«Автоматизированные системы управления технологическими процессами ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ Учебное пособие для студентов специальности 220301 Автоматизация технологических процессов и производств Санкт-Петербург ...»

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное

агентство по образованию

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ

ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

В. А. ВТЮРИН, кандидат технических наук, доцент

Автоматизированные системы управления технологическими процессами

ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ

Учебное пособие для студентов специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств»

Санкт-Петербург 3 4

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АРМ – автоматизированное рабо- ПИД – пропорционально-интеграчее место дифференциальный регулятор АСКУЭ – автоматизированная сис ПК – персональный компьютер тема контроля и учета энергоресу- ПЛК – программируемый логичес рсов кий контроллер АСУ – автоматизированная систе- ППП – пакеты прикладных прогма управления рамм АСУП – АСУ производством ПО – программное обеспечение АСУТП – АСУ технологическими ПТК – программно-технический процессами комплекс АЦП – аналого-цифровой преобра ПЭВМ – персональная ЭВМ зователь РВ – реальное время БД – база данных РМВ –реальный масштаб времени ВТ – вычислительная техника РСУ – распределенная система ДП – диспетчерский пункт управления ИАСУ – интегрированная АСУ САПР – система автоматизированИВК – информационно-вычисли- ного проектирования тельный комплекс САР – система автоматического ИУ – исполнительное устройство регулирования ИМ – исполнительный механизм СРВ – система реального времени КП – контролируемый пункт СУ – система управления КТС – комплекс технических ТОУ – технологический ОУ средств ТП – технологический процесс ЛВС – локальная вычислительная ТЭП – технико-экономические сеть показатели ОЗУ–оперативное запоминающее УСО–устройство связи с объектом устройство УВК – управляющий вычислитель ОС – операционная система ный комплекс ОС РВ – ОС реального времени ЦАП–цифро-аналоговый преобраОУ - объекты управления зователь П регулятор – пропорциональный ЦДП – центральный ДП регулятор ЦПС – цифровые промышленные ПИ регулятор – пропорционально- сети интегральный регулятор ЧМИ – человеко-машинный интер фейс _ _

ВВЕДЕНИЕ

Большой интерес специалистов к промышленной автоматизации объясняется устойчивой тенденцией роста спроса на средства автоматизации. К отраслям, заинтересованным, прежде всего в системах автоматизации технологических процессов (ТП), относится и деревообработка.

Следует отметить, что отечественная промышленная автоматизация в настоящее время и в ближайшем будущем будет связана главным образом с модернизацией и реконструкцией АСУТП, которые сопровождаются более значительной долей внедрения оборудования и услуг, чем при новых капиталовложениях. По данным зарубежных компаний [1] спрос на устройства управления в составе аппаратных средств верхнего уровня постоянно снижается, что объясняется перемещением интеллектуальных компонентов АСУТП к полевым устройствам, снижением стоимости технических средств, повышением степени унификации (уменьшением разнообразия) программно-аппаратной части средств автоматизации.

На рубеже 70-х и 80-х годов ХХ века ведущие мировые производители средств автоматизации начали выпускать наборы программно-технических комплексов (ПТК) для построения АСУТП.

К числу других тенденций развития ПТК относятся увеличение объема представляемой информации, приведшее к бурному развитию SCADA-систем, упрощение структур АСУТП, повышение степени их универсальности, появление новых устройств визуализации и индикации (в том числе крупномасштабных дисплеев с использованием мультимедиа), изменение перераспределения функций между уровнями АСУТП.

Основными признаками ПТК являются их совместимость, способность функционировать в единой системе, стандартизация интерфейсов, функциональная полнота, позволяющая строить целиком АСУ ТП из средств только данного набора. Такие наборы средств получили название программно-технических комплексов.

При создании современных АСУ ТП наблюдается мировая интеграция и унификация технических решений. Фирмы-разработчики сосредоточивают свои ресурсы на том, что они умеют делать лучше других, заимствуя лучшие мировые достижения в остальных областях, становясь тем самым системными интеграторами, Основное, требование современных систем управления – это открытость системы. Система считается открытой, если для нее определены и описаны используемые форматы данных и процедурный интерфейс, что позволяет подключить к ней «внешние» независимо разработанные компоненты. Архитектура IBM PC занимает ведущее место в области автоматизации.

За последние годы рынок технических средств автоматизации существенно изменился. Создано много отечественных фирм, выпускающих средства и системы автоматизации. Известные российские приборостроительные заводы изменили номенклатуру выпускаемой продукции. Появилось много отечественных фирм – системных интеграторов, работающих на рынке технических средств автоматизации. С начала 90-х годов ведущие зарубежные фирмы, производители технических средств автоматизации, начали широкое внедрение своей продукции в страны СНГ через свои представительства, филиалы, совместные предприятия, отечественные фирмы – дилеры.

Основой успешной стратегии производителей ПТК служит концепция модульного состава на уровне аппаратного обеспечения с применением объектно-ориентированного программирования и SCADAсистем, позволяющих обеспечить разнообразные запросы потребителей.

Таким образом, как изготовители ПТК, так и потребители смогут уменьшить стоимость систем, время на их реализацию, эксплуатационные затраты. Важнейшей составляющей эффективности АСУТП является сохранение качества на протяжении всего жизненного цикла, который по оценкам специалистов должен составлять не менее 10 лет. Разработчикам систем необходимо систематически искать возможности снижения затрат на проектирование, монтаж, обучение.

1.1. Классификация микропроцессорных ПТК 1.2. Краткие сведения о ПТК 1.3. Функциональный состав программно-технических комплексов 1. 4. Коммутаторы, концентраторы, интеграторы 1.1. Классификация микропроцессорных ПТК Все выпускаемые универсальные микропроцессорные ПТК подразделяются на классы, каждый из которых выполняет определенный набор функций. Рассмотрим ПТК, начиная с простейшего класса, минимального по функциям и объему автоматизируемого объекта, и, кончая классом, который может охватывать задачи планирования и технического управления на всем предприятии [1].

а) Контроллер на базе ПК. Это направление существенно развилось в последнее время с повышением надежности работы ПК, наличия их модификаций в обычном и промышленном исполнении;

открытой архитектуры, легкости включения в них любых блоков ввода/вывода; возможности использования уже наработанной широкой номенклатуры ПО (ОС РВ, БД, ППП контроля и управления). Основные сферы использования контроллеров на базе ПК – специализированные системы автоматизации в медицине, научных лабораториях, средствах коммуникации, для небольших замкнутых объектов в промышленности.

Общее число входов/выходов такого контроллера обычно не превосходит нескольких десятков, а функции выполняют достаточно сложную обработку измерительной информации с расчетом управляющих воздействий. Рациональную область применения контроллеров на базе ПК можно очертить следующими условиями:

- при нескольких входах и выходах объекта надо производить большой объем вычислений за достаточно малый интервал времени (необходима большая вычислительная мощность);

- средства автоматизации работают в окружающей среде, не слишком отличающейся от условий работы обычных ПК;

- нет необходимости в использовании контроллера;

- реализуемые контроллером функции целесообразно (в силу их нестандартности) программировать не на одном из специальных технологических языков, а на обычном языке программирования высокого уровня типа C++, PASCAL;

- мощная поддержка работы операторов, реализуемая в обычных контроллерах: диагностика, устранение неисправности без остановки работы контроллера, модификация ПО во время работы системы автоматизации.

На рынке контроллеров, на базе ПК в России успешно работают компании: Octagon, Advantech, Analog Devices и др. Многие российские фирмы закупают компьютерные платы и платы ввода/вывода этих фирм и строят из них контроллеры. Следует отметить, что в России этот класс контроллеров непомерно раздут и частично занимает нишу следующих классов ПТК из-за:

- агрессивной рекламы фирм, работающих в этом секторе рынка;

- легкости создания из компьютерных плат новых типов контроллеров, привлекающей многие небольшие российские компании, создающие свои ПТК;

- простоты и привычности создания ПО для ПК;

- непонимания заказчиками важности тех свойств, которые есть у специально разработанных контроллеров и отсутствуют у контроллеров, построенных на базе ПК.

б). Локальный ПЛК. В настоящее время распространяются несколько их типов:

неотъемлемой частью; примеры такого интеллектуального оборудования: станки с ЧПУ, автомашинисты, современные аналитические приборы;

- автономный, реализующий функции контроля и управления небольшим, достаточно изолированным технологическим объектом. Если встраиваемые контроллеры выпускаются без специального кожуха, поскольку они монтируются в общий корпус оборудования, то автономные контроллеры помещаются в защитные корпуса, рассчитанные на разные условия окружающей среды. Почти всегда эти контроллеры имеют порты, соединяющие их в режиме "точка-точка" с другой аппаратурой, и интерфейсы, которые могут через сеть связывать их с другими средствами автоматизации (РСУ, диспетчерскими системами, пультами операторов и т. п.); часто в такой контроллер встраивается или подключается панель ЧМИ, состоящая из дисплея и функциональной клавиатуры.

Следует выделить специальные типы контроллеров, выпускаемых для аварийной защиты процессов и оборудования и отличающиеся высокой надежностью, живучестью, быстродействием. В этих контроллерах предусмотрены различные варианты полной диагностики и резервирования, как отдельных компонентов, так и всего контроллера в целом. Можно отметить следующие распространенные варианты резервирования:

- горячий резерв всех компонентов и/или контроллера в целом (при непрохождении теста в рабочем контроллере управление безударно переходит ко второму контроллеру);

- троирование основных компонентов и/или контроллера в целом с "голосованием" результатов обработки сигналов всех контроллеров большинство, а контроллер, давший другой результат, объявляется неисправным);

- работа по принципу "пара и резерв". Параллельно работает пара контроллеров с голосованием результатов, а аналогичная пара находится в горячем резерве; при выявлении разности результатов работы первой пары управление переходит ко второй; первая пара тестируется и либо выявляется наличие случайного сбоя, тогда управление возвращается к ней, либо выявляется неисправность и управление остается у второй.

