Рис. 3.12. Сеть RS-485, некорректно использующая несколько витых пар.

3.8.4 Длинные ответвители

На рисунке 3.13., кабель корректно согласован и передатчик нагружен только на одну витую пару; однако сегмент провода в точке подключения (ответвитель - stub) приемника чрезмерно длинный. Длинные ответвители вызывают значительное рассогласование импедансов и, таким образом, отражение сигнала. Все ответвители должны быть как можно короче.

Рис. 3.13. Сеть RS-485 использующая 3-метровый ответвитель (рисунок сверху) и ее итоговый сигнал (слева) по сравнению с сигналом, полученным с коротким ответвлением

4. Промышленная локальная сеть для проведения ГТИ

4.1 Станция геолого-технологических исследований

Геолого-технологические исследования (ГТИ) - это совокупность методов и средств, применяемых на буровой с целью получения достоверной информации о геологии разреза скважины и с целью оптимизации режимов бурения. ГТИ выполняется для бурения разведочных, эксплуатационных, наклонно-направленных и горизонтальных скважин.

Станция ГТИ представляет собой совокупность датчиков, систем сбора данных (ССД), обработки данных (СОД) и индикаторов. Она предназначена для автоматизации ГТИ, в том числе для регистрации технологических параметров, архивирования и документирования полученных данных, определения видов работ и нештатных ситуаций. Станция ГТИ может содержать средства индикации технологических параметров (дисплеи) и оповещения (звуковые, световые). Станция может использоваться для автоматизации работ на скважине.

Задачи станции:

– непрерывный прием сигналов от датчиков и аппаратуры газового каротажа в автоматическом режиме, забойной инклинометрической системы;

– автоматическую обработку принятых сигналов, интерпретацию полученной информации и представление ее в виде диаграмм, таблиц;

– распознавание и предупреждение на ранней стадии возникновения предаварийных и аварийных ситуаций, непредвиденных осложнений, в том числе газонефтепроявлений;

– контроль бурения, а именно углубления забоя, спуско-подъемных операций (СПО) с контролем долива скважины, цементирования;

– определение в процессе бурения литологического разреза, выделения пластов коллекторов, определение пластового давления в процессе бурения и прогноз пластового давления, прогноз и определение зон АВПД;

– определение параметров газового каротажа, продуктивности пластов коллекторов;

– построение уточненного геологического разреза по данным, полученным в процессе бурения и исследования шлама и керна (ввод данных, расчеты, печать стратиграфического разреза, шламограммы, карбонатограммы, результатов люминесцентного, битуминологического и др. анализов шлама и керна, результатов газового каротажа);

– контроль и прогноз траектории скважины;

– выполнение расчетов при решении геологических, технологических задач проводки скважины;

– визуализацию всей полученной по скважине информации на экране монитора;

– накопление и хранение всей полученной информации по скважине;

– формирование и печать отчетной документации по скважине;

– передачу получаемой информации средствами радио, сотовой или проводной связи в центр сбора;

– копирование информации по скважине для ее последующей обработки в центре сбора.

– Предоставление в режиме реального времени информации о ходе бурения представителю заказчика и различным службам (количество подключаемых рабочих мест оговаривается в договоре).

– Оперативный обмен информацией между службами.

4.2 Состав и структура станции

На рис 4.1 показана структурная схема станции ГТИ. Канал связи BITBUS позволяет подключать до 255 ССД и представляет собой интерфейс, специально разработанный и оптимизированный для связи программируемых контроллеров, управляющих ЭВМ и т.п. и интеграции этих устройств в локальную управляющую сеть распределенных АСУ ТП.

Поскольку в соответствии с теорией систем, структурные системы автоматизации строятся, как правило, подобно объектам управления, а объекты в подавляющем большинстве имеют иерархическую структуру, в основу сети BITBUS также положен иерархический принцип.

Рис 4.1. структурная схема станции ГТИ.

1 - промышленный компьютер, ведущий узел сети BITBUS; 2 - адаптер сети BITBUS для компьютера BB_ISA; 3 - ретранслятор сети BITBUS (для больших расстояний); 4 - интеллектуальное УСО с интерфейсом BITBUS; 5 - программируемый контроллер моноблочный, с интерфейсом BITBUS; 6 - программируемый контроллер магистрально-модульный, с интерфейсом BITBUS; 7 - шлюз; 8 - программируемый контроллер магистрально-модульный, с произвольным интерфейсом; 9 - интеллектуальные датчики. 10 - интеллектуальные датчики (хроматограф)

Центральным элементом сети BITBUS является ведущее устройство, функции которого, как правило, возлагаются на промышленный компьютер (1). Этот компьютер обычно выполняет несколько функций:

– инструментальное средство для программирования контроллеров;

– графическая операторская станция;

– элемент локальной сети (LAN) верхнего уровня АСУ ТП.

На практике в качестве этого элемента системы часто применяют IBM-совместимые персональные компьютеры. Интерфейс с локальной сетью BITBUS осуществляет адаптер сети BB_ISA (2), установленный в PCI слот компьютера. Как правило, применяются адаптеры, обеспечивающие гальваническую изоляцию компьютера от сети BITBUS.

Протокол BITBUS определяет два режима передачи данных по шине:

1. Синхронный режим, этот режим используется при необходимости работы на большой скорости, но на ограниченных расстояниях. В этом случае топология сети может включать до 28 узлов, а длина шины ограничиваться 30 м. Скорость может быть от 500 до 2400 кбод. Синхронный режим передачи предполагает использование двух дифференциальных сигнальных пар: одной для данных, другой для синхронизации.

2. Режим с самосинхронизацией, использование этого режима позволяет значительно удлинить шину. Стандартом определены три скорости передачи: 1500 Мбод, 375 кбод (до 300 м) и 62,5 кбод (до 1200 м). Используя шинные репитеры, можно объединять последовательно несколько шинных сегментов (до 28 узлов на сегмент). Тогда общее число узлов можно довести до 250, длину общей шины -- до нескольких километров. При этом режиме передачи используются две дифференциальные пары: одна для данных и одна для управления репитером.

