книги / Проектирование и эксплуатация автоматизированных систем диспетчерского управления объектами критической инфраструктуры современного города

европейских систем (EIB, BatiBus, EHS) в один стандарт KNX. Владельцем уже мирового стандарта KNX является международная ассоциация Konnex Association (в прошлом EIBA). Помимо разработки стандартов

инорм ассоциация занимается:

–контролем качества и совместимости продукции от разных производителей;

–согласованием рекламной и торговой политики фирм-производи- телей, имеющих право на использование торгового знака KNX/EIB.

Стандарт KNX объединяет десятки ведущих европейских производителей электротехнической продукции, и поэтому устройства различных производителей способны работать в одной KNX-инсталляции. Продукция KNX/EIB выпускается под разными торговыми марками:

i-bus® EIB (ABB), instabus® (Gira, Siemens и др.), Domotik® (Bosch).

Шина KNX является единственным общемировым ОТКРЫТЫМ СТАНДАРТОМ в области автоматизации управления от квартиры до группы зданий. Также KNX – это лидирующий стандарт автоматизации зданий среди мировых систем «умных домов» и «интеллектуальных зданий». Инсталляционная шина KNX/EIB является распределенной системой, то есть для нее не нужен центральный компьютер. Все шинные устройства в электроинсталляции здания соединяются в сеть одним сигнальным кабелем типа «витая пара». Сигнал передается по одной паре проводов (вторая пара – резервная). Основные элементы шинной системы KNX/EIBвключают в себя:

–KNX-датчики, которые измеряют и подают сигнал о состоянии, например, выключатели, панели управления, термостаты датчики протечки или датчики открытия окон/дверей;

–KNX-актуаторы, или «исполнители», которые выполняют команды, например, актуаторы жалюзи, светорегуляторы, клапаны перекрытия воды, актуаторы-выключатели;

–системные устройства, такие как блоки питания, соединители линий, различные модули логики, IP-маршрутизаторы, GSM-шлюзы;

–KNX-шина, «сигнальная линия», которая обеспечивает питанием слаботочные компоненты системы и одновременно служит физической средой для передачи данных.

Для «общения» в системе KNX используются 4 среды передачи данных:

–передача данных через шину;

–передача данных по электросети;

21

–передача данных по радиоканалу (радиочастота 868 МГц);

–передача данных по Ethernet.

Существуют следующие различия между традиционной проводкой и электропроводкой по KNX-технологии:

–в традиционной проводке (230 В) потребители включаются/ выключаются с помощью обычных выключателей, что требует проводки силового кабеля (230 В) к каждому выключателю и потребителю. А в системе KNX силовая электропроводка (230 В) прокладывается только между актуаторами (исполнительными устройствами шины) и потребителями, а все датчики (выключатели, термостаты

идр.) с актуаторами соединяются слаботочной KNX-шиной (30 В). Благодаря этому силовая часть выполняется без обходных путей, что уменьшает расход силового кабеля, количество соединений, потерь и, как следствие, снижает вероятность возникновения короткого замыкания, пожара;

–в случае традиционной электропроводки для каждого потребителя или группы потребителей прокладывают отдельный кабель, а для каждой прикладной системы управления (охранной, противопожарной, системы доступа) – отдельную кабельную сеть, что уже сейчас воспринимается как архаизм, когда широкий ассортимент разработанных уст-

ройств позволяет автоматизировать все системы жизнеобеспечения

вздании и на вашей территории (освещение, отопление, охрана, вентиляция, поливка газонов и др.) и объединить их в единую управляемую сеть инфраструктуры. Таким образом, в KNX-сети каждое шинное устройство может взаимодействовать с любым другим устройством или группой устройств.

