Технологический контроль работы сырьевой мельницы233 4 page

Для рассылки пакетов во внешнюю сеть Ethernet, в которой работают компьютеры в административном корпусе на рабочих местах главных специалистов и диспетчера фабрики, используется специальный сервер.

Для подключения наиболее удаленных сегментов в состав локальной сети входят концентраторы Hub Arc Net.

2. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВЯЗИ
ПРОГРАММИРУЕМЫХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ

2.1. Цифровой канал передачи информации

Современные АСУ ТП содержат десятки взаимодействующих между собой устройств (ПЛК, ПК, рабочие станции), которые разнесены на десятки, сотни и даже тысячи метров. Данные цифровые устройства работают в промышленной среде, характеризирующейся высоким уровнем помех, запыленностью, повышенной температурой, агрессивностью окружающей среды, вибрациями. К каналам связи АСУ ТП предъявляют высокие требования по быстродействию и достоверности информации. Канал связи состоит из оконечной аппаратуры и линий передач
(рис. 2.1).

Рис. 2.1. Структура цифрового канала передачи информации:

ИИ – источник информации; КИ – кодер источника; КК – кодер канала; М – модулятор; ЛС – линия связи; ИП – источник помех; ДМ – демодулятор; ДКК – декодер канала; ДКИ – декодер
источника; П – приемник информации

КИ имеет целью обеспечить такое кодирование, при котором путем устранения избыточности существенно снижается число символов, требуемых на букву сообщения. С помощью КК обеспечивается заданная достоверность передачи сигнала путем введения избыточности. М преобразует цифровой сигнал в аналоговый. ДМ преобразует аналоговый сигнал в цифровой. ДКК проверяет достоверность и убирает избыточность.

Выбор состава устройств цифрового канала связи осуществляется исходя из особенностей передачи информации в промышленной среде. При этом возможны следующие варианты:

· Если избыточность источника мала, а помехи в канале отсутствуют, то введение КИ и КК нецелесообразно (а также ДКИ
и ДКК);

· Если избыточность высока, а помехи незначительны, то целесообразно включать КИ (ДКИ), а КК (ДКК) исключить;

· Если избыточность мала, а помехи велики, то включается только КК.

На физическом уровне сигналы, как носители информации, могут быть двух видов:

· Аналоговые (непрерывные);

· Цифровые (конечный набор значений).

С точки зрения практической реализации цифровой сигнал проще и дешевле, но имеет существенный недостаток – подвержен искажениям при передаче по линиям связи (рис. 2.2). При передаче же аналогового сигнала изменяется только амплитуда,
а форма сигнала сохраняется. Поэтому при передаче информации на большие расстояния используют аналоговые сигналы, вводя
в канал связи модуляторы и демодуляторы.

Смысл модуляции заключается в том, что основной сигнал передается с помощью другого сигнала путем изменения его амплитуды, частоты или фазы по определенному закону. В качестве несущего сигнала принимается чаще всего синусоида высокой частоты, обладающая хорошей помехозащищенностью, которая позволяет использовать одну линию связи как многоканальную,
в которой каждый источник сигнала использует свою частоту.
На рис. 2.3 показана амплитудная модуляция синусоиды импульсным сигналом.

При частотной модуляции изменяется частота несущей синусоиды, например: для передачи «1» используется частота f ₁,
а для «0» – f ₂=0,5 f ₁. Частотная модуляция применяется в низкочастотных модемах от 300 до 1200 бод (1 бод = 1 бит/с).

Рис. 2.2. Аналоговый А_и и цифровой Ц_и сигналы источников
и аналоговый А_и и цифровой Ц_п сигналы на входе приемников

Рис. 2.3. Амплитудная модуляция несущего сигнала А
цифровым сигналом Ц

При фазовой модуляции используются два постоянных несущих сигнала (для «0» и «1»), сдвинутых по фазе на 180°. Чаще используют другой способ фазовой модуляции, при которой сдвиг по фазе на 90° по отношению к текущему сигналу указывает на то, что передается «0», а на 270° – «1».

Кодирование информации источника позволяет, используя небольшое число символов в алфавите кода (в частности «0»
и «1»), передавать любую информацию. Большинство кодов, применяемых при кодировании информации источника, основаны на системах счисления. Наиболее распространенным является двоично-десятичный код (8-4-2-1).

Недостаток взвешенных кодов заключается в том, что при передаче под действием помех может исказиться любой символ, причем искажение символов в старших разрядах опаснее, чем
в младших, поэтому чаще используют невзвешенные коды, у которых ошибки будут одинаковыми для всех разрядов.

