Интерфейсы CAN. Profibus. Modbus, промышленный Ethernet. Протокол DCON

(Controller Area Network - область, охваченная сетью контроллеров) представляет собой комплекс стандартов для построения распределенных промышленных сетей, который использует последовательную передачу данных в реальном времени с очень высокой степенью надежности и защищенности. Центральное место в CAN занимает протокол канального уровня модели OSI. Первоначально CAN был разработав для автомобильной промышленности, но в настоящее время быстро внедряется в область промышленной автоматизации. Это хорошо продуманный, современный и многообещающий сетевой протокол. Начало развития CAN было положено компанией Bosch в 1983 г., первые микросхемы CAN-контроллеров были выпущены фирмами Intel и Philips в 1987 г., в настоящее время контроллеры и трансиверы CAN выпускаются многими фирмами, в том числе Analog Devices Inc., Atmel Corp. Cast, Dallas Semiconductor, Freescale, Infineon, Inicore Inc., Intel, Linear Technology, Maxim Integrated Products, Melexis, Microchip, National Semiconductor, NXP, OKI, Renesas Technology Corp., STMicroelectronics, Yamar Electronics, Texas Instruments.

В России интерес к CAN за последние годы сильно возрос, однако контроллерного оборудования для CAN в России крайне мало, в десятки или сотни раз меньше, чем для Modbus или Profibus. Среди протоколов прикладного уровня для работы с CAN наибольшее распространение в России получили CANopen и DeviceNet.

В настоящее время CAN поддерживается 11 стандартами ISO, в том числе рассмотренными в [3-5].

Слово PROFIBUS получено из сокращений PROcess Field BUS, что приблизительно переводится как «промышленная шина для технологических процессов». Стандарт Profibus был первоначально принят в Германии в 1987 г., в 1996 г. он стал международным (EN 50170 и EN 50254).

 

Таблица 5 - Profibus в соответствии с моделью OSI

JV*	Название уровня	Profibus DP	Profibus FMS	Profibus PA
7	Прикладной	Нет	Fieldbus Message	Нет
			Specification (FMS)
6	Представления	Нет
5	Сеансовый	Нет
4	Транспортный	Нет
3	Сетевой	Нет
2	Канальный	FDL	FDL	IEC 1158-2
	(передачи данных)
1	Физический	RS-485, оптоволо	RS-485, оптоволо	Интерфейс
		конный интерфейс	конный интерфейс	IEC 1158-2

 

Сеть Profibus (как и другие описанные здесь промышленные сети, кроме Industrial Ethernet) использует только первый и второй уровни модели OSI (табл. 5). Один из вариантов сети, Profibus FMS, использует также уровень 7.имеет три модификации: Profibus DP, Profibus FMS и Profibus PA [6].DP (Profibus for Decentralized Peripherals - Profibus для децентрализованной периферии) использует уровни 1 и 2 модели OSI, а также пользовательский интерфейс, который в модель OSI не входит. Непосредственный доступ из пользовательского приложения к канальному уровню осуществляется с помощью DDLM (Direct Data Link Mapper - прямой преобразователь для канального уровня). Пользовательский интерфейс обеспечивает функции, необходимые для связи с устройствами ввода-вывода и контроллерами. Profibus DP в отличие от FMS и РА построен таким образом, чтобы обеспечить наиболее быстрый обмен данными с устройствами, подключенными к сети.FMS (Profibus с FMS-протоколом) использует уровень 7 модели OSI и применяется для обмена данными с контроллерами и компьютерами на регистровом уровне. Profibus FMS предоставляет большую гибкость при передаче больших объемов данных, но проигрывает протоколу DP в популярности вследствие своей сложности.FMS и DP используют один и тот же физический уровень, основанный на интерфейсе RS-485, и могут работать в общей сети.

