Призначення промислових протоколів передачі даних

Промислова мережа являє собою мережу передачі даних, що зв'язує різні датчики, виконавчі механізми, промислові контролери і використовується в АСУТП електромеханічних систем. Пристрої використовують мережу для: передачі даних між датчиками, контролерами і виконавчими механізмами; діагностування і віддаленої конфігурації датчиків і виконавчих механізмів; калібрування датчиків; живлення датчиків і виконавчих механізмів; зв'язків між датчиками, виконавчими механізмами.

У промислових мережах для передачі даних застосовують: електричні лінії; волоконно-оптичні лінії; безпровідний зв'язок (радіомодеми і Wi-fi). Промислові мережі можуть взаємодіяти із звичайними комп'ютерними мережами, зокрема використовувати глобальну мережу Internet.

Порівняно з підключенням периферійного устаткування до контролера окремими проводами промислова мережа має наступні переваги:
• у декілька разів знижується витрата на кабелі і їх прокладання;
• збільшується допустима відстань до датчиків, і виконавчих пристроїв;
• спрощується управління мережею датчиків і виконавчих механізмів;
• спрощується модифікація системи при зміні типа датчика, використовуваного протоколу взаємодії, додаванні пристроїв введення-виводу; дозволяють дистанційно набудовувати датчики і проводити їх діагностику.

Протокол зв'язку визначає набір правил для заданого типу комунікацій, тобто опис процесу взаємодії різних пристроїв на одному або декількома рівнями в одній системі.

Одними з найбільш уживаними протоколами в промислових мережах є RS-232, RS-485, RS-422 та інші. RS є скороченням від Recommended Standard (рекомендований стандарт). Протокол RS-232 використовує небалансний (unbalanced) сигнал, тоді як RS-422/RS-485 використовують балансний (balanced) сигнал.

Небалансний сигнал передається по незбалансованій лінії, що являє собою одиночний сигнальний і загальний провідники. Сигнальний провід використовується для передачі або приймання двійкового сигналу 1 або 0.

Навпаки, балансний сигнал передається по збалансованій лінії, яка представлена загальним провідники і парою провідників, різниця напруги між якими використовується для передачі/приймання бінарної інформації (всі разом складають екрановану виту пару). Збалансований сигнал передається швидше і далі, чим незбалансований.

Опис протоколів передачі даних RS232

Все устаткування, що сполучається по RS-232 протоколу, розділяють на DCE (Data Communication Equipment, обладнання передачі даних) і DTE (Data Terminal Equipment, термінальне обладнання), не можна з'єднати два DTE або два DCE.

Відмінність полягає в роз'ємах і розводці роз'ємів: DCE пристрої мають роз'єм DB25F, а DTE – DB25M. Так само на DTE пристроях (наприклад, на комп'ютерах, комп'ютери є DTE пристроями) інколи використовується урізана версія DB25M — DB9M. На практиці роз'єм DB25 застосовується рідко, і з 25 ліній зазвичай використовуються лише 9. Призначення ліній DB9-контактного роз'єму типа D (рис. 1) для інтерфейсу RS-232C і опис його функцій наводиться у таблиці 2.

Рис. 1. Роз'єм DB9

Рис. 2. Принцип керування напрямком передачі протоколу RS-232/485/422

Опис протоколів передачі даних RS485/RS422

RS-485/RS-422 (рис. 3) використовують екрановану виту пару, екран як сигнальну землю. Хоча сигнальна земля обов'язкова, вона не використовується для визначення логічного стану лінії.

Рис. 3. Розпайка раз'єму (призначення контактів) RS-485/422

Пристрій, що управляє збалансованою лінією, може (для RS-485 – обов'язково, для RS-422 – ні) так само мати вхідний сигнал "Enable" (дозволений), який використовується для управління вихідними терміналами пристрою. Якщо сигнал "Enable" вимкнений, то це означає, що пристрій відключений від лінії, причому відключений стан пристрою зазвичай називається "tristate" (тобто третій стан, додатково до двійкових 1 і 0).

Стандарт на RS-485 передбачає лише 32 пари передавач/приймач, але виро-бники розширили можливості RS-485 протоколу, так що тепер він підтримує від 128 до 255 пристроїв на одній лінії, а використовуючи репітери можна подовжувати RS-485/RS-422 практично до безкінечності.

Стандарт на RS-485 передбачає використання двожильної екранованої витої пари, так званий 2-wire RS-485, але можливе використання і чотирипровідної витої пари (4-wire RS-485), тоді виходить повний дуплекс – двосторонній одночасний зв’язок. У такому разі, необхідно щоб один з пристроїв був налагоджений як той, що веде (Master), а останні – як ведений (Slave). Тоді всі ведені пристрої спілкуються лише з провідним пристроєм, і ніколи не передають нічого безпосередньо один одному.

