Топология промышленных сетей

Сетевая топология описывает способ (тип) сетевого соединения раз­личных устройств. Существует несколько видов топологии, отличающихся друг от друга по трем основным критериям: режим доступа к сети; сред­ства контроля передачи и восстановления данных; возможность изменения числа узлов сети. Основными сетевыми топологиями являются звезда, коль­цо и шина. Известны также древовидная (иерархическая) топология, ячеистая и смешанная топологии.

Сравнение характеристик рассмотренных топологий представлено в таблице.

Сравнительные характеристики	ЗВЕЗДА	КОЛЬЦО	ШИНА
Режим доступа	Доступ и управ­ление через цен­тральный узел	Децентрализованное управление. Доступ от уз­ла к узлу.	Возможен централи­зованный и децен­трализованный дос­туп
Надежность	Сбой центрально­го узла - сбой всей системы	Разрыв линии связи при­водит к сбою всей сети.	Ошибка одного узла не приводит к сбою всей сети
Расширяемость	Ограничено чис­лом физических портов на цен­тральном узле	Возможно расширение числа узлов, но время от­вета снижается.	Возможно расшире­ние числа узлов, но время ответа снижа­ется

Методы организации доступа к линиям связи

Метод доступа - набор правил, позволяющий пользователям работать с ло­кальной сетью, не мешая друг другу. Метод доступа реализуется на физическом уровне. Существует два метода упорядоченного доступа: централизо­ванный и децентрализованный.

В случае централизованного контроля над доступом к шине выделяется узел с правами Мастера. Он назначает и отслеживает порядок и время досту­па к шине для всех других участников. Если на Мастере произошла авария, то и циклы обмена по шине останавливаются. Именно по этой причине децентрализованный контроль с переходящими функциями мастера от одного участника (узла сети) к другому получил наибольшее распространение. Здесь права Мастера назначаются группе устройств сети.

Две модели децентрализованного доступа: Модель CSMA/CD и Модель с передачей маркера.

Модель CSMA/CD.

Наибо­лее широко известная реализация этого метода – спецификации Ethernet. Все станции на шине имеют право передавать данные. Каждая из них прослуши­вает шину. Если шина свободна, любая из станций сети может занять шину под свой цикл передач. В том случае, когда несколько станций претендует на шину одновременно, это приводит к так называемому конфликту, и тогда станции снимают свою «заявку» на случайный промежуток времени, зада­ваемый случайным генератором, и затем через удвоенный промежуток вре­мени снова выходят в сеть. Возможен аналог широковещательной передачи, когда какая-то станция обращается ко всем одновременно.

Модель с передачей маркера. Право на доступ к шине передает цикле от устройства к устройству. Порядок передачи зависит от прикладной задачи и определяется на стадии планирования системы. Этот метод предла­гает каждому участнику сети «справедливое» разделение шинных ресурсов в соответствии с их запросами. Принцип передачи маркера используется в сис­темах, где реакция на события, возникающие в распределенной системе, должна проявляться за определенное время.

Централизованный метод реализован в методе Master-Slave. Применяется в промышленных сетях как на контроллерном уровне, так и на уровне датчиков и исполнительных механизмов. Право инициировать циклы чтения/записи на шине имеет только Master-узел. Он адресует каждого пассивного участника (Slave-узел), обеспечивает их данными и запрашивает у них данные.

Для того, чтобы увеличить пропускную способность шины, команды протокола должны быть как можно проще. В рамках протокола решаются такие задачи, как: защита данных, обнаружение ошибок при передаче, восстановление данных. На скорость и объем передаваемой информации естественным образом влияет среда передачи.

Лекция №8 Физическая реализация каналов передачи данных

Основным преимуществам промышленных сетей являются недорогие линии и надежность передачи данных Данные передаются последовательно бит за битом, как правило, по одному физическому каналу. Такой режим пе­редачи не только экономит кабельное оборудование, но и позволяет решать задачи по надежной передаче данных на большие расстояния. Время переда­чи, однако, увеличивается пропорционально длине битовой строки.

