Разработка интерфейса для промышленной сети

Электрический сигнал, проходя по линии передачи, ослабляется вследствие потерь на омическом сопротивлении кабеля и изменяет свою форму по причине неоднородности линии и неточного ее согласования. Поэтому существует ограничение на предельную длину кабеля, которое зависит от типа интерфейса и скорости передачи.

Повторитель (ретранслятор, репитер - Repeater) восстанавливает уровень и форму сигнала, а также позволяет согласовать ее в пределах каждого из фрагментов, ограниченных повторителями. Поэтому повторители используют для увеличения расстояния, на которое требуется передать сигнал, а также для увеличения нагрузочной способности (коэффициента разветвления) передатчика интерфейса.

Повторители интерфейса обычно имеют (не всегда) гальваническую изоляцию, поэтому их можно использовать также для деления сети на гальванически изолированные сегменты с целью защиты от помех.

Деление сети на гальванически изолированные фрагменты обеспечивает также электрическую защиту изолированных фрагментов от случайного попадания высокого напряжения в какой-либо фрагмент сети. При этом гальванически изолированные участки сети окажутся неповрежденными.

Поскольку электромагнитная волна существует только в пределах одного фрагмента сети, а в соседний фрагмент передается только восстановленный сигнал, то повторители можно использовать и для выполнения ответвлений в сети с шинной топологией (см. рисунок 2.5), поскольку длина ответвления от кабеля до повторителя всегда может быть сделана достаточно малой. При этом не возникает отражений, которые имеют место при выполнении ответвлений без повторителя.

Повторитель использует только часть 1-го уровня модели OSI. Он не изменяет способа кодирования информации, не проверяет контрольные суммы, не восстанавливает потерянные биты, а только принимает электрические сигналы с помощью стандартного для выбранной сети приемника, восстанавливает их форму и передает дальше с помощью стандартного передатчика.

Пример структуры повторителя интерфейса NL-485C фирмы НИЛ АП (www. RealLab.ru) приведен на рис. 2.46. Он состоит из двух стандартных приемопередатчиков интерфейса, микроконтроллера и стабилизатора напряжения. Гальваническая изоляция интерфейсов друг от друга и от источника питания выполняется с помощью изолирующих преобразователей напряжения (DC-DC преобразователей) и оптронов. При появлении сигнала на одном из портов микроконтроллера он автоматически ретранслирует его на второй порт, переключая его в режим передачи. Поскольку сигналы передаются без изменения временных соотношений, скорость передачи на обоих портах автоматически получается одинаковой.

Преобразователи интерфейсов могут быть без гальванической изоляции, с изоляцией каждого интерфейса отдельно (как на рисунке 7) и с изоляцией одного из двух интерфейсов. В последнем случае второй интерфейс имеет гальваническую связь с источником питания.

Согласующие резисторы внутри повторителя могут присутствовать или нет и могут отключаться микропереключателем или джампером. Перед применением повторителя нужно убедиться, имеются ли резисторы внутри корпуса преобразователя, или подключить внешние резисторы к клеммам преобразователя.

Вывод земли «GND» соединяется с экраном кабеля, но не с землей. Оплетка кабеля должна заземляется только в одной точке.

Рисунок 7 - Типовая структура повторителя интерфейсов RS-232, RS-484, RS-422 типа NL-485C

Описанные выше повторители интерфейса могут содержать несколько портов. Если появляется сигнал на любом из них, микроконтроллер ретранслирует его на все другие порты. Такие многопортовые повторители называют концентраторами или хабами (Concentrator, Hub). Они позволяют выполнить физическое разветвление сетевого кабеля или слияние нескольких кабелей в один (концентрацию) без нарушения условий согласования линии передачи. Таким образом, ограничение на длину ответвлений от шины, например RS-485, снимается с помощью концентраторов.

Концентратор устроен точно так, как повторитель интерфейсов (рисунок 7), но имеет больше портов и, соответственно, устройств для гальванической изоляции. Часто гальваническую изоляцию между портами концентратора не делают, чтобы удешевить коммерческий продукт. Это оправдано, когда концентратор используется для создания сети сложной топологии на ограниченной площади.

В сетях Ethernet при поступлении сигнала одновременно на два или более портов концентратора возникает коллизия. Поэтому Ethernet-концентраторы в настоящее время. Практически полностью вытеснены сетевыми коммутаторами, не имеющими указанной проблемы.

Преобразователь (конвертор) интерфейсов (медиаконвертор) используется для обеспечения совместимости устройств с разными интерфейсами или изменения физического способа передачи информации.

