Сетевые технологии в задачах автоматизации и управления Интерфейсы

Сетевые технологии в задачах автоматизации и управления Интерфейсы RS-485, RS-422 и RS-232

Основные определения q Промышленная сеть (Fieldbus, «полевая шина» ) комплекс оборудования и программного обеспечения, которые обеспечивают обмен информацией (коммуникацию) между несколькими устройствами. q Сетевой интерфейс логическая и (или) физическая граница между устройством и средой передачи информации. q Протокол обмена это набор правил, которые управляют обменом информацией (синтаксис и семантику сообщений, операции управления, синхронизацию и состояния при коммуникации). q Стек протоколов — набор связанных коммуникационных протоколов, которые функционируют совместно и используют некоторые или все семь уровней модели OSI.

Свойства промышленных сетей специальное конструктивное исполнение, обеспечивающее защиту от пыли, влаги, вибрации, ударов; широкий температурный диапазон (обычно от — 40 до +70 °С); повышенная прочность кабеля, изоляции, разъемов, элементов крепления; повышенная устойчивость к воздействию электромагнитных помех; возможность резервирования для повышения надежности; повышенная надежность передачи данных; возможность самовосстановления после сбоя; детерминированность (определенность) времени доставки сообщений: возможность работы в реальном времени (с малой, постоянной и известной величиной задержки); работа с длинными линиями связи (от сотен метров до нескольких километров).

Классификация промышленных сетей LAN (Local Area Network) — сети, расположенные на ограниченной территории (в цехе, офисе, в пределах завода); MAN (Metropolitan Area Networks) — сети городов; WAN (Wide Area Network) — глобальная сеть, охватывающая несколько городов или континентов. Обычно для этого используют Интернет технологию. В настоящее время насчитывается более 50 типов промышленных сетей.

Взаимодействие устройств в промышленных сетях Модель клиент-сервер Взаимодействуют два объекта – сервер и клиент. Модель издатель-подписчик Имеется один издатель и множество подписчиков. Сеть может содержать несколько Подписчики сообщают издателю серверов и несколько клиентов. список, тегов, значения которых они хотят получать по Модель удобна для передачи определенному расписанию или данных, которые появляются по мере появления новых данных. периодически или в заранее известное время. В соответствии с установленным расписанием издатель рассылает Модель неудобна для передачи подписчикам запрошенную случайно возникающий событий информацию.

Терминология моделей взаимодействия Устройство, проявившее инициативу в обмене, называют ведущим, главным или мастером (Master). Одномастерные сети Многомастерные сети Устройство, которое отвечает на запросы мастера, называют ведомым, подчиненным или слейвом (Slave).

Передача данных Линия связи (Interchange Circuit) или среда передачи данных физическая среда, предназначенная для переноса информации между единицами оборудования, принимающими участие в информационном обмене, включая данные, сигналы управления и синхронизации. Канал передачи данных (Data Transmission Channel)– совокупность физической среды и технических средств включая аппаратуру преобразования сигналов, вовлекаемых в процесс передачи информации между оборудованием системы связи.

Типы данных в промышленных сетях Сигналы — это результаты измерений, получаемые от датчиков и измерительных преобразователей. Команды — это сообщения, которые вызывают некоторые действия, например закрытие клапана или включение ПИД регулятора. Состояние показывает текущее или будущее состояние системы, в которое она должна перейти. Событие наступает обычно при достижении текущим параметром граничного значения. Запрос — это команда, посылаемая для того, чтобы получить ответ.

Параметры промышленных сетей Производительность характеризуется временем реакции и пропускной способностью. Время реакции интервал времени между запросом ведущего устройства и ответом ведомого при условии, что ведомое устройство имеет пренебрежимо малую задержку выработки ответа на запрос. Пропускная способность количество информации, переносимой сетью в единицу времени. Измеряется в битах за секунду и зависит от быстродействия сетевых приемопередатчиков и среды передачи. В последнее время появился термин «качество обслуживания» (Qo. S — Quality of Service). Qo. S определяет вероятность того, что сеть будет передавать заданный поток данных между двумя узлами в соответствии с потребностями приложения.