Асинхронный режим передачи данных осуществляется через СОМ-порт (Cornmunication Port — коммуникационный порт) персонального ком­пьютера по стандарту RS-232C. Компьютер может иметь до 4-х СОМ-портов с поддержкой на уровне BIOS. Если необходимо большее число СОМ-портов, то устанавливается специальный адаптер-мультиплексор на 4, 8, 12 или 16 СОМ-портов. Если порты на системной плате конфигурируются через BIOS Setup, то порты на плате расширения — с помощью джамперов. Базо­вые адреса СОМ1-СОМ4: 3F8h, 2F8h, 3E8h и 2E8h. К СОМ-порту подключа­ются коммуникационные и др. внешние устройства с последовательным интерфейсом.

Асинхронный режим передачи является байт-ориентированным. Фор­мат посылки байта рассмотрен на примере интерфейса RS-232C (рис. 17.1).

Старт-бит (всегда логический "О") каждого следующего байта посыла­ется в любой момент времени после стоп-бита, т.е. между передачами воз­можна пауза произвольной длительности. Старт-бит обеспечивает механизм синхронизации приемника по сигналу передатчика. При этом приемник и пе­редатчик должны работать на одной скорости обмена данными. Внутренний генератор синхронизации приемника имеет счетчик-делитель опорной часто­ты, который обнуляется при приеме начала старт-бита. Этот счетчик генери­рует строб-сигналы, по которым приемник фиксирует принимаемые биты. Стробы располагаются в середине битовых интервалов, что позволяет при­нимать данные при небольших рассогласованиях скоростей передатчика и приемника. Если применяется контроль четности, то после посылки бит дан­ных передается контрольный бит. Этот бит заполняет число единичных бит данных до четного (или нечетного в зависимости от принятого соглашения). Прием байта с неверным значением контрольного бита фиксирует ошибку. Число бит данных может быть 7 или 8 (реже 5 или 6).

Для последовательной передачи данных традиционно применяются следующие интерфейсы:

RS-232C — широко используемый стандартный интерфейс Ассоциа­ции электронной промышленности США (EIA), обеспечивающий работу стандартного оборудования передачи данных между модемами, терминалами и компьютерами в симплексном, полудуплексном и дуплексном режимах. Электрически система основана на импульсах 12 В, кодирующих последова­тельности "О" и "1". Механически этот стандарт определяет 9- и 25-контактные разъемы типа DB9 или DB25. Основные сигналы передаются по линиям "передача/прием" данных. Для асинхронного обмена через модем не­обходимо 8 цепей, а для аналогичной связи по физическому каналу доста­точно трех (TD-данные передатчика, RD-данные приемника и SG-сигнальная земля) (рис. 17.1а). Битовая структура байта для асинхронной связи показана на рис. 17.16.

Скорость передачи выбирается из диапазона от 50 до 38400 бод. Длина линии связи при максимальной скорости передачи не более 15 метров. При снижении скорости передачи, например до 1200 бод, допустимая длина - 900 м.

Стандарт регламентирует электрические характеристики сигналов ин­терфейса, нумерацию цепей, скорости передачи и тип разъемов.

Симметричный интерфейс RS-422 (стандарт EIA RS-422A) использует 4-проводную линию связи (рис. 17.2). На приемном конце используются две информационные линии с согласующим рези­стором на входе (от 100 до 1200 Ом) и линия заземления. В основе кодирования передаваемых/принимаемых данных лежит принцип изменения напряжения на сигнальных линиях. Реализованный принцип кодирования делает этот стандарт устойчивым к внешним возмуще­ниям. Использование этого стандарта позволяет значительно удлинить физи­ческие линии передачи данных и увеличить скорость передачи (при длине 13 м. скорость передачи- до 10 Мбит/с). С помощью интерфейса RS-422 можно строить и шинные структуры.

Интерфейс RS-485 (рис. 17.3) соответствует спецификации симметрич­ной передачи данных по 2-проводной линии связи (стандарт EIA RS-485).

Этот интерфейс пригоден для высокоскоростной передачи данных (до 10 Мбит/с). Максимальная длина варьируется от 200 м на скорости 500 кбод до 1200 м — на скорости до 90 кбод.

