Архітектура промислової мережі BitBus

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Введення

Будь-яка сучасна система управління складається з двох компонентів: комп'ютера і системи зв'язку. Будь-який з них може переважати в залежності від конкретних функцій, але обидва існують в тій чи іншій мірі. Існують системи для будівель, заводів, лікарень, залізниць, кораблів, автодоріг, квартир і т.д. По шляху проходження електроенергії від електростанції до підстанцій, розподільчих трансформаторів, годує будинку і підприємства, існує керуюча система, що використовує комп'ютери. У лікарні за пацієнтом спостерігають за допомогою моніторів, діагностичного та лікувального обладнання, підключеного до комп'ютерної мережі. Супутники теж мають свою управляючу систему, де комп'ютери зберігають і обробляють інформацію. Кількість датчиків і електроприводів в керуючих системах зазвичай становить від десятків до сотень тисяч одиниць. Зазвичай, кожне керований пристрій має 2-3 порту введення / виводу. У таких системах кількість вузлів (датчиків і електроприводів) значно більше, ніж керуючих комп'ютерів, і всі вони повинні бути забезпечені зв'язком.

В даний час технології мереж управління відстають від передових комп'ютерних рішень приблизно на десять років. Основним напрямком розвитку є поліпшення зв'язків усередині розподілених систем. На перший погляд, вимоги до систем контролю, що працюють у різних областях мають бути також різні. Але, виявляється, подібно комп'ютерам, встановленим на різних підприємствах, в офісах або вдома, системи контролю виконують схожі функції. Також схожі і вимоги до адресації, надійності, розміру пакетів і ін Звичайно існують і відмінності в типах роз'ємів і кабелів, встановлення та управлінні.

  1. Огляд мережних технологій контролю

    1. Визначення вимог до систем управління

Існують загальні функції систем для роботи в будь-якому середовищі і існують унікальні, тобто властиві кожному конкретного використання.

Вимоги до системи можна розділити на сім напрямків:

  1. Розмір системи і взаємопов'язаність складових її частин

  2. Надійність системи

  3. Гнучкість системи

  4. Продуктивність системи

  5. Системна інтеграція

  6. Установка, обслуговування і діагностика

  7. Витрати протягом життєвого циклу

Всі ці пункти і напрямки повинні визначатися в контексті конкретної системи з метою отримання правильних результатів.

    1. Розмір системи і взаємопов'язаність складових її частин

Розмір системи і її поділ на підсистеми обумовлює адресний простір, (кількість окремо адресованих вузлів системи) його розподіл між підсистемами, що позначається на зручності використання та продуктивності системи. Зазвичай один агрегат або машина містить 10 - 100 адресованих елементів. Підсистема може містити 10 - 32000 вузлів і в системі може існувати більше 100 підсистем. Можна організувати систему за ієрархічним принципом, і обходиться на кожному рівні невеликим адресним простором, але такі системи вже застаріли, оскільки однорівнева архітектура має кращі характеристики. У разі використання однорівневої архітектури сегментація здійснюється логічно. З цією метою застосовуються маршрутизатори мережевого рівня. Усередині однорівневої архітектури гнучка система адресації дозволяє використовувати короткі адреси в невеликих системах і найдовші в системах контролю великих підприємств, офісних будівель і транспортних об'єднань.

    1. Надійність системи

Завдання, яке вирішується системою

Застосовуване рішення.

Надійна передача повідомлень, контроль цілісності

  • N-кратна передача повідомлення без підтвердження.

  • Передача повідомлень одноадресних, мультіадресних, циркулярних з отриманням підтвердження від кожного (а не будь-якого) адресується вузла.

  • Перевірочна циклічна контрольна сума.

  • Механізм запит-відповідь для підтвердження успіху прийому.

Система автентифікації відправника повідомлень.

Захист від збоїв

  • Надмірність за рахунок дублювання вузлів, ліній, мереж.

  • Кільцеві топологія для збереження зв'язку при локалізованому обриві.

Ізоляція збійних ділянок і відновлення.

  • Застосування маршрутизаторів і кільцевої топології

  • Автоматична ідентифікація збійного вузла.

Дистанційне керування за допомогою віддалених команд процесом ізоляції і відключення вузлів.

Таблиця 1.1.

На перший погляд здається, що наявність механізму передачі повідомлень без підтвердження прийому негативно впливає на надійність системи, але насправді це не так. У випадку якщо необхідно передати повідомлення великій кількості пристроїв одночасно, їх підтвердження отримання викличуть призупинення передачі інших повідомлень, до того ж, багато вузли не мають пристроїв зворотного зв'язку. Очікування підтвердження може створювати стану очікування в системі. Звичайно, ніхто не сперечається, що тотальне застосування цього механізму зниже загальну надійність системи.

У випадках підвищених вимог до надійності системи застосовується механізм обов'язкового підтвердження. Функція підтвердження прийому підвищує надійність системи. Множинні підтвердження дозволяють отримати підтвердження від великої кількості вузлів. Однак, слід враховувати, що цей механізм висуває підвищені вимоги до протоколу і його реалізації.

Аутентифікація відправника повідомлень необхідна для захисту від несанкціонованого доступу. Ця функція існує майже у всіх системах управління: від домашньої до промислової.

Захист від збоїв може здійснюватися за допомогою додаткових трансіверов, вузлів, ліній або навіть мереж. Кільцеві ділянки топології представляють прекрасну захист проти всіляких обривів кабелю. Таким чином підстраховуються від широкого кола інцидентів від втрати кабелю в розподільних щитах до випадкової обрізки кабелю під час профілактичних робіт електриків. Однак це вимагає додаткових можливостей, як від трансіверов, так і від архітектури всієї системи. Для перших необхідна підтримка швидкого гасіння сигналу при досягненні ним кінця шляху, для другого потрібна система ідентифікації та знищення дублікатну пакетів.

    1. Гнучкість системи

Необхідність розширення системи під час її роботи залежить від конкретної області застосування. Керуюча система автомобіля навряд чи потребує розширення (якщо звичайно Вам особисто цього не захочеться). З іншого боку, потокова лінія обов'язково перенастроюється і забезпечується додатковими, часом загадковими, датчиками при кожному переході на нову модель продукції. Системи контролю будівель або підприємств потребують розширення кілька разів протягом життєвого циклу. У разі якщо підприємство освоює нову продукцію або розширює виробництво, існуючі датчики або замінюються, або доповнюються більш точними. Ось тут то і виникає необхідність гнучкості наращиваемости довжини ліній (проводів або бездротових каналів) а так само вільної топології. Можливість тягнути дріт від найближчої доступною точки без оглядки на обмеження топології і можливість додавання додаткових репітерів в міру необхідності сильно подовжує термін служби Вашої керуючої мережі. Однак для цього потрібна наявність енергонезалежній пам'яті в кожному вузлі мережі і наявність як локальної (на самому сайті) так і віддаленої процедур додавання нового пристрою в протоколі управління пристроями. Ці процедури повинні бути визначені недвозначно, ясно і чітко і бути безпомилково реалізовані так щоб всілякі вузли та прилади могли взаємодіяти між собою.

Завдання, яке вирішується системою

Застосовуване рішення

Розширення системи,

Зміни

  • Достатня кількість вільних адрес.

  • Можливість легкого розширення.

  • Вільна топологія підключення, безпровідний зв'язок.

Легке підключення / відключення пристроїв (фізично і логічно).

Таблиця 1.2.

    1. Продуктивність системи

Продуктивність системи в цілому залежить від багатьох факторів. Ось деякі з них.

  • Максимально можлива швидкість передачі.

Цей параметр безпосередньо впливає на час проходження пакету в лінії. Наприклад, для 100-бітового пакета час проходження становить 0,1 мікросекунди при швидкості 1Mbps і 1 мілісекунду при швидкості 100Kbps. Дуже корисна можливість варіювати швидкість передачі в широких межах, від декількох кілобіт на секунду до мегабайта в секунду. Обдуманий вибір швидкості передачі - найбільш бажаний спосіб оптимізації співвідношення ціна / продуктивність для трансіверов, середовища передачі і мереж зв'язку.

  • Схема доступу до середовища передачі.

Демократичний доступ до середовища передачі для всіх при мінімальній кількості вузлів ідентифікації - вкрай необхідний для запобігання виникненню патологічної ситуації для вузлів з ​​низьким пріоритетом. При недемократичною схемою доступу, коли пріоритет є єдиним критерієм доступу до мережі, вузли з низьким пріоритетом можуть бути повністю задавлені більш балакучими. Це може знизити їх продуктивність до неприйнятного рівня. У світі PLC контролерів (Programmable Logical Controller), який найбільш "посунуть" у бік "детермінізму" і де доступ до середовища можливий лише у фіксовані проміжки часу, схема з мультиплексированной шиною керованої пріоритетами найменш прийнятна.

  • Максимальний розмір пакету.

Це безпосередньо визначає число пакетів і, отже, час, необхідний для завершення транзакції. У наведеній нижче таблиці представлена ​​інформація про довжину пакету в різних областях застосування.



Дискретні датчики

Фотоелектричні датчики

Датчики наближення

Дискретні активатори

Контактори

Стартери електродвигунів

Кнопки

Соленоїди



Аналогові / складні датчики

LVDT

Датчик деформацій

Вимірювач потоку (наприклад газовий лічильник)

Термопара / термістор

Датчик тиску

Аналогові активатори

Позиціонер

Електроклапан

Електродвигун з регульованим числом обертів


Інструменти

Лічильник частинок

Вимірювач кислотності

Хроматограф

Інтерферометр

Інтелектуальні активатори

Одиночний петлевий контролер

Інтелектуальний контролер електродвигуна

Інші аналогові ланцюги вводу / виводу потужністю 4-20ma



Пристрої, що обробляють інтенсивний потік даних

Екран виведення повідомлень

Реєстратори даних

Складні пристрої введення / виводу

Пристрої поблочної вводу / виводу

Сканери Полоскова коду

Сканери лінії

Машинне зір

RF ID Tags



Супервизорного контролери

Промислові

Комп'ютери типу PC, VME, SDT-32

Станції SCADA

Консоль оператора

Порт RS-232

1-4 байти на пакет

2-10 байт на пакет

5-25 байт на пакет

10-250 байт на пакет

1-1000 і більше байт на пакет

Таблиця 1.3.

Практично всі системи, навіть такі дорогі як системи освітлення або розрізнені виробничі системи з великою кількістю цифрових датчиків, містять аналогові або складні (analog / complex) датчики та активатори (приводи). І ці датчики вимагають підтримки пакетів розміром 4-25 біт для звичайних даних і кілька довших пакетів для передачі калібрувальних даних. Більше того, ніж пристрій інтелектуальної, тим довжина пакету більше. Вже на сьогоднішній день характерний розмір переданих даних становить 30 байт, а в найближчі кілька років обіцяє вирости до 50 і більше байт.

Загалом, можна виділити дві основні вимоги:

  • як можна більший максимальний розмір пакета;

  • можливість варіювати довжину пакета від нуля до максимального.

На наступних двох малюнках проілюстровано відмінність між єдиною мережею, що підтримує передачу пакетів різної довжини (малюнок 1.1.), І об'єднанням декількох мереж, кожна з яких підтримує передачу пакетів тільки фіксованої довжини (рисунок 1.2.). Метод передачі великих пакетів шляхом розбиття в кілька маленьких (фрагментація) краще використовувати як допоміжний, хоча він дозволяє підвищити продуктивність. Цілком очевидно, що єдина мережа, що підтримує пакети різної довжини без використання фрагментації, найбільш краща.


Малюнок 1.1. Єдина мережа, що підтримує передачу пакетів різної довжини.



Малюнок 1.2. Об'єднання декількох мереж, кожна з яких підтримує передачу пакетів тільки фіксованої довжини.

  • По-подієве оновлення показань датчиків.

Режим сканування або опитування змін найбільше відповідає природній поведінці датчиків, які виробляють виміру тільки при звершенні деякої події, а не в строго певні моменти часу. Більше того, процес вимірювання (наприклад, в аналого-цифровому перетворювачі) повинен бути завершений якнайшвидше, і система, за якої моменти завершення вимірювань відбуваються в строго певні періодичні моменти часу, не найоптимальніша. По-подієва система вимагає наявності по-подієвого планувальника на кінцевих пристроях, однорівневого доступу до мережі та існування приймає вузла, який має комунікаційні та обчислювальні ресурси для обробки вступників значень, якщо таке потрібно. Це тягне за собою відповідні зміни архітектури кожного елемента керуючої ланцюга.

Така архітектура дозволяє зв'язуватися пристроїв прямо через мережу управління. Це робить непотрібним центральний контролер, що є вузьким місцем усієї системи. Як було відмічено раніше, центральний контролер - просто історичний артефакт тих часів, коли обчислювальні потужності були зосереджені у великих центральних машинах. З приходом недорогих НВІС з достатніми обчислювальними ресурсами, така архітектура стала повністю вимираючої та непотрібною. Незалежно від демократичного однорівневого доступу до середовища передачі і по-подієвого поновлення показань датчиків, однорівнева система також вимагає достатньої інтелектуальності для датчиків і активаторів (особливо для активаторів) для забезпечення прямого виконання керуючого алгоритму (і виробництва необхідних дій) замість очікування керуючої команди від центрального котроллер , що виробляється на основі обробки даних від датчиків.

Багаторазово повторювані переривання прикладного процесора на обробку приходять пакетів або інших комунікаційних завдань негативно впливають на продуктивність в обох випадках. Вони також впливають на надійність вузла і системи в цілому. Нехай зайнятий канал послав десять пакетів з інтервалом 100 мікросекунд при розмірі пакета 100 біт і швидкості 1 мегабіт в секунду і чекає підтвердження прийому кожного пакета. На обробку переривання, що виникає при прийомі пакету, процесор витрачає не менше 25 мікросекунд і в підсумку додатком може не вистачити часу на сортування приходять пакетів, здійснення процесу вводу / виводу, виконання локальних обчислень і генерацію пакетів з відповіддю. Таким чином, на приймальному кінці пакети можуть бути втрачені. Втрачені пакети призведуть до зриву завершення транзакції і можуть викликати зупинку роботи мережі в цілому.

  • Затримки при проходженні роутерів (маршрутизаторів) і шлюзів.

Роутери, що з'єднують підмережі, повинні працювати на рівні додатків моделі OSI / ISO, якщо реалізація мережевого рівня протоколу не передбачає маршрутизації на своєму рівні. Для ілюстрації відмінності між маршрутизацією прикладного та системного рівня, наведемо аналогію з поштовою службою. Письмо. Посилається з міста А в місто Б, може бути відсортовано прямо за адресою міста та доставлено (маршрутизація мережевого рівня). У другому випадку, клерк на пошті не читає адресу міста, а тільки прізвища адресата та відправника і повинен пам'ятати, що містер Джонс з міста А завжди пише містеру Гріну в місто Б (маршрутизація прикладного рівня). Така система вимагає більше ресурсів і працює повільніше. Читач може сам зробити висновки про продуктивність, масштабованості, відновлюваності та гнучкості на підставі наведеного прикладу.

  • Прогнозованість.

Прогнозованість (Determinism) іноді згадується як фактор, що впливає на продуктивність без уточнення чому. Однак той детермінізм, який згадується скрізь і всюди, є прогнозованість системного рівня і означає, що цикл вимірювання завершиться протягом суворо певного часового інтервалу, починаючи з виникнення події або умови, що змусив датчик спрацювати. Така прогнозованість неможлива в реальному світі за винятком традиційних однопоточних систем повністю контрольованих центральним пристроєм, подібним PLC (Programmable Logical Controller), виконуючим постійне сканування в строго певні моменти часу, використовують централізовано керовану шину типу точка-точка або шину з множинним доступом і тимчасовим поділом. Схема з прослуховуванням несучої та контролем колізій не гарантує прогнозованості рівня сполук (link level determinism). Такі технології як попередження колізій, вирішення колізій, визначення колізій, система пріоритетів та їх комбінації, будучи застосовувана в рамках CSMA схеми доступу (carrier-sense multiple access), можуть збільшити прогностичність системи. Повинна існувати можливість вмикати і вимикати ці додаткові подпротоколи вибірково для каналу, вузла чи параметрів вузла без зупинки всієї системи.

Вирішальним фактором, що забезпечує максимум прогнозованості системного рівня, є існування виділеного програми та комунікаційних ресурсів для кожного сайту. Більшість процесорів вузлів у керуючих системах фактично працюють за стохастичною розкладом, оскільки вони працюють не в режимі фіксованих інтервалів вимірювань повністю незалежному від переривань. Події у вигляді сигналів від локальних датчиків або у вигляді пакетів, що приходять по мережі від віддалених датчиків, стохастичності за своєю природою. Вони відбуваються не у фіксовані моменти часу, а як бог на душу покладе. Вузол, керований перериваннями недетермінованих від народження. Наприклад, сканування трафіку в зайнятому каналі і сортування приходять пакетів іноді може призупинити на тривалий час виконання прикладних завдань, таких як опитування датчиків та генерація вихідних подій.

Підсумовуючи все вищесказане можна зробити висновок, що прогнозованість рівня сполук може бути максимізована для всіх вузлів шляхом вибору таких додаткових механізмів, як запобігання колізій, вирішення колізій, виявлення колізій, система пріоритетів доступу. Прогнозованість рівня додатків може бути поліпшена шляхом введення виділених додатків і комунікаційних ресурсів, які не переривають один одного. Всі фактори, що впливають на прогнозованість конкретної керуючої ланцюга, повинні бути оптимізовані для ефективної роботи.

Однак, прогнозованість, як об'єктивна реальність, більш схожа на вимоги до "реально швидким" системам, ніж на вимоги до систем "реального часу". Мета першого ілюзорна і перешкоджає виробленню будь-якого реального вирішення. Друге вимагає системного підходу і передбачає оптимізаційні рішення для системних вимог реального часу.

