время жизни верхнего уровня

промышленная сеть верхнего уровня
коммуникационная сеть верхнего уровня
сеть операторского уровня
Сеть верхнего уровня АСУ ТП.
Сеть передачи данных между операторскими станциями, контроллерами и серверами.
[ http://kazanets.narod.ru/NT_PART2.htm]

В данной статье речь пойдет о коммуникационных сетях верхнего уровня, входящих в состав АСУ ТП. Их еще называют сетями операторского уровня, ссылаясь на трехуровневую модель распределенных систем управления.

Сети верхнего уровня служат для передачи данных между контроллерами, серверами и операторскими рабочими станциями. Иногда в состав таких сетей входят дополнительные узлы: центральный сервер архива, сервер промышленных приложений, инженерная станция и т.д. Но это уже опции.

Какие сети используются на верхнем уровне?
В отличие от стандартов полевых шин, здесь особого разнообразия нет. Фактически, большинство сетей верхнего уровня, применяемых в современных АСУ ТП, базируется на стандарте Ethernet (IEEE 802.3) или на его более быстрых вариантах Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. При этом, как правило, используется полный стек коммуникационных протоколов TCP/IP. В этом плане сети операторского уровня очень похожи на обычные ЛВС, применяемые в офисных приложениях. Широкое промышленное применение сетей Ethernet обусловлено следующими очевидными моментами:

1.    Промышленные сети верхнего уровня объединяют множество операторских станций и серверов, которые в большинстве случаев представляют собой персональные компьютеры. Стандарт Ethernet отлично подходит для организации подобных ЛВС; для этого необходимо снабдить каждый компьютер лишь сетевым адаптером (NIC, network interface card). Коммуникационные модули Ethernet для промышленных контроллеров просты в изготовлении и легки в конфигурировании. Стоит отметить, что многие современные контроллеры уже имеют встроенные интерфейсы для подключения к сетям Ethernet.

2.   На рынке существует большой выбор недорого коммуникационного оборудования для сетей Ethernet, в том числе специально адаптированного для промышленного применения.

3.   Сети Ethernet обладают большой скоростью передачи данных. Например, стандарт Gigabit Ethernet позволяет передавать данные со скоростью до 1 Gb в секунду при использовании витой пары категории 5. Как будет понятно дальше, большая пропускная способность сети становится чрезвычайно важным моментом для промышленных приложений.

4.   Очень частым требованием является возможность состыковки сети АСУ ТП с локальной сетью завода (или предприятия). Как правило, существующая ЛВС завода базируется на стандарте Ethernet. Использование единого сетевого стандарта позволяет упростить интеграцию АСУ ТП в общую сеть предприятия, что становится особенно ощутимым при реализации и развертывании систем верхнего уровня типа MES (Мanufacturing Еxecution System).

Однако у промышленных сетей верхнего уровня есть своя специфика, обусловленная условиями промышленного применения. Типичными требованиями, предъявляемыми к таким сетям, являются:

1.    Большая пропускная способность и скорость передачи данных. Объем трафика напрямую зависит от многих факторов: количества архивируемых и визуализируемых технологических параметров, количества серверов и операторских станций, используемых прикладных приложений и т.д.

В отличие от полевых сетей жесткого требования детерминированности здесь нет: строго говоря, неважно, сколько времени займет передача сообщения от одного узла к другому – 100 мс или 700 мс (естественно, это не важно, пока находится в разумных пределах). Главное, чтобы сеть в целом могла справляться с общим объемом трафика за определенное время. Наиболее интенсивный трафик идет по участкам сети, соединяющим серверы и операторские станции (клиенты). Это связано с тем, что на операторской станции технологическая информация обновляется в среднем раз в секунду, причем передаваемых технологических параметров может быть несколько тысяч. Но и тут нет жестких временных ограничений: оператор не заметит, если информация будет обновляться, скажем, каждые полторы секунды вместо положенной одной. В то же время если контроллер (с циклом сканирования в 100 мс) столкнется с 500-милисекундной задержкой поступления новых данных от датчика, это может привести к некорректной отработке алгоритмов управления.