Сложность преобразователя интерфейсов существенно зависит от числа уровней модели OSI и их функций, которые должны быть реализованы в преобразователе. В простейшем случае, когда требуется преобразовать RS-232 в RS-485 и интерфейс RS-232 работает в режиме программного управления потоком данных, возможна побитовая ретрансляция сигналов без изменения протокола даже физического уровня. Однако в общем случае интерфейс RS - 232 передает параллельно 10 сигналов, в то время как RS-485 - только два (Data+ и Data-), поэтому для полного преобразования интерфейса пришлось бы делать конвертирование между параллельным и последовательным форматом данных. Кроме того, RS-232 может работать в полнодуплексном режиме, a RS-485 - только в полудуплексном (при двухпроводной схеме подключения). Поэтому в общем случае преобразование интерфейсов невозможно без изменения протокола передачи данных и специального программного обеспечения для портов ввода-вывода.

Даже если преобразование выполняется без изменения параллельной формы представления информации в последовательную, как, например, в преобразователе RS-485 - CAN, может потребоваться выполнение одним из интерфейсов специфических для конкретной сети функций канального уровня (адресация, борьба за доступ к шине, отсылка сообщений об ошибках, обеспечение достоверности передачи и др.). Преобразователи интерфейсов не используют функции уровня приложений, поскольку в этом случае они переходят в разряд межсетевых шлюзов (см. ниже).

Преобразователь RS-232 - RS-485/422. В простейшем, но наиболее распространенном случае, когда к компьютеру с портом RS-232 требуется подключить сеть на основе интерфейса RS-485, порт RS-232 используют в режиме программного управления потоком данных. При этом из 10 клемм интерфейса используются только три: TD (Transmit Data - передача данных), RD - (Receive Data - прием данных) и SG (Signal Ground - сигнальное заземление), а протокол передачи не зависит от типа интерфейса. Преобразование интерфейса сводится фактически только к побитовому преобразованию потока данных из одной электрической формы в другую, без преобразования протоколов передачи и изменения драйверов порта ввода-вывода. Структурная схема такого преобразователя показана на рисунке 8. Она отличается от схемы на рисунке 7 по сути только типом приемопередатчиков портов ввода-вывода и наличием порта RS-422 (выводы Тх+, Тх-, Rx+, Rx-) одновременно с портом RS-485 (выводы Data+, Data-).

Описанный преобразователь применяется, например, при подключении к компьютеру промышленной сети Modbus или DCON, а также отдельных устройств с интерфейсом RS-485 или RS-422.

Преобразователи интерфейса часто используют в качестве удлинителей интерфейса, т.е. для увеличения расстояния, на которое можно передать информацию. Например, для удлинения порта RS-232 можно использовать преобразователь RS-232 в RS-485, который обеспечивает дальность до 1,2 км, и на приемном конце сделать обратное преобразование из RS-485 в RS-232. Аналогично можно использовать оптоволоконный интерфейс или CAN. Однако чаще для удлинения интерфейсов используют преобразование в промежуточный нестандартный канал передачи, использующий повышенную мощность сигнала и позволяющий передавать данные на расстояние, например, до 20 км по медному кабелю.

Рисунок 8 - Типовая структура двунаправленного кабеля повторителя интерфейсов RS-232, RS-485, RS-422 типа NL-232C

Преобразователь RS-232 в оптоволоконный интерфейс. Оптоволоконный канал имеет ряд неоспоримых преимуществ, связанных с оптическим способом передачи информации:

а) большая дальность передачи: обычно до 2 км в многомодовом канале или до 20 км в одномодовом; с повторителями - до нескольких сотен километров;

б) нечувствительность к электромагнитным помехам, в том числе при разряде молнии или электростатических разрядах;

в) отсутствие аварийных ситуаций и порчи оборудования в случае коротких замыканий, отсутствие коррозии мест соединений;

г) более высокая пропускная способность (скорость передачи) или уменьшенное количество ошибок в канале при той же скорости по сравнению с медным кабелем;

д) гальваническая развязка с практически неограниченным напряжением изоляции;

е) хорошая защищенность от несанкционированного доступа: невозможно перехватить передаваемую информацию, не нарушив связь по каналу. Одномодовое оптоволокно позволяет передавать сигнал на большее расстояние, чем многомодовое, однако коннекторы и приемопередатчики, а также вся кабельная инфраструктура для многомодового оптоволокна обычно на 25…50% дешевле, чем для одномодового. Это связано с жесткими технологическими допусками на компоненты систем для одномодового волокна.

В многомодовом кабеле распространяются световые волны нескольких мод (длин волн), в одномодовом - одной длины волны. Диаметр сердцевины многомодового оптоволокна на порядок больше длины волны, поэтому технологические допуски на кабельную инфраструктуру могут быть больше и изготовление - дешевле.