Надежность характеризуется коэффициентом готовности, вероятностью доставки данных, предсказуемостью времени доставки, безопасностью, отказоустойчивостью. Коэффициент готовности равен отношению времени наработки до отказа к сумме времени наработки до отказа и времени восстановления после отказа. Вероятность доставки данных определяется помехоустойчивостью канала передачи и детерминированностью доступа к каналу. Время доставки данных в офисных сетях Ethernet является случайной ве личиной, однако в промышленном thernet эта E проблема решена применением коммутаторов. Безопасность — это способность сети защитить передаваемые данные от несанкционированного доступа. Отказоустойчивость — это способность сети продолжать функционирование при отказе некоторых элементов. При этом характеристики системы могут ухудшиться, но она не теряет работоспособности.

Способы передачи Симплексные позволяют передавать данные только в одну сторону, т. е. только с передатчика на приемник, но не обратно. Нет необходимости подтверждения и обратной связи (FM радио или телевидение). Полудуплексные позволяют двум устройствам обмениваться информацией, причем оба устройства могут быть и приемниками и передатчиками, но не одновременно. Т. е. каждое устройство может либо передавать, либо принимать (RS 485). Дуплексные разрешают прием и передачу информации одновременно, т. е. оба устройства могут быть и приемником и передатчиком одновременно (RS 232).

Сигналы Небалансный сигнал передается по несбалансированной линии, представляющей собой сигнальную землю и одиночный сигнальный провод, уровень напряжения на котором используется, чтобы передать или получить двоичные 1 или 0 (RS 232). Балансный сигнал передается по сбалансированной линии, которая представлена сигнальной землей и парой проводов, разница напряжений между которыми используется для передачи/приема бинарной информации (все вместе составляет экранированную витую пару) (RS 422, RS 485). ! Сбалансированный сигнал передается быстрее и дальше, чем несбалансированный.

Схемы соединения приемников и передатчиков RS RS-232 RS-423 RS-485 RS (Recommended Standard) - рекомендованный стандарт. Несимметричные линии интерфейсов RS- 232 и RS- 423 имеют самую низкую защищенность от синфазной помехи, хотя дифференциальный вход приемника RS- 423 несколько смягчает ситуацию. Лучшие параметры имеет двухточечный интерфейс RS- 422 и его магистральный (шинный) аналог RS- 485, работающие на симметричных линиях связи. В них для передачи каждого сигнала используется дифференциальные сигналы с отдельной витой парой проводов.

Интерфейс RS-485 Описан в стандартах EIA/TIA 485 Достоинства: двусторонний обмен данными всего по одной витой паре проводов; работа с несколькими трансиверами, подключенными к одной и той же линии, т. е. возможность организации сети; большая длина линии связи; достаточно высокая скорость передачи.

Интерфейс RS-485 использует двунаправленную сбалансированную линию передачи; поддерживает многоточечные соединения (количество узлов до 32 и передача на расстояние до 1200 м); поддерживает полудуплексную связь (достаточно одной скрученной пары проводников).

Дифференциальная передача сигнала в RS-485 Если разность напряжений более 200 м. В, до +12 В считается, что на линии установлено значение логической единицы, при напряжении менее — 200 м. В, до 7 В — логического нуля.

Четырехпроводной интерфейс Используется для полнодуплексной передачи Недостаток необходимость жесткого указания ведущего и ведомых устройств на стадии проектирования системы. Достоинство возможность одновременной передачи и приема данных, что бывает необходимо при реализации некоторых сложных протоколов обмена.

Согласование

Осциллограмма реального обмена Включение передатчика ведущего контроллера. После включения выдержана пауза. Начало передачи данных — стартовый бит первого фрейма. Завершение передачи данных — стоповый бит последнего фрейма. Выключение передатчика. Включение передатчика ведомого контроллера.

Топология сети на основе интерфейса RS-485 а) Правильная топология единая линия без отводов, к которой не более чем в 32 точках под ключены устройства с интерфейсом RS 485. б) Неправильная топология линия имеет длинные отводы или соединение нескольких кабелей в одной точке, что приводит к отражениям и снижению качества передачи.

Разветвление линии с помощью повторителей интерфейса Обязательно условия согласования с помощью двух терминальных резисторов

Искажения из-за неправильной разводки сети

Искажения из-за неправильной разводки сети

Основные характеристики RS - 485 q Стандарт EIA RS- 485 q Скорость передачи 10 Мбит/с (максимум) q Расстояние передачи 1200 м (максимум) q Характер сигнала дифференциальное напряжение q Линия передачи витая пара q Количество передатчиков 32 q Количество приемников 32 q Схема соединения полудуплекс, многоточечная

Выбор кабеля Можно использовать либо специально спроектированный для интерфейса RS 485 кабель (с волновым сопротивлением 120 Ом), либо практически любую пару проводов. Лучше всегда использовать кабель с экраном. На более высоких частотах (100 кбит/с ) допустимая длина кабеля уменьшается с ростом частоты.