2.    Отказоустойчивость. Достигается, как правило, путем резервирования коммуникационного оборудования и линий связи по схеме 2*N так, что в случае выхода из строя коммутатора или обрыва канала, система управления способна в кратчайшие сроки (не более 1-3 с) локализовать место отказа, выполнить автоматическую перестройку топологии и перенаправить трафик на резервные маршруты. Далее мы более подробно остановимся на схемах обеспечения резервирования.

3.    Соответствие сетевого оборудования промышленным условиям эксплуатации. Под этим подразумеваются такие немаловажные технические меры, как: защита сетевого оборудования от пыли и влаги; расширенный температурный диапазон эксплуатации; увеличенный цикл жизни; возможность удобного монтажа на DIN-рейку; низковольтное питание с возможностью резервирования; прочные и износостойкие разъемы и коннекторы. По функционалу промышленное сетевое оборудование практически не отличается от офисных аналогов, однако, ввиду специального исполнения, стоит несколько дороже.
 

Рис. 1. Промышленные коммутаторы SCALANCE X200 производства Siemens (слева) и LM8TX от Phoenix Contact (справа): монтаж на DIN-рейку; питание от 24 VDC (у SCALANCE X200 возможность резервирования питания); поддержка резервированных сетевых топологий.

Говоря о промышленных сетях, построенных на базе технологии Ethernet, часто используют термин Industrial Ethernet, намекая тем самым на их промышленное предназначение. Сейчас ведутся обширные дискуссии о выделении Industrial Ethernet в отдельный промышленный стандарт, однако на данный момент Industrial Ethernet – это лишь перечень технических рекомендации по организации сетей в производственных условиях, и является, строго говоря, неформализованным дополнением к спецификации физического уровня стандарта Ethernet.

Есть и другая точка зрения на то, что такое Industrial Ethernet. Дело в том, что в последнее время разработано множество коммуникационных протоколов, базирующихся на стандарте Ethernet и оптимизированных для передачи критичных ко времени данных. Такие протоколы условно называют протоколами реального времени, имея в виду, что с их помощью можно организовать обмен данными между распределенными приложениями, которые критичны ко времени выполнения и требуют четкой временной синхронизации. Конечная цель – добиться относительной детерминированности при передаче данных. В качестве примера Industrial Ethernet можно привести:

1.    Profinet;
2.    EtherCAT;
3.    Ethernet Powerlink;
4.    Ether/IP.

Эти протоколы в различной степени модифицируют стандартный стек TCP/IP, добавляя в него новые алгоритмы сетевого обмена, диагностические функции, методы самокорректировки и функции синхронизации, оставляя при этом канальный и физический уровни Ethernet неизменными. Это позволяет использовать новые протоколы передачи данных в существующих сетях Ethernet с использованием стандартного коммуникационного оборудования.

Теперь рассмотрим конкретные конфигурации сетей операторского уровня.
На рисунке 2 показана самая простая – базовая конфигурация. Отказ любого коммутатора или обрыв канала связи ( link) ведет к нарушению целостности всей системы. Единичная точка отказа изображена на рисунке красным крестиком.

Рис. 2. Нерезервированная конфигурация сети верхнего уровня

Такая простая конфигурация подходит лишь для систем управления, внедряемых на некритичных участках производства (водоподготовка для каких-нибудь водяных контуров или, например, приемка молока на молочном заводе). Для более ответственных технологических участков такое решение явно неудовлетворительно.

На рисунке 3 показана отказоустойчивая конфигурация с полным резервированием. Каждый канал связи и сетевой компонент резервируется. Обратите внимание, сколько отказов переносит система прежде, чем теряется коммуникация с одной рабочей станцией оператора. Но даже это не выводит систему из строя, так как остается в действии вторая, страхующая рабочая станция.