На физическом уровне реализации BITBUS соответствуют спецификациям RS-485. RS-485 получил за последние годы наиболее широкое распространение в локальных сетях нижнего уровня, подтверждая правильность выбора разработчиков BITBUS. Физической средой в сети обычно является экранированная витая пара. В качестве альтернативной среды иногда применяют оптоволокно.

Сеть BITBUS может иметь различную топологию - линейную, древовидную или звездообразную, что позволяет легко приспосабливать конфигурацию сети к существующим производственным помещениям и расположению оборудования. Конфигурация сети может наращиваться и видоизменяться в процессе ее эксплуатации. В зависимости от используемой скорости передачи длина одного сегмента может быть 300 м или 1200 м. Для увеличения расстояния используются ретрансляторы (3), максимальное расстояние при этом достигает 13,2 км. Управление ретрансляторами предусмотрено в интерфейсе. Для этого используется вторая витая пара.

В данном дипломном проекте расстояние между контроллером и компьютером не будет превышать 300м, что в полнее достаточно при проведении ГТИ и ГК.

Сеть объединяет разнообразные устройства ввода-вывода - от интеллектуальных УСО (4) до программируемых контроллеров (5, 6). Контроллеры, которые не имеют штатного выхода в интерфейс BITBUS (8), подключаются через шлюзы (7).На "более низком" уровне иерархии, чем сеть BITBUS, применяются удаленные интеллектуальные датчики (9), подключаемые по последовательным каналам RS-232 или RS-485.

Основные технические данные сети BITBUS приведены в таблице 4.1.:

Таблица 4.1. Характеристики сети BitBus.

Топология	линейная или древовидная
Длина сети	от 300 м до 13,2 км
Физическая среда передачи данных	витая пара
Альтернативная Среда	оптоволокно
Основной тип разъема	D-SUB 9
Скорость передачи	375 Кбит/с или 62,5 Кбит/с
Характерное время ответа	1 мс
Канальный уровень протокола	SDLC
Максимальное количество узлов	250

4.2.1 Система сбора данных

Система сбора данных ССД предназначена для опроса и предварительной обработки сигналов с первичных датчиков технологических параметров и передачи данных в форме кода импульсного сигнала на регистрирующий комплекс.

Представляет собой подключенное к каналу связи BitBus устройство, выполнено на базе сигнального процессора ADSP-218x фирмы Analog Devis, связной контроллер TCM32F или TU2000 фирмы Tecon и устройство согласования датчиков. В ССД предусмотрена установка контроллера (вторичного) канала связи RS-485/UART. Через этот канал связи ССД может передавать информацию на показывающие приборы, к этому каналу связи можно так же подключать датчики, имеющие цифровой интерфейс (всего - до 255 устройств).

ССД размещается в стальном пылезащищенном крейте и устанавливается на буровой, поблизости от датчиков.

Интерфейс обмена данными с компьютером	RS-485
Максимальное рабочее напряжение, В	25
Входное сопротивление, кОм	100
Габаритные размеры, мм	570х510х120
Масса, кг	10
Рабочий диапазон температуры, °С	-50 … +60

Таблица 4.2. Технические характеристики ССД.

4.2.2 Асинхронный Адаптер Шины BITBUS (Master/Slave)

Модуль TPG/BB_ISA (Micro TCX) предназначен для использования в распределенных системах в качестве ведущего или ведомого устройства по промышленной шине BitBus.

Конструктивно модуль может использоваться как в PC совместимых компьютерах, так и в стандарте MicroPC, в зависимости от сборки.

Модуль TPG/BB_ISA выполнен на основе микропроцессора DS80C320 семейства MCS-51, имеет гальваническую развязку от локальной сети и возможность аппаратного сброса посредством команды от PC. На плате предусмотрено подключение терминирующих резисторов (120 Ом) с помощью перемычек. Для работы адаптер TPG/BB_ISA использует 8 последовательных адресов в пространстве ввода/вывода.

Базовый адрес задается с помощью трех перемычек на плате. Обмен данными между модулем и PC осуществляется по опросу готовности адаптера или по прерыванию.

Поддержка протокола BitBus обеспечивается встроенным программным обеспечением, которое можно обновлять с помощью стандартных средств как удалённо, по шине, так и через порты ввода/вывода. Это позволяет производить быстрое обновление ПО во всех устройствах сети без выключения и демонтажа контроллеров.Модуль может осуществлять обмен данными по шине со скоростью 375 Кбит/с, 187,5Кбит/с или 62,5Кбит/с.

Выбор скорости приема/передачи определяется перемычками на плате.

Кроме коммуникационных функций контроллер может исполнять пользовательские задачи (например, сбор данных). Пользовательские задачи загружаются одним исполнительным модулем с операционной системой OS51 и коммуникационным ПО в Flash-память адаптера.

Функциональность адаптера определяется встроенным ПО и прошивкой вентильной матрицы Altera, поэтому имеются широкие возможности модификации модуля для конкретной задачи, добавления/изменения функциональности, увеличения скорости передачи и так далее. Таким образом, можно использовать адаптер для управления устройствами сбора данных без использования дополнительных контроллеров и процессорных плат.

Таблица 4.3. Характеристики адаптерf шины BitBus

Входной	Интерфейс	ISA
	Разъем	ISA (8-битный)
	Адреса портов	200h,208h,2A0h,300h,308h,310h,318h,3A0h
	Номера прерывания	IRQ3, IRQ4, IRQ5, IRQ7
	Гальваническая развязка по питанию
Выходной последова- тельный	Контроллер ввода- вывода	SDLC (реализован прошивкой FPGA)
	Приемопередатчик	RS-485 (ADM1485)
	Разъем	DB-9
	Тип кабеля	FTP ANSI/ETA/TIA 568A CAT5
	Соответствие между скоростью передачи данных и гарантированной протяженностью канала	62,5 Кбит/с	1200 м
		187,5 Кбит/с	300 м
		375 Кбит/с	60 м
	Способ кодирования	NRZI
	Оптоэлектронная развязка по сигналам
Драйверы Программное обеспечение
Windows NT/98/2000	Windows монитор
OS/2	C/C++ библиотека
MS DOS
QNX
Физические характеристики
Напряжение питания и ток потребления	+5В±5%, 200мА
Индикация	Два светодиода (Красный/Зеленый)
Условия хранения	Температура	-50°С…+120°С
Условия эксплуата- ции	Температура	0…+70°С
	Влажность	0…90%
Размеры	Длина	100±0,1 мм
	Ширина	127±0,1 мм
	Высота	14,5±0,1 мм
Дополнительно
CPU	DS80C320 (Intel 80x51), 24МГц или выше
RAM	32Кбайт памяти данных
FLASH	32 Кбайт
Возможность обновления прошивок	FLASH может быть перепрограммирована через регистры шины ISA (встроенное программное обеспечение)

4.2.3 Компьютерное обеспечение станции

В комплект станции ГТИ входит два IBM-совместимых компьютера, связанных между собой по схеме клиент-сервер. Один из которых снабжен контроллером канала связи BitBus и является ведущим узлом (Host) на шине BitBus.