Кроме типа физического интерфейса при построении промышленной сети не менее важно учитывать особенности и ограничения физической сре­ды передачи данных. Для организации сетевого обмена можно использовать следующие физические каналы: телефонный канал, коаксиальный кабель, витую пару, оптоволокно, радиоканал и ИК-канал.

Телефонный канал занимает полосу частот от 380 до 3480 Гц. Эта по­лоса делится на частотные каналы для передачи (1, 2, 6, 8, 13 и 26 каналов). Скорость передачи данных составляет от 600 до 1200 бод. Максимальная скорость передачи данных — 9600 бод.

Коаксиальный кабель. На сегодня это далеко не самая распростра­ненная, и не самая удобная технология. Но начать изложение с него нужно по историческим причинам. Первые сети Ethernet были построены на прото­коле 10base5, использующей в качестве электрической среды передачи дан­ных "толстый" коаксиальный кабель ThickNet (рис. 17.4).

Использовать его оказалось не слишком удобно, и практически сразу появился более простой и дешевый вариант 10base2, использующий "тонкий" коаксиальный кабель ThinNet. Марки кабеля — RG-58/U, RG-58AAJ, RG-58C/U. Кабель RG-58A/U — многожильный, остальные имеют сплошной гибкий проводник диаметром 0,89мм. Волновое сопротивление — 500 Ом. Известны также телевизионный кабель марки RG-59 с волновым сопротив­лением 75 Ом и марки RG-62 с волновым сопротивлением 93 Ом, используе­мый в сетях ArcNet.

К достоинствам коакси­ального кабеля следует отне­сти сравнительно большое расстояние передачи инфор­мации (до 10 км), к недостат­кам - сложность в монтаже и высокую стоимость.

Витая пара. Является наиболее популярной физической средой для построения современных сетей. На сегодня это недорогой и универсальный кабель для создания локальных коммуникаций практически любого уровня сложности. Витая пара — это изолированные проводники, попарно свитые между собой некоторое число раз на определенном отрезке длины (рекомендуется не менее 13 витков на 1м длины), что требуется для уменьшения перекрестных наводок между проводниками. Такие линии как нельзя лучше подходят для создания симметричных цепей (рис. 17.5), в которых используется балансный принцип передачи информации. Приемник и передатчик гальванически развязаны друг от друга согласующими трансформаторами.

При этом во вторич­ные обмотки (сете­вые адаптеры) пода­ется только разность потенциалов jr пер­вичной обмотки (не­посредственно про­тяженной линии). Из-за этого необхо­димо отметить два

важных момента.

Во-первых, токи в любой точке идеальной витой пары равны по значе­нию и противоположны по направлению. Следовательно, векторы напряжен­ности электромагнитного поля каждого из проводников противоположно на­правлены и суммарная индукция отсутствует. Под идеальной витой парой понимается линия, в которой проводники бесконечно плотно прилегают друг к другу, имеют бесконечно малый диаметр, и ток, протекающий через них, стремится к нулю.

Во-вторых, метод накладывает некоторые ограничения на протокол пе­редачи (невозможность передачи постоянной составляющей), но значительно более устойчив к внешним воздействиям (по сравнению, например, с несим­метричным RS-232). Из рисунка 17.5 видно, что результирующее напряжение наводки на вторичной обмотке будет синфазным и соответственно не переда­стся на вторичную обмотку (сетевой адаптер).

Конструкция кабеля на базе витой пары изображена на рис. 17.6. Как правило, кабель имеет 4 пары в одной оболочке. Немного реже встречаются 2-парные варианты, которые можно применять с ограниченным числом сете­вых протоколов.

Проводники изготовлены из монолитной медной проволоки толщиной 0,5-0,65 мм. Толщина изоляции — около 0,2 мм, материал обычно поливинилхлорид (английское сокращение PVC), для более качественных образцов 5 категории — полипропилен (РР), полиэтилен (РЕ). Особенно высококлассные кабели имеют изоляцию из вспененного (ячеистого) полиэтилена, которые обеспечивают низкие диэлектрические по­тери, или тефлона, который обеспечивает уникальный рабочий диапазон тем­ператур.

