Сети, построенные на использовании кодирования Манчестера (IEC 1158-2)

 

В связи со специальными требованиями к линии передачи информации (одновременная передача информации и электропитания для датчиков и исполнительных механизмов, использование неэкранированного кабеля и минимизация полосы частот, например во взрывоопасных производствах) потребовалось разработать новый метод модуляции

Этот метод модуляции для последовательной передачи данных получил название Alternating Puls Modulation (APM, рис. 2.3).

Последовательность передаваемых битов сначала перекодируется в такую последовательность, в которой каждое изменение передаваемого сигнала приводит к фазовой инверсии (кодирование Манчестера).

При этом происходит формирование тока передачи, который в линии благодаря имеющейся распределенной индуктивности создает дифференциальные уровни напряжения. Каждое увеличение тока передачи ведет к появлению отрицательного, а понижение — положительного импульса напряжения. На приёмной стороне эти сигналы напряжений детектируются и преобразуются в последовательность битов, соответствующую исходной.

 

Данный способ кодирования информации используют 3 полевые сети: AS-Interface, Foundation Fielbus, Profibus-PA.

 

AS-Interface (ASI)

 

Основная задача ASI — интерфейса нижнего уровня — связать в единую инфор­мационную структуру устройства нижнего уровня, а именно датчики и разнообраз­ные исполнительные механизмы, имеющие соответствующий сетевой интерфейс. Название описываемой сети раскрывает се назначение: Actuators Sensors interface (ASI) — интерфейс исполнительных устройств и датчиков.

AS-интерфейс является открытой промышленной сетью нижнего уровня систем автоматизации, которая предназначена для организации связи с исполнительными устройствами. Система на базе AS-интерфейса является независимой от изготовителя, то есть изготовители и пользователи получают возможность самостоятельно разрабатывать системные компоненты, совместимые с изделиями других производителей без дополнительных мер по конфигурированию, и обеспечивать их надежную коммуникацию в единой сети.

 Основные концепции AS-интерфейса регламентированы европейскими нормативами EN 50295, а также международным стандартом IEC 62026, базирующимися на спецификациях Международной ассоциации по AS-интерфейсу (AS International Association).

Впервые ASI-протокол вышел на рынок в конце 1989 г. и сегодня поддержан рядом известных фирм: IBM, Siemens, Pepperl+ Fuchs, Allen- Bradley, Limberg и др. Существует и одноименная ассоциация по поддержке этой сети — ASI. С помощью ASI можно стро­ить системы, в которых датчики и контроллеры связаны одной сетью, причем ASI имеет шлюзы в другие промышленные сети: ModBus, Profibus, Interbus, Device Net и др.

 

Физический уровень

 

Для развертывания сегмента AS-сети необходимо следующее оборудование (рис. 2.7):

- источник электропитания - электропитание напряжением 30 В постоянного тока;

- кабель – неэкранированный двух проводной с сечением 2х1,5 мм² или специальный плоский, используется как для обмена данными, так и для подачи напряжения питания на датчики/исполнительные механизмы;

- ведущее устройство - число ведущих устройств (master) – 1;

- ведомые устройства для подключения датчиков и исполнительных механизмов;

- повторители (при необходимости);

- сервисный прибор для адресации и диагностирования.

 

 

 

Рис. 2.7 - Состав узлов AS-интерфейса и их развертывание в сеть

 

AS-интерфейс позволяет решить задачу подключения датчиков и приводов к системе управления на основе построения сети с использованием одного двухжильного кабеля, с помощью которого обеспечивается как питание всех сетевых устройств, так и опрос датчиков и выдача команд на исполнительные механизмы.

 

Кабель AS-интерфейса имеет профилированную форму (рис. 2.8), исключающую его неправильный монтаж. Быстрое и надежное подключение узлов к кабелю обеспечивается с помощью специальной конструкции. В нижней части корпуса монтируемого устройства находятся ножевые контакты, прорезающие кабель и обеспечивающие непосредственный контакт с токоведущими жилами. Несимметричная форма кабеля гарантирует точное попадание контактов в сердечник проводников и абсолютно надежное соединение в течение всего срока эксплуатации.

