danilushkin_tutorial_2007

ство кабельных соединений (жгут), так как каждое такое устройство подключалось к модулю ввода-вывода управляющего устройства отдельной парой проводников. При этом затраты на приобретение кабельной продукции, на её монтаж и эксплуатацию были очень велики. AS-интерфейс позволяет решить задачу подключения датчиков и исполнительных механизмов 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.

При наличии в системе специальных модулей AS-интерфейс позволяет подключать к системе управления обычные широко распространённые на рынке датчики и исполнительные механизмы. Следующим шагом в развитии сетевых технологий на базе AS-интерфейса стало включение интегральных микросхем ведомого устройства непосредственно в электронную часть датчиков и исполнительных механизмов. Для таких интеллектуальных устройств становится возможной реализация удалённого параметрирования и диагностики без использования дополнительных связей.

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, CAN, PROFIBUS, DeviceNet.

Передача данных

В качестве среды передачи используется пара обычных проводников. Площадь поперечного сечения каждого проводника, равная 1,5 мм2, установлена стандартом. При таком сечении гарантируется питающий ток 2 А, таким образом, ведомые устройства могут питаться непосредственно от шины AS-интерфейса.

Оболочка кабеля AS-интерфейса имеет специальный профиль в виде трапеции с выступом (рис. 4.5), исключающий возможность неправильного подключения сетевых компонентов. Желтый плоский кабель стал своего рода рыночным знаком AS-интерфейса. Большая часть сетевых компонентов подключается к кабелю методом прокалывания изоляции, и сделать это можно практически в любой точке соединительного кабеля, что обеспечивает гибкость сетевой архитектуры и сокращает сроки монтажа. Наряду с профилированным кабелем используется и круглый кабель, ориентированный на специальные модули.

Если для исполнительных механизмов требуется дополнительное питание, например постоянное напряжение 24 В, то можно применить аналогичный профилированный кабель черного цвета, который также использует технологию про-

111

калывания. Для напряжений более 30 В, в частности для 220 В переменного тока, используется кабель с оболочкой красного цвета.

Рис. 4.5. Поперечное сечение кабеля AS-интерфейса и способ подключения устройств

Скорость передачи данных ограничена до 167 кбит/с. Для кодирования данных используется манчестерский код, в котором логические единица и нуль кодируются восходящим и нисходящим фронтом сигнала в середине битового интервала. Такой тип кодирования снижает влияние на ASI-кабель внешних возмущений.

Подключение устройств и топология

Локальная вычислительная система низкого уровня на базе AS-интерфейса может иметь только одно ведущее устройство. По спецификации AS-интерфейса версии 2.0, к ведущему устройству можно подключить 31 ведомое устройство. Каждое ведомое устройство может иметь до 4 входов/выходов.

AS-интерфейс использует метод доступа к ведомым устройствам, основанный на их циклическом опросе. При опросе системы, состоящей из 31 ведомого устройства, время цикла составляет 5 мс. Таким образом, не позднее чем через каждые 5 мс каждый датчик или исполнительный механизм системы будет опрошен ведущим устройством.

Каждый узел ASI-сети должен иметь специальную интерфейсную микросхему с поддержкой ASI-протокола. AS-интерфейс позволяет передавать как данные, так питающую нагрузку к узлам сети, поскольку существует большое число фотоэлектрических и индуктивных датчиков, которые потребляют небольшую мощность и могут питаться непосредственно от сети. Упрощённо ASI-сеть может выглядеть, как на рис. 4.6.

Топология сети AS-интерфейса может быть произвольной (рис. 4.7). Отсутствие терминаторов шины позволяет даже «закольцевать» среду передачи. Един-

112

ственное, что 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. Если требуется большая длина кабеля, то можно использовать до двух повторителей, что обеспечит надёжное 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.

Рис. 4.6. Пример ASI-структуры

Рис. 4.7. Топология сети AS-интерфейса

Форматы пакетов данных

Протокол AS-интерфейса (рис. 4.8) состоит из запроса ведущего устройства, паузы ведущего устройства, ответа ведомого устройства и, соответственно, паузы ведомого устройства.

113

Рис. 4.8. Структура протокола AS-интерфейса

Все запросы ведущего устройства имеют длину 14 бит, все ответы ведомого устройства занимают 7 бит. При этом период времени передачи одного бита составляет 6 мкс. Пауза ведущего устройства может занимать по времени от 3 до 10 тактов передачи бита. Если ведомое устройство было синхронизировано, то есть приняло сообщение ведущего устройства и ответило, то это позволяет начать передачу ответа ведомого устройства через 3 такта. Если ведомое устройство не было синхронизировано, например, это первый запрос в адрес данного ведомого устройства или запрос после воздействия помехи, то требуется на два такта больше, чем это было необходимо в первом случае. Если ведущее устройство после 10 тактов не приняло стартовый бит ответа ведомого устройства, можно сделать заключение, что ответ не проходит, и ведущее устройство может послать следующий запрос, например, ведомому устройству с более высоким адресом.

