Информационные сети АТК

2.3.1 Структура информационных сетей

Средства коммуникаций обеспечивают создание сетей для об­мена данными между различными микропроцессорными средства­ми автоматизации. К ним относятся модули коммуникационных процессоров для соединения контроллеров «точка—точка» и адаптеров магистральных интерфейсов связи, коаксиальные и оптово­локонные кабели, повторители, интерфейсные мультиплексоры и др. Структура информационных сетей может быть магистраль­ной (линейной), радиальной (типа «звезда»), кольцевой и древо­видной. При создании систем отдают предпочтение магистраль­ным структурам, которые по сравнению с другими структурами требуют меньших материальных затрат при прокладке кабелей, легко расширяются и позволяют осуществлять непосредственную коммуникационную связь от абонента к абоненту через единствен­ную линию передачи данных. Как правило, сети делают открыты­ми для интегрирования компьютерных средств автоматизации раз­личных производителей. С этой целью выпускаются мосты и меж­сетевые преобразователи для связи различных локальных сетей и интерфейсов.

Из разнообразных типов средств коммуникации можно созда­вать сети, оптимально приспособленные к топологии технологи­ческого комплекса и обеспечивающие требуемые объемы и ско­рости передачи информации.

Для связи агрегатов в технологическом комплексе, а также для единого управления комплексами на производстве, применяют локальные промышленные сети. В промышленности применяется большое количество сетей. Обобщенные данные некоторых из них представлены в табл. 2.2. Наиболее известными и часто используе­мыми являются сети: Industrial Ethernet, Ethway, Mapway, Profibus, Modbus, Modbus plus, Unitelwey, Masterbus.

Таблица 2.2

Промышленные сети, как правило, имеют трехуровневую струк­туру построения.

На нижнем уровне обеспечивается взаимодействие между аг­регатами (их подключение и обмен информацией между ними), что дает возможность экономии модулей входов/выходов, про­стого и быстрого монтажа, электропитания датчиков и исполни­тельных механизмов через коммуникационные линии, осуществ­ления функций самотестирования и параметрирования, дости­жения высокой помехозащищенности и др. На этом уровне со­единяются датчики и исполнительные механизмы с системой автоматизированного управления. Максимальная длина соедини­тельной линии порядка 100 м без повторителей и около 300 м с повторителями.

Средний уровень предназначен для координации работы всех агрегатов, входящих в технологический комплекс, для получения информации от каждого из них, визуализации режимов работы комплекса. Протяженность сети может быть от 1200 м до 100 км в зависимости от физической среды передачи данных и примене­ния повторителей.

Верхний уровень (административный) предназначен для связи с системой управления производством.

К промышленным сетям предъявляются следующие требования:

выполнение разнообразных функций по передаче данных, вклю­чая пересылку файлов, поддержку терминалов, обмен с внешни­ми запоминающими устройствами, обработку сообщений, доступ к файлам и базам данных, передачу речевых сообщений;

возможность подключения большого набора стандартных и специальных ус­тройств, в том числе оборудования контроля и управления и др., а также подключения современных, перспективных и ранее раз­работанных устройств с различными программными средствами, архитектурой, принципами работы;

доставка с высокой достоверностью информации адресату;

обеспечение непосредственной взаимосвязи между подключен­ными устройствами без промежуточного накопления и хранения информации;

простота монтажа, модификации и расширения сети; подклю­чение новых устройств и отключение прежних без нарушения ра­боты сети длительностью более 1 с.

При взаимодействии устройств в сети необходимо учитывать:

возможность для каждого устройства связываться и взаимодей­ствовать с любым другим устройством;

обеспечение равноправного доступа к физической среде для всех пользователей;

возможность адресации пакетов информации одному устрой­ству, группе устройств, всем подключенным устройствам.

Информационные требования заключаются в следующем:

должны быть обеспечены «прозрачный» режим обслуживания, а также возможность приема, передачи и обработки любых соче­таний битов, слов и символов;

пропускная способность сети не должна существенно снижаться при достижении полной загрузки.