В качестве контроллера канала связи используется контроллер BB_ISA (Micro TCX), обеспечивающий обмен по сети BitBus пакетами до 74байт.

Сервер используется для регистрации и хранения технологической информации в локальной базе данных. На компьютере Клиент выполняются приложения контроля процесса бурения, обработки геофизического материала, формирования документов.

Требования, предъявляемые к комплектации станции компьютерам:

	Минимальные требования
Операционная система	Microsoft Windows 2000 Professional, Windows XP, Windows 2003 Server,
Процессор	Intel Pentium IV 2.8GHz/512kb/FSB400 /512MHz
Материнская плата	На чипсете i854 Socket 478 производителей ASUS, MSI, INTEL, ABIT
Оперативная память	DIMM DDR 512 Brandname
Видеоадаптер	AGP с памятью 64Mb Microsoft - сертифицированная
Жесткий диск HDD	40 Гб Maxtor, Seagate UATA100/133 или SCSI
DVD-RW	40х12х48 ASUS, Nec, Teac
Звуковая карта	SB или интегрированная в MB, сертифицированная Microsoft
Коробка для съемных дисков	Mobile RACK 3.5” UATA100
Монитор	17” зерно 0.24 1600х1280/85 Гц TCO'99, сертифицированный Microsoft
Принтер	Цветной струйный А4 (min) с высокой скоростью печати (12-20 стр./мин), HP, Epson, Canon

Таблица 4.4. Технические характеристики компьютеров.

4.2.4 Технологический комплект станции ГТИ (Датчики)

В комплект технологических датчиков станции ГТИ входят следующие датчики:

– вес на крюке;

– оборотов лебедки;

– момента на ротора;

– оборотов ротора;

– ходов насоса;

– положения клиньев;

– давления промывочной жидкости (ПЖ);

– индикатор расхода на выходе;

– расхода ПЖ на входе;

– уровня ПЖ; уровня,

– плотности и температуры ПЖ (комплексный датчик) в емкостях.

Аппаратный комплекс газового каротажа включает: анализатор суммарного газосодержания, анализатор компонентного состава в газовой смеси (хроматограф).

Аппаратно-программный комплекс информационного обмена нижнего уровня магистрального типа, выполняющий функции опроса и предварительной обработки сигналов поступающих с датчиков и анализатора суммарного газосодержания, а также связь с устройствами оперативного отображения информации (пультом бурильщика).

4.2.4.1 Технологические датчики

Датчик оборотов лебедки (ДОЛ-3) предназначен для подсчета количества импульсов, пропорциональных числу оборотов вала лебедки.

Технические характеристики ДОЛ-3:

Количество импульсов на 1 оборот	20
Диапазон рабочих скоростей, об/мин	0 - 1350
Максимально допустимая скорость вращения, об/мин	1500
Случайная погрешность	0.166
Питание, В	12
Габаритные размеры, мм	260х200х85
Масса не более, кг	5
Рабочий диапазон температуры, °С	-50 … +60

Показания датчика ДОЛ-3 используется для расчета: положения долота в скважине, положения крюка над столом ротора, глубины скважины, механической скорости проходки скважины, скорость подачи при спуско - подъемных операциях и положения бурового инструмента при осуществлении этих операций.

Датчик веса ДАВ-20. Вес инструмента на крюке определяется путем измерения натяжения неподвижного («мертвого») конца талевой системы. Используемый датчик тензометрический.

Технические характеристики ДАВ-20:

Диапазон измерения натяжения талевого каната, кН	0-200
Уровень выходного согнала, мА	4 - 20
Относительная погрешность, %	1
Питание, В	12
Габаритные размеры	280х175х102
Масса не более, кг	7
Рабочий диапазон температуры, °С	-50 … + 60

Датчик давления КРТ-5-25 предназначен для измерения давления в нагнетательной линии буровых насосов.

Технические характеристики КРТ-5-25:

Диапазон измерения давления, атм	0 - 250
Уровень выходного согнала, мА	4 - 20
Относительная погрешность измерения, %	1
Питание, В	12
Габаритные размеры	40х90х90
Масса не более, кг	1
Рабочий диапазон температуры, °С	-50 … + 60

Комплексный датчик плотности, уровня и температуры КД-3 предназначен для контроля перечисленных параметров бурового раствора в емкости. Плотность определяется путем измерения разности давлений.

Технические характеристики КД-3:

Диапазоны контролируемых параметров - Объемная плотность, г/см3 - Уровень, мм - Температура, °С	0.9 - 2.4 0 - 2300 0 - 100
Диапазон измерений выходного сигнала, В	0 - 10
Напряжения питания постоянным током, мА	12
Основная приведенная погрешность измерений: - Объемная плотность, % - Уровень, % - Температура, %	0.5 1 0.5
Габаритные размеры: - Диаметр блока преобразования, мм - Высота, мм - Масса не более, кг	100 2800 14
Рабочий диапазон температуры, °С	-50 +60

Датчик уровня механический предназначен для дистанционной регистрации уровня жидкости в открытых и закрытых емкостях. Уровень определяется путем регистрации положения поплавка, контактирующего с поверхностью контролируемой жидкости. Принцип работы основан на изменении сопротивления омического датчика перемещения.

Технические характеристики датчика уровня:

Диапазон, измерений, мм	0 - 4000
Основная приведенная погрешность измерений, %	0.5
Напряжение питания, В	12
Рабочий диапазон температуры, °С	-50…+60

Индикатор расхода на входе предназначен для качественной оценки баланса циркуляции бурового раствора путем регистрации интенсивности потока на выходе из скважины. Работа прибора основана на перемещении оси расходного датчика.