Помимо экономии проводов из этого вытекают и другие преимущества:

–на порядок упрощается электроустановка в здании. При этом значительно сокращаются затраты на ее проектирование и прокладку, поскольку у силовых кабельных сетей остается лишь одна задача – подвод электропитания к потребляющим устройствам;

–беспроблемное расширение или изменение системы. Это ценно

вслучае изменения назначения помещений – тогда просто переставляются или перепрограммируются устройства шины без прокладки новых проводов;

–простое и удобное управление устройствами для создания комфортных условий в доме и достижения существенной экономии средств при рациональном расходе энергоресурсов.

22

Таким образом, KNX – это сравнительно новый стандарт, объединящий популярные системы шин в системах управления зданиями – EIB, Batibus и EHS. Совместная деятельность организаций EIBA, BatiBUS International и EHSA позволяет надеяться на успешную разработку спецификации, в которой ряд существующих систем будет объединен в единый стандарт KNX на основе технологии EIB.

Стандарт LONWorks

LONWorks (LON – Local Operating Network) – сетевая технология автоматизации, разработанная для применения на транспорте, в промышленности и строительстве. Технология создана американской компанией Echelon, основанной в 1986 году Майком Маркуллой (Mike Markulla), бывшим сотрудником корпораций Intel и Apple. Штаб-квартира компании находится в Сан-Хосе (шт. Калифорния).

Основы технологии LONWorks были заложены в начале 90-х годов прошлого века, когда инженерами компании Echelon были разработаны специализированный микропроцессор Neuron Chip (впервые был представлен в декабре 1990 года), коммуникационный протокол LONTalk (ANSI/EIA 709-1) и первое инструментальное программное обеспечение для разработки и проектирования. С тех пор технология непрерывно развивается и приобрела статус международного и национального стандарта ряда стран. На международный рынок технологию LONWorks продвигает Международная ассоциация LONMark, объединяющая более 300 компаний по всему миру. C 2007 года действует российское национальное отделение ассоциации [5].

Базовое понятие сети LONWorks – сетевая переменная. Механизм сетевых переменных служит основой для информационного обмена в сетях LONWorks. Любое изменение значения выходной сетевой переменной узла-сенсора автоматически передается всем узлам сети, с входными сетевыми переменными которых связана данная переменная. Сейчас стандарт LONWorks описывает более 180 типов стандартных пе-

ременных, SNVT (Standard Network Variable Types) и более 160 стан-

дартных типов конфигурационных параметров, SCPT (Standard Configuration Parameter Types). Логическая адресация узлов LONWorks

реализуется через понятия домена, номера подсети и номера узла. Один домен может включать до 255 подсетей, а каждая подсеть – до 127 устройств. Таким образом, в одном домене может быть до 32 385 узлов.

23

Число доменов в сети LONWorks практически не ограничено (до 248). Узлы, принадлежащие различным доменам, не могут связываться по сети напрямую. В этом случае связь осуществляется через специальные сетевые устройства – мосты (bridges) и маршрутизаторы (routers).

Один из важнейших структурных компонентов менеджмента сетей LONWorks – сетевая операционная система LNS (LONWorks Network Services), представляющая собой клиент-серверную платформу для проектирования, администрирования и мониторинга сетей LONWorks и поставляемая компанией Echelon.

Коммерческая особенность технологии LONWorks – необходимость отчислять компании Echelon плату в размере 5 долл. за загрузку и ввод в эксплуатацию каждого сетевого узла (так называемые кредиты). Для более глубокого изучения технологии LONWorks можно рекомендовать работы [1, 6, 7]. На российском рынке технология LONWorks представлена продукцией таких производителей, как Beckhoff, Echelon,

Elka, Loytec, S+S Regeltechnik, Svea, Thermokon, TCA, Wago и ряда других.

Наиболее распространенное инструментальное средство LONWorks – программный пакет LONMaker, поставляемый компанией Echelon и созданный наоснове программы визуального проектирования Visio компании

Microsoft.