Помехоустойчивое кодирование основано на принципе Шеннона: при любой скорости передачи двоичных символов меньшей, чем пропускная способность канала, существует такой код, при котором вероятность ошибочного декодирования сколь угодно мала. Построение такого кода достигается введением избыточностей. Наиболее часто используют блоковые коды, когда информация передается в виде кодовых комбинаций (блоков равной длины), при этом к каждому блоку добавляется n символов, например, код на четность, когда каждому блоку добавляется
в КК «0» или «1», чтобы число единиц в кодовой комбинации было всегда четным. В ДКК осуществляется автоматическая проверка на четность. Кроме кода на четность используют коды
с постоянным весом, где вес – это число единиц, содержащихся
в кодовых комбинациях. Недостаток таких кодов – большая избыточность.

К помехозащищенным кодам относятся также циклические коды, характеризуемые циклической перестановкой всех символов в кодовой комбинации.

Передача данных от источника к приемнику информации может осуществляться параллельным и последовательным способами. При параллельной передаче все элементы (биты) цифрового слова посылают в линию связи одновременно. При последовательном способе биты цифрового слова передаются от источника к приемнику последовательно по времени (друг за другом). Последний способ позволяет решать задачи по надежной и экономичной передаче данных на большее расстояние, однако, по сравнению с параллельным имеет большее время передачи, которое увеличивается пропорционально длине цифрового слова.

Синхронизация передаваемых данных может быть обеспечена тремя путями:

· Синхронная передача сигнала;

· Асинхронная передача сигнала;

· Передача сигнала с автоподстройкой.

При синхронном способе передачи сигнала между передатчиком ПРД и приемником ПРМ, кроме линии передачи данных, существует отдельная линия передачи сигналов синхронизации от общего тактового генератора ТГ (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Синхронная передача сигнала

Синхронный способ применяется в тех случаях, когда необходимо передавать большие блоки информации, при этом весь блок передается как одно целое. Блоки (кадры) информации отделяются друг от друга одним или несколькими байтами, что необходимо для разделения приемником цепочки бит на блоки.

Асинхронный способ применяется тогда, когда передаваемые данные генерируются в произвольные моменты времени. При данном способе принимающее устройство должно устанавливать синхронизацию в начале каждого передаваемого блока информации, но при этом не требуется отдельная линия синхронизации. Тактовые генераторы имеют и приемник и передатчик. При асинхронном способе с последовательным типом передачи информации поток передаваемых бит делится на кадры, при этом каждый кадр содержит стартовый бит, который включает процесс синхронизации, и стоповый бит (рис. 2.5). Так как частоты на приемной и передающей стороне могут отличаться друг от друга (до 3 %), стоповый бит может иметь длину от 1,5 до 2 бит. Бит паритета P добавляется к передаваемому байту для контроля кода на четность (или нечетность) с целью обеспечения достоверности передаваемой информации.

Рис. 2.5. Структура передаваемого кадра (байта)
при асинхронном способе передачи данных

Стартовый бит (логический «0») каждого следующего байта посылается в любой момент времени, т.е. между передачей возможны паузы произвольной длины, при этом запускается стартовый генератор приемника, начинается прием информации. Недостатком является то, что скорость передачи очень низкая – 9600–19600 бод. Для повышения скорости в асинхронном режиме иногда используют манчестерский код, в котором синхронизируется передача каждого бита, поэтому последовательность бит
в кадре может быть любой длины. После каждого простоя осуществляется предварительная синхронизация тактовым генератором, которая достигается посылкой последовательных битов (преамбула).

2.2. Линии связи

В качестве линии связи в АСУ ТП могут быть использованы:

· Кабели на основе витых пар проводов;

· Коаксиальные кабели (КК);

· Оптоволоконные кабели (ОВК);

· Радиолинии;

· Инфракрасные каналы.

Основные характеристики кабельных линий связи:

· Максимальное затухание сигнала, передаваемого по кабелю, на разных частотах (дБ);

· Полоса пропускания – интервал частот, в пределах которого мощность передаваемого сигнала на выходе из канала не опускается ниже половины мощности сигнала на его входе. Для самых совершенных кабелей на основе витых пар полоса пропускания равна 100 мГц;

· Скорость передачи данных (бит/с);

· Величина перекрестной наводки на ближнем конце кабеля, которая характеризует влияние проводов кабелей друг на друга (дБ);

· Волновое сопротивление кабеля – это отношение напряжения к силе тока в любой точке кабеля. Волновое сопротивление зависит от конструктивных особенностей кабеля (сечения, количества и формы проводников, материала и толщины изоляции
и др.) и составляет от 50–100 Ом для коаксиального кабеля
и 100–150 Ом для витой пары.