  • Системна інтеграція.

Системна інтеграція - це ключова область, в якій потрібне глибоке розуміння реалізації системної архітектури, сервісних протоколів, засобів розробки та інструментарію. Легкість системної інтеграції має прямий вплив на вартість установки і поточної експлуатації. У побутових умовах це означає, що навіть десятирічні діти й літні батьки можуть змінювати конфігурацію системи безпеки без виклику фахівця. У разі офісної будівлі різниця вартості установки системи може досягати 20%, що може становити від сотень тисяч до декількох мільйонів доларів і достатня, щоб порушити дискусію з покупцем. На виробничому підприємстві економія може становити до 40%.

Найбільш важливим з перерахованих вище факторів є якість реалізації стека протоколів передачі даних. Огляд найбільш якісних рішень виділяє відмінності в доцільності їх застосування. Комп'ютерний світ надає нам дуже повчальний урок. Світ ОС UNIX, що містить максимально сумісні рішення, мусить тепер розвиватиметься у бік DOS, незважаючи на незаперечне технічну перевагу. Навіть під час другого раунду, коли UNIX все ще міг запропонувати великі можливості, ніж Windows NT, останній був більш популярний. Світ PC страждає від численних помилок несумісності, домагаючись життєздатності. 98% компаній, орієнтованих на PC виходять з бізнесу, оскільки їх продукти викликають надто багато побічних ефектів для інших додатків.

Користувачі, що купили свої PC, мучаться кожен день від непояснених аномалій операційної системи. Розробники програмного і апаратного забезпечення PC добре пам'ятають кошмари тестування системного рівня свого продукту на сумісність з величезним числом інших програм. У світі множинних реалізацій будь-якого складного стандарту (операційна система, мережевий протокол) небагато рішень проходять перевірку часом з точки зору Plug & Play сумісності. Поняття правильної реалізації тесту приречене бути обмеженим у своїй практичній придатності, оскільки реальні тести завжди не повні, і не дають повної верифікації. Більш того, всі реалізації, точні чи ні, є предметом для особистих інтерпретацій.

Функція системи

Реалізація архітектури / протоколу

Якісний стек протоколів

Єдина реалізація для всіх застосувань або строгий набір тестів, що виключає невідповідність специфікації.

Постійне поведінка рівня докладання

Стандартні інтерфейси рівня, сформульовані в термінах об'єктів додатків і параметрів конфігурації.

Інструменти для проведення верифікації системного рівня функцій, виконуваних проектованої системою.

Інструменти, вирішальні всі проблеми системного дизайну в інтегровано - розробка вузлів, специфікація та верифікація сполук, аналіз мережевого трафіку.

Інструменти, що дозволяють "прозоре" перетворення системи розробки в готову робочу систему.

Якісна системна архітектура. "Лабораторний" і "польовий" інструментарій, який якісний за своєю архітектурою.

Таблиця 1.4.

  • Встановлення системи, експлуатація та діагностика.

Можливо, одним з найбільш незаперечних і легко зрозумілих з перерахованих вище факторів, є співвідношення ціни до довжини прокладеної лінії. Прокладати кабель по існуючих комунікацій може коштувати кілька доларів за метр, в той час як розкопувати прилеглий до історичної будівлі двір, перехрестя або завод без зупинки випуску продукції - набагато дорожче. Вартість установки системи може досягати 80% від вартості контракту. Тому питання можливості вибору правильної середовища передачі дуже важливий. Грунтуючись на особливостях індустрії, таблиця 1.6. класифікує вимоги до середовища передачі. Можливість різнорідної середовища передачі в одній і тій же мережі краща для всіх видів промисловості, оскільки дозволяє провести глобальну оптимізацію шляхом оптимального локального вибору. Легкість установки є основним чинником вибору середовища передачі для будь-якого застосування. Проте, багато інших факторів також мають серйозний вплив, серед них не сприйнятливість до EMI, електрична ізоляція, компактність та інші.

Функція системи

Реалізація архітектури / протоколу

Установка

Підтримка декількох можливих середовищ передачі для кожного додатку.

Гнучке розділення.

Експлуатація

Легкість підключення / відключення пристроїв

Діагностика

Віддалений доступ

Кількість і тип інформації, визначені користувачем.

Мережева діагностика, помилки зв'язку, причини помилок, статистика пристроїв.

Таблиця 1.5.

Додаток

Зв'язок і конфігурація

Промислова

Автоматизація

Використання витої пари> 20mA.

Вільна топологія для підключення і змін.

Довжина дроту до 2000 м без репітера.

Висока EMI надійність.

Автоматизація

Будівель

Оптоволокно для великих ліній.

Використання ДБЖ.

Мала вартість установки простого кабелю, вільна топологія, Мала вартість і розміри репітерів.

Ізоляція від випадкового заземлення.

Тип

Зв'язки

Оптоволокно в для несприятливих умов.

RF для мобільних систем, пов'язаних зі стаціонарними.

Стандартний кабель вита пара.

Домашня

Автоматизація

Використання RF і кручений пари.

Вільна топологія.

Таблиця 1.6.

У середньому по промисловим підприємствам необхідний термін окупності нового обладнання знижується. Період переоснащення виробничих ліній фабрик знизився з 6-10 років до 3-4 років. У напівпровідниковому виробництві лінії оновлюються кожні 2-3 роки. Ресурс вагонеток становить 5-10 років. Системи автоматизації будівель можуть служити більше, але потребують періодичних доробках і модифікаціях.

Завдання, які вирішуються системою

Застосовуване рішення

Придбання

  • Велика кількість спеціалізованих НВІС, інших компонентів та вбудованих блоків.

  • Доступність консультаційних служб і сервісів.

Недороге конструктивне виконання.

Дизайн, розробка та інтеграція

  • Інтегрований інструментарій системного дизайну, що дозволяє спростити розробку, що забезпечує безпомилкове функціональну взаємодію і короткий термін впровадження.

  • Архітектура в стилі "Дизайн для сумісності", засоби розробки і верифікації готових блоків на сумісність.

  • Легко підключаються вбудовувані блоки, такі як API та інші продукти широкого профілю.

Легкість інтеграції в існуючу інфраструктуру, саме перебудовується продукти.

Експлуатація

  • Працює

  • Інструментарій для супроводу, який використовує системну базу даних, сумісну з лабораторної середовищем розробки.

  • Підтримка архітектурою гнучкою віддаленої налагодження, легке видалення / перепрограмування і заміна.

  • Гнучке швидке оновлення та переконфігурація.

Виділений діапазон в адресному просторі, вибір середовища передачі і так далі, таким чином, що система не застарівала тривалий час.

Таблиця 1.7.

    1. Системна архітектура

На додаток до аналізу системних аспектів впливають на особливості управляючих мереж, наведеному вище, давайте також розглянемо інший важливий пункт, який має сильний вплив на ці особливості - історію і тенденції розвитку архітектури управляючих мереж.

Моделі багатьох комп'ютерних систем минулого були ієрархічними і складалися з декількох рівнів. IBM-івської SNA і DEC-івський DNA, за часів їхнього розквіту, показали здоровий спектр мейнфреймів а також великих і малих мініЕВМ, що використовують багаторівневу архітектуру з великою кількістю допоміжних персональних комп'ютерів на нижчих рівнях. Звичайно, різниця між таким поглядом і сьогоднішньої реальністю досить очевидна. Сучасні системи складаються з мережі розподілених систем клієнт \ сервер, зв'язаних за допомогою маршрутизаторів, мостів і шлюзів. Багато клієнтські комп'ютери і сервера мають однаковою продуктивністю, лише невелика кількість їх більш потужні ніж інші, включаючи численні робочі станції, рідкісні мініЕВМ і майже вимерлі мейнфрейми.

Застаріла архітектурна модель складається з п'яти рівнів (рис 6). Не дивлячись на те, що світ контрольних мереж не є настільки просунутим, як комп'ютерний, його розвиток у цьому напрямку неминуче, завдяки перевагам цієї технології для кінцевих користувачів. Децентралізація комп'ютерних систем приносить колосальні обчислювальні потужності туди, де при централізованій системі це було просто неможливо. Розподілене керування, аналогічно, дозволяє розширити коло управління. Розподілені системи контролю однорівневої архітектури встановлені в офісних будівлях, житлових будинках, готелях, на транспорті та ін Індустріальні системи контролю, захаращені своїм встановленим обладнанням, затрималися на старті, але тепер набирають швидкість і розвиваються в тому ж напрямку. Системи управління однорівневої архітектури працюють в газових сховищах, очисних спорудах, заводах, металургійних комбінатах, автоматичних виробничих лініях, нафтопроводах і ін Мікро PLC (Programmable Logical Controller) і мережеві мікро PLC найбільш перспективний напрямок на ринку дискретного управління.

Малюнки 1.3., 1.4. і 1.5. показують можливі стадії розвитку системної архітектури від ієрархічної до однорівневої.

Система, показана на малюнку 1.3. схожа на більшість промислових систем. На заводі кожна клітинка може складатися з безлічі підсистем, що виконують управління різними функціями пересування, монтажу, штампування і іншими діями. Продукт пересувається від осередку до осередку по конвеєрній лінії протягом монтажного процесу. Кожна клітинка може бути оснащена PLC, вбудованим PC, індустріальними комп'ютерами і т.д., які керують неінтелектуальними сенсорами і введенням / виводом. Традиційні системи автоматизації будівель та інших систем можуть бути сегментовані подібним чином.

Малюнок 1.4. показує систему проміжної архітектури, що складається з декількох неінтелектуальних сенсорів (S) і приводів (A), керованих центральним контролером, пов'язаним з розподіленими підсистемами, що використовують інтелектуальні сенсори (IS) та приводи (IA). Ці інтелектуальні сенсори передають контрольні сигнали через однорівневі з'єднання.

Малюнок 1.5. складається тільки з інтелектуальних сенсорів і приводів. Розподілена система логічно сегментована з функцій для забезпечення модульної реалізації. Сегментація з використанням маршрутизаторів локалізує передачу інформації для уникнення непотрібних взаємодій пристроїв, дозволяючи осередкам спілкуватися між собою.

Така розподілена система працює коректно за умови:

Малюнок 1.3. Традиційна ієрархічна система.

Малюнок 1.4. Перехідна система з ієрархічними та рівноправними елементами.





Малюнок 1.5. Розподілена система однорівневої архітектури.

Рівень OSI / ISO

Мета

Важливі Особливості

Вигода

1

2

3

4

5

7

Прикладний рівень

Працює з програми, сенсора / приводу

1. Високорівневі визначення об'єктів інтерфейсу.

2. Стандартні конфігуровані параметри.

1. Подання будь-якого сенсора / приводу чи інтерфейсу контролера як сукупності об'єктів високого рівня.

2. Сумісність зі стандартними інтерфейсами сенсорів.

6

Рівень представлення даних

Інтерпретація даних

Стандартні типи даних.

Можливість обмінюватися і інтерпретувати стандартні дані поза залежності від програми.

5

Сеансовий рівень

Дистанційні дії

1. Запит / Відповідь.

2. Аутентифікація.

1. Надійність для забезпечення підтвердження дії та дійсності відправника.


4

Транспортний рівень

Надійність передачі

1. Передача повідомлень без підтвердження з / без повторів.

2. Передача з підтвердженнями.

3. Множинні повідомлення з / без підтвердження від кожного вузла за вибором.

4. Виявлення повторів.

1. Оптимальна зв'язок з великою кількістю пристроїв і з пристроями, не підтверджують прийом. Поліпшення надійності роботи мережі.

2. Надійна доставка повідомлень.

3. Продуктивність і надійність.

4. Усунення зайвих повторних повідомлень, що прийшли обхідним шляхом, що можливо внаслідок вільної топології.

3

Мережевий рівень

  1. Маршрутизація, адресація

1. Підтримка маршрутизаторів.

1. Розмір і взаємозв'язок-підтримка великих мереж.

2. Надійність-фільтрація повідомлень, сегментація мережі на логічні осередку з можливістю їхнього зв'язку.

3. Легкість установки і надійність, завдяки підтримці різних типів зв'язку.

4. Надійність зв'язку - створення додаткових зв'язків між вузлами, користуючись правилом вільної топології.

2

Рівень лінії передачі даних

Доступ до середовища передачі і кадрування.

Демократична схема доступу до середовища передачі + система пріоритетів.

1. Короткий період очікування для важливих вузлів і демократичний доступ для всіх інших.

2. Підтримка передачі дискретної та аналогової, так само як конфігураційної та діагностичної інформації без втрати продуктивності.

1

Фізичний рівень

Електричне з'єднання.

Підтримка різних середовищ передачі.

1. Установка.

2. Продуктивність.

3. Надійність.

Таблиця 1.8.

    1. Огляд протоколів передачі

Таблиця 1.8. містить інформацію про важливі сервісних протоколах для шини сенсорів / приводів, отриманих в ході дискусії на тему системних вимог. Для класифікації використовується семирівнева модель OSI / ISO.

Семиуровневая модель OSI. / ISO

  1. Фізичний рівень - фактична передача бітів по передавальної середовищі, пов'язаний з апаратурою - роз'ємами, мережевими платами.

  2. Рівень лінії передачі даних - забезпечує зв'язок з фактичним потоком бітів на фізичному рівні, здійснює складання та розбирання потоку бітів на кадри.

  3. Мережний рівень - визначає фактичний маршрут даних між вузлами мережі, забезпечує адресацію і маршрутизацію пакетів.

  4. Транспортний рівень - організовує зв'язок мережевого і сеансового рівня, виконує складання та розбирання сегментів передачі.

  5. Сеансовий рівень-управління сеансом головного комп'ютера.

  6. Рівень представлення даних - кодування і Декодування фактичних даних.

  7. Прикладний рівень-організація взаємодії з користувачем.

    1. Огляд можливих рішень

Угода про термінологію. Один з факторів, що приховують той факт, що звичайні платформи можуть працювати в різних галузях виробництва є вавілонської вежею імен цих мереж. Терміни "fieldbus", мережа сенсорів / приводів, сенсорна мережу, що управляє мережу, існували і раніше, а термін "приладова мережа" з'явився недавно.

У чому відмінність "fieldbus" від керуючої мережі (control network)? "Field" інструментарій є більш досконалим засобом, ніж аналогові сенсори або складові сенсори, так само як робочі станції більш досконалі, ніж персональні комп'ютери. Слід зауважити, що на кожен "field instrument" (польовий інструмент) припадає близько 10 датчиків. Таким чином, для підключення цих пристроїв до загальної мережі в стилі "control network", необхідно використовувати "fieldbus". Якщо ми використовуємо різнорідні пристрою, то необхідно використовувати різнорідні способи підключення. Загальна шина, що забезпечує потреби "field instruments" (польових інструментів) в обчислювальних ресурсах і даних, а також потреби недорогих датчиків, вирішує обидві проблеми.

Приладова мережу визначається як мережа, яка в першу чергу включає в себе дискретні сенсори. Таким чином, промислові клієнти стикаються з трьома назвами: "fieldbus", що управляє мережу і приладова мережу.

У незалежності від назв, виробничі групи працюють над виробленням стандарту для шини, що з'єднує сенсори і приводи в промислової автоматизації, автоматизації будівель, на транспорті і в медичних системах. У деяких випадках ще залишилися групи, що займаються задоволенням вимог підсистем в цих областях. Наприклад, в області автоматизації будівель фахівці ASHRAE нещодавно зайнялися проблемами управління освітленням, пожежної сигналізації, контролю доступу, почавши з потреб систем кондиціонування і вентиляції. Додаються зусилля для вироблення рішень в галузі транспортних систем, у тому числі метро, ​​залізних доріг, локомотивів, сигнальних систем, літаків, кораблів, підводних човнів, машин, автобусів і вантажівок.

Подібна незалежна ініціатива була проявлена ​​в Інтелектуальних Авто Дорожніх Системах (IVHS) для автоматизації збору оплати, створення інтелектуальних перехресть та інших, більш футуристичних інтелектуальних систем управління рухом, таких як каравани машин з автоматичним управлінням. Всі ці проекти пов'язані з одними кінцевими пристроями - сенсорами і приводами. З точки зору зв'язку додатків, конфігурації і діагностики, існує кілька подібних і різних вимог. Унікальні вимоги можуть бути задоволені різними додатками до основної технології.

Зрозуміло, що спочатку промисловість виграє від визначення основної марки: мережу сенсорів або керуюча мережу. Термін керуюча мережа краще, ніж мережу сенсорів, тому що сенсори і приводи є в обох мережах, і контрольні функції можуть здійснюватися централізованої керуючої системою або розподіленої керуючої системою.

Якщо на практиці вимоги виявляться однорідними, то відпаде необхідність у використанні різної термінології. У разі існування чітких відмінностей, найкращим рішенням стане використання керуючої мережі для автоматизації виробництва, будівель і заводів.

Деякі варіанти. Питання про необхідність визначення єдиного протоколу для управляючих мереж "Один Світ - Один Протокол" залишається без відповіді до теперішнього часу. Основними доступними зараз і в майбутньому варіантами є:

  • Рішення, засновані на CAN, такі як CAN автоматизація, DeviceNet, J1850 і SDS;

  • Шини простих сенсорів Seriplex і Bitbus;

  • Технологія LonWorks;

  • CEBus;

  • BACnet;

  • Інструментальні шини IEEE488;

  • Виробничі рішення MAP і ARCnet;

  • Рішення для виробничих процесів Profi-Bus і Fieldbus Foundation;

  • Інші промислові шини Opto-22, Interbus-S та ін

Природно існують і інші схеми, призначені для вирішення специфічних завдань. Компанії, розробники протоколів, не припускали продавати їх третім організаціям, а планували використовувати їх у своїй роботі.