Дополнительную информацию о назначении и состоянии битов запроса ведущего устройства и ответа ведомого устройства содержат табл. 4.5 и 4.0.

Таблица 4.5.

Биты запроса ведущего устройства

В табл. 4.7 представлены некоторые запросы и команды ведущего устройства спецификации 2.0. Полный список команд и запросов AS-интерфейса можно най-

ти в [44].

Бит D4 (см. табл. 4.7) запроса ведущего устройства определяет, какую именно информацию содержит запрос ведущего устройства (SB=0): если D4 равен ну-

114

лю, то информационные разряды запроса (D3–D0) содержат значения, которые нужно установить на дискретных выходах ведомого устройства, а если D4 равен единице, то информационные разряды запроса (D3–D0) содержат значения конфигурационных параметров устройства.

Таблица 4.0.

Микросхема ведомого устройства

Для того чтобы электронная часть ведомого устройства, могла быть встроена непосредственно в датчик или исполнительное устройство, она должна быть компактной и, кроме того, дешёвой. Это возможно только при использовании специализированных микросхем с высокой степенью интеграции.

Через интегральную микросхему ведомого устройства двоичные датчики и исполнительные устройства подключаются к сети AS-интерфейса. Специализированная микросхема (ASI Chip, ASIC) обеспечивает датчик или исполнительное

115

устройство электропитанием от сети, распознает переданную от ведущего устройства информацию и посылает в ответ собственные данные.

Возможны два способа использования таких микросхем:

•микросхема может быть встроена прямо в датчик или исполнительное устройство, в результате чего получается устройство с интегрированным AS-интерфейсом (рис. 4.9);

•микросхема может быть встроена в специальный модуль таким образом, что к модулю можно подключать обыкновенный датчик или исполнительное устройство, которые при этом становятся устройствами с внешним AS-интерфейсом

(рис. 4.10).

Рис. 4.9. Схема датчика или исполнительного устройства с интегрированным AS-интерфейсом

Рис. 4.10. Схема модуля связи сети AS-интерфейса с датчиками и исполнительными механизмами без встроенных микросхем ведомого устройства

116

Основным производителем микросхем для AS-интерфейса является компа-

ния AMS (Austria Microsystems), выпускающая микросхемы ASI3+ и SAP4.

Четыре возможные точки подключения к порту данных микросхемы ведомого устройства (D0–D3, рис. 4.9, 4.10) могут быть сконфигурированы как входы, выходы и двунаправленные порты (входы/выходы). Конфигурирование выполняется производителем AS-устройства и не может быть изменено в процессе эксплуатации.

В основном режиме работы AS-интерфейса ведомые устройства периодически опрашиваются с помощью команды «Запрос данных» (Data Request). При посылке запроса ведущее устройство указывает, какие значения нужно установить на дискретных выходах ведомого устройства. При этом, если какой-то из портов данных сконфигурирован как вход, то переданное для него значение игнорируется. При ответе, ведомое устройство передаёт значения входов, подключённых к соответствующим портам. Для портов, к которым подключены выходы, передаваемые значения не определены (это могут быть нули или единицы).

Например, для устройства на рис. 4.10 порты D0 и D1 сконфигурированы как входы, а порты D2 и D3 – как выходы. Пусть также рассматриваемое ведомое устройство имеет адрес 1110 (010112). Тогда запрос с командой включить оба исполнительных устройства будет выглядеть так (см. табл. 4.7):

0 0 01011 01100 1 1

а ответ (если на выходе первого датчика установлен логический нуль, а на выходе второго – логическая единица) будет следующим:

0 0010 1 1

С помощью команды «Записать параметр» (табл. 4.7) ведомое устройство получает от ведущего 4 бита данных, соответствующих значениям параметров. С их помощью можно управлять особыми функциями ведомого устройства.

Спецификация AS-интерфейса версии 2.1

Весной 2000 года появилась новая спецификация AS-интерфейса версии 2.1. Количество ведомых устройств в одной сети увеличено до 62 за счёт разделения адресного пространства ведущего сетевого устройства на две подобласти: А и В. Ведомые устройства версии 2.0 стали называться стандартными, а устройства версии 2.1 – устройствами с расширенным режимом адресации.

