Основные принципы построения промышленных сетей

Основные принципы построения промышленных сетей

 

Модель OSI

 

Поскольку основной функцией сети является соединение между собой различного оборудования, проблема открытости, в частности, стандартизации, для сетей приобретает особое значение. В связи с этим в начале 80-х годов Международной организацией по стандартизации ISO (International Standardization Organization) совместно с рядом других организаций была сформулирована и принята модель взаимодействия открытых систем OSI (Open System Interconnection), которая сыграла и играет до сих пор важную роль в развитии сетей [1].

Полное описание модели OSI занимает более 1000 страниц текста. Это связано с тем, что сетевое взаимодействие устройств является сложной задачей. Для решения таких задач обычно используется декомпозиция сложной задачи на более простые. Декомпозиция выполняется таким образом, чтобы количество и сложность связей, а также поток данных между подзадачами были минимальными. В модели OSI было использовано семь подзадач (уровней), причем декомпозиция выполнена таким образом, что взаимодействие осуществляется только между соседними уровнями.

Такой подход обеспечил возможность решения задачи взаимодействия систем для каждого уровня отдельно, в том числе независимыми группами разработчиков. В частности, для сетевого взаимодействия устройств необходимо согласовать между собой электрические уровни сигналов, задержки и длительности импульсов, типы соединителей, способы кодирования информации, способы обеспечения достоверности передачи, формы и форматы адресации, форматы данных, способы доступа к сети, способы буферизации данных, способы деления их на пакеты и восстановления целостности сообщений.

Таблица 1 - Эталонная модель OSI

Номер	Название	Протокол	Примеры	Единица
уровня	уровня			обмена
7	Прикладной	Прикладной протокол	FTP, HTTP,	APDU,
			SMTP	сообщение
6	Уровень	Протокол уровня	SSL	PPDU
	представления	представления
5	Сеансовый	Сеансовый протокол		SPDU
4	Транспортный	Транспортный протокол	TCP, UDP, SPX	TPDU
3	Сетевой	Сетевой протокол	IP, IPX	Пакет
2	Канальный (пе	Протокол канального		Кадр
	редачи данных)	уровня
1	Физический	Протокол физического уровня		Бит

 

Семь уровней модели OSI представлены в таблице 1.

Модель OSI не включает средства взаимодействия между собой приложений, расположенных на разных компьютерах сети, такие как, например, DDE, ОРС или CORBA, а описывает только средства, реализуемые операционной системой, системными утилитами и аппаратурой. Поэтому прикладной уровень нельзя путать с уровнем взаимодействия приложений, который в модель OSI не входит.

Если приложение обращается с запросом к прикладному уровню, то на основании этого запроса программное обеспечение прикладного уровня формирует сообщение, состоящее из заголовка и поля данных, и передает его вниз, на уровень представления. Протокол представительного уровня выполняет требуемые действия, содержащиеся в заголовке прикладного уровня, и добавляет к сообщению свою служебную информацию - заголовок представительного уровня, в котором содержатся инструкции для соответствующего уровня получателя сообщения. Сформированное таким образом сообщение с уже двумя заголовками передается вниз сеансовому уровню, который также добавляет к нему свой заголовок.     Таким образом, дойдя до физического уровня, сообщение обрастает семью заголовками, после чего оно передается по сети адресату. Когда сообщение достигнет адресата, оно проходит весь стек протоколов в обратном порядке, от физического уровня до прикладного. На каждом уровне выполняются соответствующие функции, содержащиеся в заголовке каждого уровня.

Большинство уровней модели OSI имеют смысл только в сетях с коммутацией пакетов (а не каналов). Тем не менее, отдельные её уровни и термины используются практически во всех сетях. Сеансовый уровень и уровень представления на практике используются редко, а сетевой уровень и канальный практически всегда и сильно перегружены [1].

 

Интерфейс «токовая петля»

 

Интерфейс «токовая петля» используется для передачи информации с 1950-х годов. Первоначально в нем использовался ток 60 мА [3]; позже, с 1962 г., получил распространение интерфейс с током 20 мА, преимущественно в телетайпных аппаратах. В 1980-х годах начала широко применяться «токовая петля» 4…20 мА в разнообразном технологическом оборудовании, датчиках и исполнительных устройствах средств автоматики. Популярность «токовой петли» начала падать после появления стандарта на интерфейс RS-485 (1983 г.), и в настоящее время в новом оборудовании она практически не применяется.

