книги / Микропроцессорные средства автоматизации энергетических систем. Сети автоматизации

где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону. В некоторых зданиях оптические волокна направляют солнечный свет с крыши в какую-либо часть здания. Волоконно-оптическое освещение также используется в декоративных целях, включая коммерческую рекламу, искусство и искусственные рождественские елки.

Кроме того, оптическое волокно используется для формирования изображения. Пучок света, передаваемый оптическим волокном, иногда используется совместно с линзами (например, в эндоскопе для просмотра объектов через маленькое отверстие). Оптическое волокно также применяется при конструировании волоконного лазера.

При использовании оптоволокна основные проблемы возникают в опторазъемах. Конструктивные отличия типов опторазъемов следующие:

1.Разъемы LC и MU имеют конструкцию защелки, что обеспечивает удобную установку и подключение. Стабильность и компактность делают их идеальными для передачи сигнала высокой плотности.

2.Разъем SC имеет замковый механизм в стиле Pull and Push. Конструкция разъема стабильна и удобна в использовании. Данный вид широко распространен.

3.Разъем FC имеет резьбовое соединение, обеспечивает самую стабильную передачу сигнала и безопасное соединение даже при сильных внешних помехах.

4.В разъемах ST использован метод байонетного соединения. Связь происходит легко и безопасно, что способствует повышению стабильности передачи сигнала.

Далее рассмотрим решение проблем неисправностей при применении оптоволоконных патч-кордов. Патч-корд (от англ. patching

cord) – соединительный шнур или коммутационный кабель, одна из составных частей структурированной кабельной системы, представляет собой электрический или оптоволоконный кабель для подключения одного электрического устройства к другому или к пассивному оборудованию передачи сигнала.

111

1. Оптоволоконный патч-корд не работает после соединения.

Проблема может быть вызвана неисправностью оптического волокна. Волоконный соединительный кабель в основном состоит из опторазъемов и оптоволоконного кабеля. Оптические волокна легко ломаются от чрезмерного огибания во время использования. Сломанные оптическиеволокнавосстанавливаютсяприпомощисварочныхаппаратов.

2. Оптоволоконный соединительный кабель работает с пе-

ребоями. Данная проблема может возникнуть вследствие:

1)недостаточной мощности передачи;

2)потерь сигнала, вызванных повреждением опторазъема или адаптера;

3)слишком высокого значения затухания опторазъема (производственный брак);

4)слишком длительного использования опторазъема (возможные царапины и повреждения, а также пыль и температурные условия со временем ослабляют мощность сигнала, что может при-

вести к нарушению функционирования оптического патч-корда, в данной ситуацииопторазъемыдолжныбытьтщательноочищены);

5) использование неверного разъема.

Причина перехода на оптический кабель заключалась в необходимости увеличить длину сегмента без повторителей. Оптическое волокно передает сигналы только в одном направлении, поэтому кабель состоит минимум из двух волокон, максимум– из 256. На передающем конце оптоволоконного кабеля требуется преобразование электрического сигнала в световой, а на приемном конце – обратное преобразование. Основное преимущество этого типа кабеля– чрезвычайно высокий уровень помехозащищенности там, где требования к электромагнитному излучениюоченьвысокиилигдетребуетсяувеличенноерасстояниепри высокой скорости. Отметим и такие достоинства, как отсутствие излучения и сложность несанкционированного подключения. Скорость практическойпередачиданныхвнастоящеевремя– до40 Гбит/c.

Основные недостатки оптоволоконного кабеля – сложность его монтажа, небольшая механическая прочность и чувствительность к ионизирующим излучениям.

112

Оптоволоконные линии связи широко применяются в качестве магистральных линий связи хDSL (ADSL, HDSL и др.) в технологиях ISDN, X.25, Frame Relay, ATM и начинают широко использоваться в промышленных и локальных сетях.

Многие производители предлагают преобразователи RS-485 – оптоволокно, выполненные в виде коннекторов. Это обеспечивает очень простой метод перехода от одного метода передачи к другому.

1.8.2. Беспроводные каналы передачи данных

Беспроводные каналы передачи данных получают широкое применение. Это радиоканалы наземной (радиорелейной и сотовой) и спутниковой связи.

Радиорелейные каналы связи состоят из последовательности станций, являющихся ретрансляторами. Связь осуществляется в пределах прямой видимости, дальность между соседними станциями – до 50 км. Цифровые радиорелейные линии связи (ЦРРС) применяются в качестве региональных и местных систем связи и передачи данных, а также для связи между базовыми станциями сотовой связи.

