Лекция 19 Промышленные контролеры (Продолжение)

19.1 Локальные промышленные сети

Физические интерфейсы. Они определяются рядом стандар­тов. Стандарты устанавливают требования к характеристикам электрических сигналов (фронты и уровни напряжения или то­ка), способам кодирования данных, типам разъемов и т.д.

Давно и широко используется при передаче данных стандарт RS-232C. Стандарт применяется при относительно медленной передаче сигналов — скорость передачи данных от 50 до 38 400 бит/с; максимальная длина соединения (без повторителей) — 15 м. Информация передается последовательно бит за битом асинхронным способом. Передаваемый байт данных содержит бит паритета и сопровождается стартовым и стоповыми битами. Единица и нуль кодируются импульсами напряжения положи­тельной и отрицательной полярности. Временная диаграмма пе­редачи байта показана на рис. 19.1.

Старт DO D1 D2 D6 Бит Стоп

паритета

Рис. 19.1. Временная диаграмма передачи байта

Стандарт определяет также распайку интерфейсного разъема. Интерфейс RS-232C с передачей по току (current loop — токовая петля) представляет собой двухпроводную линию, образующую токовую петлю. Передающее устройство является дискретно пе­реключаемым источником тока. Данные передаются сигналами постоянного тока 4—20 мА. Токовая петля позволяет увеличить помехозащищенность и передавать сигналы по линии длиной до 3 км.

Разработанные позднее стандарты интерфейсов последова­тельной передачи данных RS-422 и RS-485 допускают значитель­но большие скорости и дальность передачи данных (табл. 3.3). Наибольшее распространение нашел стандарт RS-485. Интер­фейсы на базе этого стандарта реализованы практически во всех УВК и промышленных ЭВМ. Схема многоточечного подключе­ния передатчиков, приемников и приемопередатчиков к провод­ной линии связи по стандарту RS-485 показана на рис. 19.2. Ос­новные положения стандартов EIA RS-422/RS-485 подробно из­ложены в [27].

Логическая организация интерфейса. Информация по Л ПС передается блоками, которые называются пакетами или сообще­ниями. Типовая структура пакета имеет вид, показанный на рис. 19.3.

Поля пакета имеют следующее назначение: адрес абонента сети; управляющая информация о последовательности действий (например, запись, чтение данных и др.); передаваемые данные; контрольный код обнаружения ошибок.

Для передачи информации по ЛПС используются манчестер­ский код, кодирующий 0 и 1 по восходящему и нисходящему фронту сигнала, NRZ-код (Non Return to Zero - без возврата к нулю), в котором логический нуль соответствует изменению, а

Таблица 19.3 Характеристики стандартных физических интерфейсов

Стандарт	Вид под­ключения	Вид передачи	Число при­емников на один пере­датчик в линии (макс)	Скорость передачи	Длина линии без повтори­телей (макс), м
RS-232C	Точка к точке	Несиммет­ричная ли­ния, пере­дача по на­пряжению, дуплекс. Передача по току, дуплекс	1/1 1/1	19,2 Кбит/с 9,6 Кбит/с 1,2 Кбит/с	15 300 2000
RS-422	Точка к точке	Симмет­ричные (дифферен­циальные) линии, передача по напряже­нию, дуплекс	1/10	10 Мбит/с 100 Кбит/с	13 1300
RS-485	Много-точка	Симмет­ричные ли­нии, пере­дача по на­пряжению, полудуп­лекс	1/32	10 Мбит/с 1 Мбит/с 100 Кбит/с	13 50 1300

логическая единица — сохранению полярности сигнала предыду­щего бита (рис. 19.4) и др.

Методы доступа к среде передачи данных. Используются в ос­новном два метода упорядоченного доступа к обшей для несколь­ких взаимодействующих сетевых устройств среде передачи дан­ных (шинной магистрали) — централизованный и децентрализо­ванный.

Рис. 19.2. Многоточечное соединение по стандарту RS-485: G — формирователь; R — приемник; G/R приемопередатчик;

Л_с — согласующий резистор; А/А, и В/В, — точки подключения приемников/передатчиков

Адрес

Управление

Данные

Контроль ошибок

Рис. 19.3. Типовая структура пакета

Рис. 19.4. Кодирование методом невозвращения к нулю

Централизованный метод доступа (метод «ведущий/ведомый» — master/slave) предполагает наделение одного из узлов правами ведущего, или хозяина (master). Другие узлы являются ведомыми (slave). Ведущий узел определяет порядок и время доступа ведо­мых узлов к шине, инициирует циклы обмена данными по шине с ведомыми узлами. Сообщения могут передаваться только одно­му узлу или всем узлам одновременно. В последнем случае это широковещательный (broadcast) режим, не требующий адреса­ции каждого абонента сети. При отказе ведущего узла обмен по шине приостанавливается. Централизованный метод использу­ется, как правило, на нижнем уровне управления — уровне кон­троллеров, датчиков, исполнительных механизмов.

