Синцова Ю.И., доцент, к.т.н., профессор Хорхордин А.В.

Донецкий Национальный Технический Университет

Зависимость варьируемого периода дискретизации от задержек в промышленной сети

Современная промышленная автоматизация претерпевает большие изменения. Пользователи постепенно отходят от практики применения централизованных систем управления, в которых использовался один центральный мощный вычислитель, и начинают переходить на системы с распределенным «интеллектом». Это вызвано такими неприемлемыми для АСУ ТП факторами, как рост числа проводов связи и, соответственно, затраты на приобретение их и вспомогательного оборудования, увеличение количества соединений, сложность диагностики ошибок, монтажа, реконфигурации и проблемы с надежностью. Общая тенденция замены на распределенное управление состоит в размещении интеллектуальных датчиков и исполнительных механизмов непосредственно рядом с управляемым процессом. Связь между узлами такой системы является основной задачей промышленных сетей.

Одним из важнейших требований, предъявляемых к промышленным сетям, является детерминированность – гарантия работы всех компонентов сети в режиме жесткого реального времени. Кроме детерминированности немаловажными требованиями по надежности и скоростным параметрам являются помехоустойчивость сети, скорость передачи данных, гарантированное время ИКтавки фреймов и возможность обнаруживать и исправлять ошибки, а также топология сети с приемлемой связностью, максимальная длина линии и допустимое количество узлов.

Однако существует ряд причин, по которым в системе передачи запроса от мастера к слейву возникают задержки.

Начнем с задержек, возникающих под действием электромагнитных помех. Несмотря на время высоких технологий и инноваций, не каждый пользователь приобретает продукт сертифицированного образца, что приводит к скачкам напряжений и токов и, следовательно, к потери данных на производственной шине. В результате генерируется повторный запрос, что явно ведет к задержке в промышленной шине. Данный вид задержек можно устранить, тщательно экранировав проводники в случае применения витой пары, или же применять в качестве передающей среды оптоволоконный кабель, или же использовать преобразователи электронного сигнала в оптический и обратно при прокладке промышленной шины через зоны с повышенным уровнем помех.

Кроме электрических характеристик окружающей среды, необходимо учитывать и ее физические параметры. Например, выбирать тип кабеля, способного нормально функционировать при больших температурных колебаниях и при больших вибрациях и ударных нагрузках, что характерно для любого отечественного производства.

Если предыдущие факторы были устраняемыми, то исключить наличие коллизий в сети практически невозможно. Чаще всего коллизия возникает при децентрализованном доступе к шине, когда всем компонентам сети предоставляется право начать передавать данные, если только шина уже не занята. Если несколько компонентов начали передачу одновременно (т.е., произошла коллизия), все компоненты прекращают передачу и переходят в режим ожидания на случайное время (задержку), после чего повторяют попытку. Именно при возникновении коллизии возникает недетерминированность в поведении сети.

Существуют сети, частично решающие описанный выше конфликт; в частности это сеть CAN. Разрешение коллизий производится аппаратурой по принципу побитового сравнения передаваемых данных. При этом нулевой уровень сигнала является приоритетным. Т.о., если устройство, передаваемое логическую '1', обнаруживает на шине '0', то оно интерпретирует это как факт коллизии, прекращает текущую передачу и возобновляет ее на следующем ИКле. Очевидно, что и это приводит к задержке в телекоммуникационной сети. Максимальная задержка может быть определена как время, необходимое для передачи всех сообщений с более высокими приоритетами, т.е. требующих жесткого реального времени.

Т.о., задержка τ передачи данных в телекоммуникационной сети от мастера к слейву приводит к изменению времени доставки фреймов в обратном направлении. Причём для каждого опроса это будут разные промежутки времени. И т.к. цикл вычислений будет носить варьируемый характер, то и дискретизация по времени также становится варьируемым параметром (рис.1).

Рис.1 – Принцип влияния задержки опроса в телекоммуникационной сети на варьируемый период дискретизации

Литература:

1. Артемьев В.М., Ивановский А.В. Дискретные системы управления со случайным периодом квантования. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 96с.

2. Любашин А.Н. , Первое знакомство: краткий обзор промышленных сетей по материалам конференции FieldComms 95 // Мир Компьютерной Автоматизации, № 1, 1996.

3. Скворцов А.Н., Сердюков О.В., Тимошин А.И., Дорошкин А.А. Применение промышленной сети CAN в современных системах автоматизации // Автоматизация в промышленности. – 2003. – №11. – С. 10-22.