В спутниковых системах используются антенны СВЧ-диапазона частот для приема радиосигналов от наземных станций и ретрансляции этих сигналов обратно на наземные станции. В спутниковых сетях используются три основных типа спутников, которые находятся на геостационарных, средних или низких орбитах. Спутники запускаются, как правило, группами. Удаленные друг от друга, они могут обеспечить охват почти всей поверхности Земли. Целесообразно использовать спутниковую связь для организации канала связи между станциями, расположенными на очень больших расстояниях, а также для обслуживания абонентов в самых труднодоступных точках. Пропускная способность канала высокая (несколько десятков Мбит/c).

Сотовая связь – это беспроводная телекоммуникационная система, состоящая из сети наземных базовых приемопередающих

113

станций и сотового коммутатора (или центра коммутации мобильной связи). Базовые станции подключаются к центру коммутации, который обеспечивает связь как между базовыми станциями, так и с другими телефонными сетями и с глобальной сетью Интернет. По выполняемым функциям центр коммутации аналогичен обычной АТС проводной связи. LMDS (Local Multipoint Distribution System) – это стандарт сотовых сетей беспроводной передачи информации для фиксированных абонентов. Система строится по сотовому принципу: одна базовая станция позволяет охватить район радиусом несколько километров (до 10 км) и подключить несколько тысяч абонентов. Сами базовые станции объединяются друг с другом высокоскоростными наземными каналами связи либо радиоканалами. Скорость передачи данных – 45 Мбит/c и выше.

Стандартом для WLAN является технология Wi-Fi, которая обеспечивает подключение в двух режимах: точка-точка (для подключения двух ПК) и инфраструктурное соединение (для подключения нескольких ПК к одной точке доступа). Скорость обмена данными – до 11 Mбит/с при подключении точка-точка и до 54 Мбит/с и выше при инфраструктурном соединении (табл. 1.19).

Радиоканалы передачи данных WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) аналогичны Wi-Fi. WiMAX, в отличие от традиционных технологий радиодоступа, работают и на отраженном сигнале, вне прямой видимости базовой станции. Эксперты считают, что мобильные сети WiMAX дают гораздо более интересные возможности пользователям, чем фиксированный WiMAX, предназначенный для корпоративных заказчиков. Информацию можно передавать на расстояние до 50 км со скоростью до 70 Мбит/с.

Радиоканалы передачи данных MMDS (Multichannel Multipoint Distribution System) способны обслуживать территорию в радиусе 50–60 км, при этом прямая видимость передатчика оператора является необязательной. Средняя гарантированная скорость передачи данных составляет 500 кбит/с – 1 Мбит/с, но можно и обеспечить скорость до 56 Мбит/с на один канал.

114

Таблица 1 . 1 9

Характеристика беспроводных сетей

Радиоканалы Bluetooth, ZigBee, Z-Wave – это технологии передачи данных на короткие расстояния. Они могут использоваться для создания домашних сетей. Их сравнительная характеристика представлена в табл. 1.20.

115

Таблица 1 . 2 0 Сравнение трех ведущих беспроводных технологий

*Примечание. PCF – функция координации точки доступа (один из режимов работы сети, используется в случае сети без коллизий); DCF – функция распределенной координации (один из режимов работы сети, используется для обслуживания коллизий)

1.9. ОСНОВНЫЕ КРИТЕРИИ ВЫБОРА СЕТИ

Выбрать то или иное сетевое решение как средство транспортировки данных можно благодаря следующим критериям:

1)объем передаваемых полезных данных;

2)время передачи фиксированного объема данных;

3)соответствие требованиям задач реального времени;

4)максимальная длина шины;

5)допустимое число узлов на шине;

6)помехозащищенность;

7)денежные затраты в расчете на один узел.

Часто улучшение по одному параметру может привести к снижениюкачестваподругому, т.е. привыборетогоилииногопротокольного решениянеобходимоследоватьпринципуразумнойдостаточности.

116

В зависимости от области применения весь спектр промышленных сетей в 1990-е годы делили на два уровня:

1)контроллерные сети (field level): промышленные сети этого уровня решают задачи по управлению процессом производства, сбором и обработкой данных на уровне промышленных контроллеров;

2)сенсорные сети (sensor/actuator level), или сети низовой ав-

томатики: задачи сетей этого уровня сводятся к опросу датчиков и управлению работой разнообразных исполнительных механизмов.

Критерии отнесения сети к той или другой группе предложены в табл. 1.21.

Таблица 1 . 2 1

Сравнительная характеристика промышленных сетей двух типов: Fieldbus и Sensorbus

На сегодняшний день спектр сетей для обоих классов довольно широк и со временем меняется (рис. 1.29, 1.30).