Контроллеры обычно рассчитаны на десятки входов/выходов от датчиков и ИМ; их вычислительная мощность невелика; они реализуют простейшие типовые функции обработки измерительной информации, логического управления, регулирования. Зарубежные фирмы, работающие в этом секторе рынка:

- General Electric Fanuc Automation с контроллерами сер. 90 Micro;

- Rockwell Automation с контроллерами сер. Micrologic 1000;

- Schneider Automation с контроллерами сер. TSX Nano;

- Siemens с контроллерами сер. С7-620.

в). Сетевой комплекс контроллеров. Этот класс ПТК является наиболее широко внедряемым средством управления ТП во всех отраслях промышленности. Минимальный состав ПТК имеет ряд контроллеров, несколько дисплейных пультов операторов, промышленную сеть, соединяющую контроллеры и пульты между собой.

Контроллеры определенного сетевого комплекса обычно содержат ряд модификаций, отличающихся друг от друга мощностью, быстродействием, объемом памяти, возможностями резервирования, максимальным числом каналов входов/выходов. Это облегчает использование сетевого комплекса для разнообразных технологических объектов, поскольку позволяет наиболее точно подобрать контроллеры требуемых характеристик под отдельные узлы автоматизируемого агрегата и разные функции контроля и управления.

В качестве дисплейных пультов почти всегда используются те или иные ПК в обычном или промышленном исполнении с клавиатурами – обычной алфавитно-цифровой и специальной функциональной, с одним или несколькими мониторами, имеющими большой экран.

Промышленная сеть может иметь различную структуру: шину, кольцо, звезду; она часто подразделяется на сегменты, связанные между собою маршрутизаторами. Информация, передаваемая по сети, достаточно специфична – это ряд как периодических, так и случайных во времени коротких сообщений. К их передаче предъявляются требования:

сообщения ни в коем случае не могут быть утеряны (должна быть гарантия их доставки адресату); для сообщений высшего приоритета (например, об авариях) должен быть гарантирован интервал времени их передачи.

В меньшей степени этим требованиям удовлетворяет метод случайного доступа к сети, при котором в случае возникновении аварийной ситуации и, как ее следствия, одновременно резкого увеличения числа экстренных сообщений, которые должны пройти через сеть, может возникнуть затор в сети. Это приведет к потере отдельных сообщений, а не только к задержке их доставки адресату.

Сетевые комплексы контроллеров имеют верхние ограничения как по сложности выполняемых функций (измерения, контроля, учета, регулирования, блокировки), так и по объему самого автоматизируемого объекта, в пределах тысяч измеряемых и контролируемых величин (отдельный технологический агрегат). Большинство зарубежных фирм поставляет сетевые комплексы контроллеров (порядка сотен входов/выходов на контроллер): DL 205, DL 305 фирмы Коуо Electronics;

TSX Micro фирмы Schneider Automation; SLC-500 фирмы Rockwell Automation;

CQM1 фирмы Omron.

г) РСУ малого масштаба. Этот класс микропроцессорных средств превосходит большинство сетевых комплексов контроллеров по мощности, и сложности выполняемых функций, но имеет ряд ограничений по объему автоматизируемого производства. Основные отличия этих средств от сетевых комплексов контроллеров заключаются в несколько большем разнообразии модификаций контроллеров, блоков ввода/вывода, панелей оператора; большой мощности центральных процессоров, позволяющих им обрабатывать более входных/выходных сигналов; выделении удаленных блоков ввода/вывода, рассчитанных на работу в различных условиях окружающей среды;

более развитой и гибкой сетевой структуре. Зачастую они имеют несколько уровней промышленных сетей, соединяющих контроллеры между собою и с пультами операторов (например, нижний уровень, используемый для связи контроллеров и пульта отдельного компактно расположенного технологического узла, и высший уровень, узлов друг с другом и с пультом оператора).

Сетевая структура развивается в направлении создания полевых сетей, соединяющих отдельные контроллеры с удаленными от них блоками ввода/вывода и интеллектуальными приборами (датчиками и ИУ). Такие достаточно простые и дешевые сети позволяют передавать информацию между контроллерами и полевыми приборами в цифровом виде по одной витой паре, что значительно сокращает длину кабельных сетей и уменьшает влияние помех.

Маломасштабные РСУ охватывают отдельные цеха и участки производства и в дополнении к обычным функциям контроля и управления часто могут выполнять более сложные и объемные алгоритмы управления (статическую и динамическую оптимизацию объекта). Эти алгоритмы в зависимости от объема и динамики реализуются либо в самих контроллерах, либо в вычислительных мощностях пультов операторов.

Примеры маломасштабных РСУ: ControlLogix фирмы Rockwell Automation; Simatic S7-400 фирмы Siemens; TSX Quantum фирмы Schneider Automation.

д). Полномасштабные РСУ. Это наиболее мощный класс микропроцессорных ПТК, практически не имеющий границ ни по выполняемым функциям, ни по объему автоматизируемого объекта. Одна такая система может использоваться для автоматизации производственной деятельности крупномасштабного предприятия.

Данный класс ПТК включает все особенности перечисленных микропроцессорных средств управления и дополнительно имеет ряд свойств, влияющих на возможности их использования:

- наличие промышленных сетей, позволяющих подсоединять к одной шине сотни узлов (контроллеров и пультов) и распределять их на значительные расстояния;

- существование модификаций контроллеров, наиболее мощных по вычислительным возможностям, что позволяет кроме обычных функций реализовать в них сложные и объемные алгоритмы, контроля, диагностики, управления;

- широкое использование информационных сетей (Ethernet) для связи пультов операторов друг с другом, с серверами БД, для взаимодействия ПТК сетью предприятия и построения управляющих центров (планирования, диспетчеризации, оперативного управления);

- взаимодействие пультов управления в режиме клиент/сервер;

- в составе ППП, реализующих функции управления отдельными агрегатами (многосвязного регулирования, оптимизации и т.д.), диспетчерского управления участками производства, учета и планирования производства в целом.

Примеры фирм: АББ - Symphony; Honeywell - ТРС и PlantScape;

Valmet - Damatic XDi; Yokogava -Centum CS, Foxboro - I/A Series, FisherRosemount - Delta-V и др.

Приведенная классификация помогает охватить всю гамму современных микропроцессорных ПТК и выделить основные черты и отличия отдельных классов этих средств. Четких границ между классами ПТК не существует, а в последние годы они тем более размываются, так как открытость и стандартность отдельных компонентов таких комплексов позволяет компоновать их из разных средств, соединять различными типовыми сетями и создавать систему управления из отдельных компонентов, выпускаемых разными фирмами и относящихся к разным классам.

В таблице 1.1 представлена краткая информация о некоторых ПТК и многофункциональных контроллерах, позволяющих организовать связь с верхним уровнем автоматизации [2].

ПТК/контроллера ПТК «САРГОН» - IBM-совместимые персональные компьютеры агрегата, турбины, цеха, стан nvt.msk,ru Комплекс включает в себя: Создание систем телемеханиконтроллер Миконт-М; ки в электроэнергетике, нефконтроллер Сателлит – интеллектуальный ПЛК, тегазовом комплексе и дру предназначенный для решения задач автоматики, гих областях.

ПТК «Сириус» собирающий и обрабатывающий информацию от Микропроцессорная децентрализованной системы. Номенклатура единой интегрированной г. Северодонецк система контроля и изделий комплекса позволяет создавать системы системы управления ПТК «КРУГ-2000» - системы бесперебойного питания;

программно- - мультиплексная система связи и управления других отраслей, а также (совместно).

технический МСС, содержащая периферийные локальных САУ транспорткомплекс «УПТК» приемопередатчики (распределенные УСО), ных средств, охранной обеспечение, построенное на базе SCADAсистемы TRACE MODE.

ПТК «Дирижер» технологии, стандартные коррозионно-стойкие других отраслей, а также «Электромеханика»

исполнение, в качестве базового процессорного модуля использован модуль VIUC производства - фирменное программное обеспечение центра ПТК «Круиз» установленные вместе с блоками устройств управления объектами любой www.piczebra.ru - микропроцессорный контроллер Ремиконт Р- технологическими объектами Чебоксарское НПП ПТК «Квинт» - персональные компьютеры в обычном или ности вплоть до объектов, www.elara.ru контроллерным оборудованием. Каждый тип тяной, газовой, химической www.tornado.nsk.ru - система программирования контроллеров промышленности, перерабаISaGraf (AlterSys Inc Канада); тывающих отраслей, транскоммутационное оборудование сети Ethernet и порта, коммунального ПТК «Деконт» интерфейсных каналов контроллера Decont-182 управления на предприятиях, и система полевых - интеллектуальный шлюз для сети контроллеров соответствии с международ- механики», ПТК «Машинист» управления: контроллеры Smart I/O фирмы PEP объектов (энергоблока, котло контроллеры, выполненные в стандартах числительных и информаци VMIbus, CompactPCI, STDbus, PCI, PC/104, ISA онно-транспортных задач, во - рабочие станции управляющего контура: IBM ции технологических процесс исполнении (Корунд (Россия), OR, PEP, ПТК может использоваться вычислительного контура: IBM PC совместимые 50000 в энергетической, меПЭВМ общего или индустриального таллургической, химической Arcnet; «полевые» сети: CANbus, Lightbus, Profibus и др.