 

 

Рис. 2.8 - Профилированный кабель

На рис. 2.5 схематически показано подключение источника питания к двухпроводной симметричной линии передачи данных. Источник питания имеет выходное напряжение 29.5…31.6 В постоянного тока и выполнен в соответствии с международными стандартами безопасности IEC для цепей сверхнизкого напряжения (система изоляции PELV — protective extralow voltage). Рабочий ток источника от 0 до 2,2 А. Источник должен быть оснащен защитами от длительного короткого замыкания и перегрузок.

 

 

Схема связи с линией передачи данных, выполненная по рациональному способу в одном корпусе с источником питания, состоит из двух индуктивностей, каждая по 50 мкГн, и двух параллельно включенных сопротивлений по 39 Ом. RL-цепочки служат для того, чтобы токовые импульсы, которые производит передатчик AS-интерфейса, посредством дифференцирования были преобразованы в импульсы напряжения.

AS-интерфейс представляет собой симметричную незаземленную систему.

 

Количество узлов

 

AS-интерфейс является системой с одним ведущим устройством и работает по принципу "ведущий – ведомый" (master - slave). Это означает, что ведущее устройство AS-интерфейса, подключенное к кабелю, управляет процедурой обмена данными с ведомыми устройствами, также подключенными к этому кабелю.

На рис. 2.10 показано два логических интерфейса коммуникационного процессора, являющегося ведущим устройством. Через интерфейс, объединяющий процессор ПЛК и коммуникационный процессор ведущего устройства, передаются данные процесса и команды задания параметров. В программах пользователя предусматриваются необходимые обращения к функциям, имеются механизмы для чтения и записи данных через этот интерфейс. Обмен данными с ведомыми устройствами осуществляется через интерфейс между коммуникационным процессором ведущего устройства и кабелем AS-интерфейса.

 

Рис. 2.10 - Логические интерфейсы коммуникационного процессора

 

До недавнего времени в локальной вычислительной система низкого уровня на базе AS-интерфейса можно было подключить к ведущему устройству до 31 ведомого устройства (slave).  По новой спецификации версии 2.1 стандарта на AS-интерфейс, появившейся весной 2000 года, количество ведомых устройств в одной сети увеличено до 62 за счёт разделения адресного пространства ведущего сетевого устройства на две подобласти: А и В.

 

В качестве ведомых устройств сети AS-интерфейса могут выступать как датчики и исполнительные механизмы со встроенным AS-интерфейсом (интеллектуальные устройства), так и обычные оконечные устройства. Первые подключаются к сети напрямую, вторые – через модули ввода/вывода.

Электронная часть ведомого устройства реализуется на базе специализированных микросхем. Два способа использования специализированных интерфейсных микросхем и определяют два вида AS-модулей:

- чип ведомого устройства AS-интерфейса может быть встроен прямо в датчик или исполнительное устройство, в результате чего получается интеллектуальный датчик (исполнительное устройство) с интегрированным AS-интерфейсом (рис. 2.11 а);

- чип ведомого устройства AS-интерфейса может быть встроен в модуль, к которому уже в свою очередь можно подключать обыкновенный датчик или исполнительное устройство (рис. 2.11 б).

 

а)

б)

Рис. 2.11 - Состав модулей AS-интерфеса

 

Специализированная интерфейсная БИС микросхема обеспечивает AS-модуль электропитанием от сети, распознает переданную от ведущего устройства информацию и посылает в ответ собственные данные.

Первоначально AS-интерфейс был ориентирован на работу исключительно с бинарными данными (дискретными входами/выходами), поэтому длина информационной посылки всего 4 бита. В каждом цикле передаются 4 бита данных от ведущего устройства последовательно к каждому ведомому и обратно. Необходимые для этого порты данных каждой БИС можно конфигурировать отдельно как входные, выходные или двунаправленные порты. Конфигурация портов ведомых устройств устанавливается в соответствии с так называемой конфигурацией ввода/вывода.