Технические характеристики:

Диапазон, измерений, мм	0 - 4000
Основная приведенная погрешность измерений, %	0.5
Напряжение питания, В	12
Рабочий диапазон температуры,	-50 …+60

Датчик ходов насоса ЧДХ предназначен для измерения числа ходов буровых насосов.

Технические характеристики ЧДХ:

Диапазон, измерений, Гц	0 - 2000
Напряжение питания, В	12
Рабочий диапазон температуры, °С	-50 … +60
Диапазон рабочей чувствительности, мм	0 - 10
Габаритные размеры, мм	370х330х85
Масса не более, кг	2

Датчик оборотов ротора ДОР предназначен для измерения количество оборотов бурового инструмента при роторном бурении.

Технические характеристики ДОР:

Диапазон, измерений, Гц	0 - 2000
Напряжение питания, В	12
Рабочий диапазон температуры, °С	-50 … +60
Диапазон рабочей чувствительности, мм	0 - 10
Габаритные размеры, мм	370х330х85
Масса не более, кг	2

Датчик положения клиньев предназначен для регистрации верхнего положения клиньев пневматического клинового захвата.

Технические характеристики:

Уровень срабатывания, кПа	400
Уровень допустимой перегрузки датчика, кПа	1000
Напряжение питания, В	12
Масса не более, кг	2
Рабочий диапазон температуры, °С	-50 … +60

Датчик момента на роторе ДМР. Предназначен для измерения величины крутящего момента на роторе.

Технические характеристики ДМР:

Масса, кг	15
Начальный сигнал, В	0.053
Коэффициент преобразования датчика, В/кН	0.2
Габаритные размеры, мм	65х210х5400
Рабочая температура, °С	-45 … +50

4.2.4.2 Аппаратный комплекс газового каротажа

Хроматограф. Предназначен для определения покомпонентного содержания углеводородных газов в газовоздушной смеси, подаваемой по газовой линии из дегазатора бурового раствора.

Технические характеристики хроматографа:

Предел обнаружения (по пропану), %	0.0001
Продолжительность цикла анализа С1 - С5, с	90
Тип интерфейса	RS232
Напряжение питания, В	220
Масса, кг	14
Рабочий диапазон температуры, °С	-50 … +60

Датчик суммарного газосодержания углеводородных газов СГ-5 Предназначен для непрерывного определения процентного содержания суммы углеводородов, содержащихся в газовоздушной смеси, выходящей из дегазатора. Кроме чувствительного элемента, в состав датчика входят, насос для подачи газовоздушной смеси и электроклапан для подачи на чувствительный элемент чистого воздуха с целью контроля «нуля».

Технические характеристики СГ-5:

Диапазон определения метана, %	0 - 100
Производительность насоса, не менее, л/мин	1
Напряжение питания, В	220
Габаритные размеры, мм	230х150х95
Масса, кг	10
Рабочий диапазон температуры, °С	-50 … +60

Показывающий прибор «ТАБЛО». Предназначен для отображения регистрируемых данных в цифровом и аналоговом видах. Система позволяет устанавливать несколько подобных приборов - их количество может быть равно количеству регистрируемых параметров. Настройка индикатора для вывода конкретного параметра производится программно (настраиваются диапазон вывода, единицы измерения, допустимые границы параметра и т.д.). Конструкция прибора позволяет выдавать цветовую и звуковую сигнализацию при выходе значения параметра за допустимый диапазон.

Технические характеристики табло:

Габаритные размеры, мм	570х5120х120
Масса, кг	9
Рабочий диапазон температуры, °С	-50 … +60

Показывающий прибор «цифровой индикатор». Предназначен для отображения регистрируемых данных в цифровом виде. Настраивается программно. Позволяет установить границы изменения параметра, индикацию отсутствия сигнала с датчика.

Технические характеристики индикатора:

Габаритные размеры, мм	275х210х100
Масса, кг	6
Рабочий диапазон температуры, °С	-50 … +60

4.4 Локальная сеть «BitBus - Wireless PCI Adapter - Wireless Access Point - Ethernet»

Передача данных из ССД в СОД осуществляется по каналу (кабелю) из пары скрученных проводников длинной 300м с частотой 115кГц. На конце этого кабеля смонтирован разъём DB9. Один конец этого кабеля соединяется с выходом платы BB_ISA (Micro TCX), установленный в компьютер СОД. Другой конец соединяется с аналогичным разъемом в ССД.

Указанных разъемов в крейте ССД два. Они равноправны и предназначены для подключения в цепочку нескольких ССД или других устройств, использующих для связи протокол BitBus. На плате ССД между разъемами RS-485, предусмотрена установка согласующей нагрузки - чип резистора номиналом 120Ом. Необходимо обеспечить, во-первых, чтобы устройства, подключенные к наиболее удаленным сегментам сети, имели эти нагрузочные резисторы и во-вторых, чтобы во всех остальных узлах сегмента сети, эти нагрузочные резисторы были отключены.

Обозначения:

К - компьютер станции ГТИ и ГК (Клиент);

С - компьютер станции ГТИ и ГК (Сервер);

HUB - сетевой коммуникатор типа 10/100 Mb Ethernet Switch;

Wi-Fi - сетевой коммуникатор типа 2,4 GHz Wireless Access Point стандарта 802.11b/g

Сплошной линией отображен кабель типа UTP (витая пара).

Сплошной жирной линией отображен канал связи BitBus.

Пунктирной линией отображен канал беспроводной компьютерной сети типа Wi-Fi.



Рис. 4.4. сеть «BitBus - Wireless PCI Adapter - Wireless Access Point - Ethernet»

Сплошной линией отображен кабель типа UTP (витая пара).

Сплошной жирной линией отображен канал связи BitBus.

Пунктирной линией отображен канал беспроводной компьютерной сети типа Wi-Fi.

Расстояние между станцией ГТИ и ГК и рабочим местом супервайзера - от 200 до 400 м.

Для передачи информации о технологических процессах в «Сервере» станции ГТИ используется карта типа Wireless PCI Adapter D-Link DWL-G510 (высокоскоростной 2.4ГГц (802.11g) беспроводной PCI адаптер).

