Сиротин Э.Е. Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Конспект лекций

Подождите немного. Документ загружается.

Рисунок 4.4. Организация двухпроводного (а), трехпроводного (б), трехпроводного с дву-

направленной линией данных (в), четырехпроводного (г) интерфейсов.

Четырехпроводные интерфейсы (рис. 4.4.г) используют для полнодуп-

лексного обмена данными между несколькими приемопередающими устрой-

ствами. Здесь имеются две линии передачи данных, каждая для своего на-

правления, что позволяет устройствам одновременно передавать и принимать

данные. Для выбора необходимого второго устройства используется допол-

нительная линия выбора устройств.

Несмотря на широкое применение синхронных последовательных ин-

терфейсов в устройствах автоматизации, возможности их использования

сильно ограничены в связи с невозможностью высокоскоростной передачи

данных на значительные расстояния. В лучшем случае длина линий связи не

превышает нескольких метров. Здесь основную роль играет возникновение

фазовых сдвигов в передаваемых сигналах на протяжении линии связи. Это

приводит к рассинхронизации сигналов, передаваемых по разным линиям

связи, и ошибкам в интерпретации их значений.

В отличие от синхронных интерфейсов, в асинхронных не используют-

ся отдельные синхросигналы. При асинхронной передаче, данные передаются

последовательным потоком. Связь этого типа не синхронизируется, передат-

чик передаѐт, а приѐмник получает без координации взаимодействия уст-

ройств. Для того, чтобы обеспечить правильную интерпретацию данных, в

поток данных добавляется специальная согласующая информация, на переда-

чу которой уходит примерно 25 % от общего трафика. Наиболее часто ис-

пользуются асинхронные последовательные интерфейсы RS-232, RS-422, RS-

485.

RS-232 это последовательный интерфейс асинхронной передачи дан-

ных, определяемый стандартом EIA RS-232-C и рекомендациями V.24 CCITT.

Изначально создавался для связи компьютера с терминалом. В настоящее

Синхро-

низация

Передатчик

Приемник

Данные

Синхро-

низация

Передатчик

Приемник 1

Данные

Приемник 2

Выбор

Синхро-

низация

Приемо-

передатчик

Чт/Зп

Приемо-

передатчик

Данные

Синхро-

низация

Приемо-

передатчик

Приемо-

передатчик 1

Данные

Приемо-

передатчик 2

Выбор

Данные

Выбор

а)

в)

г)

б)

время используется в самых различных применениях, в том числе и в устрой-

ствах автоматизации.

Интерфейс RS-232 соединяет два устройства. Линия передачи первого

устройства соединяется с линией приема второго и наоборот (полный дуп-

лекс) Для управления соединенными устройствами используется программ-

ное подтверждение (введение в поток передаваемых данных соответствую-

щих управляющих символов). Возможна организация аппаратного подтвер-

ждения путем организации дополнительных RS-232 линий для обеспечения

функций определения статуса и управления.

Основные характеристики интерфейса RS-232:

Скорость передачи

115 Кбит/с (максимум)

Расстояние передачи

15 м (максимум)

Характер сигнала

несимметричный по напряжению

Количество передатчиков

Количество приемников

Схема соединения

полный дуплекс, от точки к точке

Интерфейс RS-232 предназначен для подключения к компьютеру стан-

дартных внешних устройств (принтера, сканера, модема, мыши и др.), а также

для связи компьютеров между собой. Данные в RS-232 передаются в после-

довательном коде побайтно. Собственно данные (5, 6, 7 или 8 бит) сопровож-

даются стартовым битом, битом четности и одним или двумя стоповыми би-

тами (рис. 4.5). Получив стартовый бит, приемник выбирает из линии биты

данных через определенные интервалы времени. Очень важно, чтобы такто-

вые частоты приемника и передатчика были одинаковыми, допустимое рас-

хождение - не более 10%). Скорость передачи по RS-232C может выбираться

из ряда: 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200

бит/с.

Данные могут передаваться как в одну, так и в другую сторону (дуп-

лексный режим).

Рисунок 4.5. Формат передаваемых данных.

Назначение сигналов интерфейса следующее:

Отсутствие

передачи

Стартовый бит

Бит четности

Стоповые биты

«1»

«0»

8 бит данных

FG - защитное заземление (экран).