К требованиям по надежности и достоверности относят:

отказ или отключение питания подключенного устройства дол­жны вызывать только переходную ошибку;

средства обнаружения ошибок должны выявлять все пакеты, содержащие до четырех искаженных битов. Если же достовер­ность передачи достаточно высока, сеть не должна сама исправ­лять обнаруженные ошибки; функции анализа, принятия реше­ния и исправления ошибки должны выполняться подключенны­ми устройствами.

Перечисленные требования обусловливают основные особен­ности промышленных сетей:

возможность размещения их на срав­нительно небольшой территории;

наличие высокоскоростного общего канала (физической среды);

соединение в сети самых разнообразных и независимых устройств (термин «высокоскоростной канал» условен, поскольку скорость передачи оценивается только по отношению к подключенным устройствам) и др.

2.3.2 Сетевые средства

Основным сетевым средством любой сети является интеллекту­альный коммуникационный процессор, позволяющий подключать персональные компьютеры, программируемые контроллеры, программаторы и другие устройства и осуществлять их взаимодействие с системой управления. Основными характеристиками коммуникационного процессора являются: тип монтажной шины (слота), скорость передачи данных, количество соединений и потребляемый ток. Коммуникационные процессоры выпускаются с монтажными слотами следующих типов: ISA, PCMCIA, PCI. Скорость пе­редачи данных у коммуникационных процессоров от 9,6 кбит/с до 12 Мбит/с для сетей среднего уровня и от 10 до 100 Мбит/с для сетей верхнего уровня.

Для подключения к сети активных и пассивных оконечных устройств применяются шинные терминалы RS485, шинные штекеры, трансиверы и другие специальные модули, например Optical Bus Terminal для подключения устройств к оптической сети.

Технологические комплексы могут использовать несколько децентрализованных систем управления, связанных друг с другом мощной информационной сетью. В этом случае для их совместной работы применяют коммутаторы или маршрутизаторы.

На нижнем уровне для подключения датчиков и исполнительных механизмов используют различные модули. Целый модуль состоит из верхней (пользовательский модуль) и нижней (монтажный модуль) частей. Эти части имеют различные исполнения. Для монтажных модулей возможна установка на профильную планку или крепеж с помощью винтового соединения. Пользовательские модули по своим функциям соответствуют обычным модулям входов/выходов.

Для передачи информации на большие расстояния применяют повторители, позволяющие конфигурировать сети, состоящие из нескольких сегментов.

Физическая среда сетей представляет собой физический материал, по которому передается информация. В качестве такого материала могут использоваться различные виды кабелей (витая пара, коаксиальные, многожильные, волоконно-оптические), а также эфир (радиоканалы, УКВ-каналы, инфракрасные каналы).

Кабель состоит из проводников, слоев экрана и изоляции. В неко­торых случаях кабели оборудуются разъемами, с помощью которых присоединяются к оборудованию. Для обеспечения быстрой перекоммутации кабелей и оборудования используются различ­ные электромеханические устройства, называемые кроссовыми секциями, кроссовыми коробками или шкафами.

В сетях применяются кабели, удовлетворяющие определенным стандартам, что позволяет строить кабельную систему сети из ка­белей и соединительных устройств разных производителей. Наи­более распространены в мировой практике следующие стандарты: американский EIA/TIA-568A; международный ISO/IEC 11801; ев­ропейский EN50173.

В кабеле на витой паре обычно используются несколько пар изолированных проводов, обвитых друг вокруг друга. Взаимная обвивка обеспечивает защиту от собственных и внешних наводок. Кабель на витой паре бывает неэкранированным и экранирован­ным. Стандарт EIA/TIA 568A Commercial Building Wiring Standard определил семь категорий кабелей на неэкранированной витой паре (Unshielded Twisted Pair, UTP1 ... UTP7).

Кабель UTP5 способен работать со скоростью 100 Мбит/с; его волновое сопротивление 100 Ом в диапазоне ча­стот от 1 МГц до предельной. Для кабеля UTP5 установлено ми­нимальное число взаимных скручиваний на единицу длины (при­мерно 26 на 1 м). Его основными недостатками являются: взаим­ное наложение сигналов между смежными проводами, чувстви­тельность к внешним электромагнитным полям и большая степень затухания сигнала по пути.