Предназначен для подключения настольного компьютера к беспроводной сети. Он основан на последней усовершенствованной технологии, применяемой в чипах для беспроводного оборудования, с улучшенными функциями безопасности для защиты беспроводного соединения от внешних вторжений. Эта беспроводная сетевая карта стандарта 802.11g поддерживает скорость беспроводного соединения до 54 Мбит/с при работе с другими устройствами стандарта 802.11g, обеспечивая высокую пропускную способность, позволяющую передавать интенсивный поток данных.

Общие характеристики
Тип	Wi-Fi адаптер
Стандарт беспроводной связи	802.11g
Интерфейс подключения	PCI
Антенна
Тип антенны	Съемная
Количество антенн	1
усиление антенны	2 dBi
Прием/передача
Защита информации	WEP, WPA
Мощность передатчика	18 dBM
Радиус действия внутри помещения	100м
Радиус действия вне помещения	400м
Дополнительно
Размеры	6x120x64 мм
Вес	78 г
Дополнительная информация	обладает обратной совместимостью с беспроводными устройствами стандарта 802.11b

Таблица 4.5. Технические характеристики Wireless PCI Adapter D-Link DWL-G510

Адаптер DWL-G510 поддерживает WPA (Wi-Fi™ Protected Access) и 802.1x для аутентификации пользователей беспроводной сети, обеспечивая высокий уровень защиты данных и канала связи. В комплект поставки DWL-G510 входит программа настройки, позволяющая компьютеру обнаружить доступные беспроводные сети, а также создать и сохранять детализированные профили подключения для наиболее часто используемых сетей.

Сетевая карта поддерживает PCI plug-and-play, что позволяет легко установить ее в компьютер для прямого подключения к любому беспроводному устройству в режиме Ad-hoc или через точку доступа или маршрутизатор в режиме Инфраструктура. При использовании с другими продуктами серии D-Link AirPlusG сетевая карта автоматически подключится к сети.

У супервайзера устанавливается точка доступа типа Wireles Access Point. Используется D-Link DWL-2000AP

DWL-2000AP - беспроводная точка доступа стандарта 802.11g с повышенной производительностью. Это устройство так же поддерживает скорость беспроводного соединения до 54 Мбит/с, в тоже время, сохраняя совместимость со всем существующим беспроводным оборудованием стандартов 802.11b и 802.11b+. Благодаря высокой скорости передачи данных, повышенной безопасности и встроенной функции моста, это устройство является идеальным беспроводным решением, расширяющим функциональность сети и в тоже время защищающим прошлые инвестиции благодаря совместимости с имеющимся сетевым оборудованием.

Увеличенная скорость и работа на частоте 2,4 ГГц до 54Мбит/с, доступной для общественного использования в большинстве стран, плюс мобильность и удобство, присущее беспроводным сетям, делают это устройство идеальным решением для приложений WLAN, требующих высокой полосы пропускания.

Основная информация
Универсальный блок питания	Нет
Встроенный сервер печати	Нет
Сервер удалённого доступа	Нет
Порт LAN	10/100 Мбит/с Ethernet
Примечания о LAN	Автоопределение MDI/MDIX
Порт HPNA	Нет
Режимы работы
Точка доступа	Да
Мост "точка-точка"	Да
Мост "точка-многоточечное"	Да
Беспроводный клиент	Да
Антенна
Количество	2 (1 внешняя и 1 внутренняя)
Тип	Внешняя - диполь
Коэффициент усиления антенны	2 dBi
Параметры беспроводной части
Мощность передатчика	802.11b: 16dBm (типичная) 802.11g: 14dBm (типичная)
Скорости работы для 802.11b	22 Мбит/с 11 Мбит/с 11 Мбит/с 5,5 Мбит/с 2 Мбит/с 1 Мбит/с
Скорости работы для 802.11g	54 Мбит/с 48 Мбит/с 36 Мбит/с 24 Мбит/с 12 Мбит/с 9 Мбит/с 6 Мбит/с

Таблица 4.5. Технические характеристики Wireles Access Point D-Link DWL-2000AP.

Совместимость 802.11g с существующими стандартами беспроводных сетей означает то, что нет необходимости менять все сетевое оборудование для поддержки соединения.

DWL-2000AP может быть настроена для работы в одном из 4-х режимов: (1) как точка доступа, (2) беспроводный мост "точка-точка", (3) беспроводный мост "точка - много точек" или (4) беспроводный клиент. Благодаря этим встроенным функциям, DWL-2000AP предоставляет гибкость при конфигурировании, что позволяет удовлетворить требования сетевой среды.

Простота перехода к большей полосе пропускания

Обеспечивая совместимость с существующим беспроводным сетевым оборудованием, DWL-2000AP позволяет увеличивать пропускную способность сети в желаемом темпе. DWL-2000AP и другие устройства стандарта 802.11g могут быть постепенно добавлены в сеть, при этом остальная часть сети останется полностью связанной.

DWL-2000AP имеет встроенный DHCP сервер, который, как только будет активизирован, начнет автоматически назначать IP адреса беспроводным клиентам. Эта уникальная функция делает DWL-2000AP идеальным решением для быстрого создания и расширения беспроводных локальных сетей.

Расстояние от станции ГТИ и ГК и станцией телеметрии - 2-20 м. В станции ГТИ устанавливается коммутатор типа HUB модель D-Link DES-1008D/E, есть варианты, когда станция телеметрии находится в городке. Тогда сеть к ним прокладывается от HUB, который находится у супервайзера. Необходимость в HUBе в станции ГТИ и ГК отпадает.

Расстояние между компьютером супервайзера и рабочим местом бурового мастера, технолога, инженера по бурению, инженера по растворам - 10-100 м.

Возможные препятствия:

– Буровая установка между станцией ГТИ и ГК и рабочим местом супервайзера;

– Машины и другая техника между станцией ГТИ и ГК и рабочим местом супервайзера;

5. Расчет сети BitBus

5.1 Стандарты EIA RS-422A/RS-485

Большинство разработчиков систем промышленной автоматизации и сетей передачи данных в той или иной степени имеют представление о стандартах RS-422/RS-485. В самом деле, практически все компьютеры в промышленном исполнении оснащены средствами организации информационного обмена с использованием данных интерфейсов.

