Топологии промышленных сетей

 

 

 

 

 

Физические каналы передачи данных

 

 

 

 

 

 

(Харазов)

 

Общие характеристики промышленных сетей

 

 

 

 

В зависимости от области применения все сети можно подразделить на 3 уровня: полевые (Sensored), управляющие (контроллерные) и информационные сети (на базе протокола TCP/IP).

 

Способы обмена информацией

 

 

 

 

 

Существуют следующие способы обмена сообщениями:

Опрос (Polling): опрашивающее устройство поочередно запрашивает данные из каждого конкретного устройства сети либо посылает данные в это конкретное устройство. Таким образом, каждый узел должен поддерживать как входящие, так и исходящие сообщения. Данный метод является самым совершенным, но, вместе с тем, и самым медленным способом сбора информации.

(Широковещательное) стробирование (Strobing): опрашивающее устройство посылает подчиненным устройствам общий запрос, после чего подчиненные устройства по очереди отсылают главному данные о своем состоянии (первым отвечает узел с номером 1, вторым с номером 2 и т.д.). Меняя порядок нумерации узлов, можно задавать приоритетность сообщений. Опрос и широковещательное стробирование наиболее распространенные способы сбора данных.

Периодическая отсылка (Cyclic): сетевые устройства автоматически с установленной периодичностью передают центральному узлу сведения о своем состоянии. Сообщения данного типа, называемые иногда heartbeat-сообщениями (сообщениями типа "я живой"), нередко используются совместно с сообщениями об изменении состояния (Change of State) для индикации текущей работоспособности устройства.

Изменение состояния (Change of State): отсылка сообщения происходит только по факту изменения состояния устройства. Данный метод отличается наименьшими временными затратами; при этом в крупных сетях его производительность может оказаться выше, чем в сетях с использованием метода опроса и с гораздо более высокой скоростью передачи. Метод Change of State является самым экономичным с точки зрения временных затрат, но, вместе с тем (иногда), и наименее точным, поскольку производительность и время отклика становятся статистическими, т.е. непредсказуемыми величинами.

Явное сообщение (Explicit Messaging): передача сообщения с одновременным указанием способа его интерпретации устройством. Широко используется для связи с такими сложными устройствами, как приводы и контроллеры в целях получения значений параметров, меняющихся не так быстро и часто, как производственная информация. Данный метод представляет собой общее многоцелевое средство обмена информацией между двумя устройствами и обеспечивает выполнение функций типа конфигурирования устройства.

Фрагментированное сообщение (Fragmented Messaging): если размер передаваемого сообщения превышает восемь байт, оно может быть разделено на несколько восьмибайтовых фрагментов с последующим восстановлением сообщения в принимающем устройстве. Отсылка одного большого сообщения требует, таким образом, нескольких операций передачи по шине. Обычно в системе DeviceNet фрагментирование сообщений выполняется автоматически, без вмешательства со стороны пользователя.

 

Полевые сети

 

В полевых сетях (расположенных рядом с технологическим оборудованием) наиболее распространенными способами передачи данных являются:

- токовая петля (наиболее распространен аналоговый вариант. Цифровой вариант сети не получил широкого распространения);

- дифференциальный способ (RS-485, RS-422, CAN и сети построенные на базе технологии CAN – CANopen, SDS, DeviceNet и др.);

- передача информации путем изменения частоты сигнала (HART);

- применение Манчестерского кода во взрывозащищенных сетях – стандарт IEC 1158-2 (AS-Interface, Foundation Fieldbus H1, Profibus PA).

Токовая петля 4-20 мА

 

 

 

 

 Большинство контроллеров можно условно разделить на два типа по способу подключения датчиков с выходом 4–20мА:

1) Контроллеры со встроенными блоком питания и сопротивлением нагрузки, с т. н. прямым подключением датчиков с выходом 4–20мА. Схема подключения к таким контроллерам приведена в табл.1;

Рис – Подключение датчиков 4-20 мА и 0-10 В к модулю Siemens

2) Контроллеры, для подключения к которым датчиков 4–20мА требуется наличие внешних блока питания и сопротивления нагрузки. К такому типу контроллеров, например, относится модуль аналогового ввода МВА8 пр-ва ф.ОВЕН. Схема подключения к таким контроллерам приведена в табл.2.

 

Для контроллеров с прямым подключением датчиков 4–20 мА номиналы напряжения блока питания и сопротивления нагрузки как правило согласованы, для контроллеров с внешними блоком питания и нагрузкой эти номиналы необходимо рассчитывать.

Рекомендуется следующий алгоритм выбора сопротивления нагрузки и напряжения блока питания в зависимости от диапазона аналогового входа контроллера:

а) Из спецификации на применяемый контроллер получают данные о диапазоне входного напряжения аналогового входа контроллера, например, 0-10 В;

б) Для входного диапазона 0-10В выбирают номинал сопротивления нагрузки, равный 500 Ом из расчета, что при максимальном измерительном токе с датчика, равном 20 мА, на сопротивлении нагрузки должно падать 10 В;

в) Рассчитывают минимально допустимую величину напряжения источника питания путем сложения минимально допустимого напряжения на клеммах датчика, равного 9 В, и падения напряжения на сопротивлении нагрузки, равного 10 В. Получают величину 19 В.

В качестве источника питания датчика можно выбрать блок питания со стандартным выходом 24 В.

 

Таблица соответствия между рядом стандартных входных диапазонов контроллеров, сопротивлением нагрузки и необходимым напряжением блока питания приведена ниже.

 

Интерфейсы RS-485, RS-422

 

 

Принцип построения

В основе интерфейса RS-485 лежит принцип дифференциальной (балансной) передачи данных (рис.1.2.1). Суть его заключается в передаче одного сигнала по двум проводам. Причем по одному проводу (условно A) идет оригинальный сигнал (при передачи 1 – высокое напряжение относительно земли - до +12 В, при передаче 0 – низкое напряжение +1,5 В), а по другому (условно B) – его инверсная копия (при передаче 1 – низкое отрицательное напряжение относительно земли -1,5 В, при передаче 0 – высокое отрицательное напряжение относительно земли – до -12 В). Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов: при "1" она положительна, при "0" - отрицательна.

 

 

Рис. 1.2.1. Принцип дифференциальной передачи данных

 

Именно этой разностью потенциалов и передается сигнал. Такой способ передачи обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе. Синфазной называют помеху, действующую на оба провода линии одинаково. К примеру, электромагнитная волна, проходя через участок линии связи, наводит в обоих проводах потенциал. Если сигнал передается потенциалом в одном проводе относительно общего, как в RS-232, то наводка на этот провод может исказить сигнал относительно хорошо поглощающего наводки общего провода ("земли"). Кроме того, на сопротивлении длинного общего провода будет падать разность потенциалов земель – дополнительный источник искажений.

 

    Дифференциальное напряжение на выходе передатчика в