Однако в настоящее время такое деление почти не применяется. Типичные сети низовой автоматики (HART, ASI, Modbus, Interbus-S, DeviceNet), как правило, являются составляющими промышленных платформ: CAN (Ethernet Powerlink, DeviсeNet, CAL, CANopen, SDS, SAEJ1939), Profinet (Profibus FMS/DP/PA, ASI), NetLinx (Ethernet/IP, DeviceNet, ControlNet), Foundation Fieldbus (Н1 + HSE) и др. Во всех платформах реализуются выход в Internet, беспроводные линии связи. На контроллерном уровне начинают широко применяться сети Indus-

trial Ethernet.

В связи с этим главное – изучить общие принципы построения сетей и особенности исполнения отдельных платформ.

117

ГЛАВА 2

ETHERNET И СТЕК ПРОТОКОЛОВ ТСР/IP КАК БАЗА ДЛЯ СЕТЕЙ АВТОМАТИЗАЦИИ ВЕРХНЕГО УРОВНЯ

2.1.РАЗВИТИЕ ETHERNET

В1980 году группа компаний DEC, Intel и Xerox опубликовала так называемый стандарт DIX, который вывел Ethernet из стадии

экспериментов и полностью специфицировал как открытую 10-мегабитную (10 Мбит/с) систему. Ethernet стандартизирован IEEE в 1985 году под номером 802.3 как стандарт для локальных сетей (LAN). С течением времени было внедрено множество расширений данного стандарта, особенно в отношении скорости обмена данными и конструкций кабелей. Сети в соответствии с исходным стандартом Ethernet 10BASE-5 были известны как thicknet («толстые» сети– сети сиспользованием кабеля большого диаметра). Вслед за thicknet появились сети стандарта 10BASE-2 – thinnet («тонкие» сети). Для сети стандарта 10BASE-2 использовался значительно более тонкий и дешевый коаксиальный провод. Кабель 10BASE-2 до сих пор встречается вдомашних сетях или в старых офисах. Триумф витой пары начался в1990 годусостандарта10BASE-T.

История Fast Ethernet началась в июне 1993 года. Более 50 производителей объединились в союз Fast Ethernet Alliance с общей целью спецификации 100-мегабитного (100 Мбит/с) стандарта Ethernet. Эта цель была достигнута в июне 1995 годаспринятиемстандартаFast Ethernet IEEE 802.3u (100BASE-T) для передачи данных со скоростью

100 Мбит/с по кабелю типа «витая пара». В1995 году был принят стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с, и появилась возможность работы в режиме «полный дуплекс». В 1997 году был принят стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet со скоростью 1000 Мбит/с для передачи по оптическому волокну и еще через два

119

года– дляпередачиповитой паре. В1999 году был сделанследующий шаг– стандартизациягигабитногостандарта Ethernet (Gigabit Ethernet), вслед за которым в 2001 году появился стандарт IEEE 802.3ae для

10-гигабитного Ethernet (10-Gigabit Ethernet). Тем временем стандарт

Ethernet занял первое место в локальных сетях, его доля постоянно росла, составивк2005 годуужеболее80 % вовсеммире.

Согласно наблюдениям группы 802.3ba требования к полосе пропускания для вычислительных задач и приложений ядра сети растут с разной скоростью, что определяет необходимость двух соответствующих стандартов для следующих поколений Ethernet: 40 Gigabit Ethernet (или 40GbE) и 100 Gigabit Ethernet (или 100GbE).

В настоящее время серверы, высокопроизводительные вычислительные кластеры, блэйд-системы, SAN и NAS используют технологии 1GbE, 10GbE и 40GbE. В частности, в филиале ОАО «Ростелеком» в Пермском крае уже несколько лет используют коммутато-

ры 40GbE фирмы Cisco.

Почему такое внимание уделяется стандартам Ethernet, которые действуют только на первом и втором уровнях семиуровневой модели ISO/OSI? Прежде всего потому, что:

1)скорость передачи данных определяется преимущественно этими уровнями;

2)аппаратные и программные компоненты сетей (сетевые карты, коммутаторы, маршрутизаторы и др.) стандартизированы под 10/100/1000/10000/40000-мегабитные семейства Ethernet и до-

минируют в сетевых технологиях;

3) технологии Industrial Ethernet начинают широко применяться не только в офисах и WAN-среде, но и на контроллерном и операторском уровнях промышленных СА.

2.2. СТАНДАРТНЫЙ ФРЕЙМ ETHERNET

Ethernet – это сеть для обмена данными с разделением данных на пакеты. Это означает, что данные, которые должны быть переданы, разделяются на мелкие блоки, называемые пакетами,

120