В передатчике «токовой петли» используется не источник напряжения, как в интерфейсе RS-485, а источник тока. По определению, ток, вытекающий из источника тока, не зависит от параметров нагрузки. Поэтому в «токовой петле» протекает ток, не зависящий от сопротивления кабеля Rкаб, сопротивления нагрузки Rн и э.д.с. индуктивной помехи Е (рисунок 3), а также от напряжения питания источника тока Еп. Ток в петле может измениться только вследствие утечек кабеля, которые очень малы.

Это свойство токовой петли является основным и определяет все варианты ее применения. Емкостная наводка Е, э.д.с. которой приложена не последовательно с источником тока, а параллельно ему, не может быть ослаблена в «токовой петле», и для ее подавления следует использовать экранирование.

В качестве линии передачи обычно используется экранированная витая пара, которая совместно с дифференциальным приемником позволяет ослабить индуктивную и синфазную помеху.

 

Рисунок 3 - Принцип действий «Токовой петли»

 

Рисунок 4 - Два варианта построения аналоговой «Токовой петли»: со встроенным в передатчик (а) и выносным (б) источником питания

 

На приемном конце ток петли преобразуется в напряжение с помощью калиброванного сопротивления R_H. При токе 20 мА для получения стандартного напряжения 2,5, 5 или 10 В используют резистор сопротивлением 125, 250 или 500 Ом соответственно.

Основным недостатком «токовой петли» является ее принципиально низкое быстродействие, которое ограничивается скоростью заряда емкости кабеля Скаб от источника тока. Например, при типовой погонной емкости кабеля 75 пФ/м и длине 1 км емкость кабеля составит 75 нФ. Для заряда такой емкости от источника тока 20 мА до напряжения 5 В необходимо время 19 мкс, что соответствует скорости передачи около 9 кбит/с. На рисунке 5 приведены зависимости максимальной скорости передачи от длины кабеля при разных уровнях искажений (дрожания), который оценивался так же, как и для интерфейса RS-485 [3].

Рисунок 5 - Зависимость максимальной скорости передачи «токовой петли» от длины неэкранированной витой пары 22 AWG при токе петли 20 мА

 

Вторым недостатком «токовой петли», ограничивающим ее практическое применение, является отсутствие стандарта на конструктивное исполнение разъемов и электрические параметры, хотя фактически стали общепринятыми диапазоны токовых сигналов 0…20 и 4…20 мА; гораздо реже используют 0…60 мА. В перспективных разработках рекомендуется использовать только диапазон 4…20 мА, как обеспечивающий возможность диагностики обрыва линии.

Интерфейс «токовая петля» распространен в двух версиях: цифровой и аналоговой.

Аналоговая «токовая петля». Аналоговая версия «токовой петли» используется, как правило, для передачи сигналов от разнообразных датчиков к контроллеру или от контроллера к исполнительным устройствам. Применение «токовой петли» в данном случае дает два преимущества. Во-первых, приведение диапазона изменения измеряемой величины к стандартному диапазону обеспечивает взаимозаменяемость компонентов. Во-вторых, становится возможным передать сигнал на большое расстояние с высокой точностью (погрешность «токовой петли» может быть снижена до ±0,05%). Кроме того, стандарт «токовая петля» поддерживается подавляющим большинством производителей средств промышленной автоматизации.

В варианте «4…20 мА» в качестве начала отсчета принят ток 4 мА. Это позволяет производить диагностику целостности кабеля (кабель имеет разрыв, если ток равен нулю) в отличие от варианта «0…20 мА», где величина 0 мА может означать не только нулевую величину сигнала, но и обрыв кабеля. Вторым преимуществом уровня отсчета 4 мА является возможность подачи энергии датчику для его питания.

На рисунке 4 показаны два варианта построения аналоговой «токовой петли». В варианте а используется встроенный незаземленный источник питания Еп в варианте б источник питания - внешний. Встроенный источник удобен при монтаже системы, а внешний удобен тем, что его можно выбрать с любыми параметрами в зависимости от поставленной задачи.

Принцип действия обоих вариантов состоит в том, что при бесконечно большом коэффициенте усиления операционного усилителя (ОУ) напряжение между его входами равно нулю и поэтому ток через резистор Rо равен Кх/Rо, а поскольку у идеального ОУ ток входов равен нулю, ток через резистор строго равен току в петле (I = U_BX/Ro) и, как следует из этой формулы, не зависит от сопротивления нагрузки.