Протокол Modbus и сеть Modbus [5-6] являются самыми распространенными в мире. Несмотря на свой возраст (стандартом де-факто Modbus стал еще в 1979 г.), Modbus не только не устарел, но, наоборот, существенно возросло количество новых разработок и объем организационной поддержки этого протокола. Миллионы Modbus-устройств по всему миру продолжают успешно работать, а последняя версия описания протокола появилась в декабре 2006 г. [4].

Преимуществами Modbus являются отсутствие необходимости в специальных интерфейсных контроллерах (Profibus и CAN требуют для своей реализации заказные микросхемы), простота программной реализации и элегантность принципов функционирования. Все это снижает затраты на освоение стандарта как системными интеграторами, так и разработчиками контроллерного оборудования. Высокая степень открытости протокола обеспечивается также полностью бесплатными текстами стандартов, которые можно скачать с сайта www.modbus.org.

В России Modbus по распространенности конкурирует только с Profibus. Популярность протокола в настоящее время объясняется, прежде всего, совместимостью с большим количеством оборудования, которое имеет протокол Modbus. Кроме того, Modbus имеет высокую достоверность передачи данных, связанную с применением надежного метода контроля ошибок. Modbus позволяет унифицировать команды обмена благодаря стандартизации номеров (адресов) регистров и функций их чтения-записи.

Основным недостатком Modbus является сетевой обмен по типу «ведущий / ведомый», что не позволяет ведомым устройствам передавать данные по мере их появления и поэтому требует интенсивного опроса ведомых устройств ведущим.

Разновидностями Modbus являются протоколы Modbus Plus [4] - мно - гомастерный протокол с кольцевой передачей маркера и Modbus TCP [5], рассчитанный на использование в сетях Ethernet и Интернет.

Протокол Modbus имеет два режима передачи: RTU (Remote Terminal Unit - удаленное терминальное устройство) и ASCII. Стандарт предусматривает, что режим RTU в протоколе Modbus должен присутствовать обязательно, а режим ASCII является опционным. Пользователь может выбирать любой из них, но все модули, включенные в сеть Modbus, должны иметь один и тот же режим передачи.

Мы рассмотрим только протокол Modbus RTU, поскольку Modbus ASCII в России практически не используется. Отметим, что Modbus ASCII нельзя путать с частно-фирменным протоколом DC0N, который используется в модулях фирм Advantech и ICP DAS и не соответствует стандарту Modbus.

Стандарт Modbus предусматривает применение физического интерфейса RS-485, RS-422 или RS-232. Наиболее распространенным для организации промышленной сети является 2-проводной интерфейс RS-485. Для соединений точка-точка может быть использован интерфейс RS-232 или RS-422.

 

Таблица 6 - Модель OSI для Modbus

Номер уровня	Название уровня	Реализация
7	Прикладной	MODBUS Application Protocol
6	Уровень представления	Нет
5	Сеансовый	Нет
4	Транспортный	Нет
3	Сетевой	Нет
2	Канальный	Протокол «ведущий / ведомый».
	(передачи данных)	Режимы RTU и ASCII
1	Физический	RS-485 или RS-232

 

В стандарте Modbus имеются обязательные требования, рекомендуемые и опционные (необязательные). Существует три степени соответствия стандарту: «полностью соответствует» - когда протокол соответствует всем обязательным и всем рекомендуемым требованиям, «условно соответствует» - когда протокол соответствует только обязательным требованиям и не соответствует рекомендуемым, и «не соответствует».

Модель OSI протокола Modbus содержит три уровня: физический, канальный и прикладной (табл. 6).появился более 30 лет назад. В настоящее время под Ethernet понимают семейство продуктов для локальных сетей, которые соответствуют стандарту IEEE 802.3. Промышленному применению стандарта долгое время мешал метод случайного доступа к сети, не гарантировавший доставку сообщения в короткое и заранее известное время. Однако это проблема была решена применением коммутаторов (см. ниже). Доля Ethernet среди установленных промышленных сетей в 2000 году составляла 11%, в 2005 г. - уже 23% [6]. В настоящее время (с 2004 по 2008 годы) рынок промышленного Ethernet растет со скоростью 51% в год [6], он стал промышленным стандартом, и имеется большой выбор оборудования, удовлетворяющего промышленным требованиям. Недостатком промышленного Ethernet является относительно высокая цена: Ethernet модули ввода-вывода в среднем в 2 раза дороже аналогичных Modbus-устройств.