    1. Стандартизація контрольних мереж

Погляд вперед. Важливо визначити напрямок розвитку контрольних мереж, тобто якими повинні стати сенсори, інструменти для установки, діагностики і ремонту. Існує кілька підходів:

  • Загальна контрольна мережу з загальними об'єктними моделями.

  • Різні контрольні мережі з загальними об'єктними моделями.

  • Загальні контрольні мережі з різними об'єктними моделями.

  • Різні контрольні мережі з різними об'єктними моделями.

Необхідно виробити єдиний протокол передачі (Один світ - один протокол). Загальна контрольна мережа забезпечує сумісність на рівні мережі. Загальні об'єктні моделі визначають поведінку на рівні додатків і сумісність. Такий підхід буде вигідний виробникам, тому що можна буде писати програми і будувати обладнання, співвідносячись тільки з однією моделлю.

Другий підхід передбачає виробництво різноманітного обладнання для великої кількості різних платформ контрольних мереж. Установників обладнання доведеться забезпечувати зв'язок пристроїв за допомогою різних драйверів.

Таким чином, найкращим варіантом буде отримання загальних визначень об'єктів для роботи з різними платформами.

  • Кожен сенсор, розроблений для виконання певних функцій, повинен буде їх виконувати незалежно від мережевої платформи, під якою він працює, і типу зв'язку. Аналогічно однаковою роботі Word і Excel під Windows або Macintosh System 7, незалежно від типу передачі даних через Ethernet / TP, Ethernet / Coax, NetWare, TCP / IP або при використанні іншої схеми.

  • Визначення стандартного інтерфейсу має спростити розробку програмного забезпечення. Так само, як написання платформо незалежних додатків робить їх розробку легше.

  • Виробники інструментарію зможуть використовувати загальний набір визначень об'єктів у своїй роботі. API нижнього рівня, що працюють з мережевими сервісами, будуть платформено залежними для правильної взаємодії з вузлами, але програми більш високого рівня будуть незалежними, а їх робота з об'єктами буде однакової.

Характеристики

BACnet

CAN-based

(SDS, DeviceNet

CEBus

Fieldbus

(SP-50, Foundation Initiative.

LONWORKS

1

2

3

4

5

6

Область застосування

1.Автоматізація будівель

2. Стандарт автоматизації (J1850, J1939)


3. Дискретна автоматизація (SDS, DeviceNet)

4.Автоматізація житла

5.Промишленние верстати і прилади

1.Автоматізація будівель.

2.Управленіе виробництвом

3.Автоматізація підприємств

1.Транспорт

2.Автоматізація житла

Рівні OSI / ISO

1,2,3,7

1,2,7

1,2,3,7

1,2,7

1,2,3,4,5,6,7

Підтримувані середовища передачі

1. Вита пара.

2. Коаксіальний кабель.

3. Оптоволокно.

6. Вита пара (SDS, DeviceNet).

7.Альтернатівние рішення на основі оптоволокна для мереж CAN.

8. Силові електричні лінії (FCC)

9.Коаксіальний кабель

10.RF.


11.Вітая пара H1, H2 (1).

12.Коаксіальний кабель H2 (2.5).

13.Характерная безпеку передачі даних на швидкості 31.25 Kbps і 1 Mbps.


14.Вітая пара з вільною топологією з можливістю подачі живлення.

15.Характерная безпеку кручений пари.

16.Лініі електроживлення сумісні зі стандартом FCC і CENELEC.

17.Оптоволокно.

18.Коаксіальний кабель.

19.RF (кілька діапазонів)

Схема доступу до середовища передачі

20. CSMA / CD.

21. Master / slave, token passing.

22. Віддалений доступ через модем.

23. CSMA / CR

24.CSMA/CD

25.Предопределенний централізований планувальник з можливістю делегування токена.

26.P-персистентний CSMA / CD.

27.Дополнітельний CSMA / CR.

28.Возможность включення системи пріоритетів.

Швидкість передачі даних

29. 10 Mbps

1. 1 Mbps (CAN)

2. 1 Mbps (SDS)

3. 500 Kbps (DeviceNet)

30. 6,666 kbps

(Або 10 kbps)

1. 31,25 kbps для H1

2. 1 Mbps для H2 (1)

1. 2,5 Mbps для H2 (2.5)

31. До 1,25 Mbps.

Максимальне адресний простір

32. Лютий 1948

33. 7 лютого = 128 (SDS)

34. 2 6 = 64 (DeviceNet)

11 лютого (CAN 1)

29 лютого (CAN 2)

35. Лютий 1916

36. 127

37.логіческіх вузлів у сегменті, 64 сегмента.

38. Лютий 1948 доменів, 32000 вузлів в домені.

Підтримка маршрутизаторів мережевого рівня

39. Є

40. Ні

41. B-маршрутизатори.

42. Є. Підтримка різних швидкостей маршрутизації.

43.Самообучающіеся або конфігуровані маршрутизатори.

44. Хороша реалізація як фізичних, так і логічних репітерів.

45. Повна підтримка засобами інсталяції.

Безпека

(Аутентифікація).

46. Є

47. Ні

48.На рівні додатку

(Обмеження сопряжімості)

49. Ні

50. Є

Підтримка сумісності мереж.

51. Визначено об'єкти високого рівня.

52. Служби управління мережею не визначені.

53. Визначено об'єкти високого рівня (SDS, DeviceNet).

54. Служба управління мережею визначена (SDS, DeviceNet).

55.Несуществует реалізації тесту на сумісність з DeviceNet.

56.Cертіфікаціонний план визначений для SDS і визначається для DeviceNet.

57.Определени високорівневі функції.

58.Служба управління мережею не визначена.

59.Не існує тесту на сумісність.

60.Сертіфікаціонний план до цих пір не визначено.

61. 10 функціональних блоків визначено, ще 20 определяется62.Поддерживается відповідність із застосовуваним стеком протоколів.

63.Сертіфікаціонний план до цих пір не визначено.


64.Определени об'єкти високого рівня і стандартні конфігуровані параметри.

65.Определена і реалізована служба управління мережею.

66.Тест на сумісність визначений.

1.Сертіфікаціонная програма визначена.

Ступінь готовності.

67.Спеціфікаціонний матеріал знаходиться на кінцевій стадії розробки чорнового варіанту.

68.Спеціфікація DeviceNet частина 1 опублікована, частина 2 готуватися.

1.Спеціфікація SDS опублікована.

69.Документи по CAN доступні.

70.Спеціфікація по 'Interim' затверджена.

71.Трансівери для мереж електроживлення, системи розробки та деякі інші продукти доступні.

72.Документи + стек протоколів Q3'95.

73.Документи з доступу до середовища передачі і фізичному інтерфейсу:

74.H1-зараз,

75.H2-Q3 '95.

76.В відповідно до реалізації тестів на сумісність Q3'95.

77.Доступни специфікації для всіх протоколів, служб і системних інтерфейсів.

78.Документи доступні з часу виходу Q3'91.

79.Доступно більше 200 готових блоків.

1.Доступни засоби розробки.

Таблиця 1.9 Різноманітність контрольних мереж, розроблених для широкого та спеціалізованого застосування.


CAN +

DeviceNet,

SDS

Fieldbus

LonWorks

MAP +

MiniMAP

BACnet

Ethernet


Data Processing






Plant


Factory Zone



Analog Sensors


Discrete Sensors

    2. Роль стандартизаційних організацій

Комісії з стандартизації працюють ефективніше, коли зосереджують свої зусилля на визначенні мінімальних потреб для стимуляції індустріального зростання. Не завжди комісії з стандартизації можуть визначити всі аспекти роботи контрольних мереж, тобто протоколи, системну архітектуру, кабелі та конектори, процесори і сегменти кодів. Понад вісім років комісії, які займалися роботою з BACnet, SP-50 і CEBus провели у вивченні цих стандартів. І, тим не менш, ні один не був визнаний кращим в усіх відношеннях.

Необхідно врахувати, що визначення єдиного стандарту і відповідності тягне за собою серйозну відповідальність. Будь-яке рішення, яке має забезпечити правильну взаємодію мереж, буде приречене на провал, якщо не зможе гарантувати правильну роботу будь-яких варіантів і реалізацій. Крім технічних труднощів у діловому середовищі існують додаткові аспекти, необхідні для правильного взаємодії декількох організацій. Навіть ця проблема може позбавити рішення права на успіх.

Також не можна думати, що вибір стандарту-лідера в даний час буде правильним, тому, що не можна точно визначити лідера в самому початку гонки, особливо якщо багато учасників змагань ще не стартували. Неправильний вибір може відкинути цілі індустрії назад на кілька років.

Таким чином, зусилля таких стандартизаційних організацій як IEEE / NIST, повинні бути спрямовані на досягнення двох цілей:

  1. Визначення сумісності на рівні додатків через визначення спільних об'єктів, що дозволить полегшити розробку програмного забезпечення для сенсорів і MMI.

  2. Визначити 3-4 найкращих альтернативи і дозволити ринку вибирати серед них залежно від важливості конкретних критеріїв.



Малюнок 1.6.




Малюнок 1.7.

Принцип кількох альтернативних протоколів подібний існуючого й успішно застосовується набору стандартів IEC802.xx, що включає в себе такі протоколи як IEC802.1 (стандарт на коаксіальний Ethernet), IEC802.11 та ін На рис. 1.6. і 1.7. різні Options відповідають різним особливостям середовищ передачі і LAN протоколів.

Вимоги до шини сенсорів і приводів повинні розглядатися з точки зору системи і життєвого циклу. Важливими системними вимогами є: розмір системи, взаємопов'язаність, надійність, гнучкість, продуктивність, інтеграція, експлуатація, діагностика і ціна. Важливі вимоги до шини сенсорів і приводів, які йдуть із системних вимог, включають підтримку різних пристроїв і типів зв'язку, гнучку підтримку пакетів різного розміру, велике адресний простір, однорівневі зв'язок і контроль.

Розробники сучасних систем схиляються до розподілених систем однорівневої архітектури. Мережеві мікро PLC вважаються найбільш перспективними для впровадження в промислові системи контролю і є наступним кроком розвитку.

Важливим завданням є визначення загальних принципів побудови керуючих мереж для різних додатків і сегментів ринку. Організації зі стандартизації повинні визначити стандартні об'єкти рівня додатків для підвищення сумісності. Подібні організації можуть бути корисні для визначення 3-4 найкращих альтернатив, дозволяючи виробникам і розробникам апаратного та програмного забезпечення, системним інтеграторам і кінцевим користувачам вибирати самим.

  1. Опис стандарту RS-485

    1. Універсальний асинхронний приймач (UART)

Можливо, зв'язок через асинхронний послідовний порт йде у минуле, проте складно знайти контролер, що не має у складі своєї периферії UART. Тому ховати його, думаю, зарано. Раз так, то буде не зайвим сказати пару слів про те, як воно працює. Опис конкретної реалізації послідовного порту є в datasheet на кожен контролер, тому опишу спільне для всіх.

UART можна розділити на приймач (Receiver) і передавач (Transmitter). До складу UART входять: тактовий генератор зв'язку (бодрейт-генератор), керуючі регістри, статусні регістри, буфери та зсувні регістри приймача і передавача. Бодрейт-генератор задає тактову частоту прийомопередавача для даної швидкості зв'язку.

Керуючі регістри задають режим роботи послідовного порту та його переривань. У статусному регістрі встановлюються прапори по різним подіям. У буфер приймача потрапляє прийнятий символ, в буфер передавача поміщають передається. Зсувний регістр передавача - це обойма, з якої в послідовний порт вистрілюються біти передаваного символу (кадру). Зсувний регістр приймача по біту накопичує прийняті з порту біти. За різним подіям встановлюються прапори і генеруються переривання (завершення прийому / відправки кадру, звільнення буфера, різні помилки).

UART - повнодуплексний інтерфейс, тобто приймач і передавач можуть працювати одночасно, незалежно один від одного. За кожним з них закріплений порт - одна ніжка контролера. Порт приймача позначають RX, передавача - TX. Послідовною установкою рівнів на цих портах відносно загального проводу ("землі") і передається інформація. За замовчуванням передавач встановлює на лінії одиничний рівень.

Передача починається посилкою біти з нульовим рівнем (старт-біта), потім йдуть біти даних молодшим бітом вперед (низький рівень - "0", високий рівень - "1"), завершується посилка передачею одного або двох бітів з одиничним рівнем (стоп-бітів ).

Електричний сигнал кадру посилки показаний на малюнку 2.1.:

Малюнок 2.1. Електричний сигнал кадру посилки.

Перед початком зв'язку між двома пристроями необхідно налаштувати їх прийомопередавачі на однакову швидкість зв'язку і формат кадру.

Швидкість зв'язку або бодрейт (baudrate) вимірюється в бодах - число переданих біт в секунду (включаючи старт і стоп-біти). Задається ця швидкість в бодрейт-генераторі діленням системної частоти на задається коефіцієнт. Типовий діапазон швидкостей: 2400 ... 115200 бод.

Формат кадру визначає число стоп-бітів (1 або 2), число біт даних (8 або 9), а також призначення дев'ятий біта даних. Все це залежить від типу контролера.

Приймач і передавач тактується, як правило, з 16-кратної частотою щодо бодрейта. Це потрібно для семплювання сигналу. Приймач, піймавши падаючий фронт старт-біта, відраховує кілька тактів і наступні три такти зчитує (семплюются) порт RX, малюнок 2.2. Це як раз середина старт-біта. Якщо більшість значень семплів - "0", старт-біт вважається таким, що відбувся, інакше приймач приймає його за шум і чекає наступного падаючого фронту. Після вдалого визначення старт-біта, приймач точно також семплюются серединки бітів даних і по більшості семплів вважає біт "0" або "1", записуючи їх у зсувний регістр. Стоп-біти теж семплюются, і якщо рівень стоп-біта не "1" - UART визначає помилку кадру і встановлює відповідний прапорець у регістрі.

Рис.2.2. Семплірованіє.

Оскільки бодрейт встановлюється діленням системної частоти, при перенесенні програми на пристрій з іншим кварцовим резонатором, необхідно змінити відповідні настройки UART.

    1. Інтерфейс RS-485

Інтерфейс RS-485 (інша назва - EIA/TIA-485) - один з найбільш поширених стандартів фізичного рівня зв'язку. Фізичний рівень - це канал зв'язку й спосіб передачі сигналу (1 рівень моделі взаємозв'язку відкритих систем OSI).

Мережа, побудована на інтерфейсі RS-485, являє собою прийомопередавачі, з'єднані за допомогою крученої пари - двох скручених дротів. В основі інтерфейсу RS-485 лежить принцип диференціальної (балансної) передачі даних. Суть його полягає в передачі одного сигналу по двох проводах. Причому по одному дроту (умовно A) йде оригінальний сигнал, а по іншому (умовно B) - його інверсна копія. Іншими словами, якщо на одному дроті "1", то на іншому "0" і навпаки. Таким чином, між двома проводами крученої пари завжди є різниця потенціалів: при "1" вона позитивна, при "0" - негативна.

Рис.2.3. диференціальна передача даних

Саме цією різницею потенціалів і передається сигнал. Такий спосіб передачі забезпечує високу стійкість до синфазної заваді. Синфазної називають перешкоду, що діє на обидва дроту лінії однаково. Приміром, електромагнітна хвиля, проходячи через ділянку лінії зв'язку, наводить в обох проводах потенціал. Якщо сигнал передається потенціалом в одному дроті щодо загального, як в RS-232, то наводка на цей провід може спотворити сигнал відносно добре поглинаючого наведення загального ("землі"). Крім того, на опорі довгого загального дроту буде падати різниця потенціалів земель - додаткове джерело спотворень. А при диференціальній передачі спотворення не відбувається. У самому справі, якщо два дроти пролягають близько один до одного, та ще перевиті, то наводка на обидва дроту однакова.

Потенціал в обох однаково навантажених проводах змінюється однаково, при цьому інформативна різниця потенціалів залишається без змін.

Апаратна реалізація інтерфейсу - мікросхеми прийомопередавачів з диференціальними входами / виходами (до лінії) і цифровими портами (до портів UART контролера), рисунок 2.4. Існують два варіанти такого інтерфейсу: RS-422 та RS-485.

  • RS-422 - повнодуплексний інтерфейс. Прийом і передача йдуть по двом окремим парам проводів. На кожній парі проводів може бути тільки по одному передавача.

  • RS-485 - напівдуплексний інтерфейс. Прийом і передача йдуть по одній парі дротів з поділом за часом. У мережі може бути багато передавачів, тому що вони можуть відключаються в режимі прийому.

Рис.2.4. Апаратна реалізація інтерфейсу.

D (driver) - передавач;

R (receiver) - приймач;

DI (driver input) - цифровий вхід передавача;

RO (receiver output) - цифровий вихід приймача;

DE (driver enable) - дозвіл роботи передавача;

RE (receiver enable) - дозвіл роботи приймача;

A - прямий диференціальний вхід / вихід;

B - інверсний диференціальний вхід / вихід;

Y - прямий диференціальний вихід (RS-422);

Z - інверсний диференціальний вихід (RS-422).

Зупинюся детальніше на приемопередатчике RS-485, малюнок 2.5. Цифровий вихід приймача (RO) підключається до порту приймача UART (RX). Цифровий вхід передавача (DI) до порту передавача UART (TX). Оскільки на диференціальної стороні приймач і передавач з'єднані, то під час прийому потрібно відключати передавач, а під час передачі - приймач. Для цього служать керуючі входи - дозвіл приймача (RE) та дозволу передавача (DE). Оскільки вхід RE інверсний, то його можна з'єднати з DE і перемикати приймач і передавач одним сигналом з будь-якого порту контролера. При рівні "0" - робота на прийом, при "1" - на передачу.

Рис. 2.5. Приймач RS-485.