-TxD - данные, передаваемые компьютером в последовательном коде

(логика отрицательная).

-RxD - данные, принимаемые компьютером в последовательном коде

(логика отрицательная).

RTS - сигнал запроса передачи. Активен все время передачи.

CTS - сигнал сброса (очистки) для передачи. Активен все время переда-

чи. Говорит о готовности приемника.

DSR - готовность данных. Используется для задания режима модема.

SG - сигнальное заземление, нулевой провод.

DCD - обнаружение несущей (детектирование принимаемого сигнала).

DTR - готовность выходных данных.

RI - индикатор вызова. Говорит о приеме модемом сигнала вызова по

телефонной сети.

Наиболее часто используются трех- или четырехпроводная связь (для

двунаправленной передачи). Схема соединения для четырехпроводной линии

связи показана на рис. 4.6.

Рисунок 4.6. Схема соединения для четырехпроводной линии связи.

Для двухпроводной линии связи в случае только передачи из компью-

тера во внешнее устройство используются сигналы SG и TxD.

Формат передаваемых данных показан на рисунке 1.2.

Все сигналы RS-232 передаются специально выбранными уровнями,

обеспечивающими высокую помехоустойчивость связи (рис.4.7.). Отметим,

что данные передаются в инверсном коде (логической единице соответствует

низкий уровень, логическому нулю - высокий уровень).

TxD

RxD

RTS

СTS

DSR

DCD

DCR

TxD

RxD

RTS

СTS

DSR

DCD

DCR

Рисунок 4.7. Уровни сигналов RS-232C на передающем и принимающем концах линии

связи.

Обмен по RS-232C осуществляется с помощью обращений по специ-

ально выделенным для этого портам Форматы обращений можно найти в

многочисленных описаниях микросхем контроллеров последовательного об-

мена UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), например, Intel

82С50, КР580ВВ51.

Интерфейсs RS-485 (RS-422) (другое название - EIA/TIA-485) - один из

наиболее распространенных промышленных интерфейсов связи.

Сеть, построенная на интерфейсе RS-485, представляет собой приемо-

передатчики, соединенные при помощи витой пары. В основе интерфейса RS-

485 лежит принцип дифференциальной (балансной) передачи данных. Суть

его заключается в передаче одного сигнала по двум проводам. Причем по од-

ному проводу (условно A) идет оригинальный сигнал, а по другому (условно

B) - его инверсная копия. Таким образом, между двумя проводами витой пары

всегда есть разность потенциалов: при "1" она положительна, при "0" – отри-

цательна (рис 4.8).

Рисунок 4.8. Принцип передачи данных по витой паре.

Именно этой разностью потенциалов и передается сигнал. Такой способ

передачи обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе.

+15 В

+5 В

-5 В

-15 В

Высокий

уровень

Зона неопреде-

ленности

Низкий

уровень

Передатчик

+25 В

+3 В

-3 В

-25 В

Высокий

уровень

Зона неопределен-

ности

Низкий

уровень

Приемник

Аппаратная реализация интерфейса осуществляется специализирован-

ными микросхемами приемопередатчиков с дифференциальными входа-

ми/выходами (к линии) и цифровыми портами (к портам UART контроллера).

Существуют два варианта такого интерфейса: RS-422 и RS-485 (рис.4.9).

RS-422 - полнодуплексный интерфейс. Прием и передача идут по двум

отдельным парам проводов. На каждой паре проводов может быть только по

одному передатчику.

RS-485 - полудуплексный интерфейс. Прием и передача идут по одной

паре проводов с разделением по времени. В сети может быть много передат-

чиков, но они должны отключаются в режиме приема.

Рисунок 4.9. Приемопередатчики интерфейса RS-422 (слева) и RS-485 (справа).

Здесь:

D – передатчик;

R – приемник;

DI – цифровой вход передатчика;

RO – цифровой выход приемника;

DE – разрешение работы передатчика;

RE – разрешение работы приемника;

A – прямой дифференциальный вход/выход;

B – инверсный дифференциальный вход/выход;

Y – прямой дифференциальный выход (RS-422);

Z – инверсный дифференциальный выход (RS-422).

Рассмотрим подробнее работу приемопередатчика RS-485 (рис. 4.10).