Внедрению Ethernet в промышленность способствовали следующие его качества:

а) высокая скорость передачи (до 10 Гбит/с) и соответствие требованиям жесткого реального времени при высоком быстродействии (например, при управлении движением);

б) простота интеграции с Интернетом и интранетом, в том числе по протоколам прикладного уровня SNMP (Simple Network Management Protocol), FTP, MIME (Multipurpose Internet Mail Extensions), HTTP;

в) простота интеграции с офисными сетями;

г)  наличие большого числа специалистов по обслуживанию Ethernet;

д) по-настоящему открытые решения;

е)  возможность организации многомастерных сетей;

ж) неограниченные возможности по организации сетей самых разнообразных топологий;

з)  широкое применение в офисных сетях, что обеспечило экономическую эффективность технической поддержки стандарта со стороны международных организаций по стандартизации;

и) появление недорогих коммутаторов, решивших проблему недетерминированности Ethernet.

Продвижением и технической поддержкой промышленного Ethernet занимается ассоциация Industrial Ethernet Association (IEA, www.industrialether - net.com), которая была организована в 1999 г. по инициативе шести компаний (Synergetic Micro Systems, Grayhill, HMS Fieldbus Systems, Hilscher, Contemporary Controls и Richard Hirschmann).

Существуют четыре стандартные скорости передачи данных в сетях Ethernet по оптоволоконному кабелю и витой паре проводов: 10 и 100 Мбит/с, 1 и 10 Гбит/с. Ethernet имеет несколько модификаций, структура наименований которых имеет следующий вид: <скорость передачи>ВА8Е<дополнительные обозначениям Скорость указывается цифрой в Мбит/с или в Гбит/с, в последнем случае к цифре добавляется буква G. Буквы после «BASE» означают тип кабеля: Т (Twisted pair) - витая пара, F (Fiber optic) - оптоволоконный, S (Short wavelength optic) - оптический коротковолновый, L (Long wavelength) - длинноволновый, С (short Copper cable) - короткий медный кабель. Символ «X» означает наличие блока кодирования на физическом уровне. В тексте стандарта IEEE 802.3-2005 [5] приводится 44 варианта таких обозначений. Например, 10BASE-T означает спецификацию физического уровня для скорости 10 Мбит/с с методом доступа CSMA/CD и с использованием двух витых пар проводов; 100BASE-FX - для скорости 100 Мбит/с, CSMA/CD с применением двух многомодовых оптических кабелей.

В промышленной автоматизации наибольшее распространение получили стандарты 10BASE-T и 100BASE-TX, а также 100BASE-FX, которые и будут рассмотрены ниже.

В табл. 7 приведена типовая модель OSI для локальной сети LAN, в которой Ethernet как стандарт IEEE 802.3 охватывает только физический и

канальный уровень. На других уровнях в табл. 7 в качестве примера представлены протоколы Интернета. Здесь LLC (Logical Link Control - управление логическими связями) - клиент подуровня MAC; MAC (Medium Access Control) - подуровень управления доступом к линии передачи; PHY (PHYsical) - физический уровень (линия передачи).

Уровни 1 и 2 Ethernet-протокола обычно воплощаются аппаратно, остальные - программно [6].

 

Таблица 7-Уровни модели OSI для сети Ethernet

Уровень	OSI-модель	Сеть Ethernet	Варианты реализации
7 6 5	Прикладной Уровень представления Сеансовый	Прикладной	HTTP, FTP, SMTP, DNS	NFS, XDR, RPC
4	Транспортный	Транспортный	TCP	UDP
3	Сетевой	Интернет-протокол	IP
2	Канальный (передачи данных)	LLC или другие клиенты MAC	Ethernet IEEE 802.3
		MAC
1	Физический	PHY	Витая пара, оптический кабель, коаксиальный кабель

 

Протокол DCON (www.icpdas.com) не относится к стандартным, однако очень широко распространен в России благодаря популярности модулей ввода - вывода RealLab! серии NL фирмы НИЛ АП и усилиям фирм, продвигающих на российский рынок изделия тайваньских производителей ICP DAS и Advantech.