Приймач, отримуючи на диференційних входах (AB) різницю потенціалів (UAB) переводить їх у цифровий сигнал на виході RO. Чутливість приймача може бути різною, але гарантований пороговий діапазон розпізнавання сигналу виробники мікросхем прийомопередавачів пишуть в документації. Зазвичай ці пороги становлять ± 200 мВ. Тобто, коли UAB> +200 мВ - приймач визначає "1", коли UAB <-200 мВ - приймач визначає "0". Якщо різниця потенціалів в лінії настільки мала, що не виходить за порогові значення - правильне розпізнавання сигналу не гарантується. Крім того, в лінії можуть бути і не синфазні перешкоди, які спотворять настільки слабкий сигнал.

Всі пристрої підключаються до однієї кручений парі однаково: прямі виходи (A) до одного дроту, інверсні (B) - до іншого.

Вхідний опір приймача з боку лінії (RAB) зазвичай становить 12 КОм. Так як потужність передавача не безмежна, це створює обмеження на кількість приймачів, підключених до лінії.

Згідно зі специфікацією RS-485 c урахуванням узгоджувальних резисторів передавач може вести до 32 приймачів. Однак є ряд мікросхем з підвищеним вхідним опором, що дозволяє підключити до лінії значно більше 32 пристроїв.

Максимальна швидкість зв'язку по специфікації RS-485 може досягати 10 Мбод / сек. Максимальна відстань - 1200 м. Якщо необхідно організувати зв'язок на відстані більшому 1200 м або підключити більше пристроїв, ніж допускає навантажувальна здатність передавача - застосовують спеціальні повторювачі (репітери).

Стандартні параметри інтерфейсів

RS-422

RS-485

Допустима кількість передавачів / приймачів

1 / 10

32 / 32

Максимальна довжина кабелю

1200 м

1200 м

Максимальна швидкість зв'язку

10 Мбіт / с

10 Мбіт / с

Діапазон напруг "1" передавача

+2 ... +10 В

+1.5 ... +6 В

Діапазон напруг "0" передавача

-2 ...- 10 В

-1.5 ...- 6 В

Діапазон синфазного напруги передавача

-3 ... +3 В

-1 ... +3 В

Допустимий діапазон напруги приймача

-7 ... +7 В

-7 ... +12 В

Граничний діапазон чутливості приймача

± 200 мВ

± 200 мВ

Максимальний струм короткого замикання драйвера

150 мА

250 мА

Допустимий опір навантаження передавача

100 Ом

54 Ом

Вхідний опір приймача

4 кОм

12 кОм

Максимальний час наростання сигналу передавача

10% біта

30% біта

Таблиця 2.1. Порівняння RS-422 та RS-485

    1. Узгодження і конфігурація лінії зв'язку

При великих відстанях між пристроями, зв'язаними по кручений парі й високих швидкостях передачі починають проявлятися так звані ефекти довгих ліній. Причина цьому - кінцівку швидкості поширення електромагнітних хвиль у провідниках. Швидкість ця істотно менше швидкості світла у вакуумі та становить трохи більше 200 мм / нс. Електричний сигнал має також властивість відбиватися від відкритих кінців лінії передачі і її відгалужень. Груба аналогія - жолоб, наповнений водою. Хвиля, створена в одному кінці, йде по жолобу і, відбившись від стінки в кінці, йде назад, відбивається знову і так далі, поки не загасне. Для коротких ліній і малих швидкостей передачі цей процес відбувається так швидко, що залишається непоміченим. Однак, час реакції приймачів - десятки / сотні нс. У такому масштабі часу кілька десятків метрів електричний сигнал проходить аж ніяк не миттєво. І якщо відстань досить велика, фронт сигналу, що відбився в кінці лінії і повернувся назад, може спотворити поточний або наступний сигнал. У таких випадках потрібно якимось чином придушувати ефект відбиття.

У будь-якої лінії зв'язку є такий параметр, як хвильовий опір Zв. Воно залежить від характеристик використовуваного кабелю, але не від довжини. Для зазвичай застосовуються у лініях зв'язку кручених пар Zв = 120 Ом. Виявляється, що якщо на віддаленому кінці лінії, між провідниками кручений пари включити резистор з номіналом рівним хвильовому опору лінії, то електромагнітна хвиля дійшла до "глухого кута" поглинається на такому резисторі. Звідси його назви - узгоджувальний резистор або "термінатор".

Великий мінус погодження на резисторах - підвищене споживання струму від передавача, адже в лінію включається низькоомних навантаження. Тому рекомендується включати передавач тільки на час відправлення посилки. Є способи зменшити споживання струму, включаючи послідовно з согласующим резистором конденсатор для розв'язки по постійному струму. Проте, такий спосіб має свої недоліки. Для коротких ліній (кілька десятків метрів) і низьких швидкостей (менше 38400 бод) узгодження можна взагалі не робити.

Ефект відображення і необхідність правильного узгодження накладають обмеження на конфігурацію лінії зв'язку.

Лінія зв'язку повинна являти собою один кабель витої пари. До цього кабелю приєднуються всі приймачі та передавачі. Відстань від лінії до мікросхем інтерфейсу RS-485 має бути як можна коротше, тому що довгі відгалуження вносять неузгодженість і викликають відображення.

У обидва найбільш віддалених кінця кабелю (Zв = 120 Ом) включають согласующие резистори Rt по 120 Ом (0.25 Вт), малюнок 2.6. Якщо в системі тільки один передавач і він знаходиться в кінці лінії, то досить одного согласующего резистора на протилежному кінці лінії.

Рис. 2.6. Схема підключення узгоджуючих резисторів.

    1. Захисне зсув

Як вже згадувалося, приймачі більшості мікросхем RS-485 мають пороговий діапазон розпізнавання сигналу на входах AB - ± 200мВ. Якщо | Uab | менше порогового (близько 0), то на виході приймача RO можуть бути довільні логічні рівні через несінфазной перешкоди. Таке може статися або при від'єднанні приймача від лінії, або за відсутності в лінії активних передавачів, коли ніхто не задає рівень.

Щоб у цих ситуаціях уникнути видачі помилкових сигналів на приймач UART, необхідно на входах AB гарантувати різниця потенціалів Uab> +200 мВ. Цей зсув при відсутності вхідних сигналів забезпечує на виході приймача логічну "1", підтримуючи, таким чином, рівень стопового біта.

Домогтися цього просто - прямий вхід (А) слід підтягнути до харчування, а інверсний (B) - до "землі". Виходить дільник, малюнок 2.7.:

Рис. 2.7. Захист схеми від видачі хибних сигналів.

Rвх - вхідний опір приймача (зазвичай 12 кОм);

Rc - согласующие резистори (120 Ом);

Rзс - резистори захисного зсуву.

Величини опорів для резисторів захисного зсуву (Rзс) неважко розрахувати за дільнику. Необхідно забезпечити Uab> 200мВ. Напруга живлення - 5В. Опір середнього плеча - 120Ом / / 120Ом / / 12КОм на кожен приймач - близько 57 Ом (для 10 приймачів). Таким чином, виходить приблизно по 650 Ом на кожен з двох Rзс. Для усунення з запасом - опір Rзс повинно бути менше 650 Ом. Традиційно ставлять 560 Ом.

У розрахунку номіналу Rзс враховується навантаження. Якщо на лінії висить багато приймачів, то номінал Rзс дожен бути менше. У довгих лініях передачі необхідно також враховувати опір кручений пари, що може "з'їдати" часто зміщувався різниці потенціалів для віддалених від місця підтяжки пристроїв. Для довгої лінії краще ставити два комплекти підтягаючих резисторів в обидва віддалених кінця поруч з термінаторами.

Багато виробників прийомопередавачів заявляють про функції безвідмовності (failsafe) своїх виробів, що полягає у вбудованому зміщенні. Слід розрізняти два види такого захисту:

  • Безвідмовність у відкритих ланцюгах. (Open circuit failsafe.)

У таких прийомопередавачах застосовуються вбудовані підтягують резистори. Ці резистори, як правило, високоомні, щоб зменшити споживання струму. Через це необхідне зміщення забезпечується тільки для відкритих (ненавантажених) диференціальних входів. У самому справі, якщо приймач відключений від лінії або вона не навантажена, тоді в середньому плечі дільника залишається тільки великий вхідний опір, на якому і падає необхідна різниця потенціалів. Однак, якщо приймач навантажити на лінію з двома согласующими резисторами по 120 Ом, то в середньому плечі дільника виявляється менше 60 Ом, на яких, в порівнянні з високоомними підтяжками, нічого суттєвого не падає. Тому, якщо в навантаженої лінії немає активних передавачів, то вбудовані резистори не забезпечують достатню зсув. У цьому випадку, залишається необхідність встановлювати зовнішні резистори захисного зміщення, як це було описано вище.

  • Справжня безвідмовність. (True failsafe.)

У цих пристроях зміщені самі пороги розпізнавання сигналу. Наприклад: -50 / -200 мВ замість стандартних порогів ± 200 мВ. Тобто при Uab>-50мВ на виході приймача RO буде логічна "1", а при Uab <-200 - на RO буде "0". Таким чином, і в розімкнутої і в пасивній лінії при різниці потенціалів Uab близькою до нуля, приймач видасть "1". Для таких приймачів зовнішнє захисне зсув не потрібно. Тим не менш, для кращої перешкодозахищеності все-таки варто додатково трохи підтягувати лінію.

Відразу видно мінус зовнішнього захисного зміщення - через дільник постійно буде протікати струм, що може бути неприпустимо в системах малого споживання. У такому випадку можна зробити наступне:

а). Зменшити споживання струму, збільшивши опору Rзс. Хоча виробники прийомопередавачів і пишуть про поріг розпізнавання в 200мВ, на практиці цілком вистачає 100мВ і навіть менше. Таким чином, можна відразу збільшити опору Rзс рази в два-три. Перешкодозахищеність при цьому дещо знижується, але в багатьох випадках це не критично.

б). Використовувати true failsafe прийомопередавачі зі зміщеними порогами розпізнавання. Наприклад, у мікросхем MAX3080 і MAX3471 пороги:-50мВ /-200мВ, що гарантує одиничний рівень на виході приймача при відсутності зсуву (Uab = 0). Тоді зовнішні резистори захисного зміщення можна прибрати або значно збільшити їх опір.

в). Не застосовувати без необхідності погодження на резисторах. Якщо лінія не буде навантажена на 2 по 120 Ом, то для забезпечення захисного зміщення вистачить підтяжок в кілька килоом в залежності від кількості приймачів на лінії.

Для оптично розмежовані лінії підтягувати слід до харчування і "землі" ізольованою лінії. Якщо не застосовується опторазвязка, підтягувати можна до будь-якого харчування, так як дільник створить лише невелику різницю потенціалів між лініями A і B. Потрібно тільки пам'ятати про можливу різниці потенціалів між "землями" пристроїв, розташованих далеко один від одного.

    1. Виняток прийому при передачі в напівдуплексному режимі

При роботі з напівдуплексним інтерфейсом RS-485 (прийом і передача по одній парі дротів з поділом за часом) можна забути, що UART контролера - повнодуплексний, тобто приймає і передає незалежно і одночасно.

Зазвичай під час роботи прийомопередавача RS-485 на передачу, вихід приймача RO переводиться в третій стан і ніжка RX контролера (приймач UART) "повисає в повітрі". У результаті, під час передачі на приймачі UART замість рівня стопового біта ("1") виявиться невідомо що, і будь-яка перешкода буде прийнята за вхідний сигнал. Тому потрібно або на час передачі відключати приймач UART (через керуючий регістр), або підтягувати RX до одиниці, малюнок 2.8. У деяких мікроконтролерів це можна зробити програмно - активувати вбудовані підтяжки портів.

Рис. 2.8.

Примітка: у мікроконтролера AT90S8535 (AVR Atmel) є «глючок» - при відключеному UART він все одно приймає, і після включення на прийом перший прийнятий байт може бути зіпсований. Так що активувати підтяжку RX йому потрібно обов'язково.

    1. "Гаряче" підключення до лінії зв'язку

Специфікацією RS-485 не передбачено "гаряче" підключення - включення нових приймачів в лінію зв'язку під час роботи системи. Тим не менш, подібну операцію система переносить практично безболісно, ​​якщо врахувати один нюанс. Це важливо, коли живлення на пристрій подається в момент підключення, наприклад, коли плата у вигляді касети вставляється в роз'єм. Справа в тому, що під час будь-якого скидання: по включенню живлення, за сигналом на вході "Reset", по спрацьовуванню сторожового таймера - контролеру потрібен час на ініціалізацію, яке може становити до декількох десятків мілісекунд. Поки контролер знаходиться в стані скидання, він примусово налаштовує всі порти на вхід. Виходить ситуація, при якій харчування на мікросхему прийомопередавача RS-485 вже подано, але входи дозволу приймача / RE і передавача DE "висять в повітрі". У результаті, приемопередатчик може по заваді відкритися на передачу і весь час поки мікроконтроллер перебувати у відключеному стані пускати в працюючу лінію сміття. Уникнути цього легко - досить через резистор в кілька кОм підтягти вхід дозволу приймача / RE до нуля. Цим приймач відразу по включенні харчування налаштовується на прийом і не лізе на лінію, малюнок 2.9.

Рис. 2.9.

    1. Рекомендації з організації протоколу зв'язку

На фізичному рівні лінія зв'язку готова до роботи, проте, потрібен ще й протокол - домовленість між пристроями системи про формат посилок.

За природою інтерфейсу RS-485 пристрою не можуть передавати одночасно - буде конфлікт передавачів. Отже, потрібно розподілити між пристроями право на передачу. Звідси основне ділення: централізований (одномастерний) обмін і децентралізований (многомастерний).

У централізованої мережі один пристрій завжди провідне (майстер). Воно генерує запити і команди іншим (веденим) пристроїв. Відомі пристрої можуть передавати тільки по команді ведучого. Як правило, обмін між відомими йде тільки через ведучого, хоча для прискорення обміну можна організувати передачу даних від одного відомого до іншого по команді ведучого.

У децентралізованої мережі роль ведучого може передаватися від пристрою до пристрою або по деякому алгоритму черговості, або по команді поточного ведучого до наступного (передача маркера ведучого). При цьому ведене пристрій може у своїй відповіді ведучому передати запит на перехід у режим ведучого і чекати дозволу або заборони.

Послідовний канал за мірками контролера - штука повільна. На швидкості 9600 бод передача одного символу займає більше мілісекунди. Тому, коли контролер щільно завантажений обчисленнями і не повинен їх зупиняти на час обміну по UART, потрібно використовувати переривання по завершенню прийому і передачі символу. Можна виділити місце в пам'яті для формування посилки на передачу та збереження прийнятої посилки (буфер посилки), а також покажчики на позицію поточного символу.

Переривання по завершенню прийому або передачі символу викликають відповідні підпрограми, які передають або зберігають черговий символ із зсувом покажчика та перевіркою ознаки кінця повідомлення, після чого повертають управління основній програмі до наступного переривання. По завершенню відправлення або прийому всієї посилки або формується користувальницький прапор, що відпрацьовується в основному циклі програми, або відразу викликається підпрограма обробки повідомлення.

У загальному випадку посилка по послідовному каналу складається з керуючих байтів (синхронізація посилки, адрес відправника і одержувача, контрольної суми і пр.) і власне байтів даних.

Протоколів існує безліч і можна придумати ще більше, але краще користуватися найбільш вживаними з них. Одним із стандартних протоколів послідовної передачі є MODBUS, його підтримку забезпечують багато виробників промислових контролерів. Але якщо Вам потрібно буквально "два байти переслати" або просто освоїти методи зв'язку і не хочеться з-за цього вивчати систему команд модбаса і писати для нього драйвер, пропоную варіанти щодо простих протоколів. (І все-таки надалі варто орієнтуватися саме на MODBUS.)

Основне завдання в організації протоколу - змусити всі пристрої розрізняти керуючі байти і байти даних. Наприклад, відоме пристрій, отримуючи по лінії потік байтів, має розуміти, де початок посилки, де кінець і кому вона адресована.

  1. Часто зустрічаються протоколи на основі ASCII-коду. Керуючі символи і дані передаються у вигляді звичайних ASCII символів. Здійснення може виглядати так:

У HEX вигляді: 3Ah 31h 32h 52h 53h 34h 38h 35h 0Dh

У ASCII вигляді: ":" "1" "2" "R" "S" "4" "8" "5" / ПС /

На початку керуючий символ початку посилки ":", наступні дві цифри - адреса одержувача (12), потім символи даних (RS485) і в кінці - керуючий символ кінця посилки 0Dh (новий рядок). Всі пристрої на лінії, прийнявши символ ":", починають записувати в пам'ять посилку до символу кінця рядка 0Dh. Потім порівнюють адресу з посилки зі своєю адресою. Пристрій з поєднаним адресою обробляє дані посилки, решта - ігнорують посилку. Дані можуть містити будь-які символи, крім керуючих (":", 0Dh).

Гідність цього протоколу в зручності налагодження системи і простоті синхронізації посилок. Можна через перетворювач RS485-RS232 підключити лінію до COM-порту комп'ютера і в будь-терміналке побачити всю проходить інформацію "на людській мові". Недоліки - відносно великий розмір посилки при передачі великої кількості двійкової інформації, адже на передачу кожного байта потрібно два ASCII символу (7Fh - "7", "F"). Крім того, треба перетворювати дані із двійкового виду в ASCII і назад.

  1. Можна організувати протокол з безпосередньою передачею двійкових даних. При цьому керуючі символи і байти даних розрізняються за допомогою налаштування додаткового дев'ятий біта в UART. Для керуючих символів цей біт установлюється в "1". Першим в посилці передається керуючий символ з одиничним дев'ятий бітом - інші його "нормальні" біти можуть містити адресу пристрою-одержувача, ознака початку / кінця посилки і що-небудь ще. Потім передаються байти даних з нульовим дев'ятий бітом. Всі приймаючі пристрої дізнаються по дев'ятому біту керуючий символ і за змістом його інших бітів визначають, кому адресовані наступні дані. Адресується пристрій приймає дані, а всі інші ігнорують їх до наступного керуючого символу.

