Румянцев / Литература / Интерфейсы ТСА

10

Интерфейсы ТСА.

Для управления технологическим процессом ТСА могут работать автономно или соединяться в сеть между собой или с другими техническими средствами высокого уровня интеграции.

Из практики известны несколько схем соединения ТСА между собой в сеть: радиальный, каскадный и магистральный.

На рис. 1 показано автономное управление объектом управления.

ТСА 1

ТСА 2

ТСА N

Объект управления

Рис. 1.

Радиальный способ соединения ТСА показан на рис.2.

ТСА высокого уровня

ТСА 1

ТСА 2

ТСА N

Объект управления

Рис. 2.

Каскадный способ соединения показан на рис. 3.

ТСА 1

ТСА 2

ТСА N

Объект управления

Рис. 3.

Магистральный способ соединения показан на рис. 4.

Персональный компьютер

ТСА 1

ТСА 2

ТСА N

Объект управления

Рис. 4.

Для сложных технологических процессов управления (ТОУ) применяется магистральный (шинный) способ соединения ТСА.

Если ТСА объединяются в сеть, следовательно, требуется организация процесса обмена информацией между ними, или интерфейс. Интерфейс в самом общем случае предусматривает совместимость аппаратных, программных, конструктивных и др. средств. В процессе эволюции техники постоянно разрабатываются все новые и новые интерфейсы.

Принимая во внимание тот факт, что для автоматизации технологических процессов широко применяются средства вычислительной техники, значит, и в ТСА начинают использоваться внешние интерфейсы компьютеров. В принципе сам персональный компьютер (ПК) может выполнять функции ТСА, но он будет обладать значительной избыточностью, а в некоторых случаях даже может оказаться ненадежным в работе.

Необходимо помнить, что самые последние достижения в области автоматики и информационных технологий внедряются в производство компьютеров, а затем их вариации разрабатываются для ТСА.

Предложенный фирмой IBM принцип открытой архитектуры позволил резко активизировать развитие вычислительной техники. Потому что отдельные части архитектуры компьютера могут разрабатывать другие сторонние организации, зная протокол работы его узлов. Сам ПК представляет собой устройство, в котором связь между блоками и функциональными узлами осуществляется с использованием разных стандартов, протоколов и интерфейсов.

Технически процесс обмена информацией может осуществляться в параллельном или последовательном виде. В параллельном интерфейсе данные передаются от передатчика к приемнику сразу словами. Например, одновременно информация передается по 8-ми проводам, или побайтно. До сих пор используется параллельный интерфейс Centronics, реализуемый LPT- портами ПК. В СССР этот интерфейс назывался ИРПМ-М.

В последовательном интерфейсе биты информации предаются друг за другом обычно по одной линии. В компьютере последовательный интерфейс поддерживают COM, USB и др. порты.

Важной характеристикой интерфейсов является пропускная способность. Увеличение скорости передачи информации ограничивается волновыми свойствами кабеля, внешними и внутренними помехами, стоимостью и сложностью коммуникаций.

Для интерфейса, соединяющего 2 устройства физически или логически, возможны 3 режима обмена информацией – дуплексный, полудуплексный и симплексный.

Дуплексный режим позволяет передавать информацию в разных направлениях, естественно, в разные промежутки времени.

Полудуплексный – также может передавать информацию в разных направлениях, но в отличии от предыдущего режима, имеет средства переключения направления передачи. Другими словами требуются дополнительный провод или провода в кабеле.

Симплексный режим – передача информации только в одном направлении, обратно передается только вспомогательная информация.

В параллельном интерфейсе (н-р, Centronics LPT- порта) используются уровни сигналов ТТЛ-логики. А именно, логическим нулем является уровень сигнала меньше 0,8В, хотя для микросхем ТТЛ он определен значение 0,4В. Логическая единица – более 1,4В, хотя для микросхем более 2,4В. И ограничивается верхнее значение логической 1 значением питающего напряжения.

Последовательный интерфейс COM- порта поддерживает стандарт RS-232C (Стык С2) и имеет уровни логических сигналов, показанные на рис. 5.

+12В

+5В

+3В

0

-3В

-5В

-12В

1 1

0

Рис. 5. Уровни сигналов стандарта RS-232C.

На выходе передатчика логический 0 имеет значения в диапазоне от +5В до +12В, логическая 1 – от -5В до -12В. На входе приемника соответственно +3В … +12В, -3В … -12В.

В некоторых случаях значения логических сигналов на выходе передатчика и приемника могут отличаться верхними границами (передатчик лог.0 – от +5В до +15В, лог. 1 – от -5В до

-15В; приемник – лог. 0 – от +3В до + 25В, лог. 1 – от -3В до -25В; а в ноутбуках – верхняя граница может быть снижена и модуль значения числа может составлять 3-5В). Иметь ввиду, что можно вывести из строя ноутбук.