Программное обеспечение:

- ОСРВ QNX 4.2x, Windows NT;

«Конфигуратор», «Графический редактор», язык программно-технических комплексов В настоящее время на рынке промышленной автоматизации присутствует несколько сотен самых разнообразных ПТК как отечественных, так и зарубежных производителей. Все они отличаются своей структурой, информационной мощностью, эксплуатационными характеристиками (диапазон температур, влажности, возможность использования во взрыво- и пожароопасных производствах), стоимостью и др.

Несмотря на многообразие существующих ПТК, можно выделить несколько функциональных элементов, присущих большинству из них [2]:

• промышленные сети;

• программируемые логические контроллеры или контроллеры на базе PC, интеллектуальные устройства связи с объектом;

• рабочие станции и серверы различного назначения;

• прикладное программное обеспечение.

Структура ПТК в первую очередь определяется средствами и характеристиками взаимосвязи отдельных компонентов комплекса (контроллеров, пультов оператора, удаленных блоков ввода-вывода), т.е. сетевыми возможностями. Гибкость и разнообразие структур ПТК зависят от:

числа имеющихся сетевых уровней;

возможных типов связи (топологий) на каждом уровне сети:

шина, звезда, кольцо;

параметров сети каждого уровня: типов кабеля, допустимых расстояний, максимального количества узлов (компонентов комплекса), подключаемых к каждой сети, скорости передачи информации, методе доступа компонентов к сети (случайный по времени доставки сообщений или гарантирующий время их доставки).

Указанные свойства ПТК характеризуют возможность распределения аппаратуры в производственных цехах; объем производства, который может быть охвачен системой автоматизации, реализованного на данном ПТК; возможность переноса блоков ввода-вывода непосредственно к датчикам и исполнительным механизмам.

Одна из самых простых и популярных структур ПТК представлена на рис. 1.1. Все функциональные возможности системы четко разделены на два уровня. Первый уровень составляют контроллеры, второй - пульт оператора, который может быть представлен рабочей станцией или промышленным компьютером.

Уровень контроллеров в такой системе выполняет сбор сигналов от датчиков, установленных на объекте управления; предварительную обработку сигналов (фильтрацию и масштабирование); реализацию алгоритмов управления и формирование управляющих сигналов на исполнительные механизмы объекта управления; передача и прием информации из промышленной сети.

Пульт оператора формирует сетевые запросы к контроллерам нижнего уровня, получает от них оперативную информацию о ходе технологического процесса, отображает на экране монитора ход технологического процесса в удобном для оператора виде, осуществляет долговременное хранение динамической информации (ведение архива) о ходе процесса, производит коррекцию необходимых параметров алгоритмов управления и уставок регуляторов в контроллерах нижнего уровня.

Увеличение информационной мощности (количества входных/выходных переменных) объекта управления, расширение круга задач, решаемых на верхнем уровне управления, повышение надежностных показателей приводят к появлению более сложных структур программнотехнических комплексов (рис. 1.2).

Операционные системы (ОС) семейства Windows фирмы Microsoft практически полностью завоевали рынок офисных компьютеров и активно осваивают уровень промышленной автоматизации. Большинство серверов и рабочих станций функционируют под управлением ОС Windows NT/2000/XP. Некоторые технологии Microsoft уже сейчас стали промышленным стандартом.

Использование архитектуры «Клиент-сервер» позволяет повысить эффективность и скорость работы всей системы, повысить надежность и живучесть системы за счет резервирования серверов, рабочих станций, территориальным распределением решаемых задач.

Серверы, как правило, выполняются на базе промышленных компьютеров и являются резервируемыми.

Наименование серверов в различных ПТК различается: сервер базы данных реального времени, сервер оперативной и архивной базы данных, сервер ввода-вывода и др. Основные функции:

сбор, обработка оперативных данных от устройств связи с объектом и контроллеров;

передача команд управления контроллерам с верхнего уровня управления;

хранение и отображение информации о заданных переменных;

предоставление требуемой информации клиентским рабочим станциям;

архивация трендов, печатных документов и протоколов событий.

Современные ПТК, как правило, включают станции инжиниринга, выполненные на базе персональных компьютеров в офисном исполнении. С их помощью осуществляется инженерное обслуживание контроллеров:

программирование, наладка, настройка. В некоторых ПТК станции инжиниринга позволяют производить также инженерное обслуживание рабочих станций.

Еще одна сторона современных ПТК связана с активным проникновением Internet-технологий на уровень промышленной автоматизации.

Сегодня все ведущие производители инструментального программного обеспечения для систем управления технологическими процессами, как зарубежные, так и отечественные, встраивают поддержку данных технологий в свои продукты.

Наиболее широким применением Internet-технологий в АСУ ТП является публикация на Web-серверах информации о ходе ТП и всевозможных сводных отчетов. Web-серверы имеют возможность взаимодействовать с сервером БД, который хранит необходимую информацию о процессе. Это позволяет клиенту через браузер (Internetобозреватель) делать необходимые запросы к базе данных. Такой подход к тому же минимизирует затраты, так как не требует на стороне клиента установки какого бы то ни было дополнительного программного обеспечения, кроме обычных программ-браузеров (Internet Explorer, Netscape Navigator и др.).

1. 4. Коммутаторы, концентраторы, интеграторы В современных экономических условиях вследствие финансовых трудностей большинство предприятий не может провести комплексную автоматизацию всего производства или его модернизацию. Приходится выбирать наиболее слабое место в производстве и модернизировать именно его, при этом обеспечивая совместимость с существующими работающими подсистемами АСУ [2].

На этом этапе приходится решать следующие задачи:

согласование физических интерфейсов и протоколов различных промышленных сетей (Profibus, CANbus, Modbus, Lon Work и др.) и локальных сетей с их базовыми протоколами (TCP/IP, IPX/SPX, NetBIOS и т.д.);

поддержка работы модемов и радиомодемов для обеспечения взаимодействия с удаленными контроллерами и подсистемами;

синхронизация взаимодействия различных подсистем, обеспечение единого времени и адресации параметров системы (при необходимости формирования базы данных системы);

обеспечение взаимодействия со SCADA-системами, СУБД и человеко-машинными интерфейсами верхнего уровня.

Эти задачи решаются с использованием различного рода коммутаторов, концентраторов и интеграторов. Их аппаратное и программное оснащение в зависимости от выполняемых функций может варьироваться в широком диапазоне от недорогого контроллера, выполняющего роль шлюза для нескольких промышленных сетей, до крупного сервера с широким набором функций, объединяющего большое количество неоднородных подсистем.

Коммуникационный сервер (сервер-шлюз, коммутатор). Основные функции серверов этого типа — поддержка различных промышленных и локальных сетей и обеспечение транспорта данных из одной сети в другую (рис. 1.3). Как правило, они используются в тех случаях, когда имеются подсистемы с различными промышленными сетями, где нет необходимости вести дополнительную обработку данных, а достаточно только организовать взаимодействие подсистем с помощью прозрачной передачи данных из одной подсистемы в другую.

Концентратор (сервер данных). Включает в себя функции коммуникационного сервера, выполняя при этом такие дополнительные функции, как сбор и первичная обработка данных от группы контроллеров нижнего уровня, а также обеспечивает информационный канал к системам верхнего уровня (архивирование и визуализация данных) (рис. 1.4).

Интеграционный сервер обеспечивает интеграцию различных подсистем в единую АСУ ТП. Это полнофункциональные серверы, наиболее мощные среди всех типов серверов по аппаратному и программному оснащению. Они включают в себя функции коммуникационного сервера и концентратора. Кроме того, выполняют широкий набор специальных функций, по обработке данных, реализуют комплексные алгоритмы управления, обеспечивают синхронизацию работы подсистем и поддержку единого времени в системе и пр. (рис. 1.5).

Вопросы для самопроверки 1. Условия для применения контроллеров на базе ПК.

2. Назвать типы локальных ПЛК и варианты их реализации.

3. Модернизации контроллеров сетевого комплекса, структура используемых промышленных сетей.

4. Отличия РСУ малого масштаба от сетевого комплекса контроллеров, их функции и применение.

5. Свойства и использование полномасштабных РСУ.

6. Назвать основные элементы, образующие ПТК, чем определяется структура ПТК?

7. Характеристика основных структур ПТК.

8. Задачи, которые необходимо решать при модернизации (замене) систем автоматизации.

2. ПРОМЫШЛЕННЫЕ СЕТИ

2.1.Основные понятия промышленных сетей 2.2. Основные характеристики ЦПС 2.2.1. AS-interface 2.2.2. InstaBus EIB 2.2.3. Foundation Field Bus H1 и H 2.2.5. InterBus (InterBus Loop) 2.2.6. LonWorks (с трансмиттерами LPT) 2.2.7. Profibus PA 2.2.8. WorldFIP 2.2.9. Технология передачи по IEC 1158- 2.2.10. Передача данных по силовым линиям (PLC) 2.2.11. Технология Power over Ethernet (PoE) 2.2.12. Интерфейс RS- 2.1.Основные понятия промышленных сетей В течение многих лет системы обмена данными строились по традиционной централизованной схеме, в которой имелось одно мощное вычислительное устройство и огромное количество кабелей, посредством которых осуществлялось подключение датчиков и исполнительных механизмов. Такая структура диктовалась высокой ценой электронновычислительной техники и относительно низким уровнем автоматизации производства. На сегодняшний день у этого подхода практически не осталось приверженцев. Такие недостатки централизованных АСУ ТП, как большие затраты на кабельную сеть и вспомогательное оборудование, сложный монтаж, низкая надежность и сложная реконфигурация, сделали их во многих случаях абсолютно неприемлемыми как экономически, так и технологически.