Одной из особенностей систем автоматизации, построенных с применением LONWorks, является их децентрализация. Децентрализованная система на базе LONWorks обладает следующими свойствами:

–все устройства являются равноправными (нет деления на ведущее и ведомое устройство);

–инициализация передачи данных, как правило, производится отправителем. Получение данных методом опроса считается неэффективным;

–функции каждого узла программируются с помощью событий. Локальные вычислительные сети, в частности LONWorks, идеаль-

но подходят для построения сетей по децентрализованному принципу, при этом ресурсы распределены среди большого числа узлов. Так, в автоматизации зданий одна сеть может содержать около 10 000 узлов. Узлы LONWorks могут использоваться в различных областях и оптимально сконфигурированы.

Сетевая технология LONWorks предоставляет разработчику системы все основные типы передающих сред, таких как витая пара, коакси-

24

альный кабель, оптоволокно, передача данных с использованием радиотракта, инфракрасных передатчиков и силовых линий.

Основой построения узла является нейрон-чип, который для передачи использует манчестерское кодирование. Основное достоинство этого метода в отсутствии постоянной составляющей в сигнале, что позволяет совместить шину питания и информационную шину.

Враспоряжении разработчиков имеется семейство нейрон-чипов.

Взависимости от требований можно использовать различные их типы.

Интересно, что коммуникационный протокол реализован аппаратно

вкаждом нейрон-чипе и не требует дополнительных затрат на реализацию. От пользователя требуется записать пользовательское приложение

внейрон-чип и, используя специальные программные средства, связать их между собой (различные приложения, находящиеся в разных узлах).

MC143120 – это процессор для управления и связи, который позволяет разрабатывать совместимые продукты. Он обеспечивает проектировщикам систем много преимуществ для ускорения процесса разработки распределенных систем и управляющих приложений. Службы каждого из 7 уровней ISOOSI встроены в протокол LONTalk и могут быть легко использованы. В дополнение 34 модели ввода-вывода интегрированы с аппаратным обеспечением. MC143120 разработан для входной частоты до 10 МГц в температурном диапазоне от –40 до +85 °C, включая запись в EEPROM. Краткие характеристики приведены ниже:

–три 8-битных конвейерных микропроцессора для параллельной обработки приложения и сетевых пакетов;

–11 выводов для ввода-вывода с использованием 34 моделей для быстрой разработки программного приложения;

–2 16-битных таймера/счетчика для измерения и генерации выходных сигналов;

–5-выводный коммуникационный порт, который поддерживает режим Direct Connect и интерфейс сетевых приемопередатчиков;

–1024 байт статического ОЗУ для буферизации сетевых даннёых и данных приложения;

–512 байт EEPROM;

–программируемые нагрузочные выходы IO4 IO7 и 20 мА входы

на IO0 IO3;

–уникальный 48-битный номер;

–10 кБайт ПЗУ;

–32-выводный корпус;

25

–малое потребление электроэнергии 15 мА (нормально) при частоте 10 Мгц и 3 мА при частоте 625 кГц;

–режим уменьшенного потребления (режим «сна»);

–технология производства 0,8 мкМ;

–излишний 48-битный код для большей надежности.

Различные модели нейрон-чипов отличаются друг от друга различными характеристиками, часть из них приведена ниже в табл. 1.1.

					Таблица 1.1
Модели нейтрон-чипов и их характеристики
	MC143150MC143120			MC143120E2		TMPN3120E1
Характеристики			Числоядер
	3	3		3		3
RAM Байт	2,048	1,024		2,048		1,024
ROM Байт		10,240		10,240		10,240
EEPROM Байт	512	512		2,048		1,024
16-битныетаймеры/счетчики	2	2		2		2
Интерфейсдлявнешнейпамяти	Да	Нет		Нет		Нет
Корпус	PQFP	SOG		SOG		SOG
Выводов	64	32		32		32

Протокол, реализованный в нейрон-чипе, является независимым от среды передачи данных. Среди передающих сред доступны витая пара, коаксиальный кабель, оптоволокно, передача данных с использованием радиотракта, инфракрасных передатчиков и силовых линий.