Децентрализованный метод доступа к шине предполагает на­деление правами ведущего группы устройств сети. Этот метод по­лучил наибольшее развитие. Функции ведущего в этом случае могут передаваться от одного узла к другому. Используются два варианта децентрализованного доступа: метод передачи маркера (Token Passing Method) и множественный метод доступа с контро­лем несущей и обнаружением коллизий (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD).

В методе передачи маркера право доступа к шине (маркер) пе­редается циклически от одного узла сети к другому. Узел, полу­чивший маркер, становится ведущим. Метод, как правило, ис­пользуется в распределенных сетях с большой загрузкой шины.

При множественном методе доступа к шине право мастера имеет в равной степени каждый узел. Это право реализуется слу­чайным образом. Всем узлам необходимо прослушать канал и оп­ределить, является ли он свободным или занят. Если шина сво­бодна, каждый узел может занять ее для передачи своих данных. Если одновременно несколько узлов претендуют на право досту­па к шине, это приводит к конфликту (коллизии). В этом случае все узлы снимают свои заявки, и в каждом из них включается ге­нератор случайных чисел, задающий временной интервал до сле­дующего запроса на доступ к шине. Возможен механизм разре­шения коллизии на основе приоритета сообщений: право на до­ступ к шине получает узел, передающий сообщение с наиболь­шим приоритетом. Множественный метол доступа наиболее ши­роко используется при относительно низкой загрузке магистрали передачи данных.

Сетевые устройства

Основными специализированными сетевыми устройствами, используемыми в локальных сетях, являются:

• трансивер (tranceiver) - приемопередатчик, который служит для подключения сетевого узла к основной магистрали сети из коаксиального кабеля или оптоволокна:

• концентратор (hub) — используется при создании инфраструк­туры сети. Соединяет сегменты кабеля, восстанавливает и уси­ливает передаваемый сигнал:

• интеллектуальный концентратор (switcher) — обладает возмож­ностью коммутировать приходящие пакеты, т.е. ретранслиро­вать их по сегментам, выделенным на основе анализа адресной информации. Трансивер и концентратор реализуют функции физического уровня OSI-модели;

• мост (bridge) — интеллектуальное устройство, которое служит для соединения двух различных сетей, например Profibus и Ethernet. Реализует функции канального уровня OSI-моде­ли. Передает пакеты из одной сети в другую по адресу назна­чения;

• маршрутизатор (router) — используется в сложных сетях в точ­ках разветвления маршрутов для определения дальнейшего на­илучшего пути пакета, функционирует на сетевом уровне OSI-модели. В качестве маршрутизатора может использоваться сете­вая станция, имеющая несколько сетевых интерфейсов и соот­ветствующее программное обеспечение.

Каждый из узлов сети содержит сетевой адаптер (плату или микросхему интерфейсного контроллера) для сопряжения сети со средой передачи данных. Организация физической и логичес­кой связи по сети регламеширусчея протоколом, который уста­навливает базовые правила реализации сети и обмена данными между ее абонентами. Сетевой адаптер поддерживает соответст­вующий протокол. Сетевые адаптеры реализуют функции физи­ческого и канального уровней OSI-модели.

В функции сетевого адаптера входят:

• контроль возможности доступа к сети:

• идентификация адреса;

• кодирование и декодирование сигнала:

• преобразование параллельного кода в последовательный и обратное преобразование соответственно при передаче и приеме;

• промежуточное хранение данных в буферной памяти;

• контроль ошибок.

Сравнительные характеристики ЛПС

В настоящее время существует большое разнообразие промы­шленных сетей. Каждая из них имеет свои параметры и области применения.

Система управления производством реализуется в общем слу­чае на основе иерархии промышленных сетей. Различают обычно два уровня: уровень датчиков и уровень производственного про­цесса.

Задача уровня датчиков (Sensor/actuator level) — объединение простых устройств: датчиков и исполнительных механизмов рас­пределенной АСУ. Каждое из этих устройств должно иметь спе­циальную интерфейсную микросхему. Сети данного уровня обес­печивают высокоскоростную передачу коротких сообщений. Длина сегмента сети обычно порядка 100 м, число узлов — не­сколько десятков, цикл опроса шины — порядка 10 мс, объем пе­редаваемых данных за цикл — от одного до нескольких десятков байт. Примерами этих сетей являются ASI и Profibus DP.

Задача уровня производственного процесса (Field level) — объе­динение промышленных контроллеров для сбора, обработки ин­формации и управления технологическим процессом. Сеть мо­жет объединять сотни узлов. Она предназначена для передачи больших объемов данных (цикл шины - порядка 100 мс). Приме­рами таких сетей являются Profibus FMS и Bitbus.

Эти сетевые уровни связаны посредством мостов между со­бой и с верхними уровнями комплексной АСУ предприятия.

Сравнительные характеристики наиболее распространенных промышленных сетей представлены в табл. 3.4*. Некоторые из них рассмотрены подробнее в следующих разделах на примере конкретных разработок.