Технический бюллетень TNP040 26.06.2020 г.

Защита от импульсных перенапряжений оборудования АСУ ТП, работающего по протоколам Modbus и M-Bus.

Обмен информацией между устройствами, входящими в состав автоматизированной системы (компьютерами, контроллерами, датчиками, исполнительными устройствами), происходит в общем случае через промышленную сеть (Fieldbus, «полевую шину»).

Промышленной сетью называют комплекс оборудования и программного обеспечения, которые обеспечивают обмен информацией (коммуникацию) между несколькими устройствами. Промышленная сеть является основой для построения распределенных систем сбора данных и управления.

В данной статье будут рассмотрены особенности защиты от импульсных перенапряжений оборудования автоматизированных систем, работающих по протоколам Modbus и M-Bus.

Modbus — открытый коммуникационный протокол, основанный на архитектуре ведущий — ведомый (master-slave). Широко применяется в промышленности для организации связи между электронными устройствами. Может использоваться для передачи данных через последовательные линии связи RS-485, RS-422, RS-232, и сети TCP/IP (Modbus TCP). Также существуют нестандартные реализации, использующие UDP. Не следует путать MODBUS и MODBUS Plus. MODBUS Plus — проприетарный протокол, принадлежащий Schneider Electric.

К основным достоинствам стандарта следует отнести его открытость и массовость, а также отсутствие необходимости в специальных интерфейсных контроллерах, которые требуют многие другие стандарты. Современная автоматизация выпускает большое количество датчиков, контроллеров и модулей, работающих на базе протокола Modbus. Он позволяет обеспечивать качественное управление оборудованием и контроль за его бесперебойным функционированием на предприятиях различного назначения. Подавляющее большинство современных промышленных систем контроля и управления имеют программные драйверы для работы с MODBUS-сетями.

M-Bus («Meter-Bus») – представляет собой европейский стандарт физического уровня для построения распределенных систем сбора данных (полевой шины) и коммерческого учета расхода энергоресурсов (тепло, вода, газ, электроэнергия и проч.). Также под этим названием понимают коммуникационный протокол, используемый для связи устройств по этой шине.

Стандарт M-Bus описан и утвержден нормативными документами EN 1434–3 (1997 г.), ГОСТ Р ЕН 143403-2006 от 01.09.06. На данный момент этот стандарт поддерживает большинство ведущих производителей приборов учета энергоносителей, и он всё чаще применяется для решения задач автоматизации энергоучета в России.

К основным преимуществам стандарта M-Bus относятся:

• Простота построения сети (один «Master» - множество «Slave»);
• Высокая помехоустойчивость;
• Длина линий связи (свыше 1 км);
• Простое сегментирование сети;
• Добровольное медицинское страхование;
• Большое число точек учёта (до 250 шт.);
• Простота поэтапного расширения сети;
• Пассивное электропитание «Slave»-устройств;
• Минимальные затраты на установку и эксплуатацию оборудования.

I. Защита оборудования, работающего по протоколу Modbus.

Обычно в сети есть только одно ведущее, так называемое, «главное» (англ. master) устройство, и несколько ведомых — «подчинённых» (англ. slaves) устройств. Главное устройство (мастер) инициирует транзакции (передаёт запросы). Мастер может адресовать запрос индивидуально любому подчиненному или инициировать передачу широковещательного сообщения для всех подчиненных устройств. Подчинённое устройство, опознав свой адрес, отвечает на запрос, адресованный именно ему. При получении широковещательного запроса ответ подчинёнными устройствами не формируется.

Modbus-шина должна состоять из одного магистрального кабеля, от которого могут быть сделаны отводы. Магистральный кабель Modbus должен содержать три проводника в общем экране, два из которых представляют собой витую пару, а третий соединяет общие («земляные») выводы всех интерфейсов RS-485 в сети. Общий провод и экран должны быть заземлены в одной точке, желательно около ведущего устройства. Modbus не устанавливает конкретных типов разъёмов.

Устройства могут подключаться к кабелю тремя способами:

• Непосредственно к магистральному кабелю;
• Через пассивный разветвитель (тройник);
• Через активный разветвитель, содержащий развязывающий повторитель интерфейса.

Для передачи сообщений на основании протокола связи Modbus используется несколько линий связи, среди них RS-485, RS-422, RS-232, а для протокола Modbus TCP, передающего сигнал через сеть Ethernet, используется TCP/IP соединение (вопросы защиты оборудования со стороны портов Ethernet подробно рассмотрены на нашем сайте – «Технический бюллетень TNP019 17.10.2016 г. Защита оборудования локальных вычислительных сетей со стороны портов Ethernet»).

Чаще всего протокол Modbus использует двухпроводной интерфейс RS-485, который наиболее эффективен для передачи сигнала на большие расстояния (данный стандарт передачи также известен как ANSI TIA/EIA-485). Гораздо реже используется интерфейс RS-232, поскольку работоспособен он только на расстоянии до 15 м. Данный факт предполагает использовать RS-232 для связи двух рядом расположенных устройств, как правило, внутри одного помещения, что практически исключает вероятность воздействия импульсных перенапряжений на линию связи.

В таблице 1 приведены основные технические характеристики интерфейса RS-485.

Lorem ipsum	Dolor sit	Lorem ipsum	Dolor sit
Dolor sit amet	Dolor	Lorem ipsum	Lorem ipsum
Consectetur adipiscing elit, sed do eiusmod tempor incididunt	Dolor	Lorem ipsum	Lorem ipsum
Dolor sit amet	Dolor	Lorem ipsum	Lorem ipsum
Dolor sit amet	Dolor	Lorem ipsum	Lorem ipsum
Dolor sit amet	Dolor	Lorem ipsum	Lorem ipsum
Dolor sit amet	Dolor	Lorem ipsum	Lorem ipsum