АСУ

Интерфейсы проводных каналов связи (Тема)

 

Интерфейс – это совокупность унифицированных программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов в цифровых системах. В зависимости от признака интерфейсы подразделяются:

По функциональному назначению:

1. Внутримашинные;
2. Интерфейсы периферийных устройств;
3. Сетевые интерфейсы.

По типу организации связи (по топологии – способу сетевого соединения различных устройств):

1. Радиальные «звезда» – вся информация передается через центральный узел, который должен иметь высокую надежность. Каждое устройство имеет собственную среду соединения, свой порт в центральном узле. Преимуществом такой структуры связи является то, что абоненты не влияют друг на друга;
2. «Кольцо» – информация передается от узла к узлу, при этом каждый приемник копирует информацию и регенерирует данные вместе со своей квитанцией подтверждения следующему узлу. Недостатком этой структуры связи является то, что отказ узла приводит к отказу всей сети. Чтобы этого не произошло, в сеть включают автоматические переключатели, которые исключают (закорачивают) неисправный узел из сети;
3. Магистраль «шина» – все абоненты (устройства) подсоединены к одной линии связи и, в отличие от «кольца», адресат получает свой пакет без посредников. Однако шинная топология требует жесткой регламентации доступа к среде передачи.

Сравнительные характеристики рассмотренных топологий представлены в табл. 1.

По принципу обмена информацией:

1. С параллельной передачей информации;
2. С последовательной передачей информации.

По режиму обмена информацией:

1. Симплексный (односторонний – передача данных только в одном направлении);
2. Дуплексный (двусторонний – одновременная передача данных в двух противоположных направлениях);
3. Полудуплексный (используется одна и та же «шина» – сначала для передачи информации в одну сторону, потом в другую);
4. Мультиплексный (многоканальный).

По способу передачи информации:

1. Синхронный;
2. Асинхронный.

 

Таблица 1. Сравнительные характеристики основных топологий

 

Сетевые интерфейсы

В промышленных сетях в основном используются стандартные интерфейсы, регламентирующие передачу информации в последовательном коде. Наиболее распространенные из них: ИРПС, RS-232C, RS-422A, RS-485A.

Интерфейс ИРПС.

ИРПС – интерфейс радиальной последовательной связи. ИРПС предназначен для радиального подключения устройств с последовательной асинхронной передачей информации постоянным током по четырехпроводной дуплексной схеме. ИРПС также называют интерфейсом типа «токовая петля».

Рис. 1. Схема соединения устройств А1 и А2 по типу ИРПС:

ПД – передаваемые данные; ПрД – принимаемые данные; ГП – готовность приема (необязательная цепь); +, – – показывают направление тока в токовой петле

 

ИРПС обеспечивает передачу информации со скоростью 9600 бит/с на расстояние до 500 м по кадровому формату (см. рис. 2.5). При этом «1» соответствует ток 20 мА, а «0» – 5 мА.

Интерфейс RS-232C.

Интерфейс стандарта Ассоциации электронной промышленности США (EIA) RS-232C (европейский аналог – стандарта CCITTIV.24) введен в действие в 1969 г. Интерфейс этого типа применим для синхронной и асинхронной связи между устройствами в симплексном, полудуплексном и дуплексном режимах через среду связи, содержащую как выделенные телефонные каналы или физические линии, так и коммутируемые телефонные каналы.

RS-232C регламентирует электрические характеристики сигналов интерфейса, нумерацию цепей, скорость передачи информации, тип используемых разъемов. RS-232C используется для передачи данных между модемами, терминалами, компьютерами, контроллерами в симплексном, в дуплексном и полудуплексном режимах. Электрическая система основана на импульсах 12 В, используются 9- и 25-контактные разъемы DB9, DB25. Скорость передачи информации при L = 15 м – 38400 бит/с, а при
L = 900 м – 1200 бит/с. Все множество цепей интерфейса функционально подразделяется на цепи данных, управления, синхронизации, заземления и контроля. В зависимости от условий его конкретного применения используются не все из возможных
25 цепей, а лишь отдельные их группы. Так, для связи по прямой телефонной линии в режиме асинхронного обмена требуется 8 цепей, а для аналогичной связи по физическим линиям – только 3. На рис. 2.10 в качестве примера приведена простейшая схема соединения контроллера PLC с компьютером ПК по интерфейсу RS-232C с трехпроходной линией связи.