UART деяких контролерів, наприклад C167 (Infineon) може в особливому режимі (wakeup) автоматично розпізнавати в отриманому байті дев'ятий біт і генерувати переривання при отриманні тільки керуючого символу. Адресується пристрій при цьому потрібно переключити в режим звичайного прийому до наступного керуючого символу. Це дозволяє іншим пристроям заощадити час на обробці переривань при отриманні байтів даних, адресованих не їм.

Якщо потрібно об'єднати системи та комп'ютера з Windows, такий протокол краще не застосовувати, тому що в Windows можуть бути проблеми з розпізнаванням дев'ятий біта в UART.

  1. Протокол може бути "чисто" двійковим, тобто без виділення спеціальних керуючих символів. Синхронізація посилок у цьому випадку може здійснюватися за рахунок відстеження паузи між прийнятими байтами. Приймаючий пристрій відраховує час з моменту останнього прийому байта до наступного, і якщо ця пауза виявляється більше якоїсь величини (наприклад, 1.5 - 3.5 байта), робиться висновок про втрату попередньої посилки і початку нової. Навіть якщо попередня посилка була незакінчена - приймальний буфер скидається. Можна також синхронізувати посилки за унікальною стартовою послідовності байтів (за аналогією зі стартовим символом у ASCII протоколі). У таких протоколах треба вживати особливих заходів для захисту від прийому помилкової посилки, розпочатої через перешкоди.

    1. Програмні методи боротьби зі збоями

Для підвищення надійності зв'язку обов'язково потрібно передбачити програмні методи боротьби зі збоями. Їх можна умовно розділити на дві групи: захист від рассинхронізациі і контроль достовірності.

2.8.1 Захист від рассинхронізациі

Незважаючи на захисне зсув, сильна перешкода може пробитися в лінію без активних передавачів та порушити правильну послідовність прийому посилок. Тоді виникає необхідність першої ж нормальної посилкою напоумити приймаючі пристрою і не дати їм прийняти перешкоду за посилку. Робиться це за допомогою синхронізації кадрів (активна пауза) і синхронізації посилок (преамбула).

  • Захист від рассинхронізациі кадрів.

Всі подальші заходи синхронізації посилок мають сенс тільки спільно з цією, малюнок 2.10. Перешкода помилковим старт-бітом може збити правильний прийом кадрів подальшої посилки. Щоб повернутися до вірної послідовності, потрібно зробити паузу між включенням прийомопередавача на передачу і посилкою даних. Весь цей час передавач утримує в лінії високий рівень, через який заваді важко пробитися (активна пауза). Паузи тривалістю в 1 кадр на даній швидкості зв'язку (10-11 біт) буде достатньо для того, щоб будь-який пристрій, що бере перешкоди прийняло стоп-біт. Тоді наступний кадр буде прийматися з нормального старт-біта.

Рис. 2.10. Захист від синхронізації кадрів.

Того ж ефекту можна домогтися передачею символу FFh перед першим байтом посилки, так як крім старт-біта, всі його біти - "1". (Якщо старт-біт символу FFh потрапить на стоп-біт помилкового кадру, буде просто зарахована помилка кадру).

  • Захист від рассинхронізациі посилок.

Застосовується спільно з попередньою захистом! Особливо підла перешкода може замаскуватися під керуючий символ і збити прийняту потім посилку. Крім того попередня посилка може бути перервана. Через це вкрай бажано в підпрограмі прийому та збереження даних передбачити заходи з упізнання цього початку посилки і скидання приймального буфера посилки (області пам'яті, куди зберігаються прийняті байти). Для цього служить преамбула - попередній ознака початку посилки.

Стартовий символ.

У ASCII протоколі роль преамбули грає спеціальний керуючий символ початку посилки. За кожного прийому такого символу потрібно скидати буфер: обнуляти число прийнятих байт, переміщати покажчик на початок буфера і т.п. Те ж саме потрібно робити при переповненні буфера.

Це дозволить справжньому керуючому символу скинути попередню "посилку", розпочату помилковим символом.

Приклад. Останній управляючий символ ":" скине попередню помилкову посилку:

____:) ____: 1 лютого RS 4 Серпня 5 / ПС / ____

Стартова пауза.

У двійковому протоколі, де не передбачено унікальний керуючий символ, і синхронізація посилок йде по заданій паузі між байтами, досить збільшити активну паузу, описану в синхронізації кадрів, до тривалості паузи між байтами, за якою починається прийом нової посилки. Тобто, між включенням прийомопередавача на передачу і відправкою перше байтів посилки потрібно зробити паузу тривалістю в 1.5 - 3.5 кадру UART. При активному передавачі під час такої преамбули заваді важко буде прорватися до приймачів, вони зафіксують потрібну паузу, скинуть буфер посилки і налаштуються на прийом нової посилки. Цей метод застосовується, зокрема, для протоколу MODBUS RTU.

Стартова послідовність.

Якщо в двійковому протоколі синхронізація здійснюється лише за коректному початку посилки, то відфільтрувати помилкову посилку можна тільки за логікою її структури. Преамбула в даному випадку - деяка стартова послідовність символів, яка не може зустрітися в даних посилки, і яку навряд чи сформує перешкода. Преамбула відсилається перед основною посилкою. Приймаючий пристрій відстежує у даних, що надходять цю стартову послідовність. Де б вона не відбулася, приймаючий пристрій скидає буфер посилки і починає приймати нову.

Варіант 1. Здійснення починає заново прийматися після прийому "go!" (Замість символів можуть бути будь-які 8-бітові дані):

____: - Ь ___ go! 1 лютого RS 4 5 серпня ____

Варіант 2. Здійснення починає заново прийматися після прийому не менше трьох "E" підряд і стартового байта ":" (замість символів можуть бути будь-які 8-бітові дані):

____>: - E ___ EEE: 1 2 RS 4 5 серпні ____

Навіть якщо до стартової послідовності було два таких символу поспіль, посилка почне зберігатися тільки за послідовністю з не менш ніж трьох поспіль (зайві ігноруються) та стартового символу. Якщо замість "Е" використовувати байт FFh - можна поєднати синхронізацію кадрів і посилок. Для цього надсилаються чотири FFh, а приймаючий пристрій очікує не менше трьох, з урахуванням того, що перший байт FFh може піти на синхронізацію кадрів.

2.8.2 Контроль достовірності

Особливо сильна перешкода може вклинитися в посилку, спотворити керуючі символи або дані в ній, а то й зовсім знищити її. Крім того, одне з підключених до лінії пристроїв (абонент) може вийти з ладу і перестати відповідати на запити. На випадок такого лиха існують контрольна сума, тайм-аути і квитирование.

Контрольна сума - у загальному випадку 1-2 байта коду, отриманого деяким перетворенням з даних посилки. Найпростіше - "виключає або" всім байтам даних. Контрольна сума розраховується і включається в посилку перед відправкою. Приймаючий пристрій виробляє ту ж операцію над прийнятими даними і звіряє розраховану контрольну суму з отриманої. Якщо посилка була пошкоджена, то, швидше за все, вони не співпадуть. У разі застосування ASCII протоколу - код контрольної суми також передається ASCII-символами.

Тайм-аут - максимальний час очікування відповіді від запитуваної пристрою. Якщо посилка була пошкоджена або запитувана пристрій вийшов з ладу, то провідне пристрій не зависне в очікуванні відповіді, а після закінчення певного часу визнає наявність збою. Після чого можна ще пару раз повторити запит і, якщо збій повторюється, перейти на відпрацювання аварійної ситуації. Тайм-аут відраховується з моменту завершення передачі запиту. Його тривалість повинна з невеликим запасом перевищувати максимальну час відповідної передачі плюс час, необхідний на обробку запиту і формування відповіді. Веденому пристрою теж не завадить відпрацювання тайм-аутів. Особливо в ситуаціях, коли відсутність регулярного оновлення даних або нових команд від ведучого пристрою критично для роботи пристроїв системи. Найпростіша реалізація для веденого - скидання сторожового таймера з прийому посилки. Якщо з якої-небудь причини дані перестали надходити - пристрій скинеться по переповненню сторожового таймера. Після скидання встановлюється безпечний режим до прийому першої команди.

Квитирование - підтвердження доставки (квитанція). Коли важливо, щоб ведений обов'язково отримав дані або команду, виникає необхідність проконтролювати отримання ним посилки. Провідне пристрій, відправивши відомому дані, чекає відповіді з підтвердженням. Ведений пристрій, отримавши дані, у разі їх коректності посилає відповідь, що підтверджує доставку. Якщо після закінчення тайм-ауту ведучий пристрій не отримує підтвердження, робиться висновок про збій у зв'язку або в відомому пристрої. Далі звичайні заходи - повтор посилки. Але тут є нюанс: пошкоджена і не отримана може бути сама квитанція. Провідне пристрій, не отримавши квитанцію, повторює посилку, і ведене відпрацьовує її повторно. Не завжди це суттєво, але якщо перепосилалась команда типу "збільшити параметр на 1" це може призвести до незапланованого подвійного збільшення параметра. У такому випадку треба передбачити що-небудь типу циклічної нумерації посилок, щоб ведене пристрій відрізняло повторні посилки від нових і не відпрацьовувало їх.

    1. Захист пристроїв від перенапруг в лінії зв'язку

Різниця потенціалів між провідниками лінії і між лінією і "землею" прийомопередавача, як правило, не повинна виходити за межі -7 ... +12 В. Отже, може знадобитися захист від різниці потенціалів між "землями" та від перенапруг через замикання на високовольтні ланцюги.

  • Різниця потенціалів між "землями".

При організації мережі на основі інтерфейсу RS-485 слід враховувати неявне присутність третього провідника - "землі". Адже всі прийомопередавачі мають харчування і "землю". Якщо пристрою 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 харчування, то між їх "землями" може виявитися істотна різниця потенціалів. Можливі наслідки - вихід з ладу прийомопередавача, а то і всього пристрою. У таких випадках слід застосовувати гальванічну розв'язку або дренажний провід.

Гальванічна розв'язка лінії та пристроїв здійснюється або опторазвязкой цифрових сигналів (RO, DI, RE, DE) з організацією ізольованого харчування мікросхем прийомопередавачів, або застосуванням прийомопередавачів з вбудованою гальванічною розв'язкою сигналів і харчування (наприклад, MAX1480). Тоді разом з диференціальними провідниками прокладаються провід ізольованою "землі" (сигнальної "землі") і, можливо, провід ізольованого харчування лінії, малюнок 2.11.

Дренажний провід - провід, що прокладається разом із кручений парою і з'єднує "землі" віддалених пристроїв. Через цей провід зрівнюються потенціали "земель". При включенні пристрою в лінію дренажний провід слід підключати першим, а при відключенні - від'єднувати останнім. Для обмеження струму через дренажний провід його заземлюють в кожному пристрої через резистор в 100 Ом (0.5 Вт).

Рис. 2.11. Гальванічна розв'язка лінії.

  • Замикання на високовольтні ланцюги.

Якщо існує небезпека потрапляння на лінію або одну з місцевих "земель" високої напруги, слід застосовувати опторазвязку або шунтуючі обмежувачі напруги. А краще і те й інше.

Напруга пробою оптично розмежовані інтерфейсу становить сотні і навіть тисячі вольт. Це добре захищає пристрій від перенапруги, спільного для всіх провідників лінії. Однак, при диференціальних перенапруженнях, коли високий потенціал виявляється на одному з провідників, сам приймач буде пошкоджено.

Для захисту від диференціальних перенапруг всі провідники лінії, включаючи ізольований загальний, шунтується на локальні "землі" за допомогою обмежувачів напруги. Це можуть бути варистори, напівпровідникові обмежувачі напруги та газорозрядні трубки. Фізичний принцип їх дії різний, але суть одна - при напрузі вище порогового їх опір різко падає, і вони шунтируют лінію. Газорозрядні трубки можуть шунтувати дуже великі струми, але мають високий поріг пробою і низька швидкодія, тому їх краще застосовувати за триступеневою схемою разом з напівпровідниковими обмежувачами. Коли заземлення лінії неможливо, провідники лінії шунтируют обмежувачами між собою. Але це захистить тільки від диференціальних перенапруг - захист від загального повинна взяти на себе опторазвязка, малюнок 2.12.

Рис. 2.12. Захист від перенапруг.

Захист обмежувачами напруги дієва при короткочасних перенапруженнях. При тривалих - струми короткого замикання можуть вивести обмежувачі з ладу, і пристрої на лінії опиняться без захисту. Для захисту від коротких замикань в лінію можна послідовно включити плавкі запобіжники.

    1. Додаткові заходи захисту від перешкод

  • Діагностика.

Якщо є можливість вибору маршруту прокладки кабелю з виміром рівня перешкод - не варто їй нехтувати. Навіть якщо програмна корекція помилок успішно справляється зі збоями, потрібно зробити все, щоб фізично знизити рівень перешкод в лінії. Корисно передбачити в програмі діагностичний режим, в якому накопичувалася б статистика збоїв, відпрацьовуються програмної корекцією (провал за контрольною сумою, тайм-ауту). Якщо збоїв занадто багато, бажано попрацювати над пошуком і усуненням їх причини. Зниження швидкості зв'язку (бодрейта) у багатьох випадках підвищує завадостійкість. Не має сенсу встановлювати швидкість обміну більше, ніж необхідно для нормальної роботи системи, якщо тільки не потрібно запас на модифікацію.

  • Прокладка кабелю.

По можливості не слід проводити виту пару уздовж силових кабелів, тим більше в загальній оплітці, так як існує небезпека наведень від силових струмів через взаємну індуктивність. Силове обладнання, комутуючий великі струми, також є джерелом перешкод. Сигнальні ланцюги харчування оптоізолірованной лінії краще не використовувати для харчування чого-небудь ще, тому що протікають по сигнальній "землі" зайві струми можуть вносити в лінію додатковий шум. Неякісна вита пара з асиметричними характеристиками провідників - ще одне джерело проблем. Чим менше крок кручений пари (частіше перевиті проводу) - тим краще. Навіть якщо не застосовується оптично розмежовані лінія або дренаж, варто відразу провести кабель із запасною кручений парою - на випадок, якщо станеться обрив першою або все ж таки знадобиться провести сигнальну землю.

  • Екранування та заземлення.

У промислових умовах, важких в плані електромагнітного шуму, рекомендується застосовувати екранований кабель з кручений парою. Екран, що охоплює провідники лінії, захищає їх від паразитних ємнісних зв'язків та зовнішніх магнітних полів. Екран слід заземлювати тільки в одній з крайніх точок лінії. Заземлення в декількох точках неприпустимо: через різницю потенціалів місцевих "земель" по екрану можуть протікати істотні струми, які будуть створювати наведення 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.

  • Індуктивні фільтри.

Якщо в лінію все ж потрапляють високочастотні перешкоди, їх можна відсіяти індуктивними фільтрами, малюнок 2.13. Існують спеціальні індуктивні фільтри, призначені для придушення високочастотних перешкод у лініях зв'язку. Вони послідовно включаються в лінію безпосередньо біля приймачів. Наприклад, B82790-S **** фірми Epcos, виконаний у вигляді чотириполюсника, через який вита пара під'єднується до приймача.

Рис. 2.13. Індуктивний фільтр.

  1. Розведення мереж RS-485

RS-485 передає цифрову інформацію між багатьма об'єктами. Швидкість передачі даних може досягати 10 Мбіт / с, а іноді й перевищувати цю величину. RS-485 призначений для передачі цієї інформації на значні відстані, і 1000 метрів добре вкладається в його можливості. Відстань і швидкість передачі даних, з якими RS-485 може успішно використовуватися, залежать від багатьох моментів при розробці схеми межз'єднань системи.

  1. Кабель

RS-485 спроектований як балансні система. Простіше кажучи, це означає, що, крім земляного, є два дроти, які використовуються для передачі сигналу, малюнок 3.1.

Рис. 3.1. Балансная система використовує, крім земляного, два дроти для передачі даних.

Система називається балансної, тому що сигнал на одному проводі є ідеально точною протилежністю сигналу на другому дроті. Іншими словами, якщо один провід передає високий рівень, інший дріт буде передавати низький рівень, і навпаки, рисунок 3.2.

Рис. 3.2. Сигнали на двох проводах балансної системи ідеально протилежні.

Незважаючи на те, що RS-485 може успішно здійснювати передачу з використанням різних типів середовища передачi, він повинен використовуватися з проводкою, яку часто називають "вита пара".

Як випливає з її назви, вита пара - це просто пара проводів, які мають рівну довжину і звиті разом. Використання передавача, що відповідає вимогам специфікації RS-485, з кабелем на основі витої пари, зменшує два головних джерела проблем для розробників швидкодіючих територіально розподілених мереж, а саме випромінювані електромагнітні перешкоди і індуковані електромагнітні перешкоди (наведення).

    1. Випромінювані електромагнітні перешкоди

Як показано на малюнку 3.3., Щоразу, коли для передачі інформації використовуються імпульси з крутими фронтами, у сигналі присутні високочастотні складові. Ці круті фронти потрібні при більш високих швидкостях, ніж здатний забезпечити RS-485.

Рис. 3.3. Форма сигналу послідовності прямокутних імпульсів з частотою 125 кГц і її ШПФ

Отримані в результаті високочастотні компоненти цих крутих фронтів разом з довгими проводами можуть призвести до випромінювання електромагнітних перешкод (EMI). Балансная система, що використовує лінії зв'язку на основі витої пари, зменшує цей ефект, роблячи систему неефективним випромінювачем. Це працює на дуже простому принципі. Оскільки сигнали на лініях рівні, але інверсний, випромінювані від кожного проводу сигнали будуть також мати тенденцію бути рівними, але інверсними. Це створює ефект придушення одного сигналу іншим, що, у свою чергу, означає відсутність електромагнітного випромінювання. Однак, це засновано на припущенні, що дроти мають точно однакову довжину і точно однакове розташування. Оскільки неможливо одночасно мати два дроти абсолютно однаково розташованими, проводи повинні бути близько один до одного наскільки можливо. Скручування проводів допомагає нейтралізувати будь-яке залишкове електро-магнітне випромінювання через кінцевого відстані між двома проводами.