Цифровой выход приемника (RO) подключается к порту приемника UART

(RX). Цифровой вход передатчика (DI) к порту передатчика UART (TX). По-

скольку на дифференциальной стороне приемник и передатчик соединены, то

во время приема нужно отключать передатчик, а во время передачи - прием-

ник. Для этого служат управляющие входы - разрешение приемника (RE) и

разрешения передатчика (DE). Так как вход RE инверсный, то его можно со-

единить с DE и переключать приемник и передатчик одним сигналом с любо-

го порта контроллера. При уровне "0" - работа на прием, при "1" - на переда-

чу.

Рисунок 4.10. Соединение приемопередатчика RS-485 c МК и линией связи.

Приемник, получая на дифференциальных входах (AB) разность потен-

циалов (U

) переводит их в цифровой сигнал на выходе RO. Чувствитель-

ность приемника может быть разной, но гарантированный пороговый диапа-

зон распознавания сигнала производители микросхем приемопередатчиков

пишут в документации. Обычно эти пороги составляют ± 200 мВ. Если раз-

ность потенциалов в линии настолько мала, что не выходит за пороговые зна-

чения – правильное распознавание сигнала не гарантируется.

Все устройства подключаются к одной витой паре одинаково: прямые

выходы (A) к одному проводу, инверсные (B) - к другому.

Входное сопротивление приемника со стороны линии (R

) обычно со-

ставляет 12 КОм. Это создает ограничение на количество приемников, под-

ключенных к линии. Согласно спецификации RS-485, c учетом согласующих

резисторов передатчик может вести до 32 приемников. Однако есть ряд мик-

росхем с повышенным входным сопротивлением, что позволяет подключить

к линии значительно больше 32 устройств.

Максимальная скорость связи по спецификации RS-485 может дости-

гать 10 Мбит/сек. Максимальное расстояние – 1200 м. Если необходимо орга-

низовать связь на расстоянии большем 1200 м или подключить больше уст-

ройств, чем допускает нагрузочная способность передатчика - применяют

специальные повторители (репитеры).

Стандартные параметры интерфейсов RS-422 RS-485

Допустимое число передатчиков / приемников 1 / 10 32 / 32

Максимальная длина кабеля 1200 м 1200 м

Максимальная скорость связи 10 Мбит/с 10 Мбит/с

Диапазон напряжений "1" передатчика +2...+10 В +1.5...+6 В

Диапазон напряжений "0" передатчика -2...-10 В -1.5...-6 В

Диапазон синфазного напряжения передатчика -3...+3 В -1...+3 В

Допустимый диапазон напряжений приемника -7...+7 В -7...+12 В

Пороговый диапазон чувствительности приемника ±200 мВ ±200 мВ

Максимальный ток короткого замыкания драйвера 150 мА 250 мА

Допустимое сопротивление нагрузки передатчика 100 Ом 54 Ом

Входное сопротивление приемника 4 кОм 12 кОм

При больших расстояниях между устройствами, связанными по витой

паре и высоких скоростях передачи начинают проявляться так называемые

эффекты длинных линий. Причина этому – конечность скорости распростра-

нения электромагнитных волн в проводниках. Скорость эта существенно

меньше скорости света в вакууме и составляет немногим больше 200 мм/нс.

Электрический сигнал имеет также свойство отражаться от открытых концов

линии передачи и ее ответвлений. Если расстояние достаточно большое,

фронт сигнала, отразившийся в конце линии и вернувшийся обратно, может

исказить текущий или следующий сигнал. В таких случаях нужно каким-то

образом подавлять эффект отражения. Для обычно применяемых в линиях

связи витых пар волновое сопротивление Zв=120 Ом. Если на удаленном

конце линии, между проводниками витой пары включить резистор с номина-

лом равным волновому сопротивлению линии, то энергия электромагнитной

волны, дошедшая до этого конца, поглощается на таком согласующем рези-

сторе (терминаторе).

Однако при согласовании на резисторах повышается ток от передатчи-

ка, ведь в линию включается низкоомная нагрузка. Поэтому рекомендуется

включать передатчик только на время отправки посылки. Есть способы

уменьшить потребление тока, включая последовательно с согласующим рези-

стором конденсатор для развязки по постоянному току. Однако, такой способ

имеет свои недостатки. Для коротких линий (несколько десятков метров) и

низких скоростей (меньше 38400 бод) согласование можно вообще не делать.

Эффект отражения и необходимость правильного согласования накла-

дывают ограничения на конфигурацию линии связи.