Достоинством схемы с операционным усилителем является возможность калибровки передатчика без подключенного к нему кабеля и приемника, поскольку вносимая ими погрешность пренебрежимо мала.

Напряжение источника Е_п выбирается таким, чтобы обеспечить работу транзистора передатчика в активном (ненасыщенном) режиме и скомпенсировать падение напряжения на проводах кабеля и сопротивлениях Rо, Rн. Для этого выбирают Е > I·(Rо + Rкаб + Rн) + Uнас> где Uнас - напряжение насыщения транзистора (1…2 В). Например, при типовых значениях Rо = Rн = 500 Ом и сопротивлении кабеля 100 Ом (при длине 1 км) получим напряжение источника питания петли 22 В; ближайшее стандартное значение равно 24 В.

В схемах на рисунке 4 используется гальваническая развязка между входом передатчика и передающим каскадом. Она необходима для исключения паразитных связей между передатчиком и приемником.

Примером передатчика для аналоговой токовой петли является модуль NL-4AO (www. RealLab.ru), имеющий четыре канала вывода аналоговых сигналов, гальваническую развязку и предназначенный для вывода из компьютера и передачи на исполнительные устройства тока в стандарте 0…20 или 4…20 мА. Модуль содержит микроконтроллер, который осуществляет связь с компьютером по интерфейсу RS - 485, исполняет команды компьютера и выполняет компенсацию погрешностей преобразования с помощью коэффициентов, полученных при калибровке источников тока и хранимых в запоминающем устройстве ЭППЗУ (электрически программируемое постоянное запоминающее устройство). Преобразование цифровых данных в аналоговый сигнал выполняется с помощью 4-канального цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Для расширения функциональных возможностей модуль имеет также выходы напряжения (которые не имеют отношения к рассматриваемой теме).

Цифровая «токовая петля» используется обычно в версии «0…20 мА», поскольку она реализуется гораздо проще, чем в версии «4…20 мА». Поскольку при цифровой передаче данных точность передачи логических уровней роли не играет, можно использовать источник тока с не очень большим внутренним сопротивлением и низкой точностью. Так, на рис. 2.13 при стандартном значении напряжения питания Е_п = 24 В и падении напряжения на входе приемника 0,8 В для получения тока 20 мА сопротивление должно быть равно примерно 1,2 кОм. Сопротивление кабеля сечением 0,35 мм² и длиной 1 км равно 97 Ом, что составит всего 10% общего сопротивления петли, и им можно пренебречь. Падение напряжения на диоде оптрона составляет 3,3% напряжения источника питания, и его влиянием на ток в петле также можно пренебречь. Поэтому с достаточной для практики точностью можно считать, что передатчик в этой схеме является источником тока.

Как аналоговая, так и цифровая «токовая петля» могут использоваться для передачи информации нескольким приемникам одновременно. Вследствие низкой скорости передачи информации по «токовой петле» согласование длинной линии с передатчиком и приемником не требуется.

«Токовая петля» нашла свое «второе рождение» в протоколе HART.

 

HART протокол

протокол (Highway Addressable Remote Transducer - магистральный адресуемый удаленный преобразователь) [4] является открытым стандартом на метод сетевого обмена, который включает в себя не только протокол взаимодействия устройств, но и требования к аппаратуре канала связи, поэтому устоявшийся термин «протокол», означающий алгоритм взаимодействия устройств, применен здесь не совсем корректно. Стандарт HART был разработан в 1980 г. фирмой Rosemount Inc., которая позже сделала его открытым. В настоящее время стандарт поддерживается международной организацией HART Communication Foundation (HCF), насчитывающей 190 членов (на декабрь 2006 г.). HART находит применение для связи контроллера с датчиками и измерительными преобразователями, электромагнитными клапанами, локальными контроллерами, для связи с искробезопасным оборудованием.