По команде «Write Parameter» ведомое устройство получает от ведущего 4 бита данных, соответствующих значению параметра. С их помощью можно управлять особыми функциями ведомого устройства. Установка кодов параметров производится ациклично, причем в одном цикле AS-интерфейса она может быть выполнена только для одного ведомого устройства.

 

В AS-интерфейсе более ранних версий каждое ведомое устройство могло иметь до 4 входов и 4 выходов. Так называемые A/B-устройства (устройства, адресуемые в соответствии со спецификацией версии 2.1) могут иметь до 4 входов и 3 выходов.

В модулях ввода/вывода  все входные цепи гальванически развязаны относительно AS-интерфейса (рис. 2.9). В зависимости от типов подключаемых устройств различают несколько разновидностей модулей ввода/вывода:

- 4 дискретных входа; 

- 4 дискретных выхода; 

- 2 дискретных входа + дискретных 2 выхода; 

- 4 дискретных входа + 2 дискретных выхода; 

- 4 дискретных входа + 3 дискретных выхода

- 4 дискретных входа + 4 дискретных выхода; 

- 2 аналоговых входа (ток 0…20/4…20 мА или напряжение 0…10 В); 

- 2 аналоговых выхода (ток 0…20/4…20 мА или напряжение 0…10 В); 

- 4 аналоговых входа от термодатчиков типа Pt100.

 

 

Рис. 2.9 - Подключение кабеля к монтируемому устройству.

 

Интеллектуальные оконечные устройства, такие как датчики приближения, фотоэлектрические датчики и др., как правило, имеют стандартный интерфейсный разъем М12. На рис. 2.12 показано как выглядит оконечное устройство, рассчитанное для подключения таких устройств, а также назначение контактов разъемов при подключении различных цепей.

 

Рис. 2.12 - Оконечное устройство для подключения датчиков фирмы Siemens с разъемами М12 и назначение контактов разъемов.

 

Модули ввода/вывода могут быть приспособлены для монтажа в электрических шкафах, в распределительных коробках с обычными и с кабельными выводами. Примеры того, как могут выглядеть такиe устройства, показаны на рис. 2.14.

 

Рис. 2.14 - Внешний вид модулей AS-интерфейса

 

Время опроса

AS-интерфейс использует метод доступа к ведомым устройствам, основанный на их циклическом опросе (polling). При опросе системы, состоящей из 31 ведомого устройства, время цикла составляет 4,7 мс.

Таким образом, не позднее чем через каждые 5 мс каждый датчик или исполнительный механизм системы будет опрошен ведомым устройством. Если в AS-интерфейсе версии 2.1 используются только ведомые устройства подобласти адресного пространства А или В, то время цикла опроса также не превышает 5 мс. В случае использования всего адресного пространства, доступного для данной версии, ведомые устройства подобластей А и В обслуживаются по очереди: в первом цикле производится опрос ведомых устройств подобласти А, во втором – подобласти В, и в такой последовательности циклический процесс опроса повторяется далее. Таким образом, в этом случае суммарное время обслуживания всех ведомых устройств не превышает 10 мс.

Обслуживание ведомых А/B-устройств способны выполнять только ведущие сетевые устройства, поддерживающие спецификацию версии 2.1.

Устройства, не поддерживающие данную версию, способны обслуживать не более 31 ведомого устройства (подобласть адресного пространства А).

 

Топология сети

Топология сети AS-интерфейса очень проста и позволяет подключать ведомые устройства по схемам шина, звезда, кольцо или дерево (рис. 2.2).

 

 

 

Единственный пункт, который необходимо учитывать, — это ограничение общей длины кабеля 100 м. Под общей длиной понимается сумма длин всех ветвей сегмента сети, обслуживаемого одним ведущим устройством. Специальный расширитель позволяет удлинить кабель или разделить ветвь на группы.

