Типы сред связи в локальных сетях

Н аименование сети Тип среды п/д	Ethernet	Fast Ethernet
Коаксиальный кабель	10BASE5 (толстый кабель 10 BASE2 (тонкий кабель)
Витая пара	10BASE-T	100BASE-T4 (счетверенная витая пара); 100BASE-TX (сдвоенная витая пара)
Оптоволоконный кабель	10BASE-FL	100BASE-FX

Обозначение среды передачи включает в себя три элемента: цифра «10» означает скорость передачи 10 Мбит/с, слово BASE означает передачу в основной полосе частот (т.е. без учета модуляции высокочастотного сигнала), а последний элемент означает допустимую длину сегмента: «5» – 500 метров, «2» – 200 метров или тип линии связи: «Т» – витая пара (twisted-pair), «F» – оптоволоконный кабель (fiber optic).

7.3. Локальные сети

Архитектура локальных сетей в соответствии с классификацией включает три уровня (рис. 7.6):

• приборная (полевая) сеть (DeviceNet, AS-Interface, Profibus, Foundation Fieldbus, Modbus, CAN-bus, Lightbus, LonTalk, и др.) предоставляет доступ к данным от измерительных устройств (датчиков, расходомеров, счетчиков) и других источников первичной информации, их удаленный контроль и управление исполнительными устройствами;

• сеть управления и автоматизации (ControlNet, EIB Instabus, HART-протокол, PPI, MPI, MS/TP, IEEE, LONWorks и др.) позволяет интеллектуальным управляющим устройствам автоматизации обмениваться измерительной (Ni) и управляющей (сигналы управления – СУj) информацией, необходимой для управляющего контроля, взаимодействия рабочих ячеек, интерфейсов оператора, дистанционной конфигурации, программирования и диагностики измерительных и исполнительных устройств полевого уровня;

• информационно-управляющая сеть (Ethernet/IP, Token Ring, ArcNet, Data Highway Plus, FDDI и др.) – открытый сетевой стандарт, который управляет аппаратурой терминального уровня и поддерживает неявный и/или явный обмен сообщениями между абонентами компьютерной сети.

Р и с. 7.6. Трехуровневая локальная сеть

Функциональные особенности ЛС разного уровня представлены табл. 7.3 на примере Ethernet/IP, ControlNet и DeviceNet.

Таблица 7.3

Характеристики локальных сетей DeviceNet, Control Net, Ethernet/ip

Сеть, параметр	DeviceNet	Control Net	Ethernet/IP
Функция	Подключение устройств полевого уровня к контроллеру непосредственно, без использования модулей ввода/ вывода	Поддержка передачи критичных по времени данных между процессором ПЛК и устройствами ввода/вывода	Объединение систем управления предприятием; конфигурирование, сбор и обмен данными, управление в единой сети
Типичные подключаемые устройства	Датчики, пусковые устройства, ПК, кнопки, процессоры ПЛК (приборов локального контроля)	Процессоры ПЛК, шасси ввода/вывода, программируемые контроллеры, приводы и роботы	Мэйнфреймы, процессоры ПЛК, роботы, входы/выходы и адаптеры ввода /вывода
Алгоритм передачи данных	Короткие пакеты; данные посылаются по запросу	Средние пакеты; детерминированная и периодическая передача данных	Большие пакеты; данные посылаются регулярно
Скорость передачи данных	125, 250, 500 кбит/с	5 Мбит/с	10 Мбит/с 100 Мбит/с

Сети разных производителей имеют свои особенности, связанные с изначальной ориентацией на определенные производственные, коммуникационные и информационные технологии. Например, приборная сеть Foundation Fieldbus обеспечивает связь контроллеров уровня управления с интеллектуальными полевыми приборами со скоростью обмена 31,25 кбит/с. По сети передается питание от контроллера к измерительным приборам. Для более полного и рационального использования непрерывно возрастающей мощности микропроцессоров, встраиваемых в интеллектуальное оборудование узлов учета, разработана специальная идеология, которая ставит своей целью перенос типовых алгоритмов переработки измерительной информации, регулирования, логического управления на самый нижний уровень управления – уровень интеллектуальных датчиков и исполнительных механизмов, общее количество которых составляет около 1500. Технология Fieldbus обеспечивает возможность получения критически важных данных полевых приборов АСКУЭ. Эти данные могут быть использованы для дистанционной диагностики оборудования, для мониторинга состояния приборов в реальном масштабе времени без вмешательства в процесс. Операторы могут принимать меры по предотвращению неисправностей до их возникновения, что позволяет избежать внеплановых остановок энергоснабжения.