В условиях бурно растущего производства микропроцессорных устройств альтернативным решением стали цифровые промышленные сети (Fieldbus), состоящие из многих узлов, обмен между которыми производится цифровым способом. На сегодняшний день на рынке представлено около сотни различных типов промышленных сетей, протоколов и интерфейсов, применяемых в системах автоматизации, среди которых Modbus, PROFIBUS, Interims, Bitbus, CAN, LON, Foundation Fieldbus, Ethernet и др.

Использование промышленной сети позволяет расположить узлы, в качестве которых выступают контроллеры и интеллектуальные устройства ввода-вывода, максимально приближенно к оконечным устройствам (датчикам и исполнительным механизмам), благодаря чему длина аналоговых линий сокращается до минимума. Каждый узел промышленной сети выполняет несколько функций [2]:

прием команд и данных от других узлов промышленной сети;

считывание данных с подключенных датчиков;

преобразование полученных данных в цифровую форму;

отработка запрограммированного технологического алгоритма;

выдача управляющих воздействий на подключенные исполнительные механизмы по команде другого узла или согласно технологическому алгоритму;

передача накопленной информации на другие узлы сети.

АСУ ТП на базе промышленных сетей по сравнению с традиционными централизованными системами имеют несколько особенностей:

1. Существенная экономия кабельной продукции. Вместо километров дорогих кабелей требуется несколько сот метров дешевой витой пары. Также сокращаются расходы на вспомогательное оборудование (кабельные каналы, клеммы, шкафы).

2. Повышение надежности системы управления. По надежности цифровой метод передачи данных намного превосходит аналоговый.

Передача в цифровом виде малочувствительна к помехам и гарантирует доставку информации благодаря специальным механизмам, встроенным в протоколы промышленных сетей (контрольные суммы, повтор передачи искаженных пакетов данных). Повышение надежности функционирования и живучести АСУ ТП на базе промышленных сетей так же связано с распределением функций контроля и управления по различным узлам сети. Выход из строя одного узла не влияет либо влияет незначительно на отработку технологических алгоритмов в остальных узлах. Для критически важных технологических участков, возможно дублирование линий связи или наличие альтернативных путей передачи информации. Это позволяет сохранить работоспособность системы в случае повреждения кабельной сети.

3. Гибкость и модифицируемость. Добавление или удаление отдельных точек ввода-вывода и даже целых узлов требует минимального количества монтажных работ и может производиться без остановки системы автоматизации. Переконфигурация системы осуществляется на уровне программного обеспечения и также занимает минимальное время.

4. Использование принципов открытых систем, открытых технологий, что позволяет успешно интегрировать в единую систему изделия от различных производителей.

В 1978 году Международной организацией по стандартизации (ISO) в противовес закрытым сетевым системам и с целью разрешения проблемы взаимодействия открытых систем с различными видами вычислительного оборудования и различающимися стандартами протоколов была предложена «Описательная модель взаимосвязи открытых систем» (OSIмодель, ISO/OSI Model). Модель ISO/OSI распределяет сетевые функции по семи уровням.

На физическом уровне определяются физические характеристики канала связи и параметры сигналов, например, вид кодировки, частота передачи, длина и тип линии, тип штекерного разъема и т.д. Наиболее широко распространенный fieldbus стандарт 1 уровня - это интерфейс RSКанальный уровень определяет правила совместного использования физического уровня узлами сети. Сетевой уровень отвечает за адресацию и доставку пакета по оптимальному маршруту. Транспортный уровень разбирается с содержимым пакетов, производит деление и сборку пакетов.

Сеансовый уровень координирует взаимодействие между узлами сети.

Уровень представления занимается при необходимости преобразованием форматов данных.

Прикладной уровень обеспечивает непосредственную поддержку прикладных процессов и программ конечного пользователя и управление взаимодействием этих программ с различными объектами сети передачи данных.

Более подробно модель OSI рассмотрена в работе [3 ].

Все, что находится выше 7-го уровня модели, это задачи, решаемые в прикладных программах.

На практике большинство промышленных сетей (fieldbus) ограничивается только тремя уровнями, а именно физическим, канальным и прикладным. Наиболее «продвинутые» сети решают основную часть задач аппаратно, оставляя программную прослойку только на седьмом уровне.

Дешевые сети (например, ModBus) зачастую используют на физическом уровне RS-232 или RS-485, а все остальные задачи, начиная с канального уровня, решают программным путем. Как исключение существуют протоколы промышленных сетей, реализующие все семь уровней OSIмодели, например LonWorks.

Большое разнообразие открытых промышленных сетей, интерфейсов и протоколов связано с многообразием требований автоматизируемых технологических процессов. Эти требования не могут быть удовлетворены универсальным и экономически оптимальным решением. Сейчас уже очевидно, что ни одна из существующих сетей не станет единственной, похоронив все остальные.

Когда обсуждается вопрос о выборе типа промышленной сети, необходимо уточнять, для какого именно уровня автоматизации этот выбор осуществляется. В зависимости от места сети в иерархии промышленного предприятия требования к ее функциональным характеристикам будут различны.

Иерархия АСУ промышленным предприятием обычно представляется в виде трехэтажной пирамиды:

1. Уровень управления предприятием (верхний уровень).

2.Уровень управления технологическим процессом.

3.Уровень управления устройствами.

На уровне управления предприятием располагаются обычные IBMPC-совместимые компьютеры и файловые серверы, объединенные локальной сетью. Задача вычислительных систем на этом уровне обеспечение визуального контроля основных параметров производства, построение отчетов, архивирование данных. Объемы передаваемых между узлами данных измеряются мегабайтами, а временные показатели обмена информацией не являются критичными.

На уровне управления технологическим процессом осуществляется текущий контроль и управление либо в ручном режиме с операторских пультов, либо в автоматическом режиме по заложенному алгоритму. На этом уровне выполняется согласование параметров отдельных участков производства, отработка аварийных и предаварийных ситуаций, параметризация контроллеров нижнего уровня, загрузка технологических программ, дистанционное управление исполнительными механизмами.

Информационный кадр на этом уровне содержит, как правило, несколько десятков байтов, а допустимые временные задержки могут составлять от 100 до 1000 миллисекунд в зависимости от режима работы.

На уровне управления устройствами располагаются контроллеры, осуществляющие непосредственный сбор данных от датчиков и управление исполнительными устройствами. Размер данных, которыми контроллер обменивается с оконечными устройствами, обычно составляет несколько байтов при скорости опроса устройств не более 10 мс.

В последнее время рассмотренная структура систем управления существенно усложняется, при этом стираются четкие грани между различными уровнями. Это связано с проникновением Internet/Intranetтехнологий в промышленную сферу, значительными успехами промышленного Ethernet, использованием некоторых промышленных сетей Fieldbus во взрывоопасных зонах на предприятиях. Кроме того, появление интеллектуальных датчиков и исполнительных механизмов и интерфейсов для связи с ними фактически означает появление четвертого, самого нижнего уровня АСУ ТП - уровня сети оконечных устройств.

Возрастающая степень автоматизации в технике производства привносит на нижний уровень автоматизации полевой уровень, постоянно увеличивающееся число устройств обработки параметров технологического процесса и влияния на эти параметры. При этом речь идет об измерительных преобразователях, например, для учета температуры, давления, дифференциального давления или потока, а также об электрических или пневматических исполнительных устройствах.

Характерным для нижнего уровня автоматизации является то, что между большим числом датчиков, исполнительных и полевых устройств и малым количеством вышестоящих устройств автоматизации происходит обмен данными незначительного информационного содержания.

На сегодняшний день на рынке представлено около сотни различных типов цифровых промышленных сетей (ЦПС), применяемых в системах автоматизации. Технические и стоимостные различия этих систем настолько велики, что выбор решения, оптимально подходящего для нужд конкретного производства, является непростой задачей. Преимущества цифровых сетей по сравнению с централизованными системами можно подразделить на две категории. Переход на цифровую передачу данных означает возможность замены километров дорогих кабелей на несколько сот метров дешевой витой пары. ЦПС обеспечивают дополнительные преимущества по таким показателям, как надёжность, гибкость и эффективность, что является прямым следствием их децентрализованной структуры.

В настоящее время основной тенденцией в организации полевых ЦПС является обеспечение передачи не только данных, но и энергии питания для оконечных устройств. Разработчики ЦПС стараются совместить эти два требования в одной ЦПС, для чего на физическом уровне применяются либо уже готовые стандарты (например, IEC 61158либо разработанные самостоятельно спецификации.

Рассмотрены основные ЦПС с совмещенной передачей энергии питания, а также технологии передачи питания с позиции физической организации взаимодействия устройств [4].

К основным характеристикам всех ЦПС следует отнести, прежде всего, информационную пропускную способность сети, топологию организации сети (шина, кольцо, дерево), физическую организацию (витая пара, оптоволокно, радиоканал и т.д.), максимальное количество подключаемых устройств в сегменте и в целом по сети, максимальную длину сегмента сети без повторителей, и максимальную длину сети с повторителями.

Следует отметить, что полевые шины, предназначены, прежде всего, для организации связи между датчиками и контроллерами имеют максимальную длину сегмента равную примерно 200 м, а в целом обеспечивают передачу данных без передачи энергии питания на расстояния до 13 км.

Также при выборе той или иной сети передачи данных, следует руководствоваться не только затратами на инсталляцию системы, но и затратами на модернизацию сети в том числе и кабельного хозяйства.

