5.8. Универсальная сеть Foundation Fieldbus

Сеть Foundation Fieldbus представляет собой открытый протокол, позволяющий использовать программно-аппаратные средства различных производителей.

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

Стандарт определяет два уровня сети. На нижнем уровне (H1) в качестве физической среды передачи данных за основу взят стандарт IEC 61158-2, который позволяет использовать сеть Foundation Fieldbus на взрывоопасных производствах с возможностью питания датчиков непосредственно от канала связи. Скорость передачи на уровне H1 составляет 31,25 кбит/с.

На верхнем уровне (протокол Н2) в настоящее время используется Foundation Fieldbus HSE, основанный на сети Fast Ethernet со скоростью передачи 100 Мбит/с.

Особенностью стандарта Foundation Fieldbus является то, что в нем определен дополнительный пользовательский уровень (User Level), позволяющий, применяя определенные функциональные блоки, например, аналоговый ввод или вывод, ПИД–регулятор, строить промышленные сети с распределенным интеллектом.

Максимальное число узлов составляет 240 на сегмент (поддерживается до 65000 сегментов), длина соединения до 1900 метров (для H1).

Методы обмена сообщениями:

• клиент/сервер (Client/Server);

• издатель/подписчик (Publisher/Subscriber);

• уведомление о событиях (Event Notification).

Сеть Foundation Fieldbus может быть использована в качестве полной замены аналогового стандарта токовой петли 4÷20 мА.

5.9. Физическая среда передачи данных

При построении промышленной сети необходимо учитывать особенности и ограничения физической среды передачи данных.

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. Широко использовался вариант 10Base2 на «тонком» коаксиальном кабеле Thin Net. Марки кабеля – RG-58/U, RG-58A/U, RG-58C/U. Кабель RG-58A/U – многожильный, остальные имеют сплошной гибкий проводник диаметром 0,89 мм. Волновое сопротивление – 50 Ом. К достоинствам коаксиального кабеля следует отнести сравнительно большое расстояние передачи информации до 10 км, к недостаткам - сложность в монтаже и высокую стоимость.

Витая пара. Наиболее распространенная физическая среда для построения современных сетей.

По наличию 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, у каждой пары нет индивидуальной защиты;

• STP (защищенная витая пара), каждая пара имеет экран.

Экран выполняется либо плетеным из медной проволоки (хорошо защищает от низкочастотных наводок), либо из токопроводящей фольги, которая блокирует высокочастотное электромагнитное излучение. Также используются двойные экраны (HIGHT Screen).

Неэкранированный медный кабель UTP в зависимости от электрических и механических характеристик подразделяют на пять категорий:

• Категория 1 (стандарт EIA/TIA-568): скорость передачи до 20 Кбит/с; используется в телефонии.

• Категория 2 (стандарт EIA/TIA-568): используется в диапазоне частот до 1 МГц.

• Категория 3 (стандарт EIA-568A): используется в диапазоне частот до 16 МГц для передачи голоса и данных.

• Категория 4 (стандарт EIA-568A): используется в диапазоне частот до 20 МГц. Обладает высокой помехоустойчивостью и низкими потерями.

• Категория 5 (физический стандарт TP-PMD): используется в диапазоне частот до 100 МГц для высокоскоростной связи. Скорость передачи до 100 Мбит/с (протокол FDDI), до 155 Мбит/с (протокол ATM) или до 1000 Мбит/с (протокол Gigabit Ethernet). Волновое сопротивление составляет 100 Ом.

Все кабели UTP выпускаются в 4-х парном исполнении (2 пары – для передачи данных и 2 пары – для передачи голоса).

Оптоволоконный кабель. Преимущества волоконно-оптических линий связи (ВОЛС):

• 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.

Недостатки: более высокая стоимость волоконно-оптического кабеля (ВОК) и, особенно, коммутационной аппаратуры (оптические коннекторы, соединительные розетки, аттенюаторы, адаптеры, разветвители).

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

Основой световода является оболочка из плавленого кремнезема (SiO₂) и сердцевина из кварцевого стекла, легированного хлоридами (SiCl₄, GeCl₄, PoCl₃).

В зависимости от распределения показателя преломления и диаметра световода различают 3 типа волоконных световодов:

• многомодовый световод со ступенчатым изменением показателя преломления (ПП);

• многомодовый световод с плавным изменением ПП;

• одномодовый световод.

В многомодовых световодах (MMF – Multi Mode Fiber) стандарт определяет два типа кабелей – с диаметром сердцевины 62,5 мкм и 50 мкм и диаметром оболочки 125 мкм. Полоса пропускания многомодовых световодов – от 500 МГц/км и более, одномодовых – до десятков и сотен гигагерц на километр.

Основная характеристика световода – показатель степени затухания (логарифм отношения интенсивностей сигналов на входе и выходе) в децибелах. Современные технологии производства ВОЛС переходят на длину волны  = 1,55 мкм, что увеличивает полосу пропускания снижает степень затухания

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

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.

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

Инфракрасный канал (ИК–канал). Инфракрасная связь IR 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 на ИК–канал не влияют электромагнитные помехи, что позволяет использование в производственных условиях. Различные ИК–системы позволяют обмениваться со скоростями от 115,2 кбит/с до 5 Мбит/с. Недостатками ИК–канала являются высокая стоимость передатчиков и приемников, а также трудности обеспечения секретности передаваемой информации.