О. Иванова, А. Команцев

Новая сетевая технология FRnet: построение высокоскоростных систем распределенного сбора данных

Сегодня рынок промышленной автоматизации буквально перенасыщен всевозможными решениями по организации информационных промышленных сетей. Специалисты ведут постоянные дискуссии о том, каким именно критериям подобные технологии должны удовлетворять: количественным ли параметрам (объём передаваемых данных, скорость передачи, число точек ввода/вывода и так далее), параметрам надёжности, ценовым критериям, наконец, тому, насколько популярна в настоящий момент та или иная технология. Однако наиболее острая точка противостояния - в вопросе о том, следует ли при создании промышленных сетей использовать некое частное решение от одного производителя или же лучше отдавать предпочтение тем решениям, которые опираются на стандарты, поддерживаемые большинством компаний. Должна ли сеть быть "открытой" или "закрытой"? Ответ на этот вопрос не так однозначен, как кажется. Приверженцы открытых систем часто говорят о том, что закрытые технологии - не что иное, как попытка фирм-производителей "привязать" пользователя к своему стандарту. До известной степени, это так. Однако и у закрытых сетевых технологий есть свои несомненные преимущества, главное из которых заключается в том, что здесь аппаратно-программные проблемы уже решены, в то время как в гетерогенных системах неизбежно встают вопросы совместимости разнообразного оборудования и ПО. Одной из таких закрытых технологий является совсем недавно анонсированная компанией ICPDAS технология FRnet.

FRnet (Fault-tolerant and Redundant Network) - это буквально отказоустойчивая сеть с возможностью резервирования. FRnet - сеть для систем реального времени. Она предназначена для высокоскоростного обмена данными между устройствами ввода/вывода в распределённых промышленных системах сбора данных, то есть системах, включающих самое разнообразное оборудование: от мощных супервизорных компьютеров и многофункциональных контроллеров до интеллектуальных пассивных элементов, таких как датчики, регуляторы и так далее. FRnet - это не протокол обмена данными по последовательным сетям, а новая уникальная сетевая технология. FRnet - это двухпроводная сеть. Весь механизм обмена данными по сети обеспечивает высокопроизводительная микросхема FRnet. Она реализует протокол передачи, разбиение информации на отдельные пакеты и проверку корректности передачи данных. Такая аппаратная реализация протокола передачи данных позволяет не расходовать ресурсы главного процессора.

Рисунок 1. Cхема контроллера FRnet на 4 канала

Обращение к модулям ввода/вывода FRnet из прикладной программы осуществляется без дополнительных драйверов и без написания специального протокола: пользователь имеет доступ к точкам ввода/вывода сети через регистры микросхемы FRnet. На каждое устройство ввода/вывода выделен свой 2-байт регистр. Если необходимо вывести данные на одно из устройств цифрового вывода, пользователь должен всего лишь записать необходимые данные в регистр микросхемы FRnet. Дальнейшую передачу осуществит сам контроллер. Аналогично, чтобы считать входные данные, необходимо лишь прочитать соответствующий регистр.

Устройства ввода/вывода FRnet соединяются c контролером по принципу Master/Slave. При этом только одно устройство (главный контроллер) может инициировать передачу (сделать запрос). Устройства ввода/вывода (slaves) передают запрашиваемые контроллером данные или принимают данные, переданные им. Передать информацию непосредственно с одного модуля на другой нельзя. Передача данных в FRnet построена на концепции маркеров. Маркеры создаются главным контроллером FRnet и последовательно, с фиксированным периодом, передаются каждой станции сети. Приняв маркер, станция имеет право обмениваться данными с контроллером. Благодаря фиксированному периоду следования маркеров, пользователь получает возможность легко обнаруживать отказы в сети. Если период следования маркеров изменяется или маркеры не приходят, это может заметить каждая станция и сигнализировать о неисправности. Благодаря возможности быстро обнаружить отказ в сети, у пользователя есть возможность, используя переключатель компании ICP DAS, резервировать вычислительные устройства в сети.

Компания ICP DAS предлагает 2 конфигурации сети FRnet: с поддержкой до 16 модулей ввода/вывода и до 128 модулей. В конфигурации с малым числом модулей мало и число маркеров, которые нужно передать для опроса всей сети. В связи с этим и период опроса сети гораздо меньше, чем у сети с большим количеством устройств. Время опроса всей системы в сети FRnet фиксированное и составляет 0,6 мс при числе устройств до 16 (256 точек ввода/вывода) и 5,76 мс при наличии до 128 устройств (2048 точек ввода/вывода).

Сравним FRnet с наиболее популярными на сегодняшний день сетевыми технологиями.

Таблица. Сравнительные характеристики сетевых технологий

Исходя из данных таблицы, можно сделать следующие выводы о преимуществах FRnet:

• синхронная передача данных;
• время опроса всей системы детерминировано и составляет 0,6–5,76 мс;
• лёгкость обнаружения отказов в сети;
• высокая скорость передачи данных: сообщение состоит в основном из данных, служебная информация минимальна;
• аппаратная реализация протокола передачи данных и, как следствие, отсутствие необходимости в написании драйверов;
• простота программирования: данные каждого устройства проецируются в память микросхемы FRnet, поэтому ввод/вывод для программиста представляется просто чтением/записью в память;
• низкая стоимость сети.

Компания ICPDAS предлагает следующее оборудование для FRnet:

• периферийная плата PCI с контроллером FRnet. Она даёт возможность обращаться к устройствам FRnet с персонального компьютера;
• периферийная плата PCI с контроллером FRnet и PLC. Это периферийная плата со встроенным процессором, который может производить первичную обработку данных FRnet-сети, что уменьшает нагрузку на основной процессор компьютера;
• встраиваемый контроллер серии I-7188 с поддержкой FRnet;
• цифровое ЖК-табло с FRnet интерфейсом;
• модули ввода/вывода для шины FRnet. В настоящее время готовы опытные образцы модулей цифрового ввода/вывода. Это линейка из 16- и 32-канальных модулей ввода/вывода как изолированных, так и без изоляции. Модули аналогового ввода/вывода пока находятся в разработке. Компания IPCDAS планирует выпустить 16-разрядные модули АЦП и ЦАП в начале 2003 года;
• устройство для резервирования контроллера FRnet.

Попытаемся сделать общий вывод. Когда же целесообразно применение FRnet-стандарта? FRnet предназначен именно для систем реального времени, где требуется очень высокая частота опроса каналов - до 1 кГц. Что же касается областей применения, FRnet может использоваться не только при автоматизации быстро меняющихся промышленных процессов, но и в медицине, транспорте, жилищно-бытовой сфере и в химической промышленности.