Кабельное хозяйство сетей на основе витой пары является наиболее легко инсталлируемым, а также меньше подвержено какой либо модернизации, из-за того, что такие ЦПС наиболее приспособлены к зашумленной электромагнитными помехами среде передачи данных и энергии.

В настоящее время принцип одновременной передачи данных и энергии применятся в следующих ЦПС:

LONWorks (с трансмиттерами LPT) Кратко рассмотрим некоторые характеристики этих ЦПС в таблице 2. Из таблицы видно, что каждый интерфейс имеет свои достоинства и недостатки. Что-то больше подходит для передачи больших объемов информации без гарантии доставки данных в определенное время, а другая же шина позволяет передавать малый объем данных, но за достаточно малое время.

Рассмотрим более подробно эти полевые интерфейсы и другие технологии, предоставляющие пользователю удаленную передачу, как данных, так и энергии питания.

Вопросы для самопроверки 1. Назначение узлов промышленной сети.

2. Особенности промышленных сетей.

3. Назвать уровни управления и их назначение в иерархии управления.

4. Основные характеристики ЦПС.

Размер данных AS-интерфейс, или AS-i (Actuators/Sensors interface – интерфейс исполнительных устройств и датчиков) является открытой промышленной сетью нижнего уровня систем автоматизации, которая предназначена для организации связи с исполнительными устройствами. 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).

При этом система на базе AS-интерфейса является открытой и 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.

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. Гибкость управления системой достигается за счёт применения различных ведущих устройств.

Функции ведущих устройств могут выполнять программируемые логические контроллеры, промышленные компьютеры или модули связи с сетями более высокого уровня — ModBus, Interbus, CANopen, PROFIBUS, DeviceNet (рис. 2.1).

Локальная вычислительная система низкого уровня на базе ASинтерфейса может иметь только одно ведущее устройство (master). До недавнего времени к нему можно было подключить 31 ведомое устройство (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 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.

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.

Рис. 2.1. Схема подключения устройств к AS - интерфейсу 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 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.

Рис. 2.2. Различные формы топологии сети AS-интерфейса 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.

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) потребовалось разработать новый метод модуляции для AS-интерфейса.

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 AS-интерфейса благодаря имеющейся распределенной индуктивности создает дифференциальные уровни напряжения. Каждое увеличение тока передачи ведет к появлению отрицательного, а понижение — положительного импульса напряжения. На приёмной стороне ASинтерфейса эти сигналы напряжений детектируются и преобразуются в последовательность битов, соответствующую исходной.

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

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).

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).

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 или до 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 (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Схема соединения линии с источником питания в AS-интерфейсе Вопросы для самопроверки 1. Назначение сети и методы подключения.

2. Как осуществляется обслуживание устройств сети?

3. Какие используются топологии в сети?

4. Как осуществляется последовательная передача данных и ее контроль?

5. Объяснить схему питания сети.

Шина Instabus EIB представляет собой децентрализованную систему событийного управления с последовательной передачей данных управления, контроля и сигнализации эксплуатационно-технических функций (рис. 2.6).

Подключенные к шине абоненты могут обмениваться информацией через общий канал передачи, шину. Передача данных происходит последовательно по точно установленным правилам (протоколу шины).

При этом подлежащая передаче информация упаковывается в телеграмму и транспортируется по шине от датчика (сенсора) (отправителя команд) к одному или нескольким исполнительным механизмам (акторам) (получателям команд).

При успешной передаче каждый приемник квитирует получение телеграммы. При отсутствии квитирования передача повторяется до трех раз. Если и после этого квитирование телеграммы отсутствует, процесс передачи прерывается и в запоминающем устройстве отправителя отмечается отказ.

Передачи в шине instabus EIB гальванически не разделены, поскольку питание (DC 24 В) абонентов шины подается по ней же.

Телеграммы модулируются на этом напряжении постоянного тока, причем логический нуль пересылается в виде импульса. Отсутствие импульса интерпретируется как логическая единица.

Отдельные данные телеграммы пересылаются асинхронно. Тем не менее, пересылка синхронизируется старт и стоп-битами.

К наименьшей единице системы instabus EIB – линии (рис 2.6), могут подключаться и работать до 64 совместимых с шиной устройств (абонентов). Линейными устройствами сопряжения, подключаемыми к так называемой главной линии, могут объединяться в одну зону до 12 линий.

Через зонные устройства сопряжения, подключаемые к так называемой зонной линии, 15 зон могут быть объединены в более крупный блок. К зонной линии (Gateways) подключаются интерфейсы внешних систем (SICLIMAT X, ISDN и т. п.) или других систем EIB.

Хотя в один блок может быть объединено до 12.000 абонентов, ясная логика системы сохраняется. При работе не возникает никакого информационного хаоса, поскольку телеграмма проходит через интерфейс к другим линиям и функциональным зонам только в том случае, если там под групповым адресом должен быть вызван абонент. При этом линейные и зонные устройства сопряжения выполняют необходимые функции фильтрации.

Физические адреса ориентированы на такую топологическую структуру: каждый абонент может быть однозначно идентифицирован указанием зонного, линейного и абонентского номера.

Для присвоения абоненту эксплуатационно-технических функций групповые адреса разделяются на основные группы и подгруппы.

При проектировании групповые адреса различных механизмов могут быть разделены на 14 основных групп. Каждая основная группа может в соответствии с точкой зрения пользователя содержать до 2048 подгрупп.

Групповые адреса присваиваются абонентам независимо от их физических адресов. Благодаря этому каждый абонент может связываться с любым другим абонентом.

Каждая линия в такой топологии требует свой собственный блок питания для абонентов. Этим обеспечивается работоспособность остальной системы instabus EIB даже при выходе из строя одной линии.

Блок питания снабжает отдельных абонентов линии напряжением SELV (безопасным сверхнизким напряжением) DC 24 В и способен в зависимости от исполнения нести нагрузку 320 мА или 640 мА. Он имеет ограничение, как по напряжению, так и по току и поэтому устойчив при коротком замыкании. Кратковременные перерывы напряжения сети перекрываются на время до 100 мс.

Нагрузка шины зависит от характера подключенных к ней абонентов. Абоненты сохраняют работоспособность при минимальном напряжении DC 21 В и обычно потребляют от шины 150 мВт, при дополнительном потреблении конечными устройствами (напр., светодиодами) — до 200 мВт. Если более 30 абонентов установлены на коротком участке линии (напр., в распредустройстве), блок питания должен размещаться вблизи от них.

Для одной линии допустимо максимально 2 блока питания. Между обоими блоками питания должно соблюдаться минимальное расстояние 200 м (длина линии).

При повышенном потреблении к шине instabus EIB может подключаться параллельно и 2 блока через общий дроссель. Допустимая токовая нагрузка линии повышается при этом на 500 мА.

Доступ к шине как к общему физическому средству связи для асинхронной пересылки должен быть однозначно урегулирован. В шине instabus EIB для этого применяется метод CSMA/CA, речь идет о методе, гарантирующем случайный, бесколлизионный доступ к шине без снижения при этом ее пропускной способности.

Все абоненты шины слушают одновременно, но реагируют только исполнительные механизмы (акторы), вызванные своим адресом. Если абонент хочет начать пересылку, он должен прослушать шину и дождаться момента, когда не будет передачи любого другого абонента (Carrier Sense).

Если шина свободна, то, в принципе, любой абонент может приступить к передаче (Multiple Access) Если два абонента одновременно начинают передачу, то на шину без задержки выходит абонент, обладающий более высоким приоритетом (Collision Avoidance), при этом другой абонент уступает, и процесс передачи повторяется в более позднее время. Если оба абонента имеют одинаковый приоритет, то проходит тот, который обладает меньшим физическим адресом.

В табл. 2.2 приведены технические данные для шины instabus EIB.

Протяженность проводов линии (диаметр жил: 0,8 мм) м –между абонентом шины и блоком питания макс. (320 мА)/дросселем м –между блоком питания (320 мА) и дросселем макс. 350 должны монтироваться Число линий на каждую зону макс. Число абонентов на каждую линию макс. Блоков питания на каждую линию 1 блок питания (320 мА) и Блоков питания на линию при повышенном 2 блока питания на расстоянии мин.

Передача Также в сети возможен обмен информацией через обыкновенную силовую проводку 220В. Такой обмен информацией между компонентами по силовой линии выгодно отличается от передачи по отдельной TP-линии отсутствием дополнительных затрат на проводку этой самой витой пары (TP). При условии соответствия имеющейся силовой проводки международным и национальным стандартам, становится возможным размещение элементов EIB в здании (помещении) без переделки имеющихся коммуникаций. В то же время, PL-передача имеет ряд серьезных недостатков: большая, по сравнению с TP стоимость компонентов, низкая скорость передачи данных, низкая помехозащищенность.

Стандарт передачи данных по силовой линии в EIB получил название PL110 (по используемому частотному диапазону). Основные характеристики PL110:

модуляция сигнала - частотное манипулирование асинхронная передача данных синхронизация с основной частотой Топология линии связи PL, разумеется, определяется разводкой силовой линии. Силовая линия должна, в первую очередь, соответствовать национальным стандартам. Сеть может быть 2-х или 3-х фазной, напряжение между фазой и нейтралью (по этой цепи идет сигнал) - вольт. Основные характеристики PL110 сведены в табл. 2.3.

Топология Максимальное число логических адресов Максимальное число физических адресов Частота для логического нуля 105,6 кГц Частота для логической единицы 115,2 кГц Максимальная выходная мощность 116 дБмкВ Чувствительность на входе 60 дБмкВ Класс устройства по стандарту Вопросы для самопроверки 1. Что представляет собой шина и как передается информация?