Среди международных стандартов локальных сетей промышленного назначения одно из самых важных мест занимает стандарт Profibus, сочетающий функции управления и обмена информацией. В соответствии с этим стандартом можно образовать несколько децентрализованных систем управления, которые связаны друг с другом мощной информационной сетью, способной работать в сложных промышленных условиях. Profibus предполагает использование различных физических сред передачи данных. Передача по двухпроводному кабелю производится с применением шинных терминалов или штекеров. Отдельные сегменты объединяются посредством повторителей. Максимальная протяженность сети без использования повторителей составляет до 1200 м, при использовании повторителей – до 9600 м (расстояние зависит от скорости передачи). При передаче по оптоволоконному кабелю топология сети может иметь линейную или кольцевую структуру, а также структуру типа "звезда". Объединение отдельных сегментов производится посредством модулей OLM (Optical Link Modules) или OBT (Optical Bus Terminal). Протяженность сети на одномодовым кабеле может достигать 100 км. Сеть обслуживает до 127 оконечных устройств (до 32 устройств на сегмент). Скорость передачи выбирается программным способом и составляет от 9,6 кбит/с до 1500 кбит/с на уровне управления и до 12 Мбит/с на приборном уровне.

Сеть CAN (Controller Area Network) предназначена для сбора информации и управления в реальном масштабе времени, отличается дешевизной и надежностью. Cеть CAN функционирует при обрыве одного из проводов, при замыкании одного из проводов на шину питания или на землю.

Канал CAN аналогично Ethernet реализует принцип множественного доступа с детектированием столкновений (CSMA/CD – Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Сеть может содержать только один сегмент. Скорость работы канала программируется и может достигать 1 Мбит/с. CAN ориентирована на последовательные каналы связи, выполненные из скрученных пар проводов или оптических волокон. Стандарт ISO 11898 определяет протоколы физического уровня и субуровней MAC и LLC. Все узлы сети равноправны и подключаются к общему каналу. Уровни сигналов протоколом не нормированы. В CAN применяются последовательные коды типа NRZ (non return to zero). Разъем (9-, 6– и 5-контактный) определяется протоколом HLP (High Layer Protocol). При этом тип разъема или какие либо его характеристики стандартом не регламентируются. Компании-разработчики сетевого оборудования предлагают и внедряют собственные модификации высокоуровневых CAN-протоколов: CANopen, Kingdom (Kvaser), DeviceNet (Allen Brandley), SDS (Honeywell), CAL (CAN Application Layer), SAE J1939 и др.

Стандарт IEEE 1394 (технология Fire Wire) – это стандарт на высокоскоростную последовательную шину. Стандарт поддерживает пропускную способность сети на уровнях 100, 200, 400 800 и 1600 Mбит/с. Сеть позволяет использовать самые разнообразные устройства, что создает широкие возможности для интеграции ПК с источниками информации АСКУЭ. Сеть включает до 63 узлов, каждый из которых имеет свой 6-разрядный физический идентификационный номер. К каждому узлу можно подключить до 16 устройств. Несколько сетей могут быть соединены между собой мостами (всего до 1023 шинных перемычек). При этом каждая шина идентифицируется отдельным 10-разрядным номером. Таким образом, 16-разрядный адрес позволяет иметь до 64449 узлов в системе, что дает 1031184 устройств. Между любыми двумя узлами может существовать не более 16 сетевых сегментов. Высокое качество сигналов обеспечивается при длине стандартного кабеля, соединяющего два узла, не более 4,5 м.

Непосредственная и малозатратная интеграция в полевую сеть АСКУЭ простых цифровых датчиков с узким диапазоном измерения осуществляется через сетевую шину AS-i (Actuator Sensor Interface). Средой передачи для устройств, подключенных к AS-интерфесам, служит общий двухпроводный кабель, который используется как для передачи информации, так и для электропитания. Подключение каждого узла производится врезкой контактов в кабель, проходящий через клеммное сединение (рис. 7.7).

Р и с. 7.7. Процесс подсоединения клеммной коробки к кабелю AS-интерфейса

Технические принципы построения AS-интерфейсов обеспечивают возможность их гибкого использования в зонах с повышенной электрической и электромагнитной зашумленностью. AS-техно-логия разработана как открытый стандарт совместно одиннадцатью известными фирмами, производящими датчики, исполнительные механизмы и системы управления. Ограничение до 4 бит объемов данных, которые может передавать один ИП (узел сети), позволяет сократить до минимума размеры используемой в периферийных устройствах (Slave) микросхемы ASIC, которая, обладая размерами 128 мм, может встраиваться в самые маленькие ИП. Это позволяет ввести в них различные интеллектуальные функции типа самотестирования и параметрирования.