3.3 індуковані електромагнітні перешкоди

Індуковані електромагнітні перешкоди - в основному та ж сама проблема, що і випромінювані, але навпаки. Межсоединения, використовувані в системі на основі RS-485, також діють як антена, яка отримує небажані сигнали. Ці небажані сигнали можуть спотворювати корисні сигнали, що, у свою чергу, може призвести до помилок у даних. З тієї ж самої причини, з якої вита пара допомагає запобігати випромінювання електромагнітних перешкод, вона також допоможе знизити вплив наведених електромагнітних завад. Оскільки два дроти розташовані разом і скручені, шум, наведений на одному проводі буде мати тенденцію бути тим же самим, що й наведений на другому дроті. Цей тип шуму називають "синфазним шумом". Оскільки приймачі RS-485 призначені для виявлення сигналів, які є протилежністю один одного, вони можуть легко придушувати шум, який є спільним для обох проводів.

3.4 Хвильовий опір кручений пари

Залежно від геометрії кабелю і матеріалів, використовуваних в ізоляції, вита пара буде володіти відповідним "хвильовим опором (характеристичним імпедансом)", який зазвичай визначається її виробником. Специфікація RS-485 рекомендує, але явно не нав'язує, щоб це хвильовий опір був дорівнює 120 Ом. Рекомендація цього імпедансу необхідна для обчислення найгіршою навантаження і діапазонів синфазних напружень, визначених у специфікації RS-485. По всій видимості, специфікація не диктує цей імпеданс в інтересах гнучкості. Якщо з яких-небудь причин не може використовуватися 120-омний кабель, рекомендується, щоб найгірший варіант навантаження (припустиме число передавачів і приймачів) і найгірші діапазони синфазних напружень були повторно розраховані, щоб упевнитися, що проектована система буде працювати.

3.5 Погоджувальні резистори

Оскільки порушені високі частоти і великі відстані, належна увага має бути приділена ефектів, що виникають в лініях зв'язку. Однак, детальне обговорення цих ефектів і коректних методів узгодження далеко виходить за рамки цієї статті. Пам'ятаючи про це, техніка узгодження буде коротко розглянута у своїй простій формі, остільки, оскільки вона має відношення до RS-485.

Узгоджувальний резистор - це просто резистор, який встановлений на крайньому кінці або кінцях кабелю, малюнок 3.4. В ідеалі, опір согласующего резистора дорівнює хвильовому опору кабелю.

Рис 3.4. Узгоджувальні резистори повинні мати опір, рівний хвильовому опору кручений пари і повинні розміщуватися на далеких кінцях кабелю.

Якщо опір узгоджуючих резисторів не дорівнює хвильовому опору кабелю, відбудеться відображення, тобто сигнал повернеться по кабелю назад. Це описується рівнянням (Rt-Zo) / (Zo + Rt), де Zo - опір кабелю, а Rt - номінал согласующего резистора. Хоча, в силу допустимих відхилень в кабелі і резистори, певне відображення неминуче, значні розбіжності можуть викликати відображення, досить великі для того, щоб привести до помилок у даних, малюнок 3.5.

Рис. 3.5. Використовуючи схему, показану на верхньому малюнку, сигнал ліворуч був отриманий з MAX3485, навантаженим на 120-омную виту пару, і 54-омним согласующим резистором. Сигнал праворуч був отриманий при коректному погодження з допомогою 120-омного резистора.

Пам'ятаючи про це, важливо забезпечити максимально-можливу близькість значень опору согласующего резистора і хвильового опору. Місце встановлення согласующего резистора так-же дуже важливо. Узгоджувальні резистори повинні завжди розміщуватися на далеких кінцях кабелю.

Як загальне правило, погоджують резистори повинні бути поміщені на обох далеких кінцях кабелю. Хоча правильне узгодження обох кінців абсолютно критично для більшості системних дизайнів, можна стверджувати, що в одному спеціальному випадку необхідний тільки один узгоджувальний резистор. Цей випадок має місце в системі, в якій є єдиний передавач, і цей єдиний передавач розташований на дальньому кінці кабелю. У цьому випадку немає необхідності розміщувати узгоджувальний резистор на кінці кабелю з передавачем, оскільки сигнал завжди поширюється від цього передавача.

3.6 Максимальне число передавачів і приймачів в мережі

Найпростіша мережа на основі RS-485 складається з одного передавача та одного приймача. Хоча це і корисно в ряді додатку, але RS-485 привносить більшу гнучкість, дозволяючи більше одного приймача і передавача на одній витій парі. Допустимий максимум залежить від того, наскільки кожне з пристроїв завантажує систему.

В ідеальному світі, всі приймачі і неактивні передавачі будуть мати нескінченний імпеданс і ніколи не будуть навантажувати систему. У реальному світі, однак, так не буває. Кожен приймач, підключений до мережі і всі неактивні передавачі збільшують навантаження. Щоб допомогти розробникові мережі на основі RS-485 з'ясувати, скільки пристроїв можуть бути додані до мережі, була створена гіпотетична одиниця, звана "одинична навантаження (unit load)". Всі пристрої, які підключаються до мережі RS-485, повинні характеризуватися ставленням множників або часток одиничної навантаження. Два приклади - MAX3485, специфікованому як 1 одинична навантаження, і MAX487, специфікованому як 1 / 4 одиничної навантаження. Максимальне число одиничних навантажень на кручений парі (приймаючи, що ми маємо справу з належним чином погодженим кабелем, що має хвильовий опір 120 Ом або більше) - 32. Для наведених вище прикладів це означає, що в одну мережу можуть бути включені до 32 пристроїв MAX3485 або до 128 MAX487.

3.7 Приклади правильних мереж

Озброївшись наведеної вище інформацією, ми готові розробити деякі мережі на основі RS-485. Ось декілька простих прикладів.

3.7.1 Один передавач, один приймач

Найпростіша мережа - це один передавач і один приймач, малюнок 3.6. У цьому прикладі, що погоджує резистор показаний на кабелі на стороні передавача. Хоча тут це необов'язково, ймовірно доброю звичкою було б проектувати мережі з обома согласующими резисторами. Це дозволять переміщати передавач в місця, відмінні від далекого кінця кабелю, а також дозволяє, якщо в цьому виникне необхідність, додати в мережу додаткові передавачі.

Рис. 3.6. Мережа RS-485 з одним передавачем і одним приймачем.

3.7.2 Один передавач, декілька приймачів

На малюнку 3.7. представлена ​​мережа з одним передавачем і кількома приймачами. Тут важливо, щоб відстані від кручений пари до приймачів були як можна коротше.

Рис. 3.7. Мережа RS-485 з одним передавачем і кількома приймачами.

3.7.3 Два прийомопередавача

На малюнку 3.8. представлена ​​мережа з двома прийомопередавача.

Рис. 3.8. Мережа RS-485 з двома прийомопередавача.

3.7.4 Кілька прийомопередавачів

На малюнку 3.9. представлена ​​мережа з декількома прийомопередавача. Як і в прикладі з одним передавачем і кількома приймачами, важливо, щоб відстані від кручений пари до приймачів були як можна коротше.

Рис. 3.9. Мережа RS-485 з кількома прийомопередавача.

3.8 Приклади неправильних мереж

Нижче представлені приклади неправильно сконфігурованих систем. У кожному прикладі порівнюється форма сигналу, отриманого від некоректно розробленої мережі, з формою сигналу, отриманого від належним чином розробленої системи. Форма сигналу вимірювалася диференційно в точках A і B (AB).

3.8.1 Неузгоджена мережу

У цьому прикладі, малюнок 3.10., На кінцях кручений пари відсутні согласующие резистори. Оскільки сигнал поширюється від джерела, він стикається з відкритим ланцюгом на кінці кабелю. Це призводить до неузгодженості імпедансів, викликаючи відображення. У разі відкритого ланцюга (як показано нижче), вся енергія відбивається назад до джерела, викликаючи сильне спотворення форми сигналу.

Рис. 3.10. Неузгоджена мережа RS-485 (вгорі) і її підсумкова форма сигналу (ліворуч) у порівнянні з сигналом, отриманим на правильно узгодженої мережі (праворуч).

3.8.2 Неправильне розташування термінатора

На малюнку 3.11. узгоджувальний резистор (термінатор) присутній, але його розміщення відрізняється від далекого кінця кабелю. Оскільки сигнал поширюється від джерела, він стикається з двома неузгодженості імпедансу. Перше зустрічається на згоду резисторі. Навіть при тому, що резистор узгоджений з хвильовим опором кабелю, є ще кабель за резистором. Цей додатковий кабель викликає неузгодженість, а значить і відбиття сигналу. Друге неузгодженість, це кінець неузгодженого кабелю, веде до додаткових відображенням.

Рис. 3.11. Мережа RS-485 з неправильно розміщеним согласующим резистором (верхній малюнок) і її підсумкова форма сигналу (ліворуч) у порівнянні з сигналом, отриманим на правильно узгодженої мережі (праворуч).

3.8.3 Складові кабелі

На малюнку 3.12. є цілий ряд проблем з організацією межсоединений. Перша проблема полягає в тому, що драйвери RS-485, щоб керувати тільки однієї, правильним чином узгодженої, кручений парою. Тут же кожен передавач управляє чотирма паралельними витими парами. Це означає, що необхідні мінімальні логічні рівні не можуть гарантуватися. На додаток до важкої навантаженні, є неузгодженість імпедансів в точці, де з'єднуються декілька кабелів. Неузгодженість імпедансів в черговий раз означає відображення і, як наслідок, спотворення сигналу.

Рис. 3.12. Мережа RS-485, некоректно використовує кілька кручених пар.

3.8.4 Довгі відгалужувачі

На малюнку 3.13., Кабель коректно узгоджений і передавач навантажений тільки на одну виту пару, а проте сегмент проводу в точці підключення (відгалужувач - stub) приймача надмірно довгий. Довгі відгалужувачі викликають значне неузгодженість імпедансів і, таким чином, відбиття сигналу. Всі відгалужувачі повинні бути як можна коротше.

Рис. 3.13. Мережа RS-485 використовує 3-метровий відгалужувач (малюнок зверху) і її підсумковий сигнал (ліворуч) у порівнянні з сигналом, отриманим з коротким відгалуженням

4. Промислова локальна мережа для проведення ГТВ

4.1 Станція геолого-технологічних досліджень

Геолого-технологічні дослідження (ГТВ) - це сукупність методів і засобів, що застосовуються на буровій з метою отримання достовірної інформації про геології розрізу свердловини і з метою оптимізації режимів буріння. ГТВ виконується для буріння розвідувальних, експлуатаційних, похило-спрямованих і горизонтальних свердловин.

Станція ГТВ представляє собою сукупність датчиків, систем збору даних (ССД), обробки даних (СОД) та індикаторів. Вона призначена для автоматизації ГТВ, в тому числі для реєстрації технологічних параметрів, архівування та документування отриманих даних, визначення видів робіт і позаштатних ситуацій. Станція ГТВ може містити засоби індикації технологічних параметрів (дисплеї) та оповіщення (звукові, світлові). Станція може використовуватися для автоматизації робіт на свердловині.

Завдання станції:

  • безперервний прийом сигналів від датчиків та апаратури газового каротажу в автоматичному режимі, забійній инклинометрических системи;

  • автоматичну обробку прийнятих сигналів, інтерпретацію отриманої інформації і представлення її у вигляді діаграм, таблиць;

  • розпізнавання і попередження на ранній стадії виникнення передаварійних і аварійних ситуацій, непередбачених ускладнень, у тому числі газонефтепроявленій;

  • контроль буріння, а саме поглиблення забою, спуско-підйомних операцій (СПО) з контролем доліва свердловини, цементування;

  • визначення в процесі буріння літологічного розрізу, виділення пластів колекторів, визначення пластового тиску в процесі буріння і прогноз пластового тиску, прогноз і визначення зон АВПД;

  • визначення параметрів газового каротажу, продуктивності пластів колекторів;

  • побудова уточненого геологічного розрізу за даними, отриманими в процесі буріння і дослідження шламу і керна (введення даних, розрахунки, друк стратиграфічного розрізу, шламограмми, карбонатограмми, результатів люмінесцентного, бітумінологичеський та ін аналізів шламу і керна, результатів газового каротажу);

  • контроль і прогноз траєкторії свердловини;

  • виконання розрахунків при рішенні геологічних, технологічних завдань проводки свердловини;

  • візуалізацію всієї отриманої по свердловині інформації на екрані монітора;

  • накопичення і зберігання всієї отриманої інформації з свердловині;

  • формування та друк звітної документації по свердловині;

  • передачу одержуваної інформації засобами радіо, стільникового або дротового зв'язку в центр збору;

  • копіювання інформації за свердловині для її подальшої обробки в центрі збору.

  • Надання в режимі реального часу інформації про хід буріння представнику замовника і різним службам (кількість підключаються робочих місць обумовлюється в договорі).

  • Оперативний обмін інформацією між службами.

4.2 Склад і структура станції

На рис 4.1 показана структурна схема станції ГТВ. Канал зв'язку BITBUS дозволяє підключати до 255 ССД та представляє собою інтерфейс, спеціально розроблений і оптимізований для зв'язку програмованих контролерів, керуючих ЕОМ і т.п. та інтеграції цих пристроїв у локальну керуючу мережу розподілених АСУ ТП.

Оскільки у відповідності з теорією систем, структурні системи автоматизації будуються, як правило, подібно об'єктів управління, а об'єкти в переважній більшості мають ієрархічну структуру, в основу мережі BITBUS також покладено ієрархічний принцип.

Рис 4.1. структурна схема станції ГТВ.

1 - промисловий комп'ютер, провідний вузол мережі BITBUS; 2 - адаптер мережі BITBUS для комп'ютера BB_ISA; 3 - ретранслятор мережі BITBUS (для великих відстаней); 4 - інтелектуальне УСО з інтерфейсом BITBUS; 5 - програмований контролер моноблочний, з інтерфейсом BITBUS; 6 - програмований контролер магістрально-модульний, з інтерфейсом BITBUS; 7 - шлюз; 8 - програмований контролер магістрально-модульний, з довільним інтерфейсом; 9 - інтелектуальні датчики. 10 - інтелектуальні датчики (хроматограф)

Центральним елементом мережі BITBUS є провідне пристрій, функції якого, як правило, покладаються на промисловий комп'ютер (1). Цей комп'ютер зазвичай виконує кілька функцій:

  • графічна операторська станція;

  • елемент локальної мережі (LAN) верхнього рівня АСУ ТП.

На практиці в якості цього елемента системи часто застосовують IBM-сумісні персональні комп'ютери. Інтерфейс з локальною мережею BITBUS здійснює адаптер мережі BB_ISA (2), встановлений в PCI слот комп'ютера. Як правило, застосовуються адаптери, що забезпечують гальванічну ізоляцію комп'ютера від мережі BITBUS.

Протокол BITBUS визначає два режими передачі даних по шині:

  1. Синхронний режим, цей режим використовується при необхідності роботи на великій швидкості, але на обмежених відстанях. У цьому випадку топологія мережі може включати до 28 вузлів, а довжина шини обмежуватися 30 м. Швидкість може бути від 500 до 2400 Кбод. Синхронний режим передачі припускає використання двох диференціальних сигнальних пар: одній для даних, інший для синхронізації.

  2. Режим з самосинхронізації, використання цього режиму дозволяє значно подовжити шину. Стандартом визначено три швидкості передачі: 1500 Мбод, 375 Кбод (до 300 м) і 62,5 Кбод (до 1200 м). Використовуючи шинні репітери, можна об'єднувати послідовно кілька шинних сегментів (до 28 вузлів на сегмент). Тоді загальна кількість вузлів можна довести до 250, довжину загальної шини - до декількох кілометрів. При цьому режимі передачі використовуються дві диференціальні пари: одна для даних і одна для управління репітерів.

На фізичному рівні реалізації BITBUS відповідають специфікаціям RS-485. RS-485 отримав за останні роки найбільш широке поширення в локальних мережах нижнього рівня, підтверджуючи правильність вибору розробників BITBUS. Фізичної середовищем у мережі зазвичай є екранована вита пара. В якості альтернативної середовища іноді застосовують оптоволокно.

Мережа BITBUS може мати різну топологію - лінійну, деревоподібну або зіркоподібну, що дозволяє легко пристосовувати конфігурацію мережі до існуючих виробничих приміщень та розташування обладнання. Конфігурація мережі може нарощуватися і видозмінюватися в процесі її експлуатації. Залежно від використовуваної швидкості передачі довжина одного сегмента може бути 300 м або 1200 м. Для збільшення відстані використовуються ретранслятори (3), максимальна відстань при цьому досягає 13,2 км. Управління ретрансляторами передбачено в інтерфейсі. Для цього використовується друга вита пара.

У даному дипломному проекті відстань між контролером і комп'ютером не буде перевищувати 300м, що в повніше достатньо при проведенні ГТВ та ЦК.

Мережа об'єднує різноманітні пристрої введення-виведення - від інтелектуальних УСО (4) до програмованих контролерів (5, 6). Контролери, які не мають штатного виходу в інтерфейс BITBUS (8), підключаються через шлюзи (7). На "більш низькому" рівні ієрархії, ніж мережа BITBUS, застосовуються видалені інтелектуальні датчики (9), що підключаються по послідовних каналах RS-232 або RS -485.