Межсетевые шлюзы (Gateways) позволяют выполнять обмен данными между различными сетями. Сети могут различаться протоколами, структурами фреймов, форматами и кодированием данных. Модели OSI сетей могут быть существенно различными, поэтому в межсетевых шлюзах используются все уровни модели OSI, с 1-го по 7-й.

В структуре межсетевых шлюзов имеются два специализированных сетевых контроллера, которые реализуют полный стек протоколов обеих сетей. Для сетей CAN, Ethernet, Profibus и других со сложным стеком протоколов выпускаются специализированные микросхемы (ASIC - Application-Specific Integrated Circuit), в которых уже реализован стек протоколов. Каждый интерфейс имеет также буферную память, которая необходима для обмена данными между сетями с разной скоростью передачи данных. Это позволяет принять информацию из одной сети в соответствии с ее стеком протоколов, выделить телеграмму (обычно данные и адрес) на уровне приложений или на одном из нижележащих уровней, затем передать ее сверху вниз через другой стек протоколов в другую сеть.

Шлюзы могут быть использованы для передачи данных, например, между Modbus и Profibus, между Modbus и Ethernet.

6. Разработка интерфейса «Токовая петля» для промышленной сети управления технологическим оборудованием

Современные компьютерные технологии в промышленности способствуют широкому использованию в оборудовании микропроцессорной техники и микроконтроллеров (МК). Это позволяет решать задачу гибкого управления промышленным оборудованием через различного рода интерфейсы (см. гл. 1). Однако для этого требуются специальные коммуникационные системы, обеспечивающие надежный помехоустойчивый обмен данными между МК и промышленным оборудованием.

Как один из вариантов, может быть использован международный стандарт ISO 9141, регламентирующий взаимодействие между системой управления и, собственно, оборудованием. Данный интерфейс поддерживает режим «Токовая петля». Протокол данной шины обеспечивает двунаправленный обмен данными между электронным блоком управления оборудованием (микроконтроллером) и непосредственно оборудованием [10]. Двунаправленный обмен данными осуществляется по так называемой шине «K-line» (рис. 8).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 8 - Блок-схема системы управления промышленным оборудованием, показывающая взаимодействие электронных блоков управления (БУ1, БУ2) с оборудованием через интерфейс стандарта ISO 9141

Передаточным звеном в системе - «электронный блок управления (например МК) - оборудование», является интерфейс ISO 9141 или ISO «K-line». Данный интерфейс поддерживает две шины: двунаправленную шину «K-line», обеспечивающую последовательный двунаправленный обмен данными между микроконтроллером и промышленным оборудованием, а также шину «L-line», обеспечивающую последовательную однонаправленную передачу данных от оборудования к микроконтроллеру. При этом во всех случаях, в которых по шине «L-line» не передается информация, её состояние должно соответствовать логической «1» Инициализация адреса шины «L-line» должна осуществляться по шине «K-line».

Интерфейс стандарта ISO 9141 может быть реализован как на дискретных компонентах, так и в виде ИМС. В последнем случае преимущества очевидны: небольшая стоимость, высокая надежность, малые габариты. Функциональная схема такой ИМС, содержащей шины «K-line» и «L-line» (рисунок 9) обеспечивает обмен данными между БУ и промышленным оборудованием следующим образом: сигналы электронного блока управления поступают на вход TX интерфейса.

Рисунок 9 - Функциональная схема ИМС интерфейса стандарта ISO 9141, содержащей шины «K-line» и «L-line»

При чтении блоком управления сигналов с диагностического тестера по шине «K-line», сигналы поступают на дифференциальный усилитель ДУ2 и с его выхода через логический блок на выход RXK, с которого осуществляется чтение данных. При этом на входе TX должен присутствовать сигнал логической «1», что обеспечивает закрытое состояние транзистора выходного каскада и блокировку шины «L-line» (на выходе RXL состояние логической «1»). При подаче на вход TX сигнала логического «0», транзистор выходного каскада шины «K-line» переходит в открытое состояние и канал чтения RXK блокируется (на выходе RXK состояние логической «1»), но при этом активизируется канал чтения шины «L-line». С выхода RXL будет осуществляться чтение данных [11].

В соответствии с этой концепцией многие известные электронные компании разработали и выпускают интерфейсные ИМС, поддерживающие стандарт ISO 9141. Например, это такие ИМС как L9637 и L9613B (STMicroelectronics) [12].