Более современные кабели категорий 6 и 7 промышленность начала выпускать срав­нительно недавно. Для кабеля категории 6 характеристики опре­деляются до частоты 200 МГц, а для кабелей категории 7 – до 600 МГц.

Все кабели UTP выпускаются в четырехпарном исполнении. Каждая из четырех пар кабеля имеет определенный цвет и шаг скрутки. Для соединения кабелей с оборудованием используются вилки и розетки, представляющие восьмиконтактные разъемы.

Экранированная витая пара (Shielded Twisted Pair – STP) со­держит электрически заземляемую медную оплетку или алюми­ниевую фольгу. Существуют кабели с общим экраном и экраном вокруг каждой пары. Экран обеспечивает защиту от всех внешних электромагнитных полей. Однако по скорости передачи данных и ограничениям, накладываемым на максимальное расстояние, та­кие кабели идентичны кабелям без экранирования.

Коаксиальные кабели (RG-8, RG-11, RG-58/U, RG-58 A/U, RG-58 C/U, RG-59) способны обеспечивать передачу данных со скоростью 10 Мбит/с на расстояние до 500 м. Минимальное рас­стояние между точками подключения должно быть не меньше 2,5 м. Кабели имеют стандартное волновое сопротивление 50 или 75 Ом.

Волоконно-оптический кабель состоит из свободно уложенных или определенным образом скрученных волоконных световодов и защитного покрытия. Передача данных производится при помощи лазерного или светодиодного передатчика, который генерирует све­товые импульсы, проходящие через световоды. Перед попаданием в световод сигнал от передатчика (излучателя) проходит через оп­тическое согласующее устройство и оптический разъемный соеди­нитель (коннектор). На принимающем конце сигнал воспринима­ется фотодиодом, который преобразует его в электрический ток. Волоконно-оптический кабель обладает рядом преимуществ: ма­лым затуханием и независимостью затухания от частоты передава­емого сигнала; высокой степенью защиты от внешних электромаг­нитных полей; исключает несанкционированный доступ к данным.

В зависимости от условий распространения световой волны в центральном световоде волоконно-оптические кабели делятся на одномодовые (single mode — SM) и многомодовые (multi mode — ММ). Максимальная длина кабеля (412 м) определяется времен­ными параметрами. Полоса пропускания одномодового кабеля очень широкая — до сотен ГГц на километр. Многомодовые кабели имеют более узкую полосу пропускания — от 500 до 800 МГц/км. Сужение полосы происходит из-за потерь световой энергии при отражениях, а также из-за интерференции лучей раз­ных мод. Для передачи информации применяется свет с длиной волны 1,55 мкм, 1,3 мкм и 0,85 мкм. Светодиоды могут излучать свет с длиной волны 0,85 мкм и 1,3 мкм.

Волоконно-оптические кабели присоединяют к оборудованию разъемами MIC, ST и SC.

Волоконно-оптические кабели обладают замечательными характеристиками: электромагнитными, механическими. Однако у них есть серьезный недо­статок – сложность соединения волокон с разъемами и между собой при необходимости наращивания длины кабеля.

Программное обеспечение, предназначенное для работы промышленной сети, должно позволять:

реализовывать связь между активны­ми аппаратными устройствами, входящими в сеть любого уровня;

производить обмен данными в сети;

выполнять функции диагностирования;

обеспечивать функции удален­ного программирования контроллеров по сети и др.

Рекомендуемая литература

1. Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов и технологических комплексов: учебник для вузов / М.П. Белов, В.А. Новиков, Л.Н. Рассудов. – М.: Изд. центр «Академия», 2004. – С. 74-80.

2. Эм Г.А. Элементы и устройства автоматики: Учеб. пособие. – Караганда: Изд-во КарГТУ, 2009. – С.16-31.

3. Родионов В.Д., Терехов В.А., Яковлев В.Б. Технические средства АСУ ТП: Учеб. пособие для вузов / Под ред. В.Б. Яковлева. – М.: Высш. шк., 1989. – С.29-72.

Лекция 3