Разрывная нить (обычно капрон) используется для облегчения разделки внешней оболочки — при вытягивании она делает на оболочке продольный разрез, который открывает доступ к кабельному сердечнику, гарантированно не повреждая изоляцию проводников.

Внешняя оболочка имеет толщину 0,5-0,6 мм и обычно изготавливается из поливинилхлорида с добавлением мела, который повышает хрупкость. Это необходимо для точного облома по месту надреза лезвием отрезного инстру­мента. Кроме этого, начинают применяться так называемые "молодые поли­меры", которые не поддерживают горения и не выделяют при нагреве гало­генов. Самый распространенный цвет оболочки — серый. Оранжевая окра­ска, как правило, указывает на негорючий материал оболочки, который по­зволяет прокладывать линии в закрытых областях. В общем случае цвета не обозначают особых свойств, но их применение позволяет легко отличать коммуникации с разным функциональным назначением как при монтаже, так и обслуживании. Отдельно нужно отметить маркировку. Кроме данных о производителе и типе кабеля, она обязательно включает в себя метровые или футовые метки.

Конструкция кабельного сердечника достаточно разнообразна. В недо­рогих кабелях пары уложены в оболочке "как попало". Более качественные варианты предусматривают парную (по две пары между собой) или четве­рочную скрутку (все четыре пары вместе). Последний вариант позволяет уменьшить толщину сердечника и достигнуть лучших электрических харак­теристик. Форма внешней оболочки также может быть различна. Чаще дру­гих применяется самая простая — круглая, а для 2-парных кабелей — оваль­ная. Для прокладки под половым покрытием, по очевидной причине, исполь­зуется плоский кабель. Отдельно стоят кабели для наружной прокладки. Они обязательно имеют влагостойкую оболочку из полиэтилена, которая нано­сится (как правило) вторым слоем поверх обычной, поливинилхлоридной. Кроме этого, возможны заполнение пустот в кабеле водоотталкивающим ге­лем и бронирование с помощью гофрированной ленты.

По наличию (или отсутствию) экрана, различают несколько типов ка­белей:

UTP (незащищенная витая пара), т.е. кабель, витые пары которого не име­ют индивидуального экранирования;

FTP (фольгированная витая пара). Имеет общий экран из фольги, однако у каждой пары нет индивидуальной защиты;

STP (защищенная витая пара), каждая пара имеет экран;

ScTP (экранированный кабель). Может как иметь, так и не иметь защиту отдельных пар.

Экран выполняется либо плетеным из медной проволоки (хорошо за­щищает от низкочастотных наводок), либо из токопроводящей фольги (плен­ки), которая блокирует высокочастотное электромагнитное излучение. Также на практике часто используют двойные экраны (НЮНТ Screen), в которых используются оба способа.

Оптоволоконный кабель. Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) имеют следующие преимущества:

нечувствительность к внешним магнитным полям, колебаниям темпера­туры и влажности;

высокая пропускная способность (> 30 Гбит/с);

малое затухание в полосе частот (до 0,2 дБ/км);

отсутствие коротких замыканий;

малые габариты и масса.

К недостаткам следует отнести более высокую стоимость волоконно-оптического кабеля (ВОК) и различной коммутационной аппаратуры (опти­ческие коннекторы, соединительные розетки, аттенюаторы, адаптеры, разветвители и др.).

Формирование светового потока на передающем конце ВОК осуществ­ляется полупроводниковым лазером (для больших расстояний) или свето-диодом, на приемном конце — фотоприемником. При эффективной длине волны X =0,8—0,9 мкм используются кремниевые фотодиоды, при X = 1,3 — 1,5 мкм — германиевые фотодиоды.

Основная характеристика световода — показатель степени затухания (логарифм отношения интенсивностей сигналов на входе и выходе) в дБ.

ВОК включает от 2 до 36 световодов (волокон), помещенных в резино­вую и свинцовую оболочки и прокладывается в трубах или траншеях. Для повышения механической прочности в центре ВОК имеется силовой элемент (металлический трос и др.).