Если требуется большая длина кабеля, то можно использовать до двух повторителей, что обеспечит надежное соединение при суммарной протяжённости линий связи до 300 м. При этом необходимо учитывать, что каждый сегмент требует отдельного источника электропитания.

Для сетевых устройств должны использоваться только специальные источники, предназначенные для работы с AS-интерфейсом.

 

На рис. 2.13 продемонстрирован вид производственной линии со смонтированным сегментом сети AS-интерфейса на рассмотренных модулях.

 

 

Рис. 2.13 - Вид производственной линии со смонтированным сегментов сети AS-интерфейса на рассмотренных модулях

 

Канальный уровень

 

Протокол AS-интерфейса (рис. 2.4) состоит из запроса ведущего устройства, паузы ведущего устройства, ответа ведомого устройства и, соответственно, паузы ведомого устройства.

 

Условные обозначения:

ST — стартовый бит;

SB — управляющий бит;

A4…A0 — адрес ведомого устройства;

I4…I0 — информационная часть (данные) от ведущего устройства к ведомому и от ведомого к ведущему;

PB — бит паритета;

EB — признак конца телеграммы (конечный бит).

 

Большое значение для безошибочной передачи данных по неэкранированным и неперевитым проводам AS-интерфейса имеет надежное распознавание ошибок, которое предусмотрено в процессе приема информации.

В основе безопасности передачи данных по AS-интерфейсу лежит, прежде всего, обмен очень короткими кадрами: запрос ведущего устройства содержит 11 информационных битов, а ответ ведомого устройства — 4 бита.

Для контроля целостности данных используется контрольная сумма (CRC).

Достаточная избыточность кода и знание фиксированных длин кадров позволяют распознавать:

- ошибки стартового или конечного бита, бита паритета, кода Манчестера, а также выход за пределы времени передачи (time-out) и задержки времени паузы;

- задержку модуляции;

- нарушение длины кадров.

С помощью всех названных механизмов для AS-интерфейса достигается высокий показатель Хэмминга HDeff = 3, который характеризует устойчивость кода к помехам и оценивается по формуле HD= e+1 (е — число достоверно обнаруживаемых ошибок).

 

Сеть Profibus PA

 

Этот протокол используется в устройствах, работающих в опасных произ­водствах, и позволяет подключать к одной шине датчики и преобразователи изолированно друг от друга.

В основе протокола PA (Process Automation) лежит протокол ISP (Interoperable Systems Project). Физический уровень (уровень 1 OSI-модели) реализует стандарт IEC 61158-2 (с внутренней защитой данных). Уровень 2 — это функциональное подмножество стандарта DIN 19245.

Технология передачи предоставляет взрывозащищенность и питание устройств через шину. Она базируется на следующих основных принципах:

- у каждого сегмента только один источник питания;

- при передаче данных, питания не происходит;

- пассивная терминация линии с обоих концов основной шины и т.д.

 

С помощью PROFIBUS-PA могут быть реализованы отдельные структуры: линейные, древовидные, звездообразные, а также их комбинации.

Количество шинных сегментов, занятых участниками шины зависит от установленных источников питания, тока, потребляемого участниками, типа кабеля и экрана шинной системы. Чтобы повысить надежность системы, можно сделать сегмент резервированным.

Технология передачи PROFIBUS-PA предназначена для взрывоопасных помещений с обеспечением внутренней безопасности и поэтому работает, используя синхронный, низкоэнергетический метод передачи. Во взрывоопасных помещениях с обеспечением внутренней безопасности на одном сегменте PROFIBUS-PA могут работать до 10 абонентов, при условии, что общее потребление тока никогда не превышает 100 мА. В помещениях, не требующих обеспечения внутренней безопасности, на одном сегменте PROFIBUS-PA могут работать до 32 абонентов.

Сегмент PROFIBUS-PA имеет длину до 1900 м, длина ответвлений — 120 м. Скорость обмена между узлами сети — 31,2 кбит/с.