2. Как осуществляется асинхронная передача телеграмм?

3.Объяснить метод доступа к шине.

4.Как осуществляется обмен информацией через силовую проводку?

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. Итак, FF сегодня - это:

- физический уровень H1 FF (медленный), обеспечивающий рабочую скорость 31,25 Кбит/с. Эта реализация физического уровня основана на модифицированной версии стандарта IEC 1158-2 и предназначена для объединения устройств, функционирующих во взрывоопасных газовых средах;

- физический уровень H2 FF (быстрый), обеспечивающий рабочую скорость до 1Мбит/с и также основанный на стандарте IEC 1158-2;

- сетевой уровень, использующий элементы проекта IEC/ISA SP универсальной промышленной сети;

- прикладной уровень, включающий элементы из проекта ISP/Profibus.

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 ЦПС.

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.

Вопросы для самопроверки 1. Что представляет собой физический уровень H1 и H2?

2. Область применения и особенности FF.

Стандарт для передачи аналоговых сигналов значениями тока в диапазоне 4-20 мА известен уже несколько десятков лет и широко используется при создании систем АСУ ТП, в химической индустрии, теплоэнергетике, в пищевой и многих других отраслях промышленности.

Традиционно для измерения различных физических величин (давления, объема, температуры и т.д.) предлагается множество приборов с токовым выходом 4-20 мА. Достоинством данного стандарта является простота его реализации, массовое использование в приборах и возможность помехоустойчивой передачи аналогового сигнала на относительно большие расстояния. Однако при создании нового поколения интеллектуальных приборов и датчиков потребовалось наряду с передачей аналоговой информации передавать и цифровые данные, соответствующие их новым расширенным функциональным возможностям.

В середине 80-х годов американская компания Rosemount разработала протокол Highway Addressable Remote Transducer (HART). В начале 90-х годов протокол был дополнен и стал открытым коммуникационным стандартом. Вначале он был нормирован только для применения в режиме соединения «точка-точка», затем появилась возможность применять протокол в режиме многоточечного соединения («multidrop»).

Рис. 2.7. Топология сети согласно спецификации протокола HART HART-протокол используется в двух режимах подключения. В большинстве случаев применяется соединение «точка-точка» (рис. 2.7а), то есть непосредственное соединение прибора низовой автоматики (преобразователя информации, датчика, исполнительного устройства и т.п.) и не более чем двух ведущих устройств. В качестве первичного ведущего устройства, как правило, используется устройство связи с объектом (УСО) или программируемый логический контроллер, а в качестве вторичного — портативный HART-терминал или отладочный ПК с соответствующим модемом. При этом аналоговый токовый сигнал передается от ведомого прибора к соответствующему ведущему устройству. Цифровые сигналы могут приниматься или передаваться как от ведущего, так и от ведомого устройства. Так как цифровой сигнал наложен на аналоговый, процесс передачи аналогового сигнала происходит без прерывания.

В многоточечном режиме (рис. 2.7б) до 15 ведомых устройств (slave) могут соединяться параллельно двухпроводной линией с теми же двумя ведущими устройствами (master). При этом по линии осуществляется только цифровая связь. Сигнал постоянного тока 4 мА обеспечивает вспомогательное питание ведомых приборов по сигнальным линиям.

HART-протокол основан на методе передачи данных с помощью частотной модуляции (Frequency Shift Keying, FSK), в соответствии с широко распространенным коммуникационным стандартом Bell 202.

Цифровая информация передаётся частотами 1200 Гц (логическая 1) и 2200 Гц (логический 0), которые накладываются на аналоговый токовый сигнал (рис. 2.8).

Частотно-модулированный сигнал является двухполярным и при применении соответствующей фильтрации не влияет на основной аналоговый сигнал 4-20 мА. Скорость передачи данных для HART составляет 1,2 кбит/с. Каждый HART-компонент требует для цифровой передачи соответствующего модема.

Благодаря наличию двух ведущих устройств каждое из них может быть готово к передаче через 270 мс (время ожидания). Цикл обновления данных повторяется 2-3 раза в секунду в режиме запрос/ответ и 3-4 раза в секунду в пакетном режиме. Несмотря на относительно большую длительность цикла, в большинстве случаев он является достаточным для управления непрерывными процессами.

Вопросы для самопроверки 1. В каких режимах используется протокол?

2. Какой метод используется для передачи данных?

Interbus использует процедуру доступа к шине по схеме ведущий/ведомый (Master/Slave). При этом шинный Мастер обеспечивает одновременный интерфейс к высокоуровневой управляющей системе и выполняет функции управления шиной. Топология Interbus это физическое и логическое кольцо, у которого физический уровень построен на основе стандарта RS485. Это дифференциальный интерфейс, использующий витую пару для информационных передач. Для реализации кольца Interbus-кабель использует две витые пары (для дуплексного режима) плюс дополнительный провод для передачи сигнала логическая земля. Такая физическая структура позволяет организовать сеть, работающую на скорости 500 кбит/с на расстоянии 400 м между двумя соседними узлами сети. Включенная в каждое сетевое устройство функция повторителя сигнала позволяет расширить систему до 13 км. Общее число устройств сети ограничено 512 узлов.

На базе основного кольца с использованием так называемых терминальных модулей возможна организация дополнительных кольцевых сегментов (Interbus Loop). Идея этого способа интеграции устройств, выходящих непосредственно на датчики (цифровые и аналоговые преобразователи сигналов), состоит в их определенной изоляции в рамках отдельной физической петли, имеющей свои характеристики и интегрируемой с общей сетью через устройства, называемые шинными терминалами (terminal module).

Шинный терминал преобразует вольтовые сигналы общей шины в токовые сигналы (Манчестер-код) локальной шины. Реализация физического уровня локальной шины имеет хороший иммунитет к электромагнитным шумам. Шина организуется на основе использования обычного двухпроводного неэкранированного кабеля с возможностью запитки через него модулей ввода/вывода (24 В). В сумме на одну петлю локальной шины можно подключить до 64 устройств, которые могут находиться на расстоянии до 20 метров друг от друга с общей длиной кольца до 200 м. (спецификация InterBus’99) В табл. 2.4 представлены параметры InterBus Loop сети.

Технические характеристики InterBus Loop сети Количество устройств на сегмент InterBus Loop Максимальная длина кабеля между двумя устройствами Максимальный ток, потребляемый одним устройством 1. Процедура доступа к шине и топология шины.

устройствами?

разрабатывалась компаниями Echelon, Motorola и Toshiba для интеллектуальных систем автоматизации зданий. Однако сейчас она используется также и в промышленных системах автоматизации и контроля. Шина LON предназначена для поддержки распределенного интеллекта. Каждый "нейрон" (узловая микросхема) этой сети содержит по 3 микропроцессора, один из которых специально выделен для поддержания коммуникационного протокола LonTalk с довольно большими вычислительными издержками. Для облегчения такой вычислительной нагрузки к одному "нейрону" может быть подключено несколько более простых устройств. На базе 48-разрядных идентификаторов возможно построение сетей LON с числом узлов более 32000.

Для построения управляющей сети используются контроллеры на базе микросхем разработанных Echelon Corp. и специально предназначенных для использования в LonWorks. В настоящее время их производством занимается Toshiba. Если взглянуть на структурную схему, то видно, что каждый из них состоит из трех микропроцессоров с общим АЛУ и памятью, а также из портов в/в и сетевого интерфейса. Также в комплект оборудования входят приемо-передатчики (трансивер) различных типов как разработанные специально для использования совместно с NeuronChip, например FTT-10A, LPT-10, так и универсальные, например RS485.

В табл. 2.5 приведены основные типы интерфейсов, используемые LON контроллерами.

Типы интерфейсов, используемые LON контроллерами передатчика Витая пара с трансформаторной развязкой Как видно из таблицы для линий электропитания 24/120/220/380/ В переменного (50/60/400 Гц) и постоянного тока разработано несколько трансивереров (PLT), выполненных в виде микросхем и микросборок.

В табл. 2.6 представлены более подробно характеристики трансиверов типа PLT.

Технические характеристики трансиверов типа PLT Вопросы для самопроверки 1. Из каких элементов состоит шина?

2. Как построена управляющая сеть?

PROFIBUS-PA применяет расширенный PROFIBUS-DP-протокол передачи данных. Техника передачи согласно IEC 1158-2 обеспечивает надежность и питание полевых приборов через шину. Приборы PROFIBUS-PA могут благодаря применению специальных устройств (PROFIBUS-PA-Links) в простейшем случае интегрироваться в PROFIBUS-DP-сеть.

В PROFIBUS-PA используется передающая техника по IEC 1158-2.

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.

Характеристика технологии передачи данных показана в табл.2.7.

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. На шинную систему можно подключить до 32 участников. Чтобы повысить надежность системы, можно сделать сегмент резервированным. 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.

Рис. 2.9. Конфигурация шины с соединителем сегментов DP/PA 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 десяти 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 абонентов. Используемая скорость передачи равна тогда 31,25 Кбит/с.

Вопросы для самопроверки 1. Технология передачи данных через шину.

2. Где рекомендуется использовать шину?

WorldFIP (World Factory Instrumentation Protocol) был разработан на основе французского стандарта, известного как NFC46-600 или FIP. Это продукт консорциума компаний, производящих полевые устройства, в которых используется система сообщений. Протокол WorldFIP удовлетворяет требованиям реального времени. Главными членами консорциума являются: Honeywell, Baily Controls, Cegelec, Allen Bradley, Telemecanique, Electricity de France, Elf.