Первое кварцевое волокно, пригодное для опти­ческой связи, было получе­но фирмой "Corning Glass 1пс."(США) в 1970 г. В даль­нейшем, в 1975 г., разрабо­тан передатчик светового потока в виде светоизлучающего диода, работаю­щего на длине волны 0,85 мкм. В 1978 г. Появились одномодовые диодные ла­зеры на 1.3 мкм, а в 1982 г. — на длине волны 1.55 мкм. 1988 год ознаменовался вводом в действие пер­вой трансатлантической ВОЛС ТАТ-8. В 2000 г. введена в действие ВОЛС национального масштаба длиной 45 тыс. км. Транссибирская линия (ТСЛ), связывающая Японию, Россию и Европу на 30 тыс. каналов (15 тыс. каналов отведены России) замкнула глобальное кольцо, связывающее Европу, Аме­рику, Азию и Австралию.

На рис. 17.7 показан волоконно-оптический кабель в бронированной оболочке российского производства, работающий в аналогичном диапазоне температур, с числом волокон от 2 до 36, диаметр — 12 мм.

Радиоканал. При организации обмена информацией со значительно удаленными сегментами систем управления обосновано применение радио­канала связи. Передача информации организуется с использованием радио­модемов, работающих на базе GSM-технологии. При этом следует отметить, что использование радиоканала целесообразно не внутри предприятия, где на него будут накладываться серьезные помехи, вызванные работой технологи­ческого оборудования, а для связи с отдельными сегментами крупной сети.

По радиоинтерфейсу (Bluetooth) можно поддерживать связь на десятки и сотни километров со скоростью передачи до десятков Мбит/с. Передатчик и приемник работают в диапазоне частот порядка 2-3 ГГц, связь синхронная или асинхронная по протоколу RFCOMM.

Компания TRENDWARE, США выпускает оборудование, работающее на частоте 2,4 ГГц со скоростью передачи 54, 22, 11, 5, 2 и 1 Мбит/с, расстоя­ние от 10 до 300 м (при наибольшей скорости передачи 54 Мбит/с расстояние составляет от 10 до 300 м — стандарт 802. llg). Также компанией TRENDWARE выпускаются беспроводные сети TRENDnet, беспроводные PCI- карты TEW-303PI на скорость до 1 Мбит/с, USB-карты TEW-USB на скорость до 11 Мбит/с.

Характерным примером может служить организация связи локальных систем, управления нефтяными или газовыми скважинами, разбросанными на значительном расстоянии с центральным пультом системы управления и диспетчеризации.

К недостаткам радиоканала относят высокую стоимость приемо­передающих устройств, низкую помехозащищенность и трудности в обеспе­чении секретности передаваемой информации.

Инфракрасный канал (ИК-канал). Инфракрасная связь IR (Infrared) Connection (стандарт IrDA 1.1) позволяет осуществить беспроводную связь между двумя устройствами, находящимися друг от друга на расстоянии до нескольких метров. В отличие от радиоканала ИК-канал нечувствителен к электромагнитным помехам и может использоваться в производственных ус­ловиях. Различные ИК-системы позволяют обмениваться со скоростями от 115,2 Кбит/с до 5 Мбит/с.

В качестве передатчика используется светодиод с эффективной длиной волны X =880 нм, в качестве приемника — PIN-диод. Наиболее часто исполь­зуется топология-шина. Недостатками РЖ-канала являются достаточно высо­кая стоимость передатчиков и приемников, а также трудности обеспечения секретности передаваемой информации.

Характери­стики	Витая пара	Радиока­нал	ИК-канал	Коаксиальный кабель	Оптоканал
Типовой диапазон, м	1-1000	50-100000	До десятков метров	10-10000	10-10000
Типовая скорость, кбит/с	0,3-2000	1200-9600	115,2-5000	300-10000	1-100000
Относитель­ная цена узла, USD	10-30	50-100	20-50	30-50	75-200
Затраты на установку	Низкие	Высокие	Средние	Средние	Высокие

В таблице 17.3 приведены оценочные данные, позволяющие сравнить основные типы сред передачи информации по ряду критериев

Лекция 9 Открытые промышленные сети.

