Сетевые технологии в задачах управления техническими системами Промышленные

Сетевые технологии в задачах управления техническими системами Промышленные сети передачи данных 2. Полевые шины 3. Особенности построения цифровых каналов передачи данных 4. Коды передачи информации 1. 1

Промышленные сети передачи данных — это один из основных элементов современных систем управления и автоматизации. Появление промышленных коммуникационных протоколов создало предпосылки внедрению и развитию распределенных систем управления, способных охватить множество управляемых технических процессов, технологических линий современных производств, объединить целые цеха, а иногда и заводы. Сфера промышленных коммуникаций развивается стремительно: известно более 50 стандартов коммуникационных сетей, специально адаптированных для промышленного применения, каждый год появляются новые технологии передачи данных. Это говорит о том, что именно коммуникационные сети в большей степени определяют качество, надежность и функциональные возможности систем управления и автоматизации в целом. Сети передачи данных, используемые в промышленности, можно условно разделить на два класса: 1. Полевые шины (Field Buses); 2. Сети верхнего уровня (операторского уровня, Terminal Buses). 2

Рис. 7. 1. Пример структурной схемы распределенной системы управления 3

Рис. 7. 2. Схема ввода/вывода с использованием станции распределенной периферии (УСО) 4

Полевые (промышленные) шины Полевая шина - это коммуникационная сеть, объединяющая управляемое оборудование промышленных систем с устройствами управления (УСО, ПЛК и др. ). Для поддержания режима реального времени полевая шина должна быть детерминистичной (качество, отсутствующее в офисных локальных сетях). Поэтому ни Ethernet, ни другие аналогичные сети не применяются на нижнем уровне в чисто промышленных системах. Полевые шины в условиях промышленной эксплуатации должны обеспечивать: 1. детерминированность, 2. поддержку больших расстояний между узлами, 3. защиту от электромагнитных наводок, 4. упрочненную механическую конструкцию. 5

Для полевых шин используются два типа сред передачи Оптоволоконный кабель Преимущества: возможность построения протяженных коммуникационных линий (протяженностью до 10 км и более); большая полоса пропускания; нечувствительность к электромагнитным помехам; возможность прокладки во взрывоопасных зонах. Недостатки: относительно высокая стоимость кабеля; сложность физического подключения и соединения кабелей. Эти работы должны выполняться квалифицированными специалистами. Медный кабель Обычно это двухпроводной кабель типа “витая пара” со специальной изоляцией и экранированием. Преимущества: приемлемая цена; легкость прокладки и выполнения физических соединений. Недостатки: подвержен влиянию электромагнитных наводок; ограниченная протяженность кабельных линий; меньшая по сравнению с оптоволокном полоса пропускания. 6

Существует множество стандартов полевых шин, наиболее распространенными являются: CAN (Controller Area Network) Profibus: • PA (Process Automation - Автоматизация процесса); • FMS (Fieldbus Message Specification - Спецификация сообщений полевого уровня); • DP (Decentralized Peripheral - Распределенная периферия); Foundation Fieldbus; Modbus; HART; Device. Net. 7

Многие промышленные шины опираются на стандарт RS-485, обеспечивающий взаимосвязь устройств на расстояниях до нескольких сотен метров. Как правило, в промышленных условиях оперативность и предсказуемость времени передачи информации - характеристики более важные, чем способность передавать большие объемы данных. Скорости передачи по промышленным шинам колеблются от 50 Кбит/с до 4 Мбит/с (шина PROFIbus имеет пропускную способность до 12 Мбит/с). 8

Особенности построения цифровых каналов передачи данных 9

Согласование электрических линий Цель - обеспечения нормального прохождения сигнала по длинной линии без отражений и искажений Принцип согласования: на концах кабеля необходимо установить согласующие резисторы (терминаторы) с сопротивлением, равным волновому сопротивлению используемого кабеля (Rн = Rв). Волновое сопротивление – это параметр данного типа кабеля, зависящий только от его устройства (сечения, количества и формы проводников, толщины и материала изоляции и т. д. ) 10

Передача различных сигналов Затухание сигналов в электрическом кабеле Трапециевидный и колообразный импульсы 11