Несмотря на свое низкое быстродействие (1200 бит/с) и ненадежный аналоговый способ передачи данных, а также появление более совершенных сетевых технологий, устройства с HART-протоколом разрабатываются до сих пор, и объем этого сегмента рынка продолжает расти. Однако применение HART в России довольно ограничено, поскольку внедрение датчиков с HART - протоколом требует одновременного применения HART-совместимых контроллеров и специализированного программного обеспечения. Типовой областью применение HART являются достаточно дорогие интеллектуальные устройства (электромагнитные клапаны, датчики потока жидкости, радарные уровнемеры ит. п), а также взрывобезопасное оборудование, где низкая мощность HART - сигнала позволяет легко удовлетворить требованиям стандартов на искробезопасные электрические цепи.

Стандарт HART включает в себя 1-й, 2-й и 7-й уровни модели OSI (таблица 4). Полное описание стандарта можно купить в организации HCF (www.hartcomm.org).

 

Таблица 4-Модель OSI HART-протокола

Номер уровня	Название уровня	HART
7	Прикладной	HART-команды, ответы, типы данных
6	Уровень представления	Нет
5	Сеансовый	Нет
4	Транспортный	Нет
3	Сетевой	Нет
2	Канальный	Ведущий/ведомый, контрольная сумма, контроль четности, организация потока битов в со
	(передачи
	данных)	общение, контроль приема сообщений
1	Физический	Наложение цифрового ЧМ сигнала на аналоговый 4…20 мА; медная витая пара

 

Принципы построения. При создании HART-протокола в 1980 г. преследовалась цель сделать его совместимым с широко распространенным в то время стандартом «токовая петля», но добавить возможности, необходимые для управления интеллектуальными устройствами. Поэтому аналоговая «токовая петля» 4…20 мА была модернизирована таким образом, что получила возможность полудуплексного цифрового обмена данными. Для этого аналоговый сигнал суммируется с цифровым сигналом (рис. 2.15) и полученная таким образом сумма передается с помощью источника тока 4…20 мА по линии связи. Благодаря сильному различию диапазонов частот аналогового (0…10 Гц) и цифрового (1200 и 2200 Гц) сигналов они легко могут быть разделены фильтрами низких и высоких частот в приемом устройстве. При передаче цифрового двоичного сигнала логическая единица кодируется синусоидальным сигналом с частотой 1200 Гц, ноль - 2200 Гц. При смене частоты фаза колебаний остается непрерывной. Такой способ формирования сигнала называется частотной манипуляцией с непрерывной фазой. Выбор частот соответствует американскому стандарту BELL 202 на телефонные каналы связи.

 

Беспроводные локальные сети

 

Существует много объектов автоматизации, где сложно обойтись без беспроводных сетей или где их применение явно желательно:

a) датчики и исполнительные устройства на подвижных частях конвейеров, ветряных мельниц, лифтов, миксеров, тележек для перемещения грузов по цеху, на крыльях и лопастях самолетов, на подшипниках двигателей, на роботах, в передвижных лабораториях, датчики на теле человека и животных; датчики вибрации на контейнерах для перевозки грузов;

б) объекты, в которых нежелательно сверлить стены или портить дизайн: офисные здания, в которых устанавливается пожарная и охранная сигнализация, датчики для систем обогрева и кондиционирования воздуха, для мониторинга механических напряжений в конструкциях зданий; в системах «умного дома» (управление освещением, кондиционированием-обогревом, охранными датчиками, бытовыми приборами и др.);

в) эпизодическое программирование и диагностика ПЛК, когда прокладывать постоянные кабели не выгодно; дистанционное считывание показаний счетчиков, самописцев;

г) объекты с агрессивными средами, вибрацией; объекты, находящиеся под высоким напряжением или в местах, не удобных для прокладки кабеля;

д) отслеживание траектории движения транспорта, охрана границ государства, мониторинг напряженности автомобильного трафика в городах и условий на дорогах, мониторинг леса, моря, сельскохозяйственных культур, мониторинг вредных выбросов в экологии;

е) любые объекты, для которых известно, что стоимость кабелей, кабельных каналов, опор или траншей, а также работ по монтажу и обслуживанию существенно превышает стоимость заменяющей беспроводной системы, при условии отсутствия жестких требований к надежности доставки сообщений в реальном времени;

ж) объекты во взрывоопасных зонах.

В большинстве применений беспроводные сети позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с проводными сетями [7]:

а) существенно снизить стоимость установки датчиков;

б) исключить необходимость профилактического обслуживания кабелей;

в) исключить дорогостоящие места разветвлений кабеля;

г)  уменьшить количество кабелей;

д) уменьшить трудозатраты и время на монтаж и обслуживание системы;

е)  снизить стоимость системы за счет исключения кабелей;

ж) снизить требования к обучению персонала монтажной организации;

з)  ускорить отладку системы и поиск неисправностей;

и) обеспечить удобную модернизацию системы.

