книги / Микропроцессорные средства автоматизации энергетических систем. Сети автоматизации

Рис. 1.25. Стандарты физического уровня

ISA/ANSI S50.02 и IEC DIS 61158

Выходной сигнал кодируется с использованием манчестерской L-двухфазовой технологии. Приемник сигналов интерпретирует положительный переход в средней части периода прохождения бита как логический ноль, а отрицательный переход – как логическую единицу. Сигнал называется синхронно-последовательным,

101

потому что информация о синхронизации вложена в последовательный поток данных (рис. 1.26, 1.27). В каждом сообщении (формате посылки) присутствуют преамбула, начальный и конечный ограничители. Преамбулу приемник использует для синхронизации своего внутреннего тактового сигнала с входящим сигналом Fieldbus (см. рис. 1.26, 1.27). В начальном и конечном ограничителях присутствуют специальные коды N+ и N–. Следует отметить, сигналы N+ и N– не передаются в средней части периода прохождения бита. Приемник использует начальный ограничитель для поиска начала сообщения. После обнаружения начального ограничителя приемник принимает данные до получения конечного ограничителя.

Рис. 1.26. Кодирование информации на физическом уровне

Рис. 1.27. Кодирование специальных символов

102

Передающие устройства подают сигнал 10 мА со скоростью 31,25 кбит/с на эквивалентную нагрузку 50 Ом для создания амплитуды сигнала 1 В, модулированного в верхней части постоянного напряжения питания.

Постоянное напряжение питания может принимать значение в диапазоне от 9 до 32 В. Однако для искробезопасного применения допустимое напряжение питания зависит от параметров барьера искрозащиты.

Устройства со скоростью обмена 31,25 кбит/с могут получать питание непосредственно по полевой шине Fieldbus и работать с использованием кабельных соединений, ранее применявшихся для устройств 4–20 мА.

Кроме того, полевая шина Fieldbus со скоростью обмена 31,25 кбит/с может обеспечивать искробезопасность при работе с устройствами, получающими питание по шине. Для достижения этого между источником питания в безопасной зоне и искробезопасным устройством в опасной зоне должен быть установлен барьер искрозащиты.

Полевая шина Fieldbus 31,25 кбит/с позволяет делать ответвления от магистрального кабеля (рис. 1.28).

Рис. 1.28. Шина Fieldbus в технологии Foundation

Длина полевой шины определяется скоростью обмена данными, типом кабеля, сечением провода, энергопотреблением устройств и необходимостью искрозащиты цепи.

103

1.8. СРЕДЫ ПЕРЕДАЧИ

Кроме типа физического интерфейса, при построении промышленной сети не менее важно учитывать особенности и ограничения физической среды передачи данных. На скорость и объем передаваемой информации естественным образом влияет среда передачи. В табл. 1.17 приведены оценочные данные, сравнивающие основные типы сред передачи по ряду критериев.

Таблица 1 . 1 7

Сравнительные характеристики различных сред передачи данных

Физическая среда передачи данных может представлять собой проводные линии связи, кабель «витая пара», коаксиальный, воло- конно-оптический кабели, окружающее пространство.

Ее можно разделить:

♦на проводные линии связи без изолирующих и экранирующих оплеток;

♦кабельные, где для передачи сигналов используются такие линии связи, как кабели «витая пара», коаксиальные или оптоволоконные кабели;

♦беспроводные (радиоканалы наземной и спутниковой связи), использующие для передачи сигналов электромагнитные волны, которые распространяются по эфиру.

104

Проводные линии связи используются для передачи телефонных и телеграфных сигналов, а также для передачи компьютерных данных с использованием аналоговых модемов. По проводным линиям связи могут быть организованы аналоговые и цифровые каналы передачи данных. Скорость передачи по проводным линиям простой старой телефонной линии (POST – Primitive Old Telephone System) является очень низкой. Кроме того, к недостаткам этих линий относятся малая помехозащищенность и возможность простого несанкционированного подключения к сети.

Кабельные линии связи имеют довольно сложную структуру. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции. В компьютерных сетях используются три типа кабелей.

Коаксиальный кабель (coaxial cable) – это кабель с централь-

ным медным проводом, который окружен слоем изолирующего материала для того, чтобы отделить центральный проводник от внешнего проводящего экрана (медной оплетки или слоя алюминиевой фольги). Внешний проводящий экран кабеля покрывается изоляцией. Существуют два типа коаксиального кабеля: тонкий коаксиальный кабель диаметром 5 мм и толстый коаксиальный кабель диаметром 10 мм. У толстого коаксиального кабеля затухание меньше, чем у тонкого. Стоимость коаксиального кабеля выше стоимости витой пары, выполнение монтажа сети сложнее, чем при использовании витой пары. Коаксиальный кабель применялся, например, в ЛВС с архитектурой Ethernet (стандарт IEEE 802.3), построенных по топологии «общая шина». Коаксиальный кабель более помехозащищенный, чем витая пара, и снижает собственное излучение. Пропускная способность – 50–100 Мбит/с. Допустимая длина линии связи – несколько километров. Несанкционированное подключение к коаксиальному кабелю сложнее, чем к витой паре. Применение коаксиального кабеля в настоящее время снижается и вытесняется витой парой.