В стандартном режиме адресации ведомое устройство могло иметь до 4 входов/выходов. Так называемые A/B-устройства (устройства, адресуемые в соответствии со спецификацией версии 2.1) могут иметь до 4 входов или до 3 выходов. Другие технические данные системы на базе AS-интерфейса приведены в табл. 4.8.

117

Для того, чтобы обеспечить совместимость на одной шине устройств спецификации 2.0 и 2.1, формат пакета запроса остался неизменен, а подобласть адресного пространства A или B определяется значением бита D3 в запросе/команде ведущего устройства (рис. 4.8, табл. 4.7). Тогда, на передачу информации от ведущего устройства остаётся только три бита (D2–D0), этим и объясняется уменьшенное количество исполнительных устройств, которые можно подключить к ведомому устройству.

Если в AS-интерфейсе версии 2.1 используются только ведомые устройства одной подобласти адресного пространства (А или В), то время цикла опроса не превышает 5 мс, как и в версии 2.0. В случае использования всего адресного пространства, доступного для версии 2.1, ведомые устройства подобластей А и В обслуживаются по очереди: в первом цикле производится опрос ведомых устройств

118

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).

4.2. ПРОТОКОЛЫ СИСТЕМНОГО УРОВНЯ

Modbus

Этот протокол разработан фирмой Modicon Gould Inc., ныне Schneider Electric [45, 46] для построения промышленных распределённых систем управления. Специальный физический интерфейс для него не определён. Поэтому на физическом уровне протокола Modbus может использоваться любой байториентированный протокол: RS-232C, RS-422, RS-485 или же токовая петля.

Протокол MODBUS работает по принципу «Master – Slave», или «ведущий – ведомый». Конфигурация на основе этого протокола предполагает наличие одного ведущего устройства и до 247 ведомых устройств. Каждому ведомому устройству на этапе конфигурирования сети присваивается уникальный адрес устройства в диапазоне от 1 до 247. Только ведущее устройство инициирует циклы обмена данными (транзакции). Существует два типа транзакций:

•запрос/ответ (адресуется только одно из ведомых устройств);

•широковещательная передача (ведущее устройство, используя нулевой адрес, обращается ко всем остальным узлам сети одновременно без квитирования).

Таким образом, каждая транзакция содержит один кадр запроса и один кадр ответа, либо один кадр широковещательной передачи.

Некоторые характеристики протокола Modbus фиксированы. К ним относятся формат кадра, последовательность кадров, обработка ошибок коммуникации и исключительных ситуаций, и выполнение функций.

Другие характеристики выбираются пользователем. К ним относятся тип средства связи, скорость обмена, проверка на чётность, число стоповых бит, и режим передачи (ASCII или RTU). Параметры, выбираемые пользователем, устанавливаются (аппаратно или программно) на каждом устройстве. Эти параметры устанавливаются одинаковыми для всех устройств сети Modbus и не могут быть изменены во время работы системы.

Режим передачи определяет структуру отдельных блоков информации в сообщении и системы счисления, используемой для передачи данных. В системе

119

Modbus существуют два режима передачи. Оба режима обеспечивают одинаковую совместимость при связи с ведомыми устройствами. Режим выбирается в зависимости от объединяемого с помощью сети Modbus оборудования. Для каждой сети Modbus должен использоваться только один режим. Смешивание режимов не дозволительно. Режимы делятся на ASCII (American Standard Code for Information Interchange – Американский стандартный код обмена информацией) и RTU (Remote Terminal Unit – модуль удалённого терминала). Основные характеристики режимов ASCII и RTU представлены в табл. 4.9.

1 младший бит передаётся первым

Символы ASCII удобнее использовать при отладке, поэтому этот режим удобен для компьютеров, программируемых на языке высокого уровня. Режим RTU обеспечивает более компактный размер кадров, что позволяет сократить длительность транзакции.

В режиме RTU данные передаются в виде восьмиразрядных двоичных символов. В режиме ASCII каждый RTU-символ сначала делится на две четырехразрядных части (старшая и младшая), значение каждой цифры представляется одной 16-тиразрядной цифрой, а затем ASCII-символы этих 16-тиразрядных цифр используются при формировании сообщения. В результате каждый RTU символ представляется двумя ASCII символами, которые могут принимать значения 0–9 и A–F. Их коды (3016 – 3916 и 4116 – 4616 соответственно) лежат в основной (нижней) части ASCII-таблицы, что позволяет использовать только семь бит для передачи каждого байта (самый старший восьмой бит всегда будет равен нулю, а значит его можно не передавать).

ASCII режим использует в два раза больше символов, чем RTU режим, но декодирование и управление данными – легче. К тому же, в режиме RTU символы

120