Экранирование применяется для снижения влияния на кабель внешних электромагнитных полей Ø Экран нужно заземлять. Ø Экранирование заметно уменьшает внешние излучения кабеля, что важно для обеспечения секретности передаваемой информации. Ø Увеличение прочности кабеля и трудности с механическим подключением к кабелю для подслушивания. 12

Снижение влияния наведенных помех Дифференциальная передача сигналов по витой паре Условие согласования - равенство сопротивлений согласующих резисторов R половине волнового сопротивления кабеля Rв 13

Преимущества дифференциальной передачи сигналов Защищенность от шума. Любой шум, наводящийся на один из проводников, будет в такой же мере наводиться и на другой проводник. Поскольку одинаковый шум в этом случае будет присутствовать в обоих сигналах, то этот шум устраняется в разностном (дифференциальном) сигнале. Уменьшение излучаемых электромагнитных помех. Такие помехи возникают, в основном, во время переключения сигнала из одного состояния в другое. Поскольку оба дифференциальных сигнала переключаются одновременно, но противофазно, то возникающие излучения взаимно компенсируются. 14

Гальваническая развязка Выравнивающий ток существенно влияет на передаваемый сигнал, порой полностью забивая его. Правильное соединение компьютеров сети (гальваническая развязка условно показана в виде прямоугольника) 15

Схема гальванической развязки в сети Ethernet 16

Грамотное соединение компьютеров локальной сети электрическим кабелем обязательно должно включать в себя следующее: оконечное согласование кабеля с помощью терминаторов; гальваническую развязку компьютеров от сети; заземление каждого компьютера; заземление экрана (если он есть) в одной точке. 17

Коды передачи информации Правильный выбор кода позволяет: q повысить достоверность передачи информации, q увеличить скорость передачи (снизить требования к выбору кабеля). Код должен обеспечивать: q хорошую синхронизацию приема, q низкий уровень ошибок, q работу с любой длиной передаваемых информационных последовательностей. 18

Код NRZ (Non Return to Zero – без возврата к нулю) Скорость передачи и требуемая пропускная способность при коде NRZ Недостаток - возможность потери синхронизации приемником во время приема слишком длинных блоков (пакетов) информации Передача в коде NRZ с синхросигналом Код NRZ используется только для передачи короткими пакетами (обычно до 1 Кбита) 19

Код NRZ (Non Return to Zero – без возврата к нулю) Код NRZ может обеспечить обмен сообщениями (последовательностями, пакетами) только фиксированной, заранее обговоренной длины. 20

Код RZ (Return to Zero – с возвратом к нулю) Самосинхронизирующийся код; Простая временная привязка приема, как к началу последовательности, так и к ее концу 21

Код RZ (Return to Zero – с возвратом к нулю) требуется вдвое большая полоса пропускания канала при той же скорости передачи по сравнению с NRZ ; наличие трех уровней, что всегда усложняет аппаратуру как передатчика, так и приемника. Использование кода RZ в оптоволоконных сетях 22

Манчестерский код (или код Манчестер-II) самосинхронизирующийся код; имеет не три, а всего два уровня (упрощение приемных и передающих узлов); передача пакетов произвольной длины. 23

Манчестерский код (или код Манчестер-II) q Основное достоинство манчестерского кода – постоянная составляющая в сигнале (контроль конфликтов в сети). q Частотный спектр сигнала включает в себя только две частоты: при скорости передачи 10 Мбит/с это 10 МГц (соответствует передаваемой цепочке из одних нулей или из одних единиц) и 5 МГц (соответствует последовательности из чередующихся нулей и единиц: 101010. . . ) 24

Бифазный код (дифференциальный манчестерский код) При скорости 10 Мбит/с это частоты 10 МГц (при последовательности одних единиц: 1111. . . ) и 5 МГц (при последовательности одних нулей: 0000. . . ). 25

Другие способы кодирования Код NRZI (без возврата к нулю с инверсией единиц – Non-Return to Zero, Invert to one). Код MLT-3 (Multi-Level Transition-3). 26

Аналоговое кодирование цифровых сигналов 27