к) Поскольку реконфигурация системы и ее монтаж становятся гораздо более простыми, беспроводные сети можно использовать и в традиционных областях применения кабельных связей, когда стоимость кабеля и монтажа оказывается выше, чем установка беспроводной системы.

л) Беспроводные сети делятся на следующие классы:

м) сотовые сети WWAN (Wireless Wide Area Network);

н) беспроводные LAN (WLAN - Wireless LAN);

о) беспроводные сети датчиков.

В промышленной автоматизации наибольшее распространение получили три типа беспроводных сетей: Bluetooth [7] на основе стандарта IEEE 802.15.1, ZigBee [7] на основе IEEE 802.15.4 [7] и Wi-Fi на основе IEEE 802.11 [8, 9]. Физические уровни модели OSI для этих сетей основаны на соответствующих стандартах IEEE, а протоколы верхних уровней разработаны и поддерживаются организациями Bluetooth, ZigBee и Wi-Fi соответственно. Поэтому в названии сетей обычно указывают ссылки на стандарт. Все три сети используют нелицензируемый ISM (Industrial, Scientific, and Medical) диапазон 2,4 ГГц

В табл. 9 сведены основные параметры трех рассмотренных беспроводных технологий. В таблице отсутствуют данные о стандартах WiMAX, EDGE, UWB и многих других, которые не нашли широкого применения в промышленной автоматизации.

 

Таблица 9-Сравнение трех ведущих беспроводных технологий

Параметр	Bluetooth/IEEE	ZigBee/IEEE	Wi-Fi/IEEE
	802.15.1	802.15.4	802.11
Дальность, м	-10 (50…100)	10	-100
Скорость передачи, Мбит/с	0,723	0,250	1…2 до 54
Максимальное число участников	8	245	Не ограничено
сети
Потребляемая мощность, мВт	10	1	50
Продолжительность работы от	-	6 мес. в режиме	-
двух батарей размера А А		ожидания
Цена / Сложность (условные	10	1	20
единицы)
Повторная передача	Есть	Есть	DCF - нет; PCF
			и HCF - есть
Основное назначение	Связь	Беспроводные	Беспроводное
	периферии с	сети датчиков	расширение
	компьютером		Ethernet

 

Сетевое оборудование

 

При проектировании распределенных АСУ ТП с применением промышленных сетей могут возникать следующие проблемы:

а) требуемая длина отводов от общей шины (например, для сетей на основе интерфейса RS-485) превышает допустимую;

б) предельно допустимая длина линии связи меньше необходимой;

в) необходимое количество подключенных к сети устройств превышает допустимое по спецификации на используемое оборудование;

г) к сети необходимо подключить устройство, не имеющее соответствующего порта (например, вольтметр с портом RS-232 к сети на основе интерфейса RS-485 или Ethernet);

д) необходимо объединить несколько различных сетей с различными протоколами в единую сеть (например, когда требуется объединить Ethernet с CAN и Modbus RTU);

е) не удается ослабить влияние помех до допустимого уровня, используя медный кабель;

ж) фрагмент сети установлен на подвижном объекте.

Эти и аналогичные проблемы решаются с помощью вспомогательных сетевых устройств: повторителей и преобразователей интерфейса, концентраторов, коммутаторов, мостов, маршрутизаторов, шлюзов.

Электрический сигнал, проходя по линии передачи, ослабляется вследствие потерь на омическом сопротивлении кабеля и изменяет свою форму по причине неоднородности линии и неточного ее согласования. Поэтому существует ограничение на предельную длину кабеля, которое зависит от типа интерфейса и скорости передачи.

Повторитель (ретранслятор, репитер - Repeater) восстанавливает уровень и форму сигнала, а также позволяет согласовать ее в пределах каждого из фрагментов, ограниченных повторителями. Поэтому повторители используют для увеличения расстояния, на которое требуется передать сигнал, а также для увеличения нагрузочной способности (коэффициента разветвления) передатчика интерфейса.

Повторители интерфейса обычно имеют (не всегда) гальваническую изоляцию, поэтому их можно использовать также для деления сети на гальванически изолированные сегменты с целью защиты от помех.