Открытые промышленные сети — это сети, на которые распространяются международные стандарты промышленных сетей. Открытые системы приво­дят в соответствие специфические требования интересам всех потребителей. Только при использовании принципов открытых систем интеграция изделий разных производителей в одну сеть может быть решена без особых проблем. Следует упомянуть еще одну классификацию сетей — с точки зрения их совместимости с широким спектром технических средств различных производителей. Системы, являющиеся уникальными (их поддерживает только один производитель), работающие по уникальным протоколам связи, получили на­звание "закрытых систем". Большинство таких систем зародилось во време­на, когда проблема интеграции изделий других производителей не считалась актуальной.

Предпочтительность того или иного сетевого решения как средства транспортировки данных можно оценить по следующей группе критериев:

объем передаваемых полезных данных;

время передачи фиксированного объема данных;

удовлетворение требованиям задач реального времени;

максимальная длина шины;

допустимое число узлов на шине;

помехозащищенность;

денежные затраты в расчете на узел.

Часто улучшение по одному параметру может привести к снижению качества по другому, т.е. при выборе того или иного протокольного решения необходимо следовать принципу разумной достаточности.

В зависимости от области применения весь спектр промышленных се­тей можно разделить на два уровня:

контроллерные сети (Field level) — промышленные сети этого уровня ре­шают задачи по управлению процессом производства, сбором и обработ­кой данных на уровне промышленных контроллеров;

сенсорные сети (Sensor/actuator level) или сети низовой автоматики — зада­чи сетей этого уровня сводятся к опросу датчиков и управлению работой разнообразных исполнительных механизмов.

Сравнение этих двух классов в самом общем виде можно получить по критериям из таблицы 17.4.

Таблица 17.4

Основные критерии	Fieldbus	Sensorbus
Расширение сети	От 100 м до 10 км	До 1 км
Время цикла	От 10 мс до 10 с	От 1 мс до 1 с
Объем передаваемых данных за цикл	От 8 байт до нескольких со­тен байт	От 1 до 8 байт
Доступ к шине	Фиксированный / свободный	Свободный
Цена среды передачи	Низкая	Очень низкая
Цена подсоединения одного узла, EUR	150-500	10-100

На сегодняшний день спектр протоколов для обоих этих классов до­вольно широк. Но надо помнить, что область их применения лежит на одном из двух уровней. Типичные представители промышленных сетей контрол­лерного уровня:

PROFIBUS (Process Field Bus)-DP, -PA, -FMS;

BITBUS;

ControlNet.

Типичные сети низовой автоматики:

HART;

Modbus;

ASI (Actuator/Sensor Interface)

Interbus-S;

DeviceNet.

Типичные открытые сети для обоих уровней применения:

CAN (Controller Area Network);

FIP (Factory Instrumentation Protocol);

LON (Local Operating Network).

На рис. 17.8 представлена обобщенная сетевая структура, показываю­щая в общем виде возможное использование того или иного протокола на определенных уровнях условного промышленного предприятия.

Как уже отмечалось выше, понятие "field" определяет область, связан­ную непосредственно с производственной зоной, где работают контроллеры, датчики (давления, температуры, уровня и т.д.) и исполнительные механизмы (клапаны, реле и т.д.). Задача .промышленной сети состоит в организации физической и логической связи датчиков с системным интеллектом, роль ко­торого выполняют ПЛК или промышленные компьютеры таким образом, чтобы информация с этого уровня была доступна общезаводской информа­ционной системе.

Задачи, решаемые с помощью промышленных сетей:

Автоматизация на общезаводском уровне. Здесь необходимы следую­щие качества: высокая скорость передачи, короткое время реакции на со­бытия, длина линий до 300 метров. На этом уровне для большинства при­ложений понятие взрывозащищенности не является обязательным.

Автоматизация на уровне управления конкретными технологически­ми процессами. Здесь необходимы следующие качества: среднее время цикла опроса датчиков (до 100 мс), длина линий связи до 1500 м и более, реализация механизмов внутренней и внешней зашиты.