Современные интеллектуальные датчики и элементы управления наряду с традиционным интерфейсом RS-232-C также могут иметь в своем составе подсистему последовательного ввода-вывода информации на базе интерфейса RS-485. Программируемые логические контроллеры многих производителей в качестве средств организации территориально-распределенных систем сбора данных и управления содержат ту или иную реализацию интерфейсов RS-422/RS-485.

Несмотря на столь широкое распространение на отечественном рынке оборудования для промышленной автоматизации, имеющего в своем составе средства обмена данными, реализованные на базе стандартов EIA RS-422/RS-485, в отечественной нормативно-технической литературе отсутствуют их полноценные эквиваленты. Отчасти это можно объяснить тем, что данные стандарты фактически устанавливают требования только к электрическим характеристикам выходных каскадов передатчиков и входных каскадов приемников аппаратуры передачи данных, тогда как в имеющихся отечественных коммуникационных стандартах просматривается тенденция к охвату как можно большего количества уровней базовой модели взаимодействия открытых систем ISO. В результате информация, которой пользуются разработчики, сводится либо к отрывочным сведениям, содержащимся в документации на применяемые покупные технические средства, либо к справочным данным на приемопередатчики зарубежного производства. Следует отметить, что высокий технический уровень отечественных электронщиков и системных интеграторов в большинстве случаев обеспечивает успех разработки даже при наличии минимума нормативной информации. Однако даже после завершения приемо-сдаточных испытаний очередной системы у многих участников проекта остаются вопросы, к основным из которых можно отнести следующие:

– ограничения, относящиеся к количеству элементов оконечного оборудования сети, скорости передачи данных и максимальной протяженности линии связи;

– критерии выбора кабеля;

– реализация электрического питание и заземление аппаратуры, входящей в сеть передачи данных;

– защита аппаратуры сети от помех.

5.2 Основная конфигурация системы

Как правило, система содержит несколько приемников, несколько формирователей и согласующие резисторы. Каждый формирователь должен обеспечивать работу на 32 единицы нагрузки помимо согласующих резисторов, каждая из которых представляется совокупностью приемника и формирователя, находящегося в пассивном состоянии. Согласующие резисторы должны подключаться к линии связи в двух наиболее удаленных друг от друга местах подключения единиц нагрузки. Сопротивление каждого согласующего резистора должно совпадать с волновым сопротивлением применяемого кабеля (от 100 до 120 Ом).

Формирователи и приемники, соответствующие требованиям стандарта EIA RS-485, сохраняют работоспособность при воздействии на них синфазного напряжения в диапазоне от минус 7 до плюс 7 В (мгновенное значение). Синфазное напряжение определяется совокупностью нескомпенсированных разностей потенциалов земли приемников и формирователей, максимальным значением напряжения помех, измеренного между землей приемника и жилами кабеля, соединенными с землей на передающей стороне линии связи, а также максимальным значением напряжения смещения выходов формирователей (Uos). Если значение разности потенциалов между землями выходит за пределы допустимого диапазона, то при реализации сети на основе интерфейса RS-485 следует применять приемопередатчики с гальванической изоляцией. Один из возможных способов объединения формирователей и приемников с гальванической изоляцией показан на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Один из возможных способов объединения формирователей и приемников с гальванической изоляцией.

Разработчик системы на базе данных приемников и формирователей должен учитывать возможность возникновения ситуации, когда все формирователи окажутся переведенными в пассивное состояние. В этом случае ни один приемник не будет распознавать какого-либо устойчивого логического состояния. Если переводу всех формирователей в пассивное состояние предшествовал сеанс информационного обмена, то логическое состояние на выходе всех приемников будет соответствовать последнему принятому биту информации. Для разрешения указанной проблемы разработчиком должны быть предприняты специальные меры. В частности, приемопередатчики многих производителей оснащены цепями смещения выхода формирователя, показанными на рис. 5.2. При этом после перевода всех формирователей, входящих в состав сети, в пассивное (высокоимпедансное) состояние в линии связи будет поддерживаться уровень, соответствующий состоянию OFF (ВЫКЛЮЧЕН). Для снижения потребления тока, протекающего по цепям смещения и согласующему резистору, последовательно с согласующим резистором может быть включен конденсатор емкостью 0,1 мкФ.

Рис. 5.2. Цепь смещения выхода формирователя.

5.3 Средства объединения устройств системы

Средства объединения устройств включают в себя кабельную продукцию, соединители и согласующие резисторы и будут называться далее средствами связи. Поскольку реальная конфигурация средств связи зависит от требований, обуславливаемых конкретным приложением и не установленных стандартом EIA RS-485, далее приводится ряд указаний по выбору средств связи. Данные указания выработаны, исходя из предположения, что для подключения устройств к линии связи не применяются элементы ответвления.

Основными параметрами, определяющими критерии выбора кабеля, являются:

– скорость обмена, значение которой определяет длительность передаваемого бита информации;

– минимальный уровень сигнала на входе приемника, необходимый для распознавания передаваемых двоичных состояний;

– максимально допустимый уровень искажений сигнала;

– максимальная требуемая протяженность линии связи.

Длительность информационного бита (Tb) определяется минимально допустимым интервалом времени между переходами передаваемых двоичных состояний. Если напряжение сигнала в линии не успевает достичь уровня, соответствующего передаваемому двоичному состоянию до появления следующего перехода, указанный переход появится на входе приемника с некоторым временным сдвигом, который приводит к возникновению межсимвольных искажений. При выборе кабеля должно быть учтено отношение длительности переднего фронта к длительности информационного бита (tr/Tb) в точке подключения наиболее удаленного приемника.

Уровень сигнала, присутствующий на входе приемника, должен быть не менее его порога чувствительности. При этом минимальное значение входного напряжения должно выбираться с запасом в зависимости от интенсивности помех, воздействующих на линию связи и на приемник, допустимой вероятности появления ошибок, а также от допустимого уровня искажений сигнала на входе приемника. Для определения параметров кабеля необходимо задаться минимальным уровнем сигнала на входе самого удаленного приемника с учетом перечисленных факторов.