Деление сети на гальванически изолированные фрагменты обеспечивает также электрическую защиту изолированных фрагментов от случайного попадания высокого напряжения в какой-либо фрагмент сети. При этом гальванически изолированные участки сети окажутся неповрежденными.

Поскольку электромагнитная волна существует только в пределах одного фрагмента сети, а в соседний фрагмент передается только восстановленный сигнал, то повторители можно использовать и для выполнения ответвлений в сети с шинной топологией (см. рисунок 2.5), поскольку длина ответвления от кабеля до повторителя всегда может быть сделана достаточно малой. При этом не возникает отражений, которые имеют место при выполнении ответвлений без повторителя.

Повторитель использует только часть 1-го уровня модели OSI. Он не изменяет способа кодирования информации, не проверяет контрольные суммы, не восстанавливает потерянные биты, а только принимает электрические сигналы с помощью стандартного для выбранной сети приемника, восстанавливает их форму и передает дальше с помощью стандартного передатчика.

Пример структуры повторителя интерфейса NL-485C фирмы НИЛ АП (www. RealLab.ru) приведен на рис. 2.46. Он состоит из двух стандартных приемопередатчиков интерфейса, микроконтроллера и стабилизатора напряжения. Гальваническая изоляция интерфейсов друг от друга и от источника питания выполняется с помощью изолирующих преобразователей напряжения (DC-DC преобразователей) и оптронов. При появлении сигнала на одном из портов микроконтроллера он автоматически ретранслирует его на второй порт, переключая его в режим передачи. Поскольку сигналы передаются без изменения временных соотношений, скорость передачи на обоих портах автоматически получается одинаковой.

Преобразователи интерфейсов могут быть без гальванической изоляции, с изоляцией каждого интерфейса отдельно (как на рисунке 7) и с изоляцией одного из двух интерфейсов. В последнем случае второй интерфейс имеет гальваническую связь с источником питания.

Согласующие резисторы внутри повторителя могут присутствовать или нет и могут отключаться микропереключателем или джампером. Перед применением повторителя нужно убедиться, имеются ли резисторы внутри корпуса преобразователя, или подключить внешние резисторы к клеммам преобразователя.

Вывод земли «GND» соединяется с экраном кабеля, но не с землей. Оплетка кабеля должна заземляется только в одной точке.

 

Рисунок 7 - Типовая структура повторителя интерфейсов RS-232, RS-484, RS-422 типа NL-485C

 

Описанные выше повторители интерфейса могут содержать несколько портов. Если появляется сигнал на любом из них, микроконтроллер ретранслирует его на все другие порты. Такие многопортовые повторители называют концентраторами или хабами (Concentrator, Hub). Они позволяют выполнить физическое разветвление сетевого кабеля или слияние нескольких кабелей в один (концентрацию) без нарушения условий согласования линии передачи. Таким образом, ограничение на длину ответвлений от шины, например RS-485, снимается с помощью концентраторов.

Концентратор устроен точно так, как повторитель интерфейсов (рисунок 7), но имеет больше портов и, соответственно, устройств для гальванической изоляции. Часто гальваническую изоляцию между портами концентратора не делают, чтобы удешевить коммерческий продукт. Это оправдано, когда концентратор используется для создания сети сложной топологии на ограниченной площади.

В сетях Ethernet при поступлении сигнала одновременно на два или более портов концентратора возникает коллизия. Поэтому Ethernet-концентраторы в настоящее время. Практически полностью вытеснены сетевыми коммутаторами, не имеющими указанной проблемы.

Преобразователь (конвертор) интерфейсов (медиаконвертор) используется для обеспечения совместимости устройств с разными интерфейсами или изменения физического способа передачи информации.

Сложность преобразователя интерфейсов существенно зависит от числа уровней модели OSI и их функций, которые должны быть реализованы в преобразователе. В простейшем случае, когда требуется преобразовать RS-232 в RS-485 и интерфейс RS-232 работает в режиме программного управления потоком данных, возможна побитовая ретрансляция сигналов без изменения протокола даже физического уровня. Однако в общем случае интерфейс RS - 232 передает параллельно 10 сигналов, в то время как RS-485 - только два (Data+ и Data-), поэтому для полного преобразования интерфейса пришлось бы делать конвертирование между параллельным и последовательным форматом данных. Кроме того, RS-232 может работать в полнодуплексном режиме, a RS-485 - только в полудуплексном (при двухпроводной схеме подключения). Поэтому в общем случае преобразование интерфейсов невозможно без изменения протокола передачи данных и специального программного обеспечения для портов ввода-вывода.