Характеристика технологии передачи данных показана в табл.2.7.

За счет идентич­ности коммуникационных протоколов возможно объединение сетей Profibus-DP и Profibus-PA. Для этого используется интерфейс DP/РА, позволяющий объединять до 5 шин Profibus-PA.

Подключение шинных сегментов РА к сегменту PROFIBUS-DP осуществляется с помощью сегментных разветвителей - DP/PA-Copler (рис. 2.9) или сегментных соединителей - DP/PA-Link.

 

 

Структура канального протокола Profibus-PA сравнима с Profibus-DP (формат данных одинаковый).

 

 

Сеть Foundation Fieldbus

 

Эта сеть родилась в результате сотрудничества двух ассоциаций – ISP и WorldFIP, которые до 1993 года пытались самостоятельно создать универсальную промышленную сеть. В 1994 году появилась ассоциация Fieldbus Foundation, продвигающая на рынке и обеспечивающая поддержку сети Foundation Filedbus (FF). После многолетних безуспешных попыток разработать универсальную промышленную сеть, предпринятых ведущими комитетами по стандартизации IEC и ISA, ассоциация Fieldbus Foundation пришла к синтезированному решению с использованием наработок из разных источников под общим названием Foundation Fieldbus.

Foundation Fieldbus представляет собой двухуровневый сетевой протокол, соче­тающий черты мощной информационной магистрали для объединения компьюте­ров верхнего уровня и управляющей сети, объединяющей контроллеры, датчики и исполнительные механизмы.

Стандарт определяет два уровня сети. На нижнем уровне (H1 FF медленный) в качестве физи­ческой среды передачи данных за основу взята модифицированная версия стандарта EEC 61158-2. Уровень H1 предназначен для объединения устройств, функционирую­щих во взрывоопасных газовых средах. Скорость передачи на уровне H1 составляет 31,25 кбит/с.

На верхнем уровне (протокол Н2 FF быстрый) обеспечивается рабочая скорость до 1Мбит/с и также основан на стандарте IEC 1158-2. Существует и сетевой уровень - в настоящее время используется Foundation Fieldbus HSE (High Speed Ethernet), основанный на сети Fast Ethernet со скоростью передачи 100 Мбит/с (стандарт IEС 61158), использующий элементы проекта IEC/ISA SP50 универсальной промышленной сети

 

Основная область применения этой сети - самый нижний уровень распределенной системы автоматизации с обвязкой устройств, работающих во взрывоопасных средах и использующих сеть, как для информационного обмена, так и для собственной запитки.

У протоколов FF и Profibus-PA много общего и именно поэтому со стороны европейской ассоциации по стандартизации CENELEC сделано предложение о включении FF в стандарт EuroNorm 50170 в качестве самостоятельной его части.

Две особенности выделяют Foundation Fieldbus среди других цифровых промыщленных сетей.

Во-первых, был разработан специальный язык описания оконечных устройств (Device Description Language), использование которого позволяет подключать новые узлы к сети по широко применяемой в обычных IBM РС совместимых компьютерах технологии plug-and-play. Достаточно физически подключить новое устройство, и оно тут же самоопределится на основании заложенного описания DD (Device Description), после чего все функциональные возможности нового узла становятся доступными в сети. При конфигурировании инженеру достаточно соединить входы и выходы имеющихся в его распоряжении функциональных блоков, чтобы реализовать требуемый алгоритм. Пользователям доступны как типовые DD для стандартных устройств (клапанов, датчиков температуры и т.д.), так и возможность описания нестандартных изделий.

Во-вторых, в отличие от других промышленных сетей, Foundation Fieldbus ориентирована на обеспечение одноранговой связи между узлами без центрального ведущего устройства. Этот подход даёт возможность реализовать системы управления, распределенные не только физически, но и логически, что во многих случаях позволяет повысить надежность и живучесть.

В Foundation Fieldbus реализованы самые сложные технологии обмена информацией: подписка на данные, режим клиент-сервер, синхронизация распределенного процесса и т.д.