Таким образом, можно сделать вывод, что из всех fieldbusсистем, LONWorks является наиболее молодой и перспективной системой. При ее разработке учитывалось, что все основные ниши на рынке систем автоматизации были заняты, и поэтому было решено создать систему, которая бы использовалась универсально. В итоге была создана система, которая отличается от остальных тем, что может применяться в 75–80 % всех приложений. Вышеупомянутая распространенность систем LONWorks в реальных проектах, функционирующих на территории Российской Федерации, и обусловила выбор технологии LONWorks в качестве основного примера, рассматриваемого в последующих главах настоящего пособия.

26

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПО ГЛАВЕ 1

Для самопроверки степени усвоения материала данной главы постарайтесь ответить на следующие контрольные вопросы:

1.На каком из уровней транспортной инфраструктуры ИУС характерно использование полевых (fieldbus) технологий?

2.Сколько уровней содержит модель транспортной инфраструктуры ИУС, и каково их назначение?

3.В чем заключаются основные достоинства и недостатки техно-

логии Profibus, ModBUS, LONWorks, KNX, EIB?

4.В чем заключается роль автоматизированных систем для объектов критической инфраструктуры?

5.Приведите варианты применения АСДУ ОК для одной из задач, характерных для объектов критической инфраструктуры.

27

Глава 2. ИНСТРУМЕНТАРИЙ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ПЛАНИРОВАНИЯ И ИНТЕГРАЦИИ СЕТЕВЫХ ИНФРАСТРУКТУР СТАНДАРТА LONWORKS

Главными преимуществами технологии LONWorks перед другими технологиями построения ИУС, декларируемыми компанией Echelon, являются продуманность и удобство программного инструментария разработки, настройки и сопровождения сетей LON. Основные усилия разработчиков компании Echelon и ряда других компаний были направлены на совершенствование не аппаратной составляющей LONWorks, а программной, в состав которой входят инструменты для разработки LON-устройств для инсталляции и сопровождения сети, анализаторы протокола и OPC/DDE-серверы.

Помимо вышеперечисленных программных пакетов (являющихся собственностью Echelon и ее партнеров) для построения ИУС на базе технологии LONWorks необходимо задействовать инструменты для разработки человеко-машинного интерфейса от сторонних разработчиков, таких, как, например, AdAstra, поскольку те инструменты, которые предоставляют основные производители LON-совместимого ПО, не слишком удобны. С другой стороны, производители фирменного LON-ПО обеспечивают возможности подключения любого HMI, предлагая фирменные DDE- и OPC-серверы и предоставляя разработку SCADAпакетов тем фирмам, которые на этом специализируются.

2.1. ИНСТРУМЕНТЫ РАЗРАБОТКИ LON-УСТРОЙСТВ

Стремление компании Echelon сделать процесс проектирования fieldbus-систем простым и быстрым определило концепцию разработки сети LONWorks. В отличие от традиционных методов проектирования,

вкоторых для создания программного обеспечения для узлов ИУС применялись различные инструментальные средства, языки и технологии программирования, а сам процесс написания программ был чрезвычайно долгим и сложным, написание программ для узлов сети LONWorks является довольно простым делом. Для создания всего прикладного ПО

вИУС, построенной на основе технологии LONWorks, в большинстве

28

случаев, достаточно одной среды разработки, называемой инструментарием для инсталляции сети. Более того, все прикладное ПО, за исключением разработанного в сторонних программах, например SCADAпакетах, представляет собой одну распределенную, так называемую сетевую программу.