Зависимость допустимой длины кабеля от скорости передачи для RS-485

Зависимость допустимой длины кабеля от скорости передачи при скоростях более 100 кбит/с

Общие рекомендации Лучшей средой передачи сигнала является кабель на основе витой пары. Концы кабеля должны быть заглушены терминальными резисторами (обычно 120 Ом). Сеть должна быть проложена по топологии шины, без ответвлений. Устройства следует подключать к кабелю проводами минимальной длины.

Интерфейс RS-232 Cтандарт был разработан в 1969 г. рядом крупных промышленных корпораций и опубликован Ассоциацией электронной промышленности США (Electronic Industries Association) — EIA Стандарт RS 232, в общем случае, описывает четыре интерфейсные функции: определение управляющих сигналов через интерфейс; определение формата данных пользователя, передаваемых через интерфейс; передачу тактовых сигналов для синхронизации потока данных; формирование электрических характеристик интерфейса.

Основные характеристики RS-232 Стандарт EIA RS - 232 C, CCITT V. 24 Скорость передачи 115 Кбит/с (максимум) Расстояние передачи 15 м (максимум) Характер сигнала несимметричный по напряжению Количество драйверов 1 Количество приемников 1 Схема соединения точки к точке полный дуплекс, от

Интерфейс RS-232 Последовательный интерфейс синхронной и асинхронной передачи данных. Интерфейс не обеспечивает гальванической развязки устройств. Изначально создавался для связи компьютера с терминалом.

Назначение выводов 9 -контактного разъема 9 контактная вилка типа DB 9 M

Назначение выводов 25 -контактного разъема 25 контактная вилка типа DB 25 M

DCE (DB 25 F) DTE (DB 25 M) DTE (DB 9 M) pin 1 Защитное заземление CD (Carrier Detect, Несущая) вход pin 2 RD (Receive Data, Прием данных) вход данных) выход TD (Transmitted Data, Передача данных) выход RD (Receive Data, Прием данных) вход pin 3 TD (Transmitted Data, Передача данных) выход RD (Receive Data, Прием данных) вход TD (Transmitted Data, Передача данных) выход pin 4 CTS (Clear To Send, Запрос на прием данных) вход RTS (Request To Send, Запрос на передачу данных) выход DTR (Data Terminal Ready, DTE готов) выход pin 5 RTS (Request To Send, Запрос на передачу данных) выход CTS (Clear To Send, Запрос на прием данных) вход Земля сигнальная

DCE (DB 25 F) pin 6 DTR (Data Terminal Ready, DTE готов) выход DTE (DB 25 M) DTE (DB 9 M) DSR (Data Set Ready, DCE готов) вход pin 7 Земля сигнальная RTS (Request To Send, Запрос на передачу данных) выход pin 8 CD (Carrier Detect, Несущая) выход CD (Carrier Detect, Несущая) вход CTS (Clear To Send, Запрос на прием данных) вход pin 9 N/A RI (Ring Indicator, Индикатор звонка) вход pin 20 DSR (Data Set Ready, DCE готов) вход DTR (Data Terminal Ready, DTE готов) выход N/A pin 22 RI (Ring Indicator, Индикатор звонка) выход RI (Ring Indicator, Индикатор звонка) вход N/A

Описание основных сигналов интерфейса CD – Устройство устанавливает этот сигнал, когда обнаруживает несущую в принимаемом сигнале. RXD – Линия приема хостом данных от устройства. RXD – Линия передачи хостом данных к устройству. DTR – Хост устанавливает этот сигнал, когда готов к обмену данными. DSR – Устройство устанавливает этот сигнал, когда включено и готово к обмену данными с хостом. Этот и предыдущий (DTR) сигналы должны быть установлены для обмена данными. RTS – Хост устанавливает этот сигнал перед тем, как начать передачу данных устройству, а также сигнализирует о готовности к приему данных от устройства. Используется при аппаратном управлении обменом данными. CTS – Устройство устанавливает этот сигнал в ответ на установку хостом предыдущего (RTS), когда готово принять данные (например, когда предыдущие присланные хостом данные переданы модемом в линию или есть свободное место в промежуточном буфере). RI – Устройство (обычно модем) устанавливает этот сигнал при получении вызова от удаленной системы, например приеме телефонного звонка, если модем настроен на прием звонков.