Основні технічні дані мережі BITBUS наведені в таблиці 4.1.:

Таблиця 4.1. Характеристики мережі BitBus.

Топологія

лінійна або деревоподібна

Довжина мережі

від 300 м до 13,2 км

Фізична середовище передачі даних

вита пара

Альтернативна середу

оптоволокно

Основний тип роз'єму

D-SUB 9

Швидкість передачі

375 Кбіт / с або 62,5 Кбіт / с

Характерне час відповіді

1 мс

Канальний рівень протоколу

SDLC

Максимальна кількість вузлів

250

4.2.1 Система збору даних

Система збору даних ССД призначена для опитування та попередньої обробки сигналів з ​​первинних датчиків технологічних параметрів і передачі даних у формі коду імпульсного сигналу на реєструючий комплекс.

Являє собою підключений до каналу зв'язку BitBus пристрій, виконано на базі сигнального процесора ADSP-218x фірми Analog Devis, зв'язковий контролер TCM32F або TU2000 фірми Tecon і пристрій узгодження датчиків. У ССД передбачена установка контролера (вторинного) каналу зв'язку RS-485/UART. Через цей канал зв'язку ССД може передавати інформацію на показують прилади, до цього каналу зв'язку можна так само підключати датчики, що мають цифровий інтерфейс (всього - до 255 пристроїв).

ССД розміщується в сталевому пиловологозахищене крейта і встановлюється на буровій, поблизу від датчиків.

Інтерфейс обміну даними з комп'ютером

RS-485

Максимальна робоча напруга, В

25

Вхідний опір, кОм

100

Габаритні розміри, мм

570х510х120

Маса, кг

10

Робочий діапазон температури, ° С

-50 ... +60

Таблиця 4.2. Технічні характеристики ССД.

4.2.2 Асинхронний Адаптер Шини BITBUS (Master / Slave)

Модуль TPG / BB_ISA (Micro TCX) призначений для використання в розподілених системах у якості ведучого чи відомого пристрою з промислової шині BitBus.

Конструктивно модуль може використовуватися як в PC сумісних комп'ютерах, так і в стандарті MicroPC, в залежності від збірки.

Модуль TPG / BB_ISA виконаний на основі мікропроцесора DS80C320 сімейства MCS-51, має гальванічну розв'язку від локальної мережі і можливість апаратного скидання за допомогою команди від PC. На платі передбачено підключення терминируются резисторів (120 Ом) за допомогою перемичок. Для роботи адаптер TPG / BB_ISA використовує 8 послідовних адрес в просторі введення / виводу.

Базова адреса задається за допомогою трьох перемичок на платі. Обмін даними між модулем і PC здійснюється за опитуванням готовності адаптера або по перериванню.

Підтримка протоколу BitBus забезпечується вбудованим програмним забезпеченням, яке можна оновлювати за допомогою стандартних засобів як віддалено, по шині, так і через порти введення / виводу. Це дозволяє проводити швидке оновлення ПЗ у всіх пристроях мережі без виключення і демонтажу контроллеров.Модуль може здійснювати обмін даними по шині зі швидкістю 375 Кбіт / с, 187,5 Кбіт / с або 62,5 Кбіт / с.

Вибір швидкості прийому / передачі визначається перемичками на платі.

Крім комунікаційних функцій контролер може виконувати користувальницькі завдання (наприклад, збір даних). Користувальницькі завдання завантажуються одним виконавчим модулем з операційною системою OS51 та комунікаційних ПЗ в Flash-пам'ять адаптера.

Функціональність адаптера визначається вбудованим ПЗ і прошивкою вентильної матриці Altera, тому є широкі можливості модифікації модуля для конкретного завдання, додавання / зміни функціональності, збільшення швидкості передачі і так далі. Таким чином, можна використовувати адаптер для управління пристроями збору даних без використання додаткових контролерів і процесорних плат.

Таблиця 4.3. Характеристики адаптерf шини BitBus

Вхідний

Інтерфейс

ISA


Роз'єм

ISA (8-бітний)


Адреси портів

200h, 208h, 2A0h, 300h, 308h, 310h, 318h, 3A0h


Номери переривання

IRQ3, IRQ4, IRQ5, IRQ7


Гальванічна розв'язка з харчування

Вихідний послідовно-

вальний

Контролер вводу-

виведення

SDLC (реалізовано прошивкою FPGA)


Приймач

RS-485 (ADM1485)


Роз'єм

DB-9


Тип кабелю

FTP ANSI / ETA / TIA 568A CAT5


Відповідність між швидкістю передачі

даних і гарантованої

протяжністю каналу

62,5 Кбіт / с

1200 м



187,5 Кбіт / с

300 м



375 Кбіт / с

60 м


Спосіб кодування

NRZI


Оптоелектронна розв'язка по сигналах

Драйвери Програмне забезпечення

Windows NT/98/2000

Windows монітор

OS / 2

C / C + + бібліотека

MS DOS


QNX


Фізичні характеристики

Напруга живлення і струм споживання

+5 В ± 5%, 200мА

Індикація

Два світлодіоди (Червоний / Зелений)

Умови зберігання

Температура

-50 ° С ... +120 ° С

Умови експлу-

ції

Температура

0 ... +70 ° С


Вологість

0 ... 90%

Розміри

Довжина

100 ± 0,1 мм


Ширина

127 ± 0,1 мм


Висота

14,5 ± 0,1 мм

Додатково

CPU

DS80C320 (Intel 80x51), 24МГц або вище

RAM

32Кбайт пам'яті даних

FLASH

32 Кбайт

Можливість поновлення прошивок

FLASH може бути перепрограмовано

через регістри шини ISA (вбудоване програмне забезпечення)

4.2.3 Комп'ютерне забезпечення станції

У комплект станції ГТВ входить два IBM-сумісних комп'ютера, пов'язаних між собою за схемою клієнт-сервер. Один з яких забезпечений контроллером каналу зв'язку BitBus і є провідним вузлом (Host) на шині BitBus.

В якості контролера каналу зв'язку використовується контролер BB_ISA (Micro TCX), що забезпечує обмін по мережі BitBus пакетами до 74байт.

Сервер використовується для реєстрації і зберігання технологічної інформації в локальній базі даних. На комп'ютері Клієнт виконуються програми контролю процесу буріння, обробки геофізичного матеріалу, формування документів.

Вимоги, що пред'являються до комплектації станції комп'ютерів:


Мінімальні вимоги

Операційна система

Microsoft Windows 2000 Professional, Windows XP, Windows 2003 Server,

Процесор

Intel Pentium IV 2.8GHz/512kb/FSB400 / 512MHz

Материнська плата

На чіпсеті i854 Socket 478 виробників ASUS, MSI, INTEL, ABIT

Оперативна пам'ять

DIMM DDR 512 Brandname

Відеоадаптер

AGP з пам'яттю 64Mb Microsoft - сертифікована

Жорсткий диск HDD

40 Гб Maxtor, Seagate UATA100/133 або SCSI

DVD-RW

40х12х48 ASUS, Nec, Teac

Звукова карта

SB або інтегрована в MB, сертифікована Microsoft

Коробка для знімних дисків

Mobile RACK 3.5 "UATA100

Монітор

17 "зерно 0.24 1600х1280/85 Гц TCO'99, сертифікований Microsoft

Принтер

Кольоровий струменевий А4 (min) з високою швидкістю друку (12-20 стор. / хв), HP, Epson, Canon

Таблиця 4.4. Технічні характеристики комп'ютерів.

4.2.4 Технологічний комплект станції ГТВ (Датчики)

У комплект технологічних датчиків станції ГТВ входять наступні датчики:

Апаратний комплекс газового каротажу включає: аналізатор сумарного газосодержания, аналізатор компонентного складу в газовій суміші (хроматограф).

Апаратно-програмний комплекс інформаційного обміну нижнього рівня магістрального типу, що виконує функції опитування та попередньої обробки сигналів надходять з датчиків та аналізатора сумарного газосодержания, а також зв'язок з пристроями оперативного відображення інформації (пультом бурильника).

4.2.4.1 Технологічні датчики

Датчик оборотів лебідки (ДОТ-3) призначений для підрахунку кількості імпульсів, пропорційних числу оборотів валу лебідки.

Технічні характеристики ДОТ-3:

Кількість імпульсів на 1 оборот

20

Діапазон робочих швидкостей, об / хв

0 - 1350

Максимально допустима швидкість обертання, об / хв

1500

Випадкова похибка

± 0.166

Живлення, В

12

Габаритні розміри, мм

260х200х85

Маса не більше, кг

5

Робочий діапазон температури, ° С

-50 ... +60

Показання датчика ДОТ-3 використовується для розрахунку: положення долота в свердловині, положення гака над столом ротора, глибини свердловини, механічної швидкості проходки свердловини, швидкість подачі при спуско - підіймальних операціях та положення бурового інструменту при здійсненні цих операцій.

Датчик ваги ДАВ-20. Вага інструменту на гаку визначається шляхом вимірювання натягу нерухомого («мертвого») кінця талевої системи. Використовуваний датчик тензометричний.

Технічні характеристики ДАВ-20:

Діапазон вимірювання натягу талевого каната, кН

0-200

Рівень вихідного зігнала, мА

4 - 20

Відносна похибка,%

± 1

Живлення, В

12

Габаритні розміри

280х175х102

Маса не більше, кг

7

Робочий діапазон температури, ° С

-50 ... + 60

Датчик тиску КРТ-5-25 призначений для вимірювання тиску в нагнітальному лінії бурових насосів.

Технічні характеристики КРТ-5-25:

Діапазон вимірювання тиску, атм

0 - 250

Рівень вихідного зігнала, мА

4 - 20

Відносна похибка вимірювання,%

± 1

Живлення, В

12

Габаритні розміри

40х90х90

Маса не більше, кг

1

Робочий діапазон температури, ° С

-50 ... + 60

Комплексний датчик щільності, рівня і температури КД-3 призначений для контролю перерахованих параметрів бурового розчину в ємності. Щільність визначається шляхом вимірювання різниці тисків.

Технічні характеристики КД-3:

Діапазони контрольованих параметрів

  • Об'ємна щільність, г / см 3

  • Рівень, мм

  • Температура, ° С


0.9 - 2.4

0 - 2300

0 - 100

Діапазон вимірювань вихідного сигналу, В

0 - 10

Напруга живлення постійним струмом, мА

12

Основна приведена похибка вимірювань:

  • Густина,%

  • Рівень,%

  • Температура,%


0.5

1

0.5

Габаритні розміри:

  • Діаметр блока перетворення, мм

  • Висота, мм

  • Маса не більше, кг


100

2800

14

Робочий діапазон температури, ° С

-50 +60


Датчик рівня механічний призначений для дистанційної реєстрації рівня рідини у відкритих і закритих ємностях. Рівень визначається шляхом реєстрації становища поплавця, що контактує з поверхнею контрольованої рідини. Принцип роботи заснований на зміні опору омічного датчика переміщення.

Технічні характеристики датчика рівня:

Діапазон, вимірювань, мм

0 - 4000

Основна наведена похибка вимірювань,%

0.5

Напруга живлення, В

12

Робочий діапазон температури, ° С

-50 ... +60

Індикатор витрати на вході призначений для якісної оцінки балансу циркуляції бурового розчину шляхом реєстрації інтенсивності потоку на виході зі свердловини. Робота приладу заснована на переміщенні осі видаткового датчика.

Технічні характеристики:

Діапазон, вимірювань, мм

0 - 4000

Основна наведена похибка вимірювань,%

0.5

Напруга живлення, В

12

Робочий діапазон температури,

-50 ... +60

Датчик ходів насоса ЧДХ призначений для вимірювання числа ходів бурових насосів.

Технічні характеристики ЧДХ:

Діапазон, вимірювань, Гц

0 - 2000

Напруга живлення, В

12

Робочий діапазон температури, ° С

-50 ... +60

Діапазон робочої чутливості, мм

0 - 10

Габаритні розміри, мм

370х330х85

Маса не більше, кг

2

Датчик оборотів ротора ДОР призначений для вимірювання кількість оборотів бурового інструменту при роторному бурінні.

Технічні характеристики ДОР:

Діапазон, вимірювань, Гц

0 - 2000

Напруга живлення, В

12

Робочий діапазон температури, ° С

-50 ... +60

Діапазон робочої чутливості, мм

0 - 10

Габаритні розміри, мм

370х330х85

Маса не більше, кг

2

Датчик положення клинів призначений для реєстрації верхнього положення клинів пневматичної клинового захоплення.

Технічні характеристики:

Рівень спрацьовування, кПа

400

Рівень допустимого перевантаження датчика, кПа

1000

Напруга живлення, В

12

Маса не більше, кг

2

Робочий діапазон температури, ° С

-50 ... +60

Датчик моменту на роторі ДМР. Призначений для вимірювання величини крутного моменту на роторі.

Технічні характеристики ДМР:

Маса, кг

15

Початковий сигнал, У

0.053

Коефіцієнт перетворення датчика, В / кН

0.2

Габаритні розміри, мм

65х210х5400

Робоча температура, ° С

-45 ... +50

4.2.4.2 Апаратний комплекс газового каротажу

Хроматограф. Призначений для визначення покомпонентного змісту вуглеводневих газів в газоповітряної суміші, що подається з газової лінії з дегазатора бурового розчину.

Технічні характеристики хроматографа:

Межа виявлення (за пропану),%

0.0001

Тривалість циклу аналізу С1 - С5, з

90

Тип інтерфейсу

RS232

Напруга живлення, В

220

Маса, кг

14

Робочий діапазон температури, ° С

-50 ... +60

Датчик сумарного газосодержания вуглеводневих газів СГ-5 Призначений для безперервного визначення відсоткового вмісту суми вуглеводнів, що містяться в газоповітряної суміші, що виходить з дегазатора. Крім чутливого елемента, до складу датчика входять, насос для подачі газоповітряної суміші і електроклапан для подачі на чутливий елемент чистого повітря з метою контролю «нуля».

Технічні характеристики СГ-5:

Діапазон визначення метану,%

0 - 100

Продуктивність насоса, не менше, л / хв

1

Напруга живлення, В

220

Габаритні розміри, мм

230х150х95

Маса, кг

10

Робочий діапазон температури, ° С

-50 ... +60

Показує прилад «ТАБЛО». Призначений для відображення реєстрованих даних у цифровому та аналоговому видах. Система дозволяє встановлювати кілька подібних приладів - їх кількість може дорівнювати кількості реєстрованих параметрів. Налаштування індикатора для виведення конкретного параметра проводиться програмно (настроюються діапазон виводу, одиниці виміру, припустимі межі параметра і т.д.). Конструкція приладу дозволяє видавати колірну і звукову сигналізацію при виході значення параметра за допустимий діапазон.

Технічні характеристики табло:

Габаритні розміри, мм

570х5120х120

Маса, кг

9

Робочий діапазон температури, ° С

-50 ... +60

Показує прилад «цифровий індикатор». Призначений для відображення реєстрованих даних у цифровому вигляді. Настроюється програмно. Дозволяє встановити межі зміни параметра, індикацію відсутності сигналу з датчика.

Технічні характеристики індикатора:

Габаритні розміри, мм

275х210х100

Маса, кг

6

Робочий діапазон температури, ° С

-50 ... +60

4.4 Локальна мережа «BitBus - Wireless PCI Adapter - Wireless Access Point - Ethernet»

Передача даних з ССД в СОД здійснюється по каналу (кабелю) з пари скручених провідників довгою 300м з частотою 115кГц. На кінці цього кабелю змонтований роз'єм DB9. Один кінець цього кабелю з'єднується з виходом плати BB_ISA (Micro TCX), встановлений в комп'ютер СОД. Інший кінець з'єднується з аналогічним роз'ємом в ССД.

Зазначених роз'ємів в крейта ССД два. Вони рівноправні і призначені для підключення в ланцюжок декількох ССД або інших пристроїв, що використовують для зв'язку протокол BitBus. На платі ССД між роз'ємами RS-485, передбачена установка узгоджуючої навантаження - чіп резистора номіналом 120Ом. Необхідно забезпечити, по-перше, щоб пристрої, підключені до найбільш віддаленим сегментах мережі, мали ці навантажувальні резистори і по-друге, щоб у всіх інших вузлах сегмента мережі, ці навантажувальні резистори були відключені.

Позначення:

К - комп'ютер станції ГТВ і ЦК (Клієнт);

С - комп'ютер станції ГТВ і ЦК (Сервер);

HUB - мережевий комунікатор типу 10/100 Mb Ethernet Switch;

Wi-Fi - мережевий комунікатор типу 2,4 GHz Wireless Access Point стандарту 802.11b / g

Суцільною лінією відображено кабель типу UTP (вита пара).

Суцільний жирною лінією відображений канал зв'язку BitBus.

Пунктирною лінією відображений канал безпровідної комп'ютерної мережі типу Wi-Fi.

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

Суцільною лінією відображено кабель типу UTP (вита пара).

Суцільний жирною лінією відображений канал зв'язку BitBus.

Пунктирною лінією відображений канал безпровідної комп'ютерної мережі типу Wi-Fi.

Відстань між станцією ГТВ та ГК і робочим місцем супервайзера - від 200 до 400 м.

Для передачі інформації про технологічні процеси у «Сервері» станції ГТВ використовується карта типу Wireless PCI Adapter D-Link DWL-G510 (високошвидкісний 2.4ГГц (802.11g) бездротовий PCI адаптер).

Призначений для підключення настільного комп'ютера до бездротової мережі. Він заснований на останній удосконаленої технології, що застосовується в чіпах для бездротового обладнання, з поліпшеними функціями безпеки для захисту бездротового з'єднання від зовнішніх вторгнень. Ця бездротова мережева карта стандарту 802.11g підтримує швидкість бездротового з'єднання до 54 Мбіт / с при роботі з іншими пристроями стандарту 802.11g, забезпечуючи високу пропускну здатність, що дозволяє передавати інтенсивний потік даних.

