Топология промышленных сетей

Сетевая топология описывает тип сетевого соединения различных устройств. Существует несколько видов топологий, отличающихся друг от друга по трем основным критериям: режим доступа к сети; средства контроля передачи и восстановления данных; возможность изменения числа узлов сети. Основными сетевыми топологиями являются звезда, кольцо и шина.

Структура «звезда» (star). В данной топологии (рис. 2.4) вся информация передается через центральный узел. Каждое устройство имеет свою собственную среду соединения. Все периферийные станции могут обмениваться друг с другом только через центральный узел. Центральный узел должен быть исключительно надежным устройством.

Рис. 2.4. Топология «звезда» Рис. 2.5. Топология «кольцо» Рис. 2.6. Топология «шина»

Структура «кольцо» (ring). В кольцевой структуре (рис. 2.5) информация передается от узла к узлу по физическому кольцу.

Приемник копирует данные и регенерирует их вместе со своей квитанцией подтверждения следующему устройству в сети. Когда начальный передатчик получает свою собственную квитанцию, это означает, что его информация была корректно получена адресатом.

В кольце не существует определенного централизованного контроля. Каждое устройство получает функции управляющего контроллера на строго определенный промежуток времени. Отказ в работе хотя бы одного узла приводит к нарушению работы кольца, а, следовательно, и к остановке всех передач. Чтобы этого избежать, необходимо включать в сеть автоматические переключатели, которые берут на себя инициативу, если данное устройство вышло из режима нормальной работы.

Структура «шина» (bus). В шинной структуре (рис. 2.6) все устройства подсоединены к общей среде передачи данных, или шине.

В отличие от «кольца» адресат получает свой информационный пакет без посредников. Шинная топология требует жесткой регламентации доступа к среде передачи.

	Звезда	Кольцо	Шина
Режим доступа	доступ и управление через центральный узел	децентрализованное управление	централизованный и децентрализованный
Надежность	сбой центрального узла приводит к сбою всей системы	разрыв линии связи приводит к сбою всей сети	ошибка одного узла не приводит к сбою всей сети
Расширяемость	ограничена числом физических портов на центральном узле	возможно расширение числа узлов	возможно увеличение числа узлов

Физический интерфейс RS-485

Протокол связи RS -485 является наиболее широко используемым промышленным стандартом, использующим двунаправленную линию передачи. Протокол поддерживает многоточечные соединения, обеспечивая создание сетей с количеством узлов до 32 и передачу на расстояние до 1200 м. Использование повторителей RS -485 позволяет увеличить расстояние передачи еще на 1200 м или добавить еще 32 узла. Стандарт RS -485 поддерживает полудуплексную связь (либо туда, либо обратно, по тем же двум проводам). Для передачи и приема данных используется витая пара проводов.

Обозначение RS -485 старое, но продолжает использоваться, хотя официально заменено «RS» на «EIA / TIA».

Табл. 2.1. Характеристики стандарта RS -485

Стандартные параметры интерфейсов	RS -485
Допустимое число передатчиков / приемников	32 / 32
Максимальная длина кабеля	1200 м
Максимальная скорость связи	10 Мбит/с

Интерфейс «Токовая петля»

Интерфейс предназначен для передачи информации между устройствами с радиальной последовательной связью (ИРПС).

Подключение устройств осуществляется радиально посредством кабеля.

Интерфейс обеспечивает асинхронную передачу постоянным током (токовая петля) по 4-проводной дуплексной связи.

Формат передаваемой информации (в битах): старт-бит – 1; передаваемые данные – 5,7 или 8; четность – 1 или отсутствует; стоп – 1 или 2.

Два варианта ИРПС

	Состояние	Ток, мА
40-миллиамперная токовая петля	лог. 1/0	30…50/5…10
20-миллиамперная токовая петля	лог. 1/0	15…25/0…3

Соединяемые оконечные устройства имеют гальваническое разделение, осуществляемое со стороны цепи взаимосвязи, которая не питается током. Номинальное значение изоляционного напряжения гальванического разделения – 500 В

HART-протокол

Скоростьпередачи данных по стандарту HART -протокола до 1200 бит/с. Обмен реализуется по принципу Master / Slave.

Стандартная топология организована по принципу «точка-точка» или «звезда».

Для передачи данных по сети используются два режима:

- по схеме «запрос-ответ», т.е. асинхронный обмен данными со временем одного цикла 500 мс;

- все пассивные узлы непрерывно передают свои данные на Master -узел со временем обновления данных в Master -узле 250…300 мс.

Возможно построение топологии типа «шина» (до 15 узлов), когда несколько узлов подключены на одну пару проводов.

Набор команд:

- Универсальные команды. Это команды общего назначения и используются на уровне операторских станций: код производителя устройства в сети, модель, серийный номер, краткое описание устройства, диапазоны ограничений, набор рабочих переменных.

- Команды для групп устройств: фиксация значения тока на выходном канале, сброс и т.д.

- Команды, зависящие от устройства: старт/стоп, специальные функции калибровки и т.д.

Структура информационного кадра имеет следующий формат: 1 стартовый бит, 8 бит данных, 1 бит контроля нечетности, 1 стоповый бит.

HART протокол использует стандарт BELL 202 кодировки сигнала методом частотного сдвига (FSK), при котором цифровой сигнал накладывается на аналоговый измерительный сигнал 4…20 мА, на нижнем уровне. Для представления двоичных «1» и «0» используются две разные частоты, 1200 Гц и 2200 Гц, соответственно (рис. 2.18).

 

Рис. 2.18. Форма сигнала передачи

Синусоидальные модуляции накладываются на сигнал постоянного тока. Среднее значение синусоидального сигнала равно нулю. Поэтому, несмотря на прохождение цифровых данных, к сигналу 4…20 мА никакая компонента постоянного тока не добавляется. Следовательно, существующие аналоговые приборы продолжают работать как обычно – низкочастотная фильтрация эффективно отбрасывает коммуникационный сигнал. (Однополосный низкочастотный фильтр 10 Гц уменьшает коммуникационный сигнал до мелкой пульсации с амплитудой колебаний примерно ±0,01 % от полной шкалы аналогового сигнала).