Рис. 3. Полностью резервированная конфигурация сети верхнего уровня

Резервирование неизбежно ведет к возникновению петлевидных участков сети – замкнутых маршрутов. Стандарт Ethernet, строго говоря, не допускает петлевидных топологий, так как это может привести к зацикливанию пакетов особенно при широковещательной рассылке. Но и из этой ситуации есть выход. Современные коммутаторы, как правило, поддерживают дополнительный прокол Spanning Tree Protocol (STP, IEEE 802.1d), который позволяет создавать петлевидные маршруты в сетях Ethernet. Постоянно анализируя конфигурацию сети, STP автоматически выстраивает древовидную топологию, переводя избыточные коммуникационные линии в резерв. В случае нарушения целостности построенной таким образом сети (обрыв связи, например), STP в считанные секунды включает в работу необходимые резервные линии, восстанавливая древовидную структуры сети. Примечательно то, что этот протокол не требует первичной настройки и работает автоматически. Есть и более мощная разновидность данного протокола Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP, IEEE 802.1w), позволяющая снизить время перестройки сети вплоть до нескольких миллисекунд. Протоколы STP и RSTP позволяют создавать произвольное количество избыточных линий связи и являются обязательным функционалом для промышленных коммутаторов, применяемых в резервированных сетях.

На рисунке 4 изображена резервированная конфигурация сети верхнего уровня, содержащая оптоволоконное кольцо для организации связи между контроллерами и серверами. Иногда это кольцо дублируется, что придает системе дополнительную отказоустойчивость.

Рис. 4. Резервированная конфигурация сети на основе оптоволоконного кольца

Мы рассмотрели наиболее типичные схемы построения сетей, применяемых в промышленности. Вместе с тем следует заметить, что универсальных конфигураций сетей попросту не существует: в каждом конкретном случае проектировщик вырабатывает подходящее техническое решение исходя из поставленной задачи и условий применения.

[ http://kazanets.narod.ru/NT_PART2.htm]

Тематики

• автоматизированные системы

Синонимы

• коммуникационная сеть верхнего уровня
• сеть операторского уровня

EN

• terminal bus

to be in /at/ the high - достигнуть высшего уровня /предела, максимума/

an all-time high - рекордный /небывалый/ уровень

she learned bookkeeping in high - она обучилась счетоводству в школе

from on high - свыше, с небес

high mountain [wall] - высокая гора [стена]

high ground - высокое место, возвышенность

high cloud - высокое облако

the highest floor - верхний этаж

the highest point of the range - самая высокая /высшая/ точка горной цепи

with one's head high - с высоко поднятой головой

the sun was high - солнце было высоко

the sun is getting higher - солнце поднимается (всё выше)

a tree thirty metres high - дерево высотой в тридцать метров, тридцатиметровое дерево

the snow was half-leg high - снег доходил до колен

how high is the mountain? - какова высота этой горы?

high temperature /fever/ [pressure] - высокая температура [-ое давление]

high speed - большая скорость

to get one's horse into a good high trot - пустить лошадь крупной рысью

to /in/ the highest degree - в высшей степени

high antiquity - большая /глубокая/ древность

high price - высокая /дорогая/ цена

high rate of interest - высокие проценты

to play for high stakes - вести крупную игру

to pay high taxes - платить высокие налоги

living is high - жизнь дорога

to buy smth. at a high figure - дорого заплатить за что-л.; отдать большую сумму за что-л.

to sell one's life at a high price - дорого отдать свою жизнь

high wind - сильный /крепкий/ ветер

high heat - сильная жара

high colour /complexion/ - яркий румянец

high colours - яркие цвета

high diet /feeding/ - усиленное питание

high Tory - крайний консерватор

high farming - интенсивное земледелие

a food high in iron - богатая железом пища

high summer - разгар лета

at high noon - точно в полдень

it was high day when this happened - это случилось средь бела дня

it is high time for us to go - нам пора идти

high caste - высшая каста

high official - высокопоставленный чиновник

high rank - высший чин

high office - высшая должность

high command - высшее /верховное/ командование

persons in high position - люди, занимающие высокое положение /высокие должности/; высокопоставленные лица

position of the highest importance - очень высокое положение; ответственная должность

to appoint smb. to a higher post - назначать кого-л. на более высокую должность

high quality - хорошее /высокое/ качество

high merit - большое достоинство

the highest efficiency - а) наивысшая производительность; б) самая высокая квалификация

in the highest sense of the word - в самом лучшем смысле слова

to hold smb. in high respect - очень уважать кого-л.

to have a high opinion of smb. - быть очень хорошего мнения о ком-л.

to speak about smb. in high terms - очень хорошо отзываться о ком-л.