Семейство Ethernet – самые распространенные стандарты для информационных локальных сетей, объединяющих ПК (80% рынка мировых локальных сетей). Отличие Ethernet от других информационных сетей (например, Arcnet, Token Ring) состоит в методе доступа ПК (рабочей станции) к линии связи. В Ethernet все устройства равнозначны. Рабочая станция «прослушивает» линию и начинает передачу при отсутствии сигнала. В процессе передачи станция контролирует правильность передачи собственным приемником. При обнаружении в это время чужой передачи (по искажению принимаемого сигнала) станция прерывает передачу и выдерживает паузу случайной длительности, после чего повторяет попытку передачи. Первые сети Ethernet строились с использованием коаксиального кабеля и имели строго линейную структуру (топология «общая шина»). Сейчас стандартной средой для передачи сигнала стал кабель из четырех витых пар. Компьютеры подключают через концентраторы (hub) или коммутаторы (switch), которые позволяют существенно разгрузить сеть. Данные в сети передаются пакетами до 1,5 кбайт. Максимальная скорость передачи данных – 0,01...10 Гбит/с в зависимости от используемого оборудования и кабелей. Для подключения приборов, не имеющих интерфейса Ethernet, выпускаются конвертеры интерфейсов. За счет репитеров сеть может наращиваться до пяти сегментов, каждый из которых обслуживает от 3 до 30 ПК в зависимости от мощности компьютеров и объема информации. С учетом наращивания сеть может обслуживать до 100 станций на расстоянии до 1 км.

Существуют разновидности Ethernet, определяемые назначением сети и видом физического канала связи. Например, стандарт Industrial Ethernet, предназначенный для применения в жестких условиях эксплуатации, работает по принципу CSMA/CD (групповой доступ с контролем несущей и выявлением коллизий).

Канал связи может строиться:

• на триаксиальном кабеле при топологии «общая шина»;

• на витой паре с двойным экранированием;

• на оптоволоконный кабеле для структуры типа «звезда».

Fast Ethernet рассчитан на диаметр сети до 200 м при скоростях 10 и 100 Мбит/с. Физическая среда – многомодовый двухволоконный ВОЛС или витая пара. В Gigabit Ethernet скорость в 1 Гбит/с обеспечивается за счет передачи данных по четырем неэкранированным витым парам. На участке радиочастотного спектра 2400 МГц до 2483,5 МГц работает оборудование Radio-Ethernet (cтандарт IEEE 802.11). Этот стандарт имеет два основных применения: беспроводная локальная сеть в стенах одного здания или на территории предприятия; подсоединение абонентов к большой сети передачи данных для решения проблемы «последней мили». В Radio-Ethernet может применяться технология шумоподобных сигналов или широкополосных сигналов (ШПС). Возможна организация каналов передачи данных со скоростью более 2 Мбит/с, при этом обязательным является условие прямой видимости между антеннами.

Беспроводная локальная сеть (Wireless Local Area Network – WLAN) соединяет компьютеры и периферийные устройства с помощью волн в радио– или инфракрасном диапазоне вместо кабелей. Компоненты беспроводной сети подобны тем, что требуются для обычной локальной сети, и включают один или несколько беспроводных клиентов (wireless clients); от одной и более точек доступа (access point); сетевую операционную систему. WLAN может быть установлена как расширение к существующей сети Ethernet.

Рядом компаний (Alcatel, Alvarion, Motorola, NextNet Wireless, Siemens, Sumitomo и др.) выпускаются средства для сетей WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) беспроводного широкополосного доступа, позволяющих значительно снизить влияние неровностей поверхности на качество принимаемого сигнала за счет использования СOFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing) модуляции сигнала.

Технология WiMAX обеспечивает широкополосный доступ в тех случаях, когда цифровые абонентские линии (Digital Subscriber Line – DSL) не могут использоваться по техническим или экономическим причинам. Система может работать вне зоны прямой видимости (Line of Site, LOS). Радиус действия достигает 70 км при скорости передачи 50 Мбит/с. На рис. 7.8 показаны варианты применения технологии WiMAX для передачи данных с удаленных точек [51].

Протокол открытой сети BACnet позволяет максимально задействовать все возможные физические среды для организации сетевого пространства и объединить оборудование всех производителей в единую сеть (backbone) на информационно-управляющем уровне.

Р и с. 7.8. Организация сбора информации по технологии WiMAX

Один из вариантов совмещения: базовая сеть – BACnet/IP, информационный уровень – BACnet/Ethernet, уровень автоматизации – BACnet/LonTalk, полевой уровень – BACnet/[MS/TP]. Сети BACnet/IP и BACnet/Ethernet в качестве физической среды используют один и тот же кабель. Мультивендорная сеть BACnet имеет большие перспективы для малозатратного информационного и физического объединения локальных сетей различных предприятий и территориальных объектов при создании единой АСКУЭ или SCADA-системы.