Протокол построен на гибридном (централизованномдецентрализованном) доступе к шине и для передачи данных использует режим широкого вещания (broadcast). Контроль ведется со стороны центрального узла сети, называемого “Арбитром”. Основной поток данных организован как набор отдельных переменных, каждая из которых идентифицирована своим именем. Любая переменная, обработанная в одном узле-передатчике, может быть прочитана всеми узламиприемниками одновременно. Режим широкого вещания избавляет от процесса присваивания каждому устройству уникального сетевого адреса.

Функции управления процессом могут быть распределены между различными устройствами на шине. Это возможно, так как все “приемники” одновременно принимают одинаковые переменные, а обновление данных и их передача подчиняются строгому контролю.

Один из физических уровней WorldFIP также основан на IEC 1158-2.

Вопросы для самопроверки 1. На каком принципе построен доступ к шине?

2.2.9. Технология передачи по IEC 1158- Технология передачи ориентированная на нужды химической промышленности. 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.

Для передачи данных используется бит-синхронизированный, с манчестерским кодом протокол передачи без постоянной составляющей (обозначается также как H1). При передаче данных с помощью манчестерского кода бинарный «0» передается как смена фронта с 0 на 1, а бинарная «1» как смена фронта с 1 на 0. Данные передаются с помощью модуляции +/-9mA основного тока шинной системы Ib (рис. 2.10).

Скорость передачи составляет 31,25 кбит/c. В качестве среды передачи используется витой экранированный или неэкранированный провод. Шина, как это видно из рис. 2.11, состоит из сегментов, к которым подключены участники, сегменты замкнуты на RC-цепочки Рис.2.10. Передача данных IEC 1158-2 с помощью модуляции тока Максимальная длина сегмента сильно зависит от применяемого источника питания, типа провода и потребления тока подключенными участниками.

Рис. 2.11. Структура шинного сегмента по IEC 1158- В табл. 2.8 представлены технические данные использования сети по Технические данные сети согласно стандарту IEC 1158- Безопасность данных Предусмотрен анализ ошибок Количество станций До 32 на сегмент, макс. В DIN 61158-2 предложены для применения стандартные кабели для IEC 1158-2 (PROFIBUS-PA), называемые типами A-D (таблица 2.9).

(номинальная) (пост. ток) сопротивлен.

при 31,25 кГц 39 кГц Рассогласование время запаздывания (7,9…39 кГц) экранирования длина сети, вклю чая - волновые согласующие фильтры Вопросы для самопроверки 1. Принцип передачи данных.

2. Типы кабеля применяемые для шины.

2.2.10. Передача данных по силовым линиям (PLC) Передача данных по силовым линиям нашла широкое применение в сетях автоматизации зданий. Например, в сетях типа LONWorks, InstaBus EIB возможен обмен информацией через обыкновенную силовую проводку 220В. Такой обмен информацией между компонентами по силовой линии выгодно отличается от передачи по отдельной TP-линии отсутствием дополнительных затрат на проводку этой самой витой пары (TP).

Некоторые стандарты сетей по электропроводке еще только развиваются (например, CEA R7.3), часть уже существует. Следует упомянуть технологию PowerPacket компании Intellon.

Технология Intellon PowerPacket послужила основой для стандарта HomePlug Powerline Alliance. Она использует модуляцию OFDM (ортогональное мультиплексирование с разделением частот) подобно DSL модемам. В нашей же ситуации доступный диапазон частот электрической проводки (от 4,3 МГц до 20,9 МГц) разбивается на 84 отдельных канала.

Пакеты данных посылаются одновременно по различным несущим частотам, что дает как увеличение скорости, так и надежности. Таким образом, осуществляется подобная Ethernet связь по электрической проводке.

Последнее поколение технологии PowerPacket обеспечивает пропускную способность 14 Мбит/с, что находится на уровне телефонных и беспроводных сетей.

В табл. 2.10 приведены технические характеристики системы передачи.

Технические характеристики системы передачи через силовую сеть Номинальное расстояние передачи 200 м Технология PLC (Power Line Commuinications) делает возможным передачу данных по силовым электрическим кабелям. Помимо использования в области управления технологическими процессами, технологию можно будет использовать для подключения бытовых пользователей к Интернет и IP-телефонии.

Вопросы для самопроверки 1. Технология передачи данных.

2.2.11. Технология Power over Ethernet (PoE) В 1999 г. в Институте инженеров по электротехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE) была создана группа разработчиков, перед которой стояла задача стандартизации применения технологии электропитания по сетям Ethernet. Сегодня Power-over-Ethernet является самой распространенной спецификацией для передачи данных в сетях. Рабочая группа под названием 802.3af (питание DTE через MDI) была подчинена специальной группе IEEE 802.3, отвечавшей в свое время за утверждение спецификации Ethernet. Проект документа IEEE 802. содержит подробную информацию о разработке электропитающих компонентов Ethernet.

Непрерывную работу оборудования обеспечивает источник бесперебойного питания (Uninterruptible Power Supply, UPS). До сих пор в подобных случаях каждый компонент обычно снабжался отдельным источником, а в качестве альтернативы инсталлировалась сеть переменного тока. Технология Power-over-LAN позволяет параллельно с сетью передачи данных сформировать топологию «точка — много точек»

для подачи электрического тока. Эта конфигурация позволяет ограничиться единственной централизованной системой бесперебойного питания для всех подключенных к сети компонентов.

Спецификация IEEE 802.3af предусматривает два основных компонента: устройства-источники энергии (Power Sourcing Equipment – PSE) и устройства-потребители энергии (Powered Devices – PD), которые являются нагрузкой. Топология системы – звезда, т. е. PD соединяются выделенным каналом с одним из портов PSE. Последние обеспечивают удаленную подачу напряжения, например от ИБП или от внешнего источника постоянного тока. Различают два типа PSE в зависимости от их локализации по отношению к каналу связи. Если источник питания совмещен с зависимым от среды передачи интерфейсом (MDI), другими словами – встроен в коммутатор, то его называют Endpoint PSE, если же он внешний, то говорят о Midspan PSE. В последнем случае к имеющемуся коммутатору подключается питающее устройство, а уже к нему – терминальные.

замыкаются и подключаются к положительному полюсу источника тока, а контакты 7 и 8 таким же образом – к отрицательному (рис. 4.12а). При использовании информационных пар токовое соединение происходит между центральными отводами обмоток соответствующих линейных трансформаторов в приемопередатчике (рис. 4.12б). При этом полярность контактов 3/6 и 1/2 может быть любой.

Номинально подаваемое напряжение составляет 48 В при максимально допустимой потребляемой PD мощности 13 Вт. Это напряжение поступает на преобразователь постоянного тока, на выходе которого формируется требуемое значение для питания PD.

При интеграции PoE с традиционной сетью необходимы меры для предотвращения выхода из строя оборудования, не поддерживающего стандарт. В этом случае спецификация предусматривает процедуру распознавания (discovery process). Она позволяет определить, соответствуют ли оконечные устройства стандарту IEEE 802.3af без какойлибо их модификации. Для этого каждый порт PSE прикладывает к линии безопасное по величине напряжение, с помощью которого можно установить, является ли линия разомкнутой или нагруженной. Стандартом предписывается использовать в качестве нагрузки сопротивление 25 кОм.

Напряжение 48 В подается на устройство только тогда, когда это сопротивление присутствует. При этом запитываемое устройство должно потреблять минимальный ток. Иначе, скажем, если оно отключено, напряжение 48 В снимается и процедура распознавания повторяется.

Вопросы для самопроверки 1. Компоненты и топология шины.

2. Как осуществляется диагностика шины?

Интерфейс RS-485 (другое название - EIA/TIA-485) - один из наиболее распространенных стандартов физического уровня связи.

Физический уровень - это канал связи и способ передачи сигнала ( уровень модели взаимосвязи открытых систем OSI) [5].

Сеть, построенная на интерфейсе RS-485, представляет собой приемопередатчики, соединенные при помощи витой пары – двух скрученных проводов. В основе интерфейса RS-485 лежит принцип дифференциальной (балансной) передачи данных (рис.4.13). Суть его заключается в передаче одного сигнала по двум проводам. Причем по одному проводу (условно A) идет оригинальный сигнал, а по другому (условно B) – его инверсная копия. Другими словами, если на одном проводе "1", то на другом "0" и наоборот. Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов: при "1" она положительна, при "0" - отрицательна.

Рис. 2.13. 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 ("земли"). Кроме того, на сопротивлении длинного общего провода будет падать разность потенциалов земель – дополнительный источник искажений. А при дифференциальной передаче искажения не происходит. В самом деле, если два провода пролегают близко друг к другу, да еще перевиты, то наводка на оба провода одинакова. Потенциал в обоих одинаково нагруженных проводах изменяется одинаково, при этом информативная разность потенциалов остается без изменений.

приемопередатчиков с дифференциальными входами/выходами (к линии) и цифровыми портами (к портам UART контроллера). Существуют два варианта такого интерфейса: RS-422 и RS-485.

RS-422 - полнодуплексный интерфейс (рис.4.14а). Прием и передача идут по двум отдельным парам проводов. На каждой паре проводов может быть только по одному передатчику.

RS-485 – полудуплексный интерфейс (4.14б). Прием и передача идут по одной паре проводов с разделением по времени. В сети может быть много передатчиков, так как они могут отключаться в режиме приема.