Величина волнового сопротивления R _В может быть измерена с помощью генератора прямоугольных импульсов и осциллографа по отсутствию искажения формы передаваемого по кабелю импульса (рис. 2.6). При подборе R _Н = R _В искажение формы передаваемого импульса отсутствует.

Затухание сигналов в линии связи характеризуется интегральными показателями: а) для аналогового сигнала интегральный показатель определяется выражением , где L –длинакабеля, – полоса пропускания; б) для дискретного сигнала интегральный показатель равен , где L – длина кабеля, B – скорость модуляции (бит/с).

а

б

Рис. 2.6. Схема измерения волнового сопротивления кабеля (а)
и диаграммы напряжения на его входе и выходе (б)

Ниже представлена краткая характеристика линий связи.

«Витая пара». Кабель на основе витых пар проводов является популярной физической средой для построения сетей, представляет собой изолированные медные проводники, попарно свитые между собой для уменьшения перекрестных наводок между проводниками. Обычно в оболочке кабеля размещаются 4 витые пары проводников. На рис. 2.7 показано соединение приемника
с передатчиком с гальванической развязкой с помощью витой пары. Токи в любой точке пары равны по модулю и противоположны по направлению.

Для относительной оценки мощности полезного сигнала используется показатель в логарифмическом масштабе:

где , – мощность полезного сигнала и помехи соответственно.

Относительная мощность полезного сигнала может быть дБ.

Рис. 2.7. «Витая пара» в качестве линии связи: – мощность полезного сигнала; – мощность сигнала
внешней помехи (наводки)

Для снижения наведенных помех кабели экранируют. В зависимости от наличия и вида экрана различают следующие кабели типа «витая пара»:

· UTR – неэкранированная «витая пара»;

· FTR – «витая пара» с общим для кабеля экраном из фольги;

· STR – «витая пара» с индивидуальными экранами из фольги для каждой пары;

· ScTR – «витая пара» с экранированием медной оплеткой каждой пары.

Для снижения помех, кроме экранирования кабелей, используют дифференциальную передачу по «витой паре». При этом передатчик ПРД формирует противофазные сигнала
(рис. 2.8), а приемник ПРМ реагирует на разность сигналов. Помехи действуют одинаково в обоих проводниках, и поэтому в разностном сигнале на входе приемника будут отсутствовать.

Достоинства кабелей типа «витая пара»:

· невысокая стоимость;

· простота монтажа и демонтажа.

Недостатками «витой пары» является меньшая, чем у других кабелей, полоса пропускания.

Рис. 2.8. Схема дифференциальной передачи по «витой паре»:
согласующий резистор R выбирается из условия

Коаксиальный кабель. КК представляет собой электрический кабель, состоящий из центрального провода и металлической оплетки, разделеннх между собой слоем диэлектрика.
Широкое использование данного кабеля обусловлено его высокой помехозащищенностью, сравнительно высокой скоростью передачи данных (до 500 Мбит/с) и большими доступными расстояниями передачи (до километра и выше). Однако монтаж
и ремонт кабеля существенно сложнее «витой пары», его стоимость в 1,5–3 раза больше. Основное применение коаксиальный кабель находит в сетях с топологией «шина».

Оптоволоконный кабель. ОВК по структуре похож на коаксиальный электрический кабель, только вместо центрального медного провода здесь используется тонкое (диаметром
1–10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции – стеклянная или пластиковая оболочка, не позволяющая свету выходить за пределы стекловолокна. Информация по кабелю передается не электрическим сигналом, а световым. Формирование светопотока осуществляется полупроводниковым лазером для больших расстояний и светодиодом – для малых расстояний. Приемником является фотодиод. Кабель включает в себя от 2 до 36 световодов (волокон), помещенных в резино-свинцовую оболочку. Для прочности в кабель вводят металлический трос. Для защиты кабеля от механических повреждений иногда используют металлическую оплетку, и такой кабель называют броневым. Оптоволоконный кабель по сравнению с ранее рассмотренными кабелями обладает исключительно высокими характеристиками по помехозащищенности, полоса пропускания у него может достигать величины 10¹² Гц, величина затухания сигнала, особенно на высоких частотах, существенно ниже, чем у электрических кабелей. Основные недостатки кабеля: высокая стоимость кабеля и монтажа, невысокая механическая прочность и гибкость, чувствительность к резким перепадам температуры и ионизирующим излучениям. Применяют оптоволоконный кабель в сетях с топологией «звезда» и «кольцо» в производственных помещениях
с большими электромагнитными помехами.

Кроме кабельных средств связи в промышленных сетях иногда используют радиоканалы и инфракрасные каналы, которые не требуют соединительных проводов (беспроводные каналы связи).

Радиоканалы: передача организуется с помощью радиомодемов: используются вне предприятия для связи с удаленными сегментами системы управления. Расстояние до 100 и более кило-метров, скорость передачи до десятков Мбит/с, диапазон частот от 2 до 3 ГГц.

Инфракрасные каналы: обеспечивают беспроводную связь на расстояние 10 метров и более. Такие каналы не чувствительны к электромагнитным помехам, скорость передачи –
до 5 Мбит/с, в качестве передатчика используется светодиод
с эффективной длиной волны 880 нм, а в качестве приемника используется PIN -диод. Для инфракрасных каналов Е = 50 дБ.

2.3. Интерфейсы проводных каналов связи

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:

· Внутримашинные;

· Интерфейсы периферийных устройств;

· Сетевые интерфейсы.

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

· 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;

· «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;

· 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. 2.1.

По принципу обмена информацией:

· С параллельной передачей информации;

· С последовательной передачей информации.

По режиму обмена информацией:

· Симплексный (односторонний – передача данных только
в одном направлении);

· Дуплексный (двусторонний – одновременная передача данных в двух противоположных направлениях);

· Полудуплексный (используется одна и та же «шина» – сначала для передачи информации в одну сторону, потом в другую);

· Мультиплексный (многоканальный).

По способу передачи информации:

· Синхронный;

· Асинхронный.

Таблица 2.1

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 -232 C, RS -422 A, RS -485 A.

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. 2.9. 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 -232 C.

Интерфейс стандарта Ассоциации электронной промышленности США (EIA) RS -232 C (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 -232 C регламентирует электрические характеристики сигналов интерфейса, нумерацию цепей, скорость передачи информации, тип используемых разъемов. RS -232 C 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 DB 9, DB 25. 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 -232 C с трехпроходной линией связи.

Рис. 2.10. Схема соединения устройств по интерфейсу RS- 232 C
с трехпроходной линией связи:

TD – данные передатчика; RD – данные приемника;
SG – сигнальная земля

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

Интерфейс RS -422 A.

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 м и 100 кбит/с при L = 1300 м. RS -422 A допускает подключение к одному передатчику до 10 приемников. Применяется на низких уровнях АСУ ТП (в производственных помещениях).

Интерфейс RS -485 A.

RS -485 A наиболее распространен на нижних уровнях АСУ ТП, обладает хорошими параметрами по помехозащищенности. RS -485 A 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 на рис. 2.11.

Рис. 2.11. Схема соединения устройств по интерфейсу RS -485 A: G – передатчик (формирователь) сигнала; R – приемник сигнала; 120 Ом – согласующие резисторы

Сравнительные характеристики наиболее часто используемых в промышленности проводных интерфейсов представлены
в табл. 2.2.

Как видно из табл. 2.2, два первых интерфейса имеют двухстороннюю схему передачи данных, а интерфейс RS -485 A 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 2.2

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. 2.2) позволяют объединять приборы в разветвленные сетевые структуры. Трехпроводный интерфейс RS -232 C позволяет простым способом подключить к персональному компьютеру удаленные до 900 м устройства (системы), встраивая в ПК стандартный мультиплексор
RS -232 C 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 -232 C, к которому в этом случае подключаются модемы со стороны как устройств (систем), так и ПК
(рис. 2.12, а). 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», см. рис. 2.12, б).

а

б

Рис. 2.12. 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

2.4. Промышленные сети

2.4.1. Общие положения

В 70-х гг. XX века технология аналоговой приборной связи 0(4)…20 мА стала стандартной, в результате чего производители контрольно-измерительной аппаратуры получили средство коммуникации, на основе которого их продукты можно было интегрировать в единые системы управления. С развитием цифровой технологии ситуация в этой области изменилась. Благодаря таким преимуществам, как экономичность решений, информативность, надежность и безопасность, наблюдается бурный переход от аналоговой технологии к цифровой.

В 80-х гг. цифровая технология проникла на все уровни промышленного производства – начиная с офисов и кончая датчиками.

По назначению различают локальные сети LAN, городские сети MAN и глобальные сети WAN. Промышленные сети относятся к локальным сетям, обеспечивающим информационные потоки между компьютерами, контроллерами, датчиками и исполнительными механизмами.