Рис. 2. Схема соединения устройств по интерфейсу RS-232C
с трехпроходной линией связи: TD – данные передатчика; RD – данные приемника;
SG – сигнальная земля

 

В производственных помещениях RS-232C почти не используется ввиду плохой помехозащищенности. В COM – портах персональных компьютеров данный стандарт используется для подключения к ним близко расположенных внешних устройств.

 

Интерфейс RS-422A.

Этот стандарт позволяет улучшить согласование линий, увеличить расстояние и скорость передачи данных, ориентирован на использование дифференциальной балансовой линии передачи с импедансом 50 Ом, что повышает помехоустойчивость интерфейса. Скорость передачи информации до 10 Мбит/с при длине кабеля L< 13 м и 100 кбит/с при L = 1300 м. RS-422A допускает подключение к одному передатчику до 10 приемников. Применяется на низких уровнях АСУ ТП (в производственных помещениях).

 

Интерфейс RS-485A.

RS-485A наиболее распространен на нижних уровнях АСУ ТП, обладает хорошими параметрами по помехозащищенности. RS-485A обеспечивает работу многоточечной системы, в которую могут входить до 32 узлов. Скорость передачи информации
до 10 Мбит/с при L = 200 м и до 100 кбит/с при L = 1300 м. Подключение генераторов и приемников устройств к двухпроводной линии связи «витые пары» показано далее.

Рис. 3. Схема соединения устройств по интерфейсу RS-485A:
G – передатчик (формирователь) сигнала; R – приемник сигнала; 120 Ом – согласующие резисторы

 

Сравнительные характеристики наиболее часто используемых в промышленности проводных интерфейсов представлены в табл. 2.

Как видно из табл. 2, два первых интерфейса имеют двухстороннюю схему передачи данных, а интерфейс RS-485A поочередную передачу данных в противоположных направлениях. Это обусловлено тем, что двухпроводная линия связи позволяет осуществлять только последовательную передачу сигналов в одну сторону (симплексный режим) или поочередно в обе стороны (полудуплекс).

 

Таблица 2. Характеристики проводных интерфейсов

 

При использовании двух пар проводов можно реализовать дуплексную (одновременно в обе стороны) последовательную передачу. Поскольку при реальном обмене практически всегда одно устройство передает поток информации, а другое – только подтверждение ее приема или сообщения об ошибках, дуплексный канал может быть ассимметричным – иметь значительно различающиеся пропускные способности в противоположных направлениях.

Последние два стандарта (см. табл. 2) позволяют объединять приборы в разветвленные сетевые структуры. Трехпроводный интерфейс RS-232C позволяет простым способом подключить к персональному компьютеру удаленные до 900 м устройства (системы), встраивая в ПК стандартный мультиплексор RS-232C на требуемое количество каналов (4, 8 или 16). Структуры АСУ, использующие внутризаводские или городские телефонные линии (коммутируемые линии связи), так же работают
с интерфейсом RS-232C, к которому в этом случае подключаются модемы со стороны как устройств (систем), так и ПК. Современный интерфейс RS-485 позволяет создавать разветвленные АСУ по многоточечной схеме с удалением устройств (систем) до 1200 м от ПК и с минимальными затратами кабеля (используются двух- или четырехпроводные «витые пары».

а)

 

б)

Рис. 4. Сетевые структуры АСУ с использованием
коммутируемого телефонного канала и интерфейса RS-232 (а)
и «витой пары» и интерфейса RS-485 (б): А – устройство (система); ПК – персональный компьютер; RS 485/232 – преобразователь интерфейсов