to deserve high praise [honour] - заслуживать высокой похвалы [чести]

high spirit [mind] - высокий /благородный/ дух [ум]

high thoughts /thinking/ [feelings] - высокие /возвышенные/ мысли [чувства]

high ideals [aims] - высокие /возвышенные/ идеалы [цели]

high calling - высокое призвание

high comedy - высокая комедия

a man of high character - благородный человек

high consequences - серьёзные последствия

the high hour of history - решающий час /момент/ истории

the high point of the novel - кульминационный момент всего романа

this question is high on the agenda - это основной /ключевой/ вопрос в повестке дня

high pitch /tone/ - высокий тон

the violin is not high enough - скрипка недостаточно высоко настроена

high spirits - весёлое /приподнятое/ настроение

to have a high (old) time - хорошо повеселиться, хорошо провести время

his heart was high - на сердце /на душе/ у него было радостно

high from nervous tension - возбуждённый от (перенесённого) нервного потрясения

he was high and didn't know what he was saying - он был пьян и болтал всякую чепуху

he was getting higher all the time by nipping at martinis - он всё время прикладывался к мартини и всё больше хмелел

high living - жизнь на широкую ногу

high life - а) светская жизнь; to live the high life - вести светский образ жизни; high life below stairs - имитация слугами «красивой жизни» хозяев; б) светское общество, высший свет

this meat is rather high, this meat has rather a high flavour - это мясо с душком /попахивает/

high vowel - гласный верхнего подъёма

high words - гневные слова; разговор в повышенном тоне, крупный разговор

with a high hand - властно

to be /to get/ high on smth. - быть увлечённым /увлечься/ чем-л.

at the concert I got high on the music - музыка, которую я услышал на концерте, увлекла /взволновала/ меня

how is that for high? - ну как, здорово сделано /сказано/?

to climb high - забраться /залезть/ высоко

high up the Thames - далеко вверх по Темзе

higher up the river - выше по течению реки

to hold one's head high - высоко держать голову

to rise high in public esteem - высоко подняться в общественном мнении

high er and high er - всё выше и выше

the wind blows high - дует сильный ветер

her heart beat high - её сердце сильно /учащённо/ билось

to feed high - обильно кормить, откармливать

to pay high - дорого платить

he went as high as £200 - он готов был заплатить двести фунтов

to live high - жить в роскоши, жить широко

to sing high - петь высоким голосом

to speak high - говорить резко

his voice rose high - а) он заговорил резко /на высоких нотах/; б) он запел высоким голосом

expenditure is running high - расходы растут и растут

to hunt high and low (for smth.) - искать (что-л.) повсюду

high mountain — высокая гора

New York City has many high buildings. — В Нью-Йорке много высоких зданий.

the high top of the garden-wall — верхняя часть ограды

The common size of the natives is somewhat under six inches high. — Аборигены обычно ростом ниже шести дюймов.

high life / high society — высшее общество, светское аристократическое общество

high official — высокопоставленный чиновник, крупное должностное лицо

He holds a high position in the government. — Он занимает высокий пост в правительстве.

the Most High — Всевышний

high and low — (люди) всякого звания

high art — высокое искусство

One must have high ideals. — Человек должен иметь возвышенные идеалы.

high opinion — высокая оценка

high quality — высшее качество

high wind — сильный ветер

The car was travelling at high speed. — Автомобиль мчался с большой скоростью.

at a high cost — по высокой цене

Prices have never been so high. — Цены никогда не поднимались так высоко.

the higher apes — высшие приматы

high words — гневные слова; разговор в повышенном тоне

high and mighty — высокомерный, надменный

(it is) high time — давно пора; самая пора

high as a kite — вдребезги пьяный

The hawk was circling high in the sky. — Ястреб кружил высоко в небе.

to aim high — метить высоко

Every heart beat high with joy at the news. — При этой вести сердца всех забились сильнее от радости.

to live high — жить в роскоши, жить богато, на широкую ногу

The gross national product has reached an all-time high. — Валовой национальный продукт достиг рекордно высокого уровня.

to be in the high, to be at the high — достигнуть высшего уровня

to reach a high — достичь пика, предела, кульминации

all-time high — рекордный, небывало высокий уровень

There are highs and lows of political intensity. — В политической жизни есть области повышенного и пониженного напряжения.

I was a drug addict for two years. I was in an almost permanent state of high. — Я употреблял наркотики два года. Я был практически постоянно под кайфом.