2.4. Каналы связи

Линия связи устройства управления с объектом представляет собой физическую среду, через которую передается информация. К линиям связи относят витую пару проводов с пропускной способностью до 1 Мбит в секунду, коаксиальный кабель (до 10 Мбит в секунду), оптические волокна (более 150 Мбит в секунду) или атмосферу, через которую передают радио- или инфракрасные сигналы. Каналом передачи информации называют линию связи, к началу которой подключен передатчик, а к концу – приемник сигналов. Передача информации от датчиков осуществляется парал-лельным или последовательным способом (рис. 2.59).

При параллельной передаче значение каждого разряда кода информации передается от передатчика А по отдельному проводу к соответствующему разряду приемника В (рис. 2.59, а). Параллельный интерфейс прост и надежен, но требует многопроводного соединения передатчика с приемником. При последовательной передаче приемник и передатчик соединяют одним проводом, который с помощью синхронных коммутаторов С₁, С₂ подключают к одинаковым разрядам передатчика А и приемника В (рис. 2.59, б).

а

б

Рис. 2.59. Схемы передачи информации от передатчика А

К приемнику в:

а – параллельная схема; б – последовательная схема

Последовательный интерфейс обеспечивает передачу информации по одному проводу при обеспечении надежной синхронизации коммутаторов.

Датчики рассредоточены на объекте автоматизации и связаны с управляющим устройством через длинные линии связи, на которые воздействуют помехи, искажая сигналы датчиков. Взаимные помехи рядом расположенных объектов образуются за счет их емкостной или индуктивной связи. В первом случае металлические корпуса двух систем, сообщающиеся через воздух, образуют конденсатор (рис. 2.60, а), через который в линию связи проходят помехи переменного тока. Во втором случае индуктивность источника образует электромагнитное поле, изменяющее индуктивность приемника. Помехи проникают к приемнику через такой трансформатор связи (рис. 2.60, б).

а б

Рис. 2.60. Связь двух близкорасположенных объектов:

а – емкостная; б – индуктивная

Для подавления взаимных помех преобразователь (датчик) (П) и вход устройства управления (УУ) соединяют коаксиальным кабелем (К), представляющим собой провод внутри экранирующей оплетки (рис. 2.61). Экран заземляют в одной точке, обычно на входе устройства управления.

Рис. 2.61. Соединение преобразователя и устройства

управления коаксиальным кабелем

Самым дешевым способом подавления помех является скручивание пары проводов, идущих от преобразователя к устройству управления (рис. 2.62). В каждой точке пересечения проводов помехи взаимно уничтожаются, что приводит к подавлению помех на входе устройства управления.

Рис. 2.62. Соединение преобразователя и устройства

управления скрученными проводами

К

роме взаимных помех на линию связи воздействуют случайные помехи. Они характеризуются отношением

, (2.4)

где V_с – среднее напряжение сигнала; V_п – среднее напряжение помехи.

Если уровень помехи близок к сигналу датчика, то к выходу датчика подключают усилитель, соединенный с началом линии связи. Самыми высокими пропускной способностью и помехоустойчивостью обладает волоконно-оптическая линия связи. В ней электрические сигналы преобразуются в оптические импульсы, которые передаются по оптическому волокну, а затем преобразуются в электрические сигналы (рис. 2.63).

Рис. 2.63. Схема волоконно-оптической линии связи:

1 – оптическое волокно; 2 – модулятор; 3 – преобразователь

«электричество-свет»; 4 – передатчик; 5 – преобразователь

«свет-электричество»; 6 – демодулятор; 7 – приемник

Волоконно-оптическая линия связи представляет собой оптическое волокно, к началу которого через модулятор и преобразователь «электричество – свет» подключен передатчик. Конец волокна через преобразователь «свет – электричество» и демодулятор соединен с приемником. Свет – это оптическое излучение в инфракрасном диапазоне. Оптическое волокно содержит сердцевину, оболочку и внешнее покрытие (рис. 2.64). Ядро и оболочка выполнены из кварцевого стекла, причем показатель преломления у оболочки n₀ выше, чем у сердцевины n_c. Оптический луч, введенный в сердцевину, проходит большие расстояния, многократно отражаясь от границы серд-цевины и оболочки. Диаметр оптического волокна без покрытия составляет около 1 мм, радиус изгиба до излома 5 – 10 мм.

Р азличают одномодовое и многомодовое оптические волокна. Мода – длина волны, проходящей через волокно под определенным углом отражения. Световая волна имеет 2500 мод. В одномодовом волокне вводится луч с одной длиной волны (рис. 2.65, а), в многомодовом волокне одновременно передаются лучи разной длины волны (рис. 2.65, б).

а б

Рис. 2.65. Оптические волокна: а – одномодовое; б – многомодовое

Одномодовое волокно имеет полосу пропускания более 10 ГГц, оно применяется для передачи сигналов на расстояния более 100 км. Многомодовое волокно с полосой пропускания 1 – 10 ГГц применяют для расстояний 1 – 100 км. Стоимость многомодового волокна в три раза меньше, чем одномодового. Ослабление оптического сигнала в одномодовом волокне составляет 0,2 – 0,3 дВ/км, в многомодовом – около 0,9 дВ/км. Ослабление сигнала в два раза соответ-ствует уровню 3дВ. Масса одного километра оптического кабеля для передачи 100 тыс. телефонных разговоров не превышает 300 г.

Информацию одновременно передают по нескольким тысячам каналов. В качестве передатчика световых импульсов применяют лазер или лазерный диод на арсениде галлия с длиной волны 0,84 мкм и мощностью до 10 мВт. Оптические сигналы принимают фотодиодом. Толщина световода составляет десятые доли миллиметра, поэтому приходится покрывать его защитной оболочкой и объединять несколько световодов в оптический кабель с прочной сердцевиной и оболочкой, устойчивой к механическим воздействиям. Волоконно-оптические кабели намного легче медных, могут изгибаться, искровзрывобезопасны, дешевы, не подвержены электромагнитным помехам. Они отличаются малыми потерями сигнала и чрезвычайно высокой пропускной способностью. Вместе с тем для соединения двух световодов необходим высокоточный оптический разъем.

В современных системах автоматизации чаще всего применяют связь через витую пару проводов, к которой легко подключать дополнительные устройства автоматизации. Для обмена информацией между двумя из сотен устройств, подключенных к витой паре, разрабатывают протоколы промышленных шин.