Витая пара (ТР) имеет существенные преимущества по сравнению с коаксиальным кабелем, а именно:

♦ возможность работы в дуплексном режиме;

105

♦простота монтажа;

♦самый дешевый вид связи;

♦минимально допустимый радиус изгиба меньше;

♦большая помехозащищенность из-за использования дифференциального сигнала;

♦возможность питания по кабелю маломощных узлов, на-

пример IP-телефонов (стандарт Power Over Ethernet, POE).

В связи с этим ТР – самый распространенный вид связи в сетевых технологиях. Выше для интерфейса RS-485 уже было рекомендовано использовать витую пару с волновым сопротивлением 120 Ом. Наибольшее применение витая пара нашла для стандартов Ethernet. Ethernet-кабели сгруппированы в последовательно прону-

мерованные категории (Cat), основанные на разных спецификациях (3, 5, 5e, 6, 6a, 7, 7+). При увеличении номера категории возрастает частота, на которой работает кабель. Категория 5 была пересмотрена и заменена категорией 5 Enhanced (Cat-5e) с более жестким стандартом относительно перекрестных помех. Категория 6 была заме-

нена на Augmented Category 6 (Cat-6a) с рабочей частотой 500 МГц

(250 МГц у Cat-6). Характеристики кабелей 7 и 7+ представлены в табл. 1.18.

Таблица 1 . 1 8 Характеристика Ethernet-кабелей категорий 7 и 7+

Два главных физических различия между кабелями – это количество витков витой пары на единицу длины и толщина оплетки. Свивание проводников было изобретено Грэхемом Беллом в 1881 году, когда он впервые применил эту технику к телефонным проводам, пролегающим вдоль линий электропередач. Уче-

106

ный обнаружил, что при свивании кабеля через каждые 3–4 столба значительно уменьшаются помехи, а дальность передачи сигнала возрастает.

Длина витка не стандартизирована. Обычно у категории Cat-5e – 1,5–2 витка на 1 см, а у категории Cat-6 количество витков больше 2. Внутри одного кабеля каждая цветная пара также обладает различной длиной витка, основанной на простых числах. Длины витков подобраны таким образом, чтобы два различных витка никогда не совпадали. Количествовитковв каждойцветнойпареразное.

Во многих кабелях категории Cat-6 имеется нейлоновая нить, которая упрощает разделку кабеля и увеличивает его прочность. Более толстая оплетка защищает от близких и внешних перекрестных наводок, влияние которых возрастает с увеличением частоты.

Для борьбы с помехами применяют экранирование. Неэкранированная витая пара UTP подойдет для прокладки кабеля от стены до компьютера, но при прокладке в зонах с высокими помехами желательно воспользоваться экранированным кабелем STP. Обычно делают экран из фольги вокруг каждой пары. Это защищает от взаимных помех между парами внутри кабеля. Некоторые производители дополнительно защищают проводники от внешних перекрестных наводок, добавляя внешний экран, например screened STP cable (S/STP).

Несмотря на то что теоретически возможно подключение к одному кабелю (сегменту) витой пары более чем двух устройств, работающих в симплексном режиме, такая схема никогда не применяется для Ethernet, в отличие от работы с коаксиальным кабелем. В связи с этим все сети на витой паре используют топологию «звезда», в то время как сети на коаксиальном кабеле построены по топологии «шина». Терминаторы для работы по витой паре встроены в каждое устройство, и применять дополнительные внешние терминаторы в линии не нужно.

Кабель подключается к сетевым устройствам при помощи соединителя RJ-45. Витая пара обычно используется для связи на рас-

107

стояние не более нескольких сотен метров. К недостаткам кабеля «витая пара» можно отнести возможность простого несанкционированного подключения к сети.

1.8.1. Кабельные оптоволоконные каналы связи

Оптическое волокно– нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения. Кабели на базе оптических волокон используются в волоконно-оптической связи, позволяющей передавать информацию на большие́ расстояния с более высокой скоростью передачи данных, чем в электронных средствах связи. В ряде случаев они также используются при создании датчиков. В 1962 году были созданы полупроводниковый лазер и фотодиод, используемые какисточникиприемникоптическогосигнала.