Интерфейс RS-232C не имеет гальванической развязки между передатчиком и приемником. Информационный сигнал передается относительно общего провода (схемной земли). Интерфейс предполагает наличие защитного заземления для передатчика и приемника, особенно если они получают электропитание от сети переменного тока. Для уравнивания электрических потенциалов необходимо подключение кабелей при выключенном питании всех устройств. В противном случае COM- порты выходят из строя.

На рис. 6. показана схема технической реализации интерфейса RS-232C.

Для интерфейса RS-232C выпускаются специальные буферные микросхемы (разнополярный передатчик и приемник с гистерезисом), если они отсутствуют в оборудовании.

RS-232C

Кабель

L= 15 м

v=20 кбит/с

Рис. 6. Техническая реализация интерфейса.

Для передачи информации используются асинхронный (чаще) или синхронный (реже) принцип. На рис. 7. показан формат асинхронной передачи информации, т.н. старт-стоповый режим.

Лог. 0 1 2 3 4 1

Пауза

(Ожидание)

Лог. 1

Стробирующие импульсы

Рис. 7. Формат асинхронной передачи информации.

1- стартовый бит; 2- 8-ми разрядное слово данных; 3- бит контроля четности; 4- стоповый бит.

На рис. 7 показана передача числа 11101011, бит четности равен 0, т.к. количество единиц в слове четное (6). Причем значение контрольного бита четности может быть и противоположным в зависимости от принятого соглашения.

Синхронный режим передачи предполагает постоянную активность канала связи. Сначала передается синхробайт, а затем массив данных. Если данных для передачи нет, то передаются непрерывно синхробайты.

Кроме RS-232C для связи с ТСА применяются интерфейсы RS-422A, RS-423A, RS-485.

Интерфейсы RS-232C, RS-423A имеют несимметричные линии связи, а RS-422A и RS-485 - симметричные.

На рис. 8 показана техническая реализация интерфейсов RS-422A, RS-423A, RS-485.

В промышленной автоматике широко применяется стандарт RS-485.

Интерфейс «Токовая петля».

Интерфейс «Токовая петля» является довольно распространенным вариантом последовательного интерфейса. В этом стандарте информационным сигналом является не напряжение, а ток. Обычно логической 1 соответствует значение тока 20 мА, а логическому 0 – полное отсутствие тока. Кстати, в этом принципе заложена диагностика обрыва линии. Если линия связи оборвана, то приемник обнаружит отсутствие стоп бита.

«Токовая петля» обычно предусматривает гальваническую развязку входных цепей приемника от схемы устройства. Гальваническая развязка реализуется на оптронах.

Передача информации может осуществляться на расстояние единиц километров. Интерфейс требует пары проводов для каждого сигнала.

На рис. 9 показана реализация интерфейса «токовая петля» с использованием COM- порта компьютера.

RS-422A RS-423A

L=12м v= 10Mбит/c L=9м v=100 Кбит/с

L=120м v=1Мбит/с L= 91м v=10 Кбит/с

L= 1200м v=100 Кбит/с L=1200 м v=1Кбит/с

RS-485

L=12м v=10Мбит/с

L=120 м v=120м v=1Мбит/c

L=1200 м v=100 Кбит/c

Рис. 8. Техническая реализация интерфейсов RS-422A, RS-423A, RS-485.

DB9P

DB25S

100 Ом RD (-)

TD 3 2

RD 2 3 RD (+)

DTR 4 20

DSR 6 6

RTS 7 4

CTS 8 5

DCD 1 8 100 Ом RTS (+)

RI 9 22

SG 5 7

RTS (-)

Рис. 9. Реализация интерфейса «токовая петля» с использованием COM- порта компьютера.

Рис. 9 уточнить.

Технические средства локальных сетей.

Для связи ТСА между собой и компьютерами используются локальные сети.

Существует множество сетей.

Для передачи сигналов используются электрические, оптоволоконные радио- и инфракрасные каналы связи.

Электрической средой для передачи информации служат медные проводники (Copper). Основными электрическими параметрами медного кабеля является волновое сопротивление (импеданс), полоса пропускания (максимальная частота сигнала на которой затухание сигнала еще приемлемо), удельное затухание сигнала, чувствительность кабеля к внешним электромагнитным помехам и собственное излучение кабеля.

Коаксиальный кабель.

Представляет собой центральный провод, окруженный одним или несколькими слоями экрана. Соединяются кабели с помощью коаксиального разъема. Такой способ называется шинным и применяется, например, в сетях Ethernet. Встречается коаксиальный кабель в сетях со звездообразной (радиальной) топологией (Star). Для нормального прохождение сигнала, волновое сопротивление кабеля и разъемов должно совпадать, и быть согласованным со всеми соединяемыми устройствами. В локальных сетях применяют кабели с волновым сопротивлением 50 Ом (RG-11, RG-58) и 93 Ом (RG-62). Кабели с волновым сопротивлением 75 Ом применяются в телевидении.