D (driver) - передатчик;

R (receiver) - приемник;

DI (driver input) - цифровой вход передатчика;

RO (receiver output) - цифровой выход приемника;

DE (driver enable) - разрешение работы передатчика;

RE (receiver enable) - разрешение работы приемника;

A - прямой дифференциальный вход/выход;

B - инверсный дифференциальный вход/выход;

Y - прямой дифференциальный выход (RS-422);

Z - инверсный дифференциальный выход (RS-422).

Рассмотрим поподробнее приемопередатчик RS-485 (рис.2.15).

Цифровой выход приемника (RO) подключается к порту приемника UART (RX). Цифровой вход передатчика (DI) к порту передатчика UART (TX).

Поскольку на дифференциальной стороне приемник и передатчик соединены, то во время приема нужно отключать передатчик, а во время передачи – приемник. Для этого служат управляющие входы – разрешение приемника (RE) и разрешения передатчика (DE). Так как вход RE инверсный, то его можно соединить с DE и переключать приемник и передатчик одним сигналом с любого порта контроллера. При уровне "0" – работа на прием, при "1" – на передачу.

Приемник, получая на дифференциальных входах (AB) разность потенциалов (UAB) переводит их в цифровой сигнал на выходе RO.

Чувствительность приемника может быть разной, но гарантированный пороговый диапазон распознавания сигнала производители микросхем приемопередатчиков пишут в документации.

Обычно эти пороги составляют ± 200 мВ. То есть, когда UAB > + мВ – приемник определяет "1", когда UAB < -200 мВ – приемник определяет "0". Если разность потенциалов в линии настолько мала, что не выходит за пороговые значения – правильное распознавание сигнала не гарантируется. Кроме того, в линии могут быть и не синфазные помехи, которые исказят столь слабый сигнал.

Все устройства подключаются к одной витой паре одинаково:

прямые выходы (A) к одному проводу, инверсные (B) – к другому.

Входное сопротивление приемника со стороны линии (RAB) обычно составляет 12 КОм. Так как мощность передатчика не беспредельна, это создает ограничение на количество приемников, подключенных к линии.

Согласно спецификации RS-485 c учетом согласующих резисторов передатчик может вести до 32 приемников. Однако есть ряд микросхем с повышенным входным сопротивлением, что позволяет подключить к линии значительно больше 32 устройств.

Максимальная скорость связи по спецификации RS-485 может достигать 10 МБод/сек. Максимальное расстояние – 1200 м. Если необходимо организовать связь на расстоянии большем 1200 м или подключить больше устройств, чем допускает нагрузочная способность передатчика – применяют специальные повторители (репитеры).

Характеристики интерфейсов RS-422 и RS-485 представлены в таблице 2.11.

Допустимое число передатчиков / приемников 1 / 10 32 / Диапазон напряжений "1" передатчика +2...+10 В +1.5...+6 В Диапазон напряжений "0" передатчика -2...-10 В -1.5...-6 В Диапазон синфазного напряжения передатчика 3...+3 В -1...+3 В Допустимый диапазон напряжений приемника 7...+7 В -7...+12 В Пороговый диапазон чувствительности приемника Максимальный ток короткого замыкания драйвера передатчика Максимальное время нарастания сигнала передатчика Согласование и конфигурация линии связи При больших расстояниях между устройствами, связанными по витой паре и высоких скоростях передачи начинают проявляться так называемые эффекты длинных линий. Причина этому – конечность скорости распространения электромагнитных волн в проводниках.

Скорость эта существенно меньше скорости света в вакууме и составляет немногим больше 200 мм/нс. Электрический сигнал имеет также свойство отражаться от открытых концов линии передачи и ее ответвлений. Грубая аналогия – желоб, наполненный водой. Волна, созданная в одном конце, идет по желобу и, отразившись от стенки в конце, идет обратно, отражается опять и так далее, пока не затухнет. Для коротких линий и малых скоростей передачи этот процесс происходит так быстро, что остается незамеченным. Однако, время реакции приемников – десятки/сотни нс. В таком масштабе времени несколько десятков метров электрический сигнал проходит отнюдь не мгновенно. И если расстояние достаточно большое, фронт сигнала, отразившийся в конце линии и вернувшийся обратно, может исказить текущий или следующий сигнал. В таких случаях нужно каким-то образом подавлять эффект отражения.

У любой линии связи есть такой параметр, как волновое сопротивление Zв. Оно зависит от характеристик используемого кабеля, но не от длины. Для обычно применяемых в линиях связи витых пар Zв= Ом. Оказывается, что если на удаленном конце линии, между проводниками витой пары включить резистор с номиналом равным волновому сопротивлению линии, то электромагнитная волна, дошедшая до "тупика" поглощается на таком резисторе. Отсюда его названия – согласующий резистор или "терминатор".

Большой минус согласования на резисторах – повышенное потребление тока от передатчика, ведь в линию включается низкоомная нагрузка. Поэтому рекомендуется включать передатчик только на время отправки посылки. Есть способы уменьшить потребление тока, включая последовательно с согласующим резистором конденсатор для развязки по постоянному току. Однако такой способ имеет свои недостатки. Для коротких линий (несколько десятков метров) и низких скоростей (меньше 38400 бод) согласование можно вообще не делать.

Эффект отражения и необходимость правильного согласования накладывают ограничения на конфигурацию линии связи.

Линия связи должна представлять собой один кабель витой пары. К этому кабелю присоединяются все приемники и передатчики. Расстояние от линии до микросхем интерфейса RS-485 должно быть как можно короче, так как длинные ответвления вносят рассогласование и вызывают отражения.

В оба наиболее удаленных конца кабеля (Zв=120 Ом) включают согласующие резисторы Rt по 120 Ом (0.25 Вт) (рис.2.16). Если в системе только один передатчик и он находится в конце линии, то достаточно одного согласующего резистора на противоположном конце линии.

Как уже упоминалось, приемники большинства микросхем RS- имеют пороговый диапазон распознавания сигнала на входах A-B – ±200мВ (рис. 2.17). Если |Uab| меньше порогового (около 0), то на выходе приемника RO могут быть произвольные логические уровни из-за несинфазной помехи. Такое может случиться либо при отсоединении приемника от линии, либо при отсутствии в линии активных передатчиков, когда никто не задает уровень.

Рис.2.16. Схема включения согласующих резисторов Чтобы в этих ситуациях избежать выдачи ошибочных сигналов на приемник UART, необходимо на входах A-B гарантировать разность потенциалов Uab > +200мВ. Это смещение при отсутствии входных сигналов обеспечивает на выходе приемника логическую "1", поддерживая, таким образом, уровень стопового бита.

Добиться этого просто – прямой вход (А) следует подтянуть к питанию, а инверсный (B) – к "земле". Получается делитель:

Рис.2.17. Схема, обеспечивающая выдачу ошибочных сигналов Rвх – входное сопротивление приемника (обычно 12 кОм);

Rc – согласующие резисторы (120 Ом);

Rзс – резисторы защитного смещения.

Величины сопротивлений для резисторов защитного смещения (Rзс) нетрудно рассчитать по делителю. Необходимо обеспечить Uab > 200мВ.

Напряжение питания – 5В. Сопротивление среднего плеча – 120Ом//120Ом//12КОм на каждый приемник – примерно 57 Ом (для приемников). Таким образом, выходит примерно по 650 Ом на каждый из двух Rзс. Для смещения с запасом – сопротивление Rзс должно быть меньше 650 Ом. Традиционно ставят 560 Ом.

Обратите внимание: в расчете номинала Rзс учитывается нагрузка.

Если на линии висит много приемников, то номинал Rзс должен быть меньше. В длинных линиях передачи необходимо так же учитывать сопротивление витой пары, которое может "съедать" часть смещающей разности потенциалов для удаленных от места подтяжки устройств. Для длинной линии лучше ставить два комплекта подтягивающих резисторов в оба удаленных конца рядом с терминаторами.

Многие производители приемопередатчиков заявляют о функции безотказности (failsafe) своих изделий, заключающейся во встроенном смещении. Следует различать два вида такой защиты:

Безотказность в открытых цепях. (Open circuit failsafe.) В таких приемопередатчиках применяются встроенные подтягивающие резисторы.

Эти резисторы, как правило, высокоомные, чтобы уменьшить потребление тока. Из-за этого необходимое смещение обеспечивается только для открытых (ненагруженных) дифференциальных входов. В самом деле, если приемник отключен от линии или она не нагружена, тогда в среднем плече делителя остается только большое входное сопротивление, на котором и падает необходимая разность потенциалов. Однако, если приемопередатчик нагрузить на линию с двумя согласующими резисторами по 120 Ом, то в среднем плече делителя оказывается меньше 60 Ом, на которых, по сравнению с высокоомными подтяжками, ничего существенного не падает. Поэтому, если в нагруженной линии нет активных передатчиков, то встроенные резисторы не обеспечивают достаточное смещение. В этом случае, остается необходимость устанавливать внешние резисторы защитного смещения, как это было описано выше.

Истинная безотказность. (True failsafe.) В этих устройствах смещены сами пороги распознавания сигнала. Например:

-50 / -200 мВ вместо стандартных порогов ±200 мВ. То есть при Uab>-50мВ на выходе приемника RO будет логическая "1", а при Uab :

- E _ E E E : 1 2 R S 4 8 Даже если до стартовой последовательности было два таких символа подряд, посылка начнет сохраняться только за последовательностью из не менее чем трех подряд (лишние игнорируются) и стартового символа. Если вместо "Е" использовать байт FFh - можно совместить синхронизацию кадров и посылок. Для этого посылаются четыре FFh, а принимающее устройство ожидает не менее трех, с учетом того, что первый байт FFh может уйти на синхронизацию кадров.