Загальні характеристики

Тип

Wi-Fi адаптер

Стандарт бездротового зв'язку

802.11g

Інтерфейс підключення

PCI

Антена

Тип антени

Знімна

Кількість антен

1

посилення антени

2 dBi

Прийом / передача

Захист інформації

WEP, WPA

Потужність передавача

18 dBM

Радіус дії всередині приміщення

100м

Радіус дії поза приміщенням

400м

Додатково

Розміри

6x120x64 мм

Вага

78 г

Додаткова інформація

володіє зворотною сумісністю з бездротовими пристроями стандарту 802.11b

Таблиця 4.5. Технічні характеристики Wireless PCI Adapter D-Link DWL-G510

Адаптер DWL-G510 підтримує WPA (Wi-Fi ™ Protected Access) і 802.1x для аутентифікації користувачів бездротової мережі, забезпечуючи високий рівень захисту даних і каналу зв'язку. У комплект поставки DWL-G510 входить програма налаштування, що дозволяє комп'ютеру виявити доступні бездротові мережі, а також створити і зберігати деталізовані профілі підключення для найбільш часто використовуваних мереж.

Мережева карта підтримує PCI plug-and-play, що дозволяє легко встановити її в комп'ютер для прямого підключення до будь-якого бездротового пристрою в режимі Ad-hoc або через точку доступу або маршрутизатор у режимі Інфраструктура. При використанні з іншими продуктами серії D-Link AirPlusG мережева карта автоматично підключиться до мережі.

У супервайзера встановлюється точка доступу типу Wireles Access Point. Використовується D-Link DWL-2000AP

DWL-2000AP - бездротова точка доступу стандарту 802.11g з підвищеною продуктивністю. Це пристрій так само підтримує швидкість бездротового з'єднання до 54 Мбіт / с, в той же час, зберігаючи сумісність з усім існуючим бездротовим обладнанням стандартів 802.11b і 802.11b +. Завдяки високій швидкості передачі даних, підвищеної безпеки і вбудованої функції моста, цей пристрій є ідеальним бездротовим рішенням, які розширюють функціональність мережі і в той же час захищає минулі інвестиції завдяки сумісності з наявним мережним устаткуванням.

Збільшена швидкість і робота на частоті 2,4 ГГц до 54Мбіт / с, доступною для громадського використання в більшості країн, плюс мобільність і зручність, притаманне бездротових мереж, роблять цей пристрій ідеальним рішенням для додатків WLAN, що вимагають високої смуги пропускання.

Основна інформація

Універсальний блок живлення

Ні

Вбудований сервер друку

Ні

Сервер віддаленого доступу

Ні

Порт LAN

10/100 Мбіт / с Ethernet

Примітки про LAN

Автовизначення MDI / MDIX

Порт HPNA

Ні

Режими роботи

Точка доступу

Так

Міст "точка-точка"

Так

Міст "точка-багатоточкове"

Так

Бездротовий клієнт

Так

Антена

Кількість

2 (1 зовнішня і 1 внутрішня)

Тип

Зовнішня - диполь

Коефіцієнт підсилення антени

2 dBi

Параметри бездротової частини

Потужність передавача

802.11b: 16dBm (типова)

802.11g: 14dBm (типова)

Швидкості роботи для 802.11b

22 Мбіт / с

11 Мбіт / с

11 Мбіт / с

5,5 Мбіт / с

2 Мбіт / с

1 Мбіт / с

Швидкості роботи для 802.11g

54 Мбіт / с

48 Мбит / с

36 Мбіт / с

24 Мбіт / с

12 Мбіт / с

9 Мбіт / с

6 Мбіт / с

Таблиця 4.5. Технічні характеристики Wireles Access Point D-Link DWL-2000AP.

Працює 802.11g з існуючими стандартами бездротових мереж означає те, що немає необхідності міняти все мережеве обладнання для підтримки з'єднання.

DWL-2000AP може бути налаштована для роботи в одному з 4-х режимів: (1) як точка доступу, (2) бездротовий міст "точка-точка", (3) бездротовий міст "точка - багато точок" або (4) бездротовий клієнт. Завдяки цим вбудованим функціям, DWL-2000AP надає гнучкість при конфігуруванні, що дозволяє задовольнити вимоги мережевого середовища.

Простота переходу до більшої смузі пропускання

Забезпечуючи сумісність з існуючим бездротовим мережним устаткуванням, DWL-2000AP дозволяє збільшувати пропускну здатність мережі в бажаному темпі. DWL-2000AP та інші пристрої стандарту 802.11g можуть бути поступово додані в мережу, при цьому інша частина мережі залишиться повністю пов'язаної.

DWL-2000AP має вбудований DHCP сервер, який, як тільки буде активізований, почне автоматично призначати IP адреси бездротовим клієнтам. Ця унікальна функція робить DWL-2000AP ідеальним рішенням для швидкого створення і розширення бездротових локальних мереж.

Відстань від станції ГТВ та ГК і станцією телеметрії - 2-20 м. У станції ГТВ встановлюється комутатор типу HUB модель D-Link DES-1008D / E, є варіанти, коли станція телеметрії знаходиться в містечку. Тоді мережа до них прокладається від HUB, який знаходиться у супервайзера. Необхідність у HUB е в станції ГТВ та ГК відпадає.

Відстань між комп'ютером супервайзера і робочим місцем бурового майстра, технолога, інженера з буріння, інженера по розчинів - 10-100 м.

Можливі перешкоди:

  • Бурова установка між станцією ГТВ та ГК і робочим місцем супервайзера;

  • Машини та інша техніка між станцією ГТВ та ГК і робочим місцем супервайзера;

5. Розрахунок мережі BitBus

5.1 Стандарти EIA RS-422A/RS-485

Більшість розробників систем промислової автоматизації та мереж передачі даних в тій чи іншій мірі мають уявлення про стандарти RS-422/RS-485. Справді, практично всі комп'ютери в промисловому виконанні оснащені засобами організації інформаційного обміну з використанням даних інтерфейсів.

Сучасні інтелектуальні датчики і елементи управління поряд з традиційним інтерфейсом RS-232-C також можуть мати у своєму складі підсистему послідовного введення-виведення інформації на базі інтерфейсу RS-485. Програмовані логічні контролери багатьох виробників в якості засобів організації територіально-розподілених систем збору даних і управління містять ту чи іншу реалізацію інтерфейсів RS-422/RS-485.

Незважаючи на настільки широке поширення на вітчизняному ринку обладнання для промислової автоматизації, що має в своєму складі засоби обміну даними, реалізовані на базі стандартів EIA RS-422/RS-485, у вітчизняній нормативно-технічній літературі відсутні їхні повноцінні еквіваленти. Частково це можна пояснити тим, що дані стандарти фактично встановлюють вимоги лише до електричних характеристиках вихідних каскадів передавачів і вхідних каскадів приймачів апаратури передачі даних, тоді як у наявних вітчизняних комунікаційних стандартах проглядається тенденція до охоплення якомога більшої кількості рівнів базової моделі взаємодії відкритих систем ISO. У результаті інформація, якою користуються розробники, зводиться або до уривчастих відомостей, що містяться в документації на застосовувані покупні технічні кошти, або до довідкових даних на прийомопередавачі зарубіжного виробництва. Слід зазначити, що високий технічний рівень вітчизняних електронників і системних інтеграторів в більшості випадків забезпечує успіх розробки навіть при наявності мінімуму нормативної інформації. Однак навіть після завершення приймально-здавальних випробувань черговий системи у багатьох учасників проекту залишаються питання, до основних з яких можна віднести наступні:

  • обмеження, пов'язані з кількістю елементів кінцевого обладнання мережі, швидкості передачі даних і максимальної протяжності лінії зв'язку;

  • критерії вибору кабелю;

  • реалізація електричного і заземлення апаратури, що входить в мережу передачі даних;

  • захист апаратури мережі від перешкод.

5.2 Основна конфігурація системи

Як правило, система містить декілька приймачів, кілька формувачів і согласующие резистори. Кожен формувач повинен забезпечувати роботу на 32 одиниці навантаження крім узгоджуючих резисторів, кожна з яких представляється сукупністю приймача і формувача, що знаходиться в пасивному стані. Узгоджувальні резистори повинні підключатися до лінії зв'язку у двох найбільш віддалених один від одного місцях підключення одиниць навантаження. Опір кожного согласующего резистора має збігатися з хвильовим опором застосовуваного кабелю (від 100 до 120 Ом).

Формувачі і приймачі, що відповідають вимогам стандарту EIA RS-485, зберігають працездатність при впливі на них синфазного напруги в діапазоні від мінус 7 до плюс 7 В (миттєве значення). Синфазное напруга визначається сукупністю нескомпенсованих різниць потенціалів землі приймачів і формувачів, максимальним значенням напруги перешкод, виміряного між землею приймача і жилами кабелю, з'єднаними з землею на передавальній стороні лінії зв'язку, а також максимальним значенням напруги зміщення виходів формувачів (Uos). Якщо значення різниці потенціалів між землями виходить за межі допустимого діапазону, то при реалізації мережі на основі інтерфейсу RS-485 слід застосовувати прийомопередавачі з гальванічною ізоляцією. Один з можливих способів об'єднання формувачів і приймачів з гальванічною ізоляцією зображений на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Один з можливих способів об'єднання формувачів і приймачів з гальванічною ізоляцією.

Розробник системи на базі даних приймачів і формувачів повинен враховувати можливість виникнення ситуації, коли всі формувачі виявляться переведеними в пасивний стан. У цьому випадку жоден блок не буде розпізнавати будь-якого сталого логічного стану. Якщо переведення всіх формувачів в пасивний стан передував сеанс інформаційного обміну, то логічне стан на виході всіх приймачів буде відповідати останньому прийнятому біту інформації. Для вирішення зазначеної проблеми розробником повинні бути зроблені спеціальні заходи. Зокрема, прийомопередавачі багатьох виробників оснащені ланцюгами зміщення виходу формувача, показаними на рис. 5.2. При цьому після переведення всіх формувачів, що входять до складу мережі, в пасивний (високоімпедансний) перебування у лінії зв'язку буде підтримуватися рівень, відповідний станом OFF (ВИМКНЕНО). Для зниження споживання струму, що протікає по ланцюгах зміщення збіжні резистору, послідовно з согласующим резистором може бути включений конденсатор ємністю 0,1 мкФ.

Рис. 5.2. Ланцюг зміщення виходу формувача.

5.3 Засоби об'єднання пристроїв системи

Кошти об'єднання пристроїв включають в себе кабельну продукцію, з'єднувачі і согласующие резистори і називатимуться далі засобами зв'язку. Оскільки реальна конфігурація засобів зв'язку залежить від вимог, обумовлених конкретним додатком і не встановлених стандартом EIA RS-485, далі наводиться ряд вказівок з вибору засобів зв'язку. Дані вказівки вироблені, виходячи з припущення, що для підключення пристроїв до лінії зв'язку не застосовуються елементи відгалуження.

Основними параметрами, що визначають критерії вибору кабелю, є:

  • швидкість обміну, значення якої визначає тривалість передаваного біта інформації;

  • мінімальний рівень сигналу на вході приймача, необхідний для розпізнавання переданих двійкових станів;

  • максимально допустимий рівень спотворень сигналу;

  • максимальна необхідна довжина лінії зв'язку.

Тривалість інформаційного біта (Tb) визначається мінімально допустимим інтервалом часу між переходами переданих двійкових станів. Якщо напруга сигналу в лінії не встигає досягти рівня, відповідного переданому бінарного станом до появи наступного переходу, зазначений перехід з'явиться на вході приймача з деяким часовим зсувом, який призводить до виникнення міжсимвольні спотворень. При виборі кабелю повинно бути враховано відношення тривалості переднього фронту до тривалості інформаційного біта (tr / Tb) в точці підключення найбільш віддаленого приймача.

Рівень сигналу, присутній на вході приймача, повинен бути не менше його порогу чутливості. При цьому мінімальне значення вхідної напруги повинно вибиратися з запасом в залежності від інтенсивності перешкод, що впливають на лінію зв'язку та на приймач, допустимої ймовірності появи помилок, а також від допустимого рівня спотворень сигналу на вході приймача. Для визначення параметрів кабелю необхідно задатися мінімальним рівнем сигналу на вході самого віддаленого приймача з урахуванням перерахованих факторів.

Спотворення сигналу визначаються його тимчасовим зрушенням щодо положення при передачі в ідеальних умовах. Кількісно спотворення виражаються у відсотках від повної тривалості інформаційного біта. При виборі кабелю слід враховувати допустимий рівень спотворень на вході приймача, розташованого в самій віддаленій точці лінії зв'язку.

5.4 Методика вибору кабелю

  1. Виходячи з необхідного значення швидкості обміну, обчислити тривалість інформаційного біта за формулою:

де C - швидкість обміну.

  1. Поставити мінімальна напруга сигналу (U 0), яке повинно бути присутнім на вході самого віддаленого приймача.

  2. Поставити максимальний допустимий рівень спотворень сигналу (δ,%) на вході самого віддаленого приймача.

  3. Поставити максимальне необхідне значення довжини кабелю (L, м).

  4. Обчислити максимальне допустиме значення омічного опору кабелю довжиною L за такою формулою:

де R l - повне омічний опір кабелю довжиною L; R c - опір согласующего резистора, рівне хвильовому опору кабелю; U хв - мінімальна напруга сигналу на виході формувача, рівне 1,5 В; U 0 - мінімальна напруга сигналу, яке повинно бути присутнім на вході самого віддаленого приймача.

  1. Обчислити погонное опір кабелю за формулою:

де r k - погонное опір кабелю.

  1. Керуючись довідковими даними, вибрати кабель, хвильовий опір якого дорівнює прийнятому в п. 5, а погонное опір - не більше обчисленого в п. 6.

  2. Обчислити тривалість переднього фронту імпульсу (час наростання сигналу від 10% до 90% його максимального рівня), скориставшись параметрами обраного кабелю:

де t r - тривалість переднього фронту сигналу на вході самого віддаленого приймача; C k - погонна ємність кабелю; R екв - еквівалентний активний опір навантаження формувача, що визначається таким чином:

r k * - погонное опір обраного кабелю; L - максимальне необхідне значення довжини кабелю; R вх - вхідний опір приймача; R c - опір согласующего резистора, рівне хвильовому опору кабелю; n - передбачувана кількість приймачів, що підключаються до кабелю; Z k - хвильове опір кабелю.

  1. Встановити реальне значення рівня спотворень сигналу на вході самого віддаленого приймача (δ *) яке визначається ставленням тривалості переднього фронту сигналу, розрахованої в п. 8, до повної тривалості інформаційного біта, значення якої встановлено в п. 1, а також мінімальним напругою сигналу на вході самого віддаленого приймача U0 відповідно до графіків, наведеними на рис. 15. Якщо отриманий рівень спотворень перевищує допустимий згідно з п. 3, слід повторити вибір кабелю. При цьому кабель повинен мати менші значення погонного опору і погонною ємності, ніж вибраний в п. 7. Якщо не вдається вибрати кабель з кращими параметрами, слід знизити значення швидкості обміну або скоротити протяжність лінії зв'язку.

Рис. 5.3. Графік залежності рівня спотворень сигналу на вході приймача від мінімальної напруги сигналу на його вході і від відносин тривалості переднього фронту до тривалості інформаційного біта.

Графіки, наведені на ріс.5.3, побудовані, виходячи з припущення, що формувач має максимально допустиму ступінь асиметрії виходу, приймач володіє найгіршою допустимої чутливістю, а фронти сигналу, що поширюється по лінії зв'язку між найбільш віддаленими її точками, мають форму, близьку до зворотної експоненті . У реальних умовах спотворення можуть мати характер, відмінний від припущень, використаних при побудові графіків.

У реальних умовах розробнику нерідко доводиться вирішувати зворотну задачу, а саме, за наявними технічними характеристиками придбаних прийомопередавачів, необхідної довжини лінії зв'язку і параметрами стандартного кабелю визначати максимально можливе значення швидкості передачі даних. Розглянемо конкретний приклад.

Нехай необхідна довжина лінії зв'язку становить 1200 м. В якості середовища обміну передбачається застосувати неекрановану виту пару на основі дроти МГШВ 0,35. Крім того, використовується приймач фірми Octagon Systems типу NIM, побудований на базі інтегральної мікросхеми MAX1480B. Необхідно визначити максимально можливе значення швидкості передачі даних.

  1. Виходячи з припущення, що хвильовий опір лінії зв'язку складає близько 180-200 Ом, а погонна місткість - близько 80-100 пФ / м, обчислюємо тривалість переднього фронту передаваного біта інформації:

Допустиме відношення тривалості переднього фронту до повної тривалості передаваного біта інформації MAX1480B становить 0,5. Таким чином, максимально можливе значення швидкості передачі даних лежить в діапазоні, що визначається наступним співвідношенням:

Звідки випливає, що: 105218 біт / c ≤ C макс ≤ 126262 біт / c

Якщо в якості середовища обміну застосувати кабель типу 9842 фірми Belden, хвильовий опір якого складає 120 Ом, а погонна ємність - 42 пФ / м, то максимально можливе значення швидкості передачі буде складати близько 37594 біт / с.

5.5 Розрахунок надійності

Проектована промислова локальна мережа BitBus монтується на основі готових виробів, і час на ництва на відмову береться з даних наданих виробником обладнання.

Для «Сервера» і «Клієнта» час напрацювання на відмову за годин

Для ССД та табло по годин

Для плати BB_ISA (Micro TCX) годин

Інтенсивність відмов роз'ємів RS-485

Загальна інтенсивність відмов:

Середній час напрацювання системи на відмову:

годин

У розглянутій мережі з метою профілактики проводиться щоденне технічне обслуговування (ЕТО). Розрахуємо надійність роботи мