Проектирование системы связи в управляющих системах

Известны два принципа построения связи (передачи данных) в системе.

Радиальный принцип. При его применении каждое устрой­ство — датчик информации, средство индикации и управления, вычислительные средства — имеет прямые связи друг с другом, т.е. каждый абонент имеет свою линию связи. Число линий связи, или передачи данных, соответствует количеству абонентов. Этот принцип связи, в зависимости от расстояния между абонентами и ВС, а также от различных дополнительных требований (точности, контроля и др.), может иметь два варианта построения.

Первый вариант (Рисунок 28) характеризуется тем, что сигналы от абонентов или к абонентам поступают и форме, принятой для каждого датчика (Д) или исполнительною устройства (И). В боль­шинстве случаев это аналоговые величины. Их преобразование в цифровые коды или обратно для исполнительных устройств про­изводится в устройствах преобразования, входящих в устройство, которое осуществляет обмен данными между ВС и абонентами.

Рисунок 28 – Система связи с независимыми преобразователями сигналов.

Во втором варианте (Рисунок 29) построения абоненты, выдаю­щие данные и принимающие их, используют согласованное кодо­вое представление сигналов, а преобразующие устройства (ПУ) непосредственно связаны с датчиками и исполнительными устрой­ствами. Данные от абонентов передаются и принимаются через устройство обмена ВС.

Рисунок 29 – Система связи с единым преобразователем сигналов.

Первый вариант построения используется при расстояниях между абонентами и ВС до 100-200 м. Ограничение длины свя­зано с допустимой потерей точности при передаче аналоговых сиг­налов.

Второй вариант практически не имеет ограничений на рас­стояние между абонентами и ВС, так как используется кодовое представление сигналов. При расстоянии до 500 м. применяют приборные цепи, а при больших — канальную аппаратуру линии связи.

Магистральный принцип (Рисунок 30) построения связи с або­нентами предусматривает подключение каждого абонента к одной общей линии передачи данных, связанной через устройство обме­на с ВС.

Рисунок 30 – Магистральная система связи.

Для осуществления этого принципа, учитывая, что к общей линии передачи (магистрали) можно подключать абонентов, имеющих согласованные электрические, временные и информаци­онные характеристики, каждому абоненту необходимо иметь пре­образующие и согласующие устройства (УС). Первое устройство преобразует данные абонента в коды, необходимые для передачи по магистрали, а второе устройство согласовывает электрические и временные параметры сигналов для передачи данных по магист­рали.

При передаче абоненту данных от ВС также используется со­гласующее устройство, принимающее данные, и устройство, пре­образующее эти данные в вид, требуемый исполнительному уст­ройству. Таким образом, число устройств сопряжения и преобра­зования данных соответствует количеству абонентов в системе. Магистраль через устройство обмена и управления сопрягается с ВС. Расстояния между абонентами и ВС определяются нагрузоч­ными характеристиками выходных усилителей для приборных це­пей связи. Длина цепей связи определяется частотой передаваемой информации, и составляет для относительно низких частот до 1-3 мГц до 200-300 м, а для частот 10-20 мГц только 10-30 м. При увеличении расстояний более одного километра используются ли­нии связи с канальной аппаратурой. В одной системе возможно использование обоих принципов связи.

Основ­ным преимуществом радиального принципа построения является независимость частоты и времени передачи данных от числа або­нентов и их точности, а также возможность получать или пере­давать данные абонентам в любой последовательности и в любой момент времени, определяемый системой. Эти преимуще­ства связаны с использованием для каждого абонента своей цепи передачи.

При построении устройства обмена, работающего на радиаль­ном принципе, имеется возможность посредством проведения уни­фикации абонентов (датчиков) и получения однородных сигналов сокращать объемы аппаратуры преобразования сигналов.

Надежность передачи данных по радиальному принципу вы­ше, чем по магистральному принципу. Это связано с тем, что от каждого абонента ведется своя цепь передачи. При выходе из строя цепи передачи или абонента прекращается поступление только его данных, и это не влияет на работу других цепей переда­чи и их абонентов.

Основной недостаток этого принципа - большие объемы (массы) соединительных цепей - кабелей, в особенности при значительном числе абонентов (от 10-20 и более). Для некоторых объектов этот параметр является важным при выборе принципа связи.

Модернизационные возможности этого принципа несколько ниже, чем магистрального, так как при изменении количества або­нентов необходимо проводить корректировку аппаратуры уст­ройств обмена, которые имеют ограничения, например, по числу входных-выходных разъемов или по свободному объему для включения дополнительных блоков в приборе.

Магистральный принцип построения передачи данных це­лесообразно использовать, когда требуется минимизировать число и длину связей между абонентами и устройством обмена ВС.

Преимуществом магистрального принципа являются его мо-дернизационные возможности, которые позволяют увеличивать число абонентов с малой корректировкой устройства обмена. Эти возможности являются результатом использования единых правил работы всех абонентов с одной линией передачи данных. Однако число подключаемых абонентов ограничивается нагрузочными характеристиками магистральных усилителей.

Важная особенность магистрального принципа - зависимость времени передачи от количества абонентов и объема пере­даваемых данных. Этот принцип связи должен иметь схему управ­ления, определяющую последовательность предоставления линии абонентам, поскольку данные от всех абонентов передаются по единой линии, связанной с устройством обмена ВС.

Используются два метода предоставления магистрали абонен­там для передачи данных:

1) в детерминированном методе устанавливается определенная очередь передачи данных от каждого абонента. Порядок передачи жестко закреплен в системе. Момент передачи данных от каждого абонента в ВС может быть фиксированным или плавающим в цик­ле работы ВС;

2) в случайном методе (или методе предоставления магистрали по запросу абонента) абоненту предоставляется магистраль для передачи данных по его запросу. При одновременном обращении двух или более абонентов для передачи данных возникает кон­фликтная ситуация, которая разрешается последовательным пре­доставлением магистрали возбужденным абонентам, т.е. созданием очереди. Однако в этом случае возникает еще одно об­стоятельство - необходимость определения порядка предоставле­ния магистрали возбужденным абонентам, т.е. возникает задача определения приоритетов абонентов.

Известен ряд алгоритмов реализации приоритетов, например, предоставление магистрали:

- абоненту с более высоким приоритетом, в этом случае должны быть определены приоритеты всех абонентов;

- в порядке поступления сигналов чаи роса и создание очере­ди из поступающих запросов для их удовлетворения;

- в порядке поступления сигналов запроса и отказ в предос­тавлении магистрали при ее занятости для повторного запроса че­рез определенный временной интервал. Определение величины интервала производится по отдельному алгоритму.

Для устранения конфликтных ситуаций могут применяться:

- аппаратура управления магистралью, и которую поступают запросы, осуществляющая управление конфликтными ситуация­ми;

- аппаратура в составе абонент», которая определяет мо­мент повторного запроса для выхода и магистраль;

- программное обеспечение вычислительного средства для определения момента повторного запроса;

- комбинации из перечисленных реакций на занятость маги­страли.

Сравнивая два приведенных метода предоставления магист­рали абонентам можно отметить, что при плавающем моменте времени передачи в детерминированном методе среднее время ожидания абонентом передачи данных может значительно уменьшаться при сокращении среднего числа абонентов, участвующих в передаче. Метод работы по запросу имеет меньшее время ожидания. При малой вероятности занятости магистрали одним абонентом в цик­ле работы системы и относительно большом числе абонентов с малой частотой обращения к магистрали по сравнению с детерми­нированным методом, целесообразность использования одного из приведенных методов определяется расчетами по приведенным формулам.

Объем аппаратуры при применении магистрального принципа построения обмена больший, чем радиального, хотя она менее за­метна, так как распределена по абонентам, а не сгруппирована в устройстве обмена, как в радиальном принципе. Объем кабеля и затраты на его монтаж магистрального принципа обычно значи­тельно ниже, чем радиального, что важно для некоторых объектов.

Надежность работы магистрали ниже, так как нарушение уча­стка линии передачи между абонентами может привести к потере данных от группы или от всех оставшихся абонентов. Этот недос­таток устраняется введением в систему дополнительных цепей пе­редачи данных, что увеличивает объем кабелей до двух раз и сни­жает преимущества магистрали.

Определение рациональной структуры связи.

При выборе принципа создания цепей ПД для конкретной системы необходимо учитывать цепи ПД ре­зервируемых частей системы управления и вопросы обеспечения надежности собственно цепей ПД.

Для некоторых систем важным является живучесть цепей ПД. Реализацию этого требования также необходимо предусматривать при выборе принципа создания цепей передачи данных. В одной системе управления могут применяться оба принципа построения, так как главным является минимизация затрат на создание цепей ПД системы управления.

Минимизация затрат на изготовление цепей ПД системы управления достигается выбором рационального расположения вычислительных средств или вычислительных машин, имеющих минимальные длины связей со своими абонентами. Абонентами вычислительных машин являются источники информации, испол­нительные средства, средства индикации и управления.

Для определения длин цепей ПД от датчиков информации, ис­полнительных средств, средств индикации и вычислительных средств с учетом обеспечения надежности и живучести можно использовать графоаналитический метод, при котором в системе декартовых координат отмечаются все источники и потребители информации, а затем вычерчиваются возможные варианты линий связи между ними и выбирается наименее затратный с точки зрения расхода материалов и трудоемкости реализации.

Примеры использования графоаналитического метода приведены на Рисунке 31 (радиальная система) и Рисунок 32 (магистральная система связи)

Рисунок 31 – Графоаналитический метод для радиальной системы.

Рисунок 31 – Графоаналитический метод для магистральной системы.