Линия связи должна представлять собой один кабель витой пары. К

этому кабелю присоединяются все приемники и передатчики. Расстояние от

линии до микросхем интерфейса RS-485 должно быть как можно короче, так

как длинные ответвления вносят рассогласование и вызывают отражения.

В оба наиболее удаленных конца кабеля (Zв=120 Ом) включают согла-

сующие резисторы Rt по 120 Ом (0.25 Вт). Если в системе только один пере-

датчик и он находится в конце линии, то достаточно одного согласующего ре-

зистора на противоположном конце линии.

При работе с полудуплексным интерфейсом RS-485 (прием и передача

по одной паре проводов с разделением по времени) можно забыть, что UART

контроллера - полнодуплексный, то есть принимает и передает независимо и

одновременно.

Обычно во время работы приемопередатчика RS-485 на передачу, вы-

ход приемника RO переводится в третье состояние. В результате, во время

передачи на приемнике UART вместо уровня стопового бита ("1") окажется

неизвестно что, и любая помеха будет принята за входной сигнал. Поэтому

нужно либо на время передачи отключать приемник UART (через управляю-

щий регистр), либо подтягивать вход RX к единице.

Рассмотренные интерфейсы обмена данными обладают низкой пропу-

скной способностью и позволяют объединять в сеть лишь небольшое количе-

ство устройств (не более 32). В тех случаях, когда необходимо обеспечить

высокую пропускную способность линий связи и объединить в единую сеть

значительное количество устройств автоматизации, необходимо использовать

сетевые интерфейсы обмена данными. Наиболее распространенными в про-

мышленности такими интерфейсами являются Fieldbus и Ethernet.

Fieldbus - это полностью цифровая двунаправленная многоточечная

коммуникационная система, используемая для связи приборов на объектах с

системами в операторской. В число приборов на объектах могут входить

трансмиттеры, регулирующие и отсечные клапаны, двигатели, насосы, весы,

устройства считывания штрих- кода, мультиплексоры, многоканальные регу-

ляторы, программируемые логические контроллеры, портативные устройства

связи и т.п. Одно из самых основных свойств системы fieldbus состоит в том,

что она поддерживает двунаправленную связь со множеством переменных

величин. Физически в fieldbus могут использоваться три вида топологий меж-

соединений: двухточечная, древовидная и моноготочечная. Для соединения

нескольких низкоскоростных систем fieldbus с высокоскоростной могут слу-

жить устройства сопряжения (мосты). Тип используемых средств зависит от

приложения. Витая пара - наиболее дешeвое средство, широко применяемое и

удобное для установки. Оптоволоконные средства обеспечивают защиту от

электромагнитных помех. Избыточность кабелей представляется необходи-

мой, но способность продолжать работу в случае любых возможных отказов

намного важней. Весьма значима также гальваническая изоляция, поскольку

плохая изоляция между сенсорами может стать причиной серьeзных сбоев

системы в целом. В большинстве случаев сеть fieldbus должна помимо пере-

дачи сигналов, должна также подводить электропитание к связываемым ею

приборам. Важным фактором является техника безопасности на

определeнных видах производств, в частности в горном деле. Среднее число

приборов, присоединe:нных к сети может колебаться от 50 до 200 при длине

сети 100 1000 м. Помимо физического соединения приборов сеть fieldbus

должна обеспечивать выполнение следующих функций:

1. Взаимодействие оборудования, поступившего от различных изгото-

вителей;

2. простое добавление и удаление устройств

3. отсоединение устройства для проведения ремонта и последующее его

включение в сеть, при которых не создаются помехи для работы других

устройств и пользовательской задачи, а также не оказываются воздей-

ствия на динамику всей сети;

4. сигнализацию о том, что промышленный прибор вышел из строя или

находится в ремонте;

5. возможность проверки всего комплекса оборудования из заданной

точки или из всех точек сети;

6. способность определять текущее состояние любого присоединенного

устройства с помощью специального устройства сети fieldbus;

7. возможность устройств сети fieldbus подавать запрос на самокон-

троль прибора, обнаруживать в сети новое устройство, подавать запрос

на идентификацию прибора;

8. простую модификацию процесса, физическое добавление или удале-

ние приборов при незначительной модификации пользовательского

программного обеспечения.