Однако, в связи с тем, что в настоящее время в качестве электронных блоков управления широко применяются МК, обеспечивающие гибкую взаимосвязь с промышленным оборудованием, надобности в шине «L-line» нет, поскольку шина «K-line» исчерпывает весь необходимый объем обмена данными в режиме «Токовая петля». В соответствии с такой концепцией (рисунок 10), информация от МК подается на вход TX интерфейса. При сигнале на входе CS, соответствующем логической «1», сигналы проходят логическую схему «2И-НЕ» и далее через буферный каскад на базу мощного транзистора выходного каскада, с коллектора которого сигналы поступают на шину «K-line» [11]. При этом, как правило, обеспечивается полудуплексный режим: сигналы, поступающие на шину «K-line» одновременно через ДУ поступают на выход RX, с которого производится чтение данных, передающихся в диагностический тестер. Это обеспечивает более жесткий контроль за обменом информацией. При чтении данных с оборудования, сигналы на входах TX и CS должны соответствовать уровням логической «1», тогда данные с шины «K-line» через ДУ будут поступать на выход чтения RX.

Рисунок 10 - Функциональная схема ИМС интерфейса стандарта ISO 9141, содержащей только шину «K-line»

оптимальный алгоритм работы интерфейса ISO 9141 и более оптимальное схемотехническое построение ИМС. Поэтому в настоящий момент появились интерфейсные ИМС, содержащие только шину «K-line», это например такие ИМС как MC33290 (Motorola) [13] и TLE6258 (Infineon) [14] или отечественная ИМС К1055ХВ8Р [17].

При передаче информации на промышленное оборудование, сигнал от МК поступает на вход TX ИМС MC33290 (рисунок 11). Уровни логического «0» и логической «1» формируются триггером Шмитта [13] в соответствии с протоколом ISO/WD 14230-1 [16].

Рисунок 11 - Структурная схема ИМС MC33290 (К1055ХВ8Р)

Таблица 6.1 - Функциональное назначение выводов ИМС (рисунок 4)

Список источников

1 Таненбаум Э. Компьютерные сети. / Э. Таненбаум. - 4-е изд. - СПб.: Питер, 2003. - 992 с.

2 Industrial networks / Z. Cucej, D. Gleich, M. Kaiser, P. Planinsic // Electronics in Marine. Proceedings 46th International Symposium Elmar, 16-18 June 2004. - P. 59-66.

3 Хилл У. Руководство по технологии объединенных сетей. / У. Хилл. - 3-е изд.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильяме», 2002. - 1040 с.

4 Олифер В.Г. Основы сетей передачи данных. / В.Г. Олифер, Н.А. Олифер - М.: ИНТУ- ИТ.РУ, 2003. - 248 с.

5 Кузнецов Р.Г. Кабели для современных сетей промышленной автоматизации / Р.Г. Кузнецов // Автоматизация в промышленности. - 2005. - №8. - C37-44.

6 Анашкин А.С. Техническое и программное обеспечение распределенных систем управления. / А.С. Анашкин, Э.Д. Кадыров, В.Г. Харазов. - СПб.: Р-2, 2004. - 367 с.

7 RS-422 and RS-485 Application Note // B&B Electronics. June 2006. - 22 p.

8 TIA/EIA Telecommunications System Bulletin TSB89. Application Guidelines for Т1А/ EIA-485-A. // Telecommunications Industry Association. June 1998 - 45 p.

9 TIA/EIA standard TIA/EIA-485-A. Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems. // Telecommunications Industry Association. March 1998 - 51 p.

10 ISO 9141 - CARB Road Vehicles Diagnostic Systems. Jan. 91 - 71 p.

11 Bendel J. Driver ICs for Automotive Diagnostic Communications Meet ISO 9141 Standards / J. Bendel. Temic Semiconductors. 1996. - 245 p.

12 ICs L9637, L9613B. STMicroelectronics. 1998 - 17 p.

13 ISO K Line Serial Interface MC33290. Motorola. 2002. - 35 p.

14 Single-Wire-Transceiver TLE6258. Infineon technologies. 2001. - 43 p.

15 Алексенко А.Г. Основы микросхемотехники. / А.Г. Алексенко. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: ЮНИМЕДИАСТАЙЛ, 2002. - 448 с.

16 SO/WD 14230-1 - Road Vehicles - Diagnostic Systems - Keyword Protocol 2000 - Physical layer. 1994. - 91 p.

17 Микросхема двунаправленного последовательного интерфейса К1055ХВ8Р / А.И. Сурайкин, С.М. Прокофьев // Наука и инновации в республике Мордовия: материалы IV республиканской научно-практической конференции. ? Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2005. - С. 329-331.

Размещено на Allbest.ru