Этот протокол использует только физический и прикладной уровень модели OSI. На физическом уровне используется прямое двоичное кодирование, когда логический ноль представлен низким уровнем напряжения в шине RS - 485, логическая единица - высоким уровнем. Требования к среде передачи (витая пара) определяются стандартом на интерфейс RS-485.

Широкая популярность протокола DCON обусловлена отсутствием необходимости в специализированных микросхемах для реализации стека протоколов, что существенно снижает себестоимость устройств, а следовательно, цену для конечного потребителя. С другой стороны, у системного интегратора уменьшаются затраты на обучение, поскольку применение протокола предельно простое.

Протокол DCON используется в архитектуре «ведущий-ведомый». В сети может быть 255 ведомых устройств, но только одно ведущее, что в принципе исключает возможность конфликтов.

Для увеличения надежности передачи информации на физическом уровне используется простейший способ - вычисление контрольной суммы. Канального уровня в протоколе нет и поэтому ошибки передачи могут быть выявлены только на прикладном уровне, непосредственно граничащем с программой пользователя.

Кадры протокола DCON имеют структуру, показанную на рисунке 6. Каждый кадр начинается с разделителя, в качестве которого могут быть использованы знаки: $, #, %, *, в ответах ведомого устройства используются символы!,?, >.

 

Разделитель

Адрес

Команда

(Данные)

СНК

Вк

Рисунок 6 - Формат кадра протокола DCON

 

За некоторыми командами следуют данные, но их может и не быть. Контрольная сумма, состоящая из двух символов, может отсутствовать. Каждый кадр должен оканчиваться символом возврата каретки «Вк» (ASCII код ODh).

Контрольная сумма (СНК) состоит из двух символов (в нее не включается код символа возврата каретки) и позволяет обнаружить ошибки в командах, посланных из ведущего устройства, а также в ответах ведомого.

Вся информация, содержащаяся в кадре, включая адрес модуля и данные, передается в ASCII-кодах.

Контрольная сумма представляется двумя ASCII-символами шестнадцатеричного формата и передается непосредственно перед «возвратом каретки» (Вк). Она должна быть равна сумме кодовых значений всех ASCII символов команды и быть представлена в шестнадцатеричной системе счисления. Если сумма больше FFh, то в качестве контрольной суммы используется только ее младший байт.

Например, если нужно переслать ведомому устройству команду $012 (Вк), то сумма ASCII кодов символов команды (символ возврата каретки не считается) равна «$» + «О» + «1» + «2» = 24h + 30h + 31h + 32h = B7h, контрольная сумма равна B7h, т.е. перед символом (сг) в команде надо указать В7, и команда $012 (Вк) будет выглядеть как $012В7 (Вк).

 

Таблица 8 - Примеры команд протокола DCON

Команда	Ответ	Описание
%AANNTTCCFF	! АА	Устанавливает адрес, диапазон входных напряжений, скорость обмена, формат данных, контрольную сумму
#АА	>(Data)	Возвращает все входные значения для заданного модуля
#AAN	>(Data)	Возвращает входное значение в канале номер N
$АА0	! АА	для модуля с заранее заданным адресом Выполняет калибровку аналогового модуля для
$АА1	! АА	компенсации погрешности коэффициента передачи Выполняет калибровку аналогового модуля для
$АА2	IAATTCCFF	компенсации погрешности смещения нуля Возвращает параметры конфигурации модуля с указанным адресом
$АА8 SAA8V	! AAV! АА	Читает конфигурацию светодиодного индикатора Устанавливает конфигурацию светодиодного индикатора

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.