Искажения сигнала определяются его временным сдвигом относительно положения при передаче в идеальных условиях. Количественно искажения выражаются в процентах от полной длительности информационного бита. При выборе кабеля следует учитывать допустимый уровень искажений на входе приемника, расположенного в самой удаленной точке линии связи.

5.4 Методика выбора кабеля

1. Исходя из требуемого значения скорости обмена, вычислить длительность информационного бита по формуле:

где C -- скорость обмена.

2. Задать минимальное напряжение сигнала (U₀), которое должно присутствовать на входе самого удаленного приемника.

3. Задать максимальный допустимый уровень искажений сигнала (д, %) на входе самого удаленного приемника.

4. Задать максимальное требуемое значение длины кабеля (L, м).

5. Вычислить максимальное допустимое значение омического сопротивления кабеля длиной L по следующей формуле:

где R_l -- полное омическое сопротивление кабеля длиной L; R_c -- сопротивление согласующего резистора, равное волновому сопротивлению кабеля; U_мин -- минимальное напряжение сигнала на выходе формирователя, равное 1,5 В; U₀ -- минимальное напряжение сигнала, которое должно присутствовать на входе самого удаленного приемника.

6. Вычислить погонное сопротивление кабеля по формуле:

где r_k -- погонное сопротивление кабеля.

7. Руководствуясь справочными данными, выбрать кабель, волновое сопротивление которого равно принятому в п. 5, а погонное сопротивление -- не более вычисленного в п. 6.

8. Вычислить длительность переднего фронта импульса (время нарастания сигнала от 10% до 90% его максимального уровня), воспользовавшись параметрами выбранного кабеля:

где t_r -- длительность переднего фронта сигнала на входе самого удаленного приемника; C_k -- погонная емкость кабеля; R_экв -- эквивалентное активное сопротивление нагрузки формирователя, определяемое следующим образом:



r_k* -- погонное сопротивление выбранного кабеля; L -- максимальное требуемое значение длины кабеля; R_вх -- входное сопротивление приемника; R_c -- сопротивление согласующего резистора, равное волновому сопротивлению кабеля; n -- предполагаемое количество приемников, подключаемых к кабелю; Z_k -- волновое сопротивление кабеля.

9. Установить реальное значение уровня искажений сигнала на входе самого удаленного приемника (д*) которое определяется отношением длительности переднего фронта сигнала, рассчитанной в п. 8, к полной длительности информационного бита, значение которой установлено в п. 1, а также минимальным напряжением сигнала на входе самого удаленного приемника U0 в соответствии с графиками, приведенными на рис. 15. Если полученный уровень искажений превышает допустимый согласно п. 3, следует повторить выбор кабеля. При этом кабель должен иметь меньшие значения погонного сопротивления и погонной емкости, чем выбранный в п. 7. Если не удается выбрать кабель с лучшими параметрами, следует снизить значение скорости обмена либо сократить протяженность линии связи.

Рис. 5.3. График зависимости уровня искажений сигнала на входе приемника от минимального напряжения сигнала на его входе и от отношений длительности переднего фронта к длительности информационного бита.

Графики, приведенные на рис.5.3, построены, исходя из предположения, что формирователь имеет максимально допустимую степень асимметрии выхода, приемник обладает наихудшей допустимой чувствительностью, а фронты сигнала, распространяющегося по линии связи между самыми удаленными ее точками, имеют форму, близкую к обратной экспоненте. В реальных условиях искажения могут иметь характер, отличный от предположений, использованных при построении графиков.

В реальных условиях разработчику нередко приходится решать обратную задачу, а именно, по имеющимся техническим характеристикам приобретенных приемопередатчиков, требуемой протяженности линии связи и параметрам стандартного кабеля определять максимально возможное значение скорости передачи данных. Рассмотрим конкретный пример.

Пусть требуемая протяженность линии связи составляет 1200 м. В качестве среды обмена предполагается применить неэкранированную витую пару на основе провода МГШВ 0,35. Кроме того, используется приемопередатчик фирмы Octagon Systems типа NIM, построенный на базе интегральной микросхемы MAX1480B. Необходимо определить максимально возможное значение скорости передачи данных.

1. Исходя из предположения, что волновое сопротивление линии связи составляет около 180-200 Ом, а погонная емкость -- около 80-100 пФ/м, вычисляем длительность переднего фронта передаваемого бита информации:

Допускаемое отношение длительности переднего фронта к полной длительности передаваемого бита информации MAX1480B составляет 0,5. Таким образом, максимально возможное значение скорости передачи данных лежит в диапазоне, определяемом следующим соотношением:



Откуда следует, что: 105218 бит/c ? C_макс ? 126262 бит/c

Если в качестве среды обмена применить кабель типа 9842 фирмы Belden, волновое сопротивление которого составляет 120 Ом, а погонная емкость -- 42 пФ/м, то максимально возможное значение скорости передачи будет составлять около 37594 бит/с.

5.5 Расчет надежности

Проектируемая промышленная локальная сеть BitBus монтируется на основе готовых изделий, и время на работки на отказ берется из данных предоставляемых производителем оборудования.

Для «Сервера» и «Клиента» время наработки на отказ по часов

Для ССД и Табло по часов

Для платы BB_ISA (Micro TCX) часов

Интенсивность отказов разъемов RS-485

Общая интенсивность отказов:

Среднее время наработки системы на отказ:

часов

В рассмотренной сети в целях профилактики проводится ежедневное техническое обслуживание (ЕТО). Рассчитаем надежность работы сети между двумя ЕТО 24 часа.

Такое время безотказной работы системы считается удовлетворительным, следовательно, дополнительных мер по обеспечению надежности не требуется.

5.6 Влияние среды обмена

Разработчик системы передачи данных должен учитывать тот факт, что на качество ее функционирования могут оказывать влияние такие эффекты, как помехи, наведенные на линию связи, разность потенциалов земли в местах размещения технических средств системы, активные и реактивные потери мощности, а также отражения, которые могут иметь место при высоких скоростях обмена. Степень влияния электромагнитных помех и разности потенциалов земли зависит от условий, в которых функционирует система, и ее эффективность определяется многими факторами, в том числе сбалансированностью или симметрией, описание влияния которой приведено далее. Активные и реактивные потери зависят от качества применяемого кабеля. Отражения являются результатом внесения каждым устройством реактивных составляющих в эквивалентную нагрузку, подключенную к выходу формирователя, находящегося в активном состоянии. При этом реактивные составляющие преимущественно имеют емкостный характер.