Режимы передачи данных Синхронный режим передачи подразумевает непрерывный обмен данными, когда биты следуют один за другим без дополнительных пауз с заданной скоростью. Этот режим COM портом не поддерживается. Асинхронный режим передачи состоит в том, что каждый байт данных (и бит контроля четности, в случае его наличия) "оборачивается" синхронизирующей последовательностью из одного нулевого старт бита и одного или нескольких единичных стоп битов.

Формат данных интерфейса RS - 232 Тактовые частоты приемника и передатчика должны совпадать ! (допустимое расхождение - не более 10%). Скорость передачи по RS - 232 C выбирается из ряда: 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200 бит/с.

Один из возможных алгоритмов работы приемника следующий: Ожидать уровня "0" сигнала приема (RXD в случае хоста, TXD в случае устройства). Отсчитать половину длительности бита и проверить, что уровень сигнала все еще "0" Отсчитать полную длительность бита и текущий уровень сигнала записать в младший бит данных (бит 0) Повторить предыдущий пункт для всех остальных битов данных Отсчитать полную длительность бита и текущий уровень сигнала использовать для проверки правильности приема с помощью контроля четности Отсчитать полную длительность бита и убедиться, что текущий уровень сигнала "1" Вернуться к ожиданию начала следующего байта данных (шаг 1).

Уровни сигналов передатчика и приемника

Протокол обмена данными. Аппаратный метод управления реализуется с помощью сигналов RTS и CTS. Для передачи данных хост (компьютер) устанавливает сигнал RTS и ждет установки устройством сигнала CTS, после чего начинает передачу данных до тех пор, пока сигнал CTS установлен. Сигнал CTS проверяется хостом непосредственно перед началом передачи очередного байта, поэтому байт, который уже начал передаваться, будет передан полностью независимо от значения CTS.

Протокол обмена данными. Программный метод управления XON/ХОFF заключается в передаче принимающей стороной специальных символов остановки (команда XOFF) и возобновления (команда XON) передачи.

Характеристики интерфейсов RS RS-232 RS-422 RS-485 Соединения Одиночный провод/много соединений допустимо Много соединений допустимо Количество устройств 1 передатчик 1 приемник 5 передатчиков 10 приемников на 1 передатчик 32 передатчика 32 приемника Вид протокола дуплексный полудуплексный Макс. длинна провода ~15. 25 м. при 19. 2 Kbps ~1220 м. при 100 Kbps Макс. скорость передачи 19. 2 Kbps для 15 м. 10 Mbps для 15 м. Сигнал небалансный двоичная 1 -5 В мин. -15 В макс. 2 В мин. (B>A) 6 В макс. (B>A) 1. 5 В мин. (B>A) 5 В макс. (B>A) двоичный 0 5 В мин. 15 В макс. 2 В мин. (A>B) 6 В макс. (A>B) 1. 5 В мин. (A>B) 5 В макс. (A>B). Мин. входное напряжение +/- 3 В 0. 2 В диф

Интерфейс токовая петля электрическим сигналом является ток, а не напряжение Основные особенности большая дальность чем у RS 232 помехоустойчивость передачи данных расстояния до 600 м скорость передачи около 9 Кбит/с

Токовая петля 0… 20 м. А Симплексная схема 20 m. A (возможна только поочередная передача данных)

Аналоговая токовая петля приведение диапазона изменения измеряемой величины к стандартному диапазону; возможность передать сигнал на большое расстояние с высокой точностью (погрешность «токовой петли» может быть снижена до ± 0, 05 %); стандарт «токовая петля» поддерживается подавляющим большинством про изводителей средств промышленной автоматизации

Цифровая «токовая петля» • используется обычно в версии « 0. . . 20 м. А» • Отсутствие тока — SPACE (низкий уровень, логический ноль); • Наличие тока — MARK (высокий уровень, логическая единица); • Отсутствие сигнала в течение длительного времени интерпретируется как состояние BREAK (обрыв линии); • Данные передаются старт стопным методом, формат посылки совпадает c RS 232. Токовая петля может быть использована для передачи информации нескольким приемникам