Даже если преобразование выполняется без изменения параллельной формы представления информации в последовательную, как, например, в преобразователе RS-485 - CAN, может потребоваться выполнение одним из интерфейсов специфических для конкретной сети функций канального уровня (адресация, борьба за доступ к шине, отсылка сообщений об ошибках, обеспечение достоверности передачи и др.). Преобразователи интерфейсов не используют функции уровня приложений, поскольку в этом случае они переходят в разряд межсетевых шлюзов (см. ниже).

Преобразователь RS-232 - RS-485/422. В простейшем, но наиболее распространенном случае, когда к компьютеру с портом RS-232 требуется подключить сеть на основе интерфейса RS-485, порт RS-232 используют в режиме программного управления потоком данных. При этом из 10 клемм интерфейса используются только три: TD (Transmit Data - передача данных), RD - (Receive Data - прием данных) и SG (Signal Ground - сигнальное заземление), а протокол передачи не зависит от типа интерфейса. Преобразование интерфейса сводится фактически только к побитовому преобразованию потока данных из одной электрической формы в другую, без преобразования протоколов передачи и изменения драйверов порта ввода-вывода. Структурная схема такого преобразователя показана на рисунке 8. Она отличается от схемы на рисунке 7 по сути только типом приемопередатчиков портов ввода-вывода и наличием порта RS-422 (выводы Тх+, Тх-, Rx+, Rx-) одновременно с портом RS-485 (выводы Data+, Data-).

Описанный преобразователь применяется, например, при подключении к компьютеру промышленной сети Modbus или DCON, а также отдельных устройств с интерфейсом RS-485 или RS-422.

Преобразователи интерфейса часто используют в качестве удлинителей интерфейса, т.е. для увеличения расстояния, на которое можно передать информацию. Например, для удлинения порта RS-232 можно использовать преобразователь RS-232 в RS-485, который обеспечивает дальность до 1,2 км, и на приемном конце сделать обратное преобразование из RS-485 в RS-232. Аналогично можно использовать оптоволоконный интерфейс или CAN. Однако чаще для удлинения интерфейсов используют преобразование в промежуточный нестандартный канал передачи, использующий повышенную мощность сигнала и позволяющий передавать данные на расстояние, например, до 20 км по медному кабелю.

 

Рисунок 8 - Типовая структура двунаправленного кабеля повторителя интерфейсов RS-232, RS-485, RS-422 типа NL-232C

 

Преобразователь RS-232 в оптоволоконный интерфейс. Оптоволоконный канал имеет ряд неоспоримых преимуществ, связанных с оптическим способом передачи информации:

а) большая дальность передачи: обычно до 2 км в многомодовом канале или до 20 км в одномодовом; с повторителями - до нескольких сотен километров;

б) нечувствительность к электромагнитным помехам, в том числе при разряде молнии или электростатических разрядах;

в) отсутствие аварийных ситуаций и порчи оборудования в случае коротких замыканий, отсутствие коррозии мест соединений;

г) более высокая пропускная способность (скорость передачи) или уменьшенное количество ошибок в канале при той же скорости по сравнению с медным кабелем;

д) гальваническая развязка с практически неограниченным напряжением изоляции;

е) хорошая защищенность от несанкционированного доступа: невозможно перехватить передаваемую информацию, не нарушив связь по каналу. Одномодовое оптоволокно позволяет передавать сигнал на большее расстояние, чем многомодовое, однако коннекторы и приемопередатчики, а также вся кабельная инфраструктура для многомодового оптоволокна обычно на 25…50% дешевле, чем для одномодового. Это связано с жесткими технологическими допусками на компоненты систем для одномодового волокна.

В многомодовом кабеле распространяются световые волны нескольких мод (длин волн), в одномодовом - одной длины волны. Диаметр сердцевины многомодового оптоволокна на порядок больше длины волны, поэтому технологические допуски на кабельную инфраструктуру могут быть больше и изготовление - дешевле.