Главный недостаток экранированного кабеля – ограниченная пропускная способность, которая для коммуникационных систем не превышает 10Мбит/с.

Витая пара (Twisted Pair).

Представляет собой пару скрученных проводников, образующих одну сигнальную линию. Благодаря скрутке уменьшается паразитная емкость кабеля, его внешнее излучение и чувствительность к электромагнитным помехам. Скрученные пары могут быть неэкранированные и экранированные. Экран выполняется из металлической оплетки или фольги. По своим характеристикам витые кабели делятся на категории. Например, кабель 3-й категории позволяет передавать данные с частотой до 10 МГц, а 7 категории – до 600 МГц.

Необходимо знать, что скорость передачи информации может не совпадать с частотой. Например, скорость передачи информации в 155Мбит/с успешно работает на кабеле с максимальной частотой пропускания 100 Мбит/с. Поэтому кабелям, кроме категории присваивается параметр «тип».

Для витой пары широко применяются разъемы RJ-45 (розетки Outlet и вилки Plug). С помощью специального обжимного инструмента разъемы прикрепляются к кабелю.

Оптоволоконный кабель (Fiber Optic Cable).

Кабель содержит нитки оптоволокна, каждая из них заключена в несколько оболочек, обеспечивающих механическую защиту кабеля. Луч света проходит через нитку оптоволокна, отражаясь от ее стенок. Существуют одномодовые и многомодовые кабели, которые различаются траекториями прохождения световых лучей. В одномодовом кабеле практически все лучи проходят одновременно весь путь и попадают в приемник, в многомодовом кабеле траектории прохождения света отличаются, поэтому к приемнику они приходят не одновременно. Чаще применяются многомодовые кабели, хотя по быстродействию они уступают одномодовым.

Длина оптических кабелей исчисляется километрами, а скорость передачи сигналов – единицами Гбит/с. Оптоволокно имеет гальваническую развязку, нечувствительно к электромагнитным помехам, и само не излучает помехи, информация защищена от прослушивания. Однако оптоволокно имеет недостатки – более чувствительно к перепаду температур (трескается); к высокому уровню радиации (мутнеет), что приводит к высокому затуханию сигнала; сложная и дорогостоящая процедура соединения (сварки) оптоволоконного кабеля с передатчиком и приемником, а также восстановление обрывов.

Сетевая технология Ethernet.

Для управления контроллерами может применяться сетевая технология Ethernet, которая представляет собой архитектуру сетей с разделяемой средой и широковещательной передачей. Все узлы сегмента сети получают пакет информации одновременно. В классическом варианте архитектуры с шинной топологией используется метод множественного доступа и обнаружением коллизий. – CSMA/CD. Суть метода заключается в том, что любое устройство может пытаться получить доступ к сети для передачи информации, но делает это осмотрительно. Если в процессе передачи передающий узел обнаруживает коллизию (столкновение с работой другого передатчика), то он прекратит передачу, и будет ожидать случайный интервал времени до возобновления попытки передачи. Такой метод передачи относится к классу недетерминированных с децентрализованным управлением (все узлы равноправны). Недостатком такого метода является возрастание числа коллизий при увеличении числа активных узлов в сегменте, в результате чего реальная пропускная способность уменьшается. При большом количестве активных узлов (более 30) применяется сегментирование цепи. Отдельные сегменты соединяются между собой мостами. Мосты также фильтруют кадры (фреймы) по физическим адресам назначения. Если адрес назначения кадра относится к узлу данного сегмента, мост не выпускает его в другой сегмент, если получателя кадра нет в данном сегменте, то мост будет прозрачным. Фильтрацией пакетов на более высоком уровне занимаются и маршрутизаторы.

При передаче сигналов сети Ithernet используются витые пары со звездообразной структурой или оптические провода (оптоволокно). В центре структуры располагается хаб (коммутатор).

Технология Ethernet позволяет передавать информацию со скоростями в 10, 100 и 1000 Мбит/с.

На компьютерах и ТСА имеется специальный разъем для подключения сетевого канала.

В 2003 году в Женеве была проведена Всемирная встреча на высшем уровне по вопросам построения информационного общества (ВВУИО), которая приняла «Декларацию принципов построения информационного общества: глобального вызова нового тысячелетия». Из 11 направлений деятельности, подлежащих реализации, в качестве основного отмечено создание современной информационной и коммуникационной инфраструктуры.

Существующая коммуникационная инфраструктура представляет собой совокупность различного оборудования (каналов связи, модемов, коммутаторов, маршрутизаторов и др.), и поэтому создание новой коммуникационной инфраструктуры, необходимой для реализации новых информационных технологий, является первоочередной задачей, стоящей перед всеми государствами без исключения.