжність ліній зв'язку і швидкість передачі даних залежить від фізичної реалізації інтерфейсу. Елементи мережі Modbus взаємодіють, використовуючи клієнт-серверну модель, засновану на транзакціях, що складаються з запиту і відповіді.
Зазвичай в мережі є тільки один клієнт, так зване, «головне» (англ. Master) пристрій, і кілька серверів - «підлеглих» (slaves) пристроїв. Головне пристрій ініціює транзакції (передає запити). Підлеглі пристрої передають запитувані головним пристроєм дані, або виробляють запитувані дії. Головний може адресуватися індивідуально до підлеглого або ініціювати передачу широкомовного повідомлення для всіх підлеглих пристроїв. Підлеглий пристрій формує повідомлення і повертає його у відповідь на запит, адресований саме йому.
Області промислового застосування: організація зв'язку датчиків і виконавчих механізмів з контролером, зв'язок контролерів і керуючих комп'ютерів, зв'язок з датчиками, контролерами і корпоративними мережами, у SCADA системах.
Простота застосування протоколів сімейства Modbus в промисловості зумовило його широке поширення. На сьогоднішній день, обладнання практично всіх виробників підтримує протоколи Modbus.
Компанія ICPDAS пропонує широкий спектр комунікаційного устаткування для організації мереж на базі протоколів сімейства Modbus: серія I-7000 (шлюзи DeviceNet, сервери Modbus, адресовані комунікаційні контролери) - програмовані контролери серій ХРАК, WinPAC, WinCon, LinPAC, ViewPAC.
Операторські панелі виробництва компанії Weintek, частотні перетворювачі Control Techniques для зв'язку з контролерами також використовують протокол Modbus.
Традиційно протоколи сімейства Modbus підтримуються OPC серверами SCADA систем (Clear SCADA, компанії Control Microsystems, InTouch Wonderware, TRACE MODE) для зв'язку з елементами управління (контролерами, ЧРП, регуляторами та ін.).
У Європі широкого поширення набула відкрита промислова мережа PROFIBUS (PROcess FIeld BUS). Спочатку, прототип цієї мережі був розроблений компанією Siemens для своїх промислових контролерів.
PROFIBUS об'єднує технологічні та функціональні особливості послідовного зв'язку польового рівня. Вона дозволяє об'єднувати розрізнені пристрої автоматизації в єдину систему на рівні датчиків і приводів. Мережа PROFIBUS ґрунтується на декількох стандартах і протоколах, використовує обмін даними між ведучим і веденими пристроями (протоколи DP і PA) або між кількома провідними пристроями (протоколи FDL та FMS).
Мережа PROFIBUS можна асоціювати з трьома рівнями моделі OSI: фізичний, канальний і рівень додатків.
Єдиним протоколом для доступу до шини для всіх версій PROFIBUS є реалізований на другому рівні моделі OSI протокол PROFIBUS-FDL. Даний протокол використовує процедуру доступу за допомогою маркера (token). Так само, як і мережі на базі протоколів Modbus, мережа PROFIBUS складається з провідних (master) і ведених (slave) пристроїв. Провідний пристрій може керувати шиною. Коли у ведучого (master) пристрою є право доступу до шини, воно може передавати повідомлення без вилученого запиту. Ведені пристрої - це звичайні периферійні пристрої, не мають прав доступу до шини, тобто вони можуть тільки підтверджувати прийняті повідомлення або передавати повідомлення ведучому пристрою за його запитом. У мінімальній конфігурації мережа може складатися або з двох провідних, або з одного ведучого і одного веденого пристрою.
Одні й ті ж канали зв'язку мережі PROFIBUS допускають одночасне використання декількох протоколів передачі даних. Розглянемо кожен з них.
PROFIBUS DP (Decentralized Peripheral - Розподілена периферія) - протокол, орієнтований на забезпечення швидкісного обміну даними між провідними DP-пристроями і пристроями розподіленого вводу-виводу. Протокол характеризується мінімальним часом реакції і високою стійкістю до впливу зовнішніх електромагнітних полів. Оптимізовано для високошвидкісних і недорогих систем.
PROFIBUS PA (Process Automation - Автоматизація процесу) - протокол обміну даними з обладнанням польового рівня, розташованим у звичайних або вибухонебезпечних зонах. Протокол дозволяє підключати датчики і приводи на одну лінійну шину або кільцеву шину.
PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification - Специфікація повідомлень польового рівня) - універсальний протокол для вирішення завдань з обміну даними між інтелектуальними мережевими пристроями (контролерами, комп'ютерами / программаторами, системами людино-машинного інтерфейсу) на польовому рівні. Деякий аналог промислового Ethernet, зазвичай використовується для високошвидкісного зв'язку між контролерами і комп'ютерами верхнього рівня.
Всі протоколи використовують однакові технології передачі даних і загальний метод доступу до шини, тому вони можуть функціонувати на одній шині.
Позитивні сторони: відкритість, незалежність від постачальника, поширеність.
Області промислового застосування: організація зв'язку датчиків і виконавчих механізмів з контролером, зв'язок контролерів і керуючих комп'ютерів, зв'язок з датчиками, контролерами і корпоративними мережами, у SCADA системах.
Основну масу обладнання використовує протокол PROFIBUS становить обладнання компанії SIEMENS. Але останнім часом цей протокол отримав застосування у більшості виробників. Багато в чому це обумовлено поширеністю систем управління на базі контролерів Siemens.
Компанія ICPDAS для реалізації проектів на базі PROFIBUS пропонує ряд ведених пристроїв: шлюзи PROFIBUS / Modbus серії GW, перетворювачі PROFIBUS в RS-232/485/422 серії I-7000, модулі та каркаси віддаленого вводу / виводу PROFIBUS серії PROFI-8000. У теперішній час інженерами компанії ICPDAS ведуться інтенсивні розробки в галузі створення PROFIBUS ведучого пристрою.
Джерело:
- опис протоколів передачі даних.