На пользовательском уровне система fieldbus должна обладать:

1. возможностью пересылать циклические и ациклические данные;

2. двумя или четырьмя уровнями приоритетов для сообщений;

3. способностью: считывать и записывать значения переменных в ре-

жимах "точка-точка", групповом или широковещательном;

4. приводить в действие исполнительные устройства;

5. определять текущее состояние сенсоров и их возбуждения;

6. запоминать конфигурацию устройств;

7. проводить точную идентификацию прибора;

8. синхронизировать работу двух станций;

Каждая система fieldbus должна поддерживать общую службу сообще-

ний fieldbus (FMS), чтобы обеспечивать выполнение перечисленных пользо-

вательских требований. Спецификации fieldbus должны поддерживать также

временно присоединeнные устройства, такие как портативные терминалы

(HTT) для калибровки. Горизонтальный информационный поток в fieldbus

характеризуется главным образом передачей коротких сообщений в заданное

время. Интеграция fieldbus в глобальную среду должна быть возможна для

вертикальных информационных потоков, направленных на диспетчерский

уровень.

Большая часть горизонтальных информационных потоков будет в ос-

новном циклического типа с временем цикла длиной 0,25..2 с с типичной

длиной 1..5 байт на одно присоединe:нное устройство, с задержками в пере-

даче сообщений порядка 100 мс. Приведeнные цифры достаточно типичны.

Требования тем не менее широко различаются для разных типов производств.

На сегодняшний день на рынке насчитывается по меньшей мере 10..15

систем fieldbus, некоторые из которых являются национальными стандартами

и борются за право стать международными. С начала 1991 г. два коллектива

работают совместно для разработки международного стандарта fieldbus: Под-

комитет SP50 Приборостроительного общества Америки (ISA) и Группа по

стандартизации SC65CWG6 Международной электротехнической компании

(IEC).

Несколько университетов и промышленных компаний разработали на-

циональный стандарт системы PROFIBUS-DIN 19245. Стандарт определяет

необходимые функции, позволяющие пересылать данные между устройства-

ми, изготовленными различными производителями. Физический уровень,

уровень каналов передачи данных и управление системой fieldbus для обоих

уровней определены в стандарте DIN 19245, ч 1 (1). Спецификации сообще-

ний fieldbus (Fieldbus Message Specification- FMS), аналогичные Специфика-

циям производственных сообщений (Manufacturing Message Specification

MMS); интерфейс нижнего уровня (Lower Layer Interface LLI) и управление

системой fieldbus на седьмом уровне определены в DIN 19245, ч.2 (2). Этот

стандарт нацелен на реализацию протокола с помощью одной коммерчески

доступной интегральной схемы, содержащей однокристальный микрокон-

троллер и внутренний универсальный синхронный приeмопередатчик, что

минимизирует стоимость взаимного соединения устройств, расположенных

на объектах. Сеть содержит ведущие и ведомые станции. Ведущая станция

может управлять системой и передавать сообщения, когда она имеет право

доступа (маркер). В отличие от нее ведомая станция может лишь подтвер-

ждать полученное сообщение или пересылать информацию по удалeнному

запросу. Маркер циркулирует по логическому кольцу, образованному веду-

щими станциями. Таким образом, может быть реализована либо централизо-

ванная система, либо система, полностью работающая в режиме точка-точка,

либо гибридная (рис. 4.11). Скорость передачи лежит в диапазоне от 9,6

Кбит/с до 2 Мбит/с. Для критичных ко времени задач рекомендуется система

с 32 ведущими станциями. Возможна как ациклическая, так и циклическая

передача данных с 255 байтами в кадре.

Датчик Датчик ДатчикПривод

Привод

Прибор

Датчик

Ведомые устройства

PROFIBUS

Логическое маркерное кольцо между ведущими устройствами

ПК

ПЛК ПЛК

Ведущие устройства

Рисунок 4.11. Гибридная система на базе PROFIBUS.

На физическом уровне система PROFIBUS определяет в качестве среды

лишь экранированную витую пару с характеристическим импедансом

100...130 Ом. Длина кабеля не превышает 1200 м. Длина линии и число свя-

занных станций могут быть увеличены путем установки повторителей (не бо-

лее трех). Кабель шины должен оканчиваться так, как это описано в стандарте

EIA RS-485. Каждая станция, предназначенная для окончания линии, должна