Стандарт RS-422 був придуманий для заміни RS-232 в тих випадках, коли RS-232 не задовольняє за швидкістю і дальності передачі.

RS-232 часто використовується для з'єднання з комп'ютером, який викорис-товується для керування системою.

Захист пристроїв від перенапруг у промислових лініях передачі даних

Різниця потенціалів між провідниками лінії і між лінією і "землею" приймача, як правило, не повинна виходити за межі -7...+12 В. При організації мережі на основі інтерфейсу RS-485 слід враховувати неявну присутність третього провідника – "землі". Адже всі приймачі мають живлення і "землю".

Якщо пристрої розташовані недалеко від початкового джерела живлення, то різниця потенціалів між "землями" пристроїв в мережі невелика. Але якщо пристрої знаходяться далеко один від одного і отримують місцеве живлення, то між їх "землями" може виявитися суттєва різниця потенціалів.

Можливі наслідки – вихід з ладу приймача, на¬віть всього пристрою. У таких випадках слід застосовувати гальванічну розв'язку або дренажний провід.

Гальванічна розв'язка лінії і пристроїв здійснюється або опто-розв’язкою цифрових сигналів з організацією ізольованого живлення мікросхем приймачів, або застосуванням приймачів з вбудованою гальванічною розв'язкою сигналів і живлення. Тоді разом з диференціальними провідниками прокладаються провід ізольованої "землі" (сигнальної "землі") і, можливо, провід ізольованого живлення лінії. Дренажний провід – провід, що прокладається разом з витою парою і сполучає "землі" видалених пристроїв. Через цей провід зрівнюються потенціали "земель". При включенні пристрою в лінію дренажний провід слід під’єднувати першим, а при відключенні – від’єднувати останнім. Для обмеження струму через дренажний провід його заземлюють в кожному пристрої через резистор в 100 Ом потужністю 0,5 Вт (рис. 4).

Рис. 4. Захист пристроїв від перенапруг

Захист промислових ліній передачі даних від завад

На лінії передачі даних можуть впливати різноманітні джерела електромагнітного випромінювання, які можуть негативно впливати на якість передачі даних. Тому, перед вибором маршруту прокладки кабелю лінії передачі даних рекомендовано зробити вимір рівня завад. Навіть якщо програмна корекція помилок успішно справляється із збоями, потрібно зробити все, щоб фізично знизити рівень перешкод в лінії. Корисно передбачити в програмі діагностичний режим, в якому накопичувалася б статистика збоїв (провал по контрольній сумі або тайм-ауту). Якщо збоїв надто багато, треба працювати над пошуком і усуненням їх причини. Зниження швидкості зв'язку (бодрейта) у багатьох випадках підвищує стійкість від завад.

Неякісна вита пара з асиметричними характеристиками провідників – ще одне джерело проблем. Чим менше крок витої пари (частіше перевиті дроти) – тим краще. Навіть якщо не застосовується опто-розв’язана лінія або дренаж, варто відразу провести лінію із резервною витою парою – на випадок, якщо станеться обрив першої або все ж знадобиться провести сигнальну землю.

Неякісна вита пара з асиметричними характеристиками провідників – ще одне джерело проблем. Чим менше крок витої пари (частіше перевиті дроти) – тим краще. Навіть якщо не застосовується опто-розв’язана лінія або дренаж, варто відразу провести лінію із резервною витою парою – на випадок, якщо станеться обрив першої або все ж знадобиться провести сигнальну землю.

У промислових умовах, важких в плані електромагнітного шуму, рекомендується застосовувати екранований кабель з витою парою. Екран, що охоплює провідники лінії, захищає їх від паразитних ємнісних зв'язків і зовнішніх магнітних полів. Екран слід заземляти лише в одній з крайніх точок лінії. Заземлення в декількох точках неприпустиме: через різницю потенціалів місцевих "земель" по екрану можуть протікати істотні струми, які створюватимуть наведення завад на сигнальні провідники. Деякі розробники рекомендують для захисту від радіоперешкод додатково включати в декількох місцях між екраном і заземленням спеціальні високочастотні конденсатори ємністю 1...10 нФ.

Якщо в лінію все ж потрапляють високочастотні завади, їх можна відфільтрувати індуктивними фільтрами для придушення високочастотних завад в лініях зв'язку. Вони послідовно включаються безпосередньо в лінію (рис. 5).

Рис. 5. Захист ліній передачі даних від завад

Контрольні питання

1. Опишіть з якою метою застосовуються промислові інтерфейси передачі даних?
2. Назвіть найбільш поширені промислові протоколи передачі даних.
3. Дайте характеристику інтерфейсу передачі даних RS232.
4. Дайте характеристику інтерфейсу передачі даних RS485.
5. За допомогою чого здійснюється захист пристроїв від перенапруг у лініях передачі даних?
6. Яким чином здійснюється захист ліній передачі даних від завад?

НАГОРУ