К 1970 году компании Corning удалось наладить коммерческое производство волокна с низким затуханием – до 17 дБ/км, через пару лет – до 4 дБ/км. Волокно являлось многомодовым, и по нему передавалось несколько мод света. К 1983 году был освоен выпуск одномодовых волокон, по которым передавалась одна мода. Крупнейшие производители оптических волокон – Corning, OFS (Furukawa Electric Co.), Sumitomo, Fujikura, Draka и др. В России оптические волокна выпускаются на предприятиях «Оптиковолоконные системы» (г. Саранск), ОАО «ПНППК» (г. Пермь).

Стеклянные оптические волокна делаются из кварцевого стекла, но для дальнего инфракрасного диапазона могут использоваться другие материалы, такие как фторцирконат, фторалюминат и халькогенидные стекла. Как и другие стекла, эти имеют показатель преломления около 1,5.

В настоящее время развивается применение пластиковых оптических волокон. Сердечник в таком волокне изготовляют из полиметилметакрилата (PMMA), а оболочку – из фторированных PMMA (фторполимеров).

Оптическое волокно, как правило, имеет круглое сечение и состоит из двух частей сердцевины и оболочки. Для обеспечения полно-

108

го внутреннего отражения абсолютный показатель преломления сердцевины несколько выше показателя преломления оболочки. Сердцевина изготавливается из чистого материала (стекла или пластика) иимеет диаметр 9 (7–9 для одномодового волокна), 50 (Европа) или 62,5 мкм (США, Япония– для многомодового волокна). Оболочка имеет диаметр 125 мкм и состоит из материала с легирующими добавками, изменяющими показатель преломления. Например, если показатель преломления оболочки равен 1,474, то показатель преломления сердцевины– 1,479. Луч света, направленный в сердцевину, будет распространятьсяпоней, многократноотражаясьотоболочки.

Все оптические волокна, используемые в телекоммуникациях, как правило, имеют диаметр 125 ± 1 микрон. Диаметр сердцевины может отличаться в зависимости от типа волокна и национальных стандартов. Вследствие большого диаметра сердцевины по многомодовому волокну распространяется несколько мод излучения (каждая под своим углом), в результате чего импульс света испытывает дисперсионные искажения и из прямоугольного превращается в колоколоподобный.

Полимерные (пластиковые) волокна производят диаметром 50; 62,5; 120 и 980 мкм и с оболочкой диаметром 490 и 1000 мкм.

Основное применение оптические волокна находят в качестве среды передачи на волоконно-оптических телекоммуникационных сетях различных уровней – от межконтинентальных магистралей до домашних компьютерных сетей. Применение оптических волокон для линий связи обусловлено тем, что оптическое волокно обеспечивает высокую защищенность от несанкционированного доступа, низкое затухание сигнала при передаче информации на большие расстояния и возможность оперировать чрезвычайно высокими скоростями передачи. Уже к 2006 году была достигнута частота модуляции 111 ГГц, в то время как скорости 10 и 40 Гбит/с стали уже стандартными скоростями передачи по одному каналу оптического волокна. При этом каждое волокно, используя технологию спектрального уплотнения каналов, может передавать до нескольких сотен каналов одновременно, обеспечивая общую скорость пе-

109

редачи информации, исчисляемую в терабитах в секунду. Так, к 2008 году была достигнута скорость 10,72 Тбит/с, а к 2012 году – 20 Тбит/с. Последний рекорд скорости – 255 Тбит/с.

Оптическое волокно может быть использовано как датчик для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии дают волоконно-оптическим датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определенных областях.

Оптическое волокно используется в гидрофонах в сейсмических или гидролокационных приборах. Созданы системы с гидрофонами, в которых на волоконный кабель приходится более 100 датчиков. Системы с гидрофоновыми датчиками используются в нефтедобывающей промышленности, а также на флоте некоторых стран. Немецкая компания Sennheiser разработала лазерный микрофон, основными элементами которого являются лазерный излучатель, отражающая мембрана и оптическое волокно.

Волоконно-оптические датчики, измеряющие температуру и давление, разработаны для применения на нефтяных скважинах. Они хорошо подходят для работы в среде с температурой, слишком высокой для полупроводниковых датчиков.

С использованием полимерных оптических волокон создаются новые химические датчики (сенсоры), которые нашли широкое применение в экологии, например для детектирования аммония в водных средах.

Разработаны устройства дуговой защиты с волоконно-опти- ческими датчиками, основными преимуществами которых перед традиционными устройствами дуговой защиты являются высокое быстродействие, нечувствительность к электромагнитным помехам, гибкость и легкость монтажа, диэлектрические свойства.

Оптическое волокно применяется в лазерном гироскопе, специальные оптические волокна используются в интерферометрических датчиках магнитного поля и электрического тока.

Оптические волокна широко используются для освещения. Они применяются как световоды в медицинских и других целях,

110