Межсетевые шлюзы (Gateways) позволяют выполнять обмен данными между различными сетями. Сети могут различаться протоколами, структурами фреймов, форматами и кодированием данных. Модели OSI сетей могут быть существенно различными, поэтому в межсетевых шлюзах используются все уровни модели OSI, с 1-го по 7-й.

В структуре межсетевых шлюзов имеются два специализированных сетевых контроллера, которые реализуют полный стек протоколов обеих сетей. Для сетей CAN, Ethernet, Profibus и других со сложным стеком протоколов выпускаются специализированные микросхемы (ASIC - Application-Specific Integrated Circuit), в которых уже реализован стек протоколов. Каждый интерфейс имеет также буферную память, которая необходима для обмена данными между сетями с разной скоростью передачи данных. Это позволяет принять информацию из одной сети в соответствии с ее стеком протоколов, выделить телеграмму (обычно данные и адрес) на уровне приложений или на одном из нижележащих уровней, затем передать ее сверху вниз через другой стек протоколов в другую сеть.

Шлюзы могут быть использованы для передачи данных, например, между Modbus и Profibus, между Modbus и Ethernet.

 

Заключение

 

В процессе выполнения дипломного проекта мною были изучены основные типы интерфейсов для управления технологическим оборудованием. Рассмотрены общие технические требования к параметрам и характеристикам интерфейсов для промышленного оборудования. Произведён сравнительный анализ характеристик интерфейсов, а также протоколов обмена информацией. Проработаны различны варианты аппаратной реализации интерфейсов. На основании полученных данных при выполнении дипломного проекта синтезирована структурные схема интерфейса управления промышленным оборудованием типа «Токовая петля» на базе ИМС MC33290 (К1055ХВ8Р).

Таким образом, в процессе выполнения дипломного проекта разработана эскизна документация для проведения дальнейших расчётных работ c перспективой реализации наиболее эффективного интерфейса управления технологическим оборудованием.

 

Список источников

 

1  Таненбаум Э. Компьютерные сети. / Э. Таненбаум. - 4-е изд. - СПб.: Питер, 2003. - 992 с.

2  Industrial networks / Z. Cucej, D. Gleich, M. Kaiser, P. Planinsic // Electronics in Marine. Proceedings 46th International Symposium Elmar, 16-18 June 2004. - P. 59-66.

    Хилл У. Руководство по технологии объединенных сетей. / У. Хилл. - 3-е изд.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильяме», 2002. - 1040 с.

    Олифер В.Г. Основы сетей передачи данных. / В.Г. Олифер, Н.А. Олифер - М.: ИНТУ- ИТ.РУ, 2003. - 248 с.

    Кузнецов Р.Г. Кабели для современных сетей промышленной автоматизации / Р.Г. Кузнецов // Автоматизация в промышленности. - 2005. - №8. - C37-44.

    Анашкин А.С. Техническое и программное обеспечение распределенных систем управления. / А.С. Анашкин, Э.Д. Кадыров, В.Г. Харазов. - СПб.: Р-2, 2004. - 367 с.

7  RS-422 and RS-485 Application Note // B&B Electronics. June 2006. - 22 p.

    TIA/EIA Telecommunications System Bulletin TSB89. Application Guidelines for Т1А/ EIA-485-A. // Telecommunications Industry Association. June 1998 - 45 p.

    TIA/EIA standard TIA/EIA-485-A. Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems. // Telecommunications Industry Association. March 1998 - 51 p.

    ISO 9141 - CARB Road Vehicles Diagnostic Systems. Jan. 91 - 71 p.

    Bendel J. Driver ICs for Automotive Diagnostic Communications Meet ISO 9141 Standards / J. Bendel. Temic Semiconductors. 1996. - 245 p.

    ICs L9637, L9613B. STMicroelectronics. 1998 - 17 p.

    ISO K Line Serial Interface MC33290. Motorola. 2002. - 35 p.

    Single-Wire-Transceiver TLE6258. Infineon technologies. 2001. - 43 p.

    Алексенко А.Г. Основы микросхемотехники. / А.Г. Алексенко. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: ЮНИМЕДИАСТАЙЛ, 2002. - 448 с.

16 SO/WD 14230-1 - Road Vehicles - Diagnostic Systems - Keyword Protocol 2000 - Physical layer. 1994. - 91 p.

17 Микросхема двунаправленного последовательного интерфейса К1055ХВ8Р / А.И. Сур<