Стандарт описывает устройства, способные функционировать в широком диапазоне скоростей обмена (до 10 Мбит/с). Разработчик системы должен учитывать, что даже при невысоких скоростях обмена, например 19,2 кбит/с, длительности переднего и заднего фронтов информационного бита могут составлять не более 10 нс, а приемники могут иметь еще более высокое быстродействие. Таким образом, если не приняты специальные меры, то даже кратковременные помехи могут привести к нарушению целостности потока передаваемых данных, в том числе при низких скоростях обмена.

5.7 Электромагнитные помехи и симметрия параметров канала связи

Устойчивость системы связи к электромагнитным помехам, возникающим в результате наличия паразитных индуктивных или емкостных связей источников помех со средой обмена, отчасти определяется степенью асимметрии (или дисбаланса) распределенных и сосредоточенных параметров линии связи относительно земли. Интенсивность помехи, действующей между двумя проводниками кабеля, как правило, будет определяться степенью асимметрии полного импеданса относительно земли, если предположить, что источник помехи имеет одинаковую паразитную связь с каждым из проводников. Рассмотрим структуру, состоящую из активного генератора, который расположен в одной из самых удаленных точек линии связи. В противоположной наиболее удаленной точке линии связи располагается несколько приемников и формирователей, пребывающих в пассивном состоянии и представленных в виде эквивалентной мостовой схемы, показанной на рис. 5.4. Поскольку формирователь в активном состоянии имеет малое выходное сопротивление, на низких частотах можно считать, что синфазная составляющая помехи прикладывается к каждому входу эквивалентной мостовой схемы приемника через сопротивление Rs/2, как показано на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Эквивалентная схема связи при воздействии синфазной помехи.

R_S -- на высоких частотах -- волновое сопротивление кабеля, на низких частотах -- полное омическое сопротивление кабеля;

Z_a, Z_b, Z_c -- полные импедансы совокупности приемников, представленных в виде мостовой эквивалентной схемы;

E_i -- напряжение помехи общего вида;

E_n -- приведенное ко входу напряжение противофазной составляющей помехи.

Для указанной эквивалентной схемы степень асимметрии определяется отношением интенсивности помехи общего вида Ei к напряжению помехи En, наведенной между проводниками кабеля на входе эквивалентной схемы приемника:



Отношение Ei/En определяется следующей формулой (промежуточные вычисления опущены):

,

где Y_x=1/Z_x, G_s=1/R_s.

Пусть Y_b - Y_a = Y_d. Кроме того, исходя из практических соображений, можно считать, что (Y_a, Y_b, Y_c) << G_s. Тогда степень асимметрии приближенно выражается следующей формулой:

Таким образом, степень асимметрии обратно пропорциональна сумме разностей полных (комплексных) проводимостей между каждой входной клеммой каждого приемника и землей и не зависит от полной синфазной проводимости входа приемника относительно земли (Y_a+Y_b). Симметрия канала наиболее существенна в области высокочастотных составляющих передаваемого сигнала, которые лежат в полосе пропускания приемника.

Разница значений емкости между каждой входной клеммой прием ника и землей, составляющая всего лишь несколько пикофарад, может привести к значительной асимметрии канала, если применяемый приемник имеет полосу пропускания порядка сотен МГц. Например, для 10 приемников, подключенных к кабелю, волновое сопротивление которого составляет 120 Ом, наличие разности емкостей между входными клеммами каждого из них и землей, равной 10 пФ, приведет к асимметрии канала на частоте 10 МГц, составляющей около 10 дБ. На более высоких частотах (например, 50 МГц) конфигурация системы будет аналогична однопроводной с общим обратным проводом, которая лежит в основе интерфейса RS-232-C. В связи с изложенным настоятельно рекомендуется использовать экранированную витую пару, что обеспечивает как симметрию линии связи, так и повышение устойчивости к электромагнитным помехам.

5.8 Дополнительные требования к реализации заземления

Для правильного функционирования цепей формирователя и приемника при обмене данными единицы оборудования системы должны иметь путь возврата сигнала между цепями заземления на приемной и передающей сторонах. Цепь заземления может быть выполнена путем непосредственного присоединения общих каждого устройства к точкам, имеющим нулевой потенциал. Указанный способ допустим только при гарантированном равенстве потенциалов земли в местах размещения единиц оборудования системы. Кроме того, цепь заземления может быть реализована при помощи дренажного проводника, который имеется внутри кабеля передачи данных, как показано на рис. 5.5. При реализации цепи сигнального заземления вторым способом соединение третьего (дренажного) проводника с сигнальным общим проводом каждого устройства должно быть выполнено через резистор небольшого сопротивления, например 100 Ом, который предназначен для ограничения блуждающих токов, когда в целях безопасности применяются другие цепи заземления.



Рис. 5.5. цепь заземления реализованая при помощи дренажного проводника.

В ряде случаев для повышения устойчивости к помехам электрического (не магнитного) характера применяется экранированный кабель передачи данных. При его использовании экран должен быть соединен с корпусом оборудования только в одной из двух наиболее удаленных точек размещения технических средств системы. Реализация второго варианта допустима только при гарантированном равенстве потенциалов земли в местах размещения единиц оборудования системы. Требования к средствам присоединения экрана кабеля стандартом EIA RS-485 не устанавливаются.

Способ реализации цепей заземления при использовании приемопередатчиков с гальванической изоляцией показан на рис. 5.1.

5.9 Конфликтные ситуации

Если к линии связи подключены два формирователя или более, то возможна ситуация их одновременного перехода в активное состояние. В случае, когда один формирователь в активном состоянии является источником, а второй -- потребителем тока, может произойти чрезмерный разогрев компонентов выходных каскадов формирователей. Подобная ситуация носит название конфликтной. Поскольку требования к системе могут предопределять возможность одновременного перехода в активное состояние более чем одного формирователя, условия испытаний согласно п.3.4.2 стандарта EIA RS-485 установлены с учетом ограничения максимальной мощности, рассеиваемой компонентами выходного каскада формирователей.

Конфликтные ситуации могут возникать по следующим причинам.

1. Включение питания системы.