Поскольку LONWorks – это технология построения распределенных систем управления, то сетевая программа, или сетевой проект, отражает принцип распределенности. Сетевая программа, как уже указывалось, создается в инструменте инсталляции сети путем связывания сетевых переменных разных функциональных блоков (подробнее см. п. «Инструменты инсталляции сети»). В большинстве случаев для того, чтобы задать нужную логику работы сети, бывает достаточно стандартных типов сетевых переменных и стандартных функциональных блоков, однако это не всегда так. Для тех ситуаций, когда набором стандартных функциональных блоков не ограничиться, или при создании новых узлов применяются инструменты для разработки LON-устройств.

Инструменты для разработки LON-устройств – это программные пакеты, служащие для создания интерфейсов узлов LON-сети. Интерфейсом любого LON-узла является его набор конфигурационных свойств, сетевых переменных и функциональных блоков. Если для узла правильно определены все эти параметры, то он может быть задействован наряду с другими

вкаком-либо сетевом проекте. Все эти параметры хранятся в так называе- мом .xif-файле, файле прошивки устройства. Помимо набора сетевых переменных, конфигурационных свойств и перечня функциональных блоков

вфайле прошивки хранятся сведения о производителе, о самом файле прошивки, уникальный 48-значный идентификатор устройства Neuron ID и некоторая другая информация. Инструменты для разработки LON-уст- ройств, например программный пакет Echelon Node Builder FX, служат для создания и редактирования этого файла прошивки.

Программирование логики работы функциональных блоков производится на специализированном языке Neuron C – упрощенной версии стандартного ANSI C, оптимизированной под маломощные восьмиразрядные процессоры приложений Neuron chip` и учитывающей событийную ориентированность системы LONWorks.

Нужда в программах, предоставляющих подобные возможности, возникает не так уж часто. Благодаря тому, что технология LONWorks достаточно популярна и оборудование для нее выпускается более чем 400 компаниями, большая часть устройств, которая может понадобиться

29

для создания практически любой ИУС, вместе со своими файлами прошивок уже создана. Поэтому разработчик LON-сетей может даже не столкнуться с необходимостью изучать этот инструментарий в своей профессиональной деятельности.

2.2. ИНСТРУМЕНТЫ ИНСТАЛЛЯЦИИ СЕТИ

Как уже излагалось ранее, основной средой разработчика LON-сети является программный пакет, предназначенный для инсталляции сети. В этом пакете разработчик создает сетевой проект, определяет нужный набор функциональных блоков, назначает связи между сетевыми переменными и вводит сеть в эксплуатацию. Весь этот процесс называется «программирование сети».

В качестве инструмента для инсталляции сети предлагается использовать программный пакет LONMaker Integration Tool компании Echelon как наиболее удобный и хорошо документированный.

LONMaker представляет собой пакет программного обеспечения для проектирования, установки, эксплуатации и технического обслуживания управляющих сетей LONWorks в проектах автоматизации зданий и технологических процессов. Программа LONMaker базируется на сетевой операционной системе LNS, имеет архитектуру клиент-сервер

иудобный интерфейс пользователя Microsoft Visio. Кроме того, LONMaker поддерживает одновременную работу многочисленных приложений и пользователей, а также устройства серии iLon, что обеспечивает удаленный доступ к LON-устройствам по протоколу LONTalk или IP. LONMaker позволяет создавать техническую документацию, поддерживает импорт

иэкспорт файлов AutoCAD, а также позволяет создавать несложные интерфейсы оператора. C помощью подключаемых плагинов (небольших сторонних приложений, обычно бесплатно поставляемых производителем, предназначенных для более удобного конфигурирования LON-узлов) можно быстро и просто сконфигурировать устройства семейства

LONPoint. Программный пакет LONMaker Integration Tool может приме-

няться на стадиях разработки, ввода в эксплуатацию и сопровождения ИУС, построенной на базе технологии LONWorks.

Сам термин «программирование сети» появился благодаря тому, что процесс создания сетевой программы/сетевого проекта похож на программирование на языке FBD. В палитре объектов LONMaker можно обнаружить два типа основных элементов: объекты-устройства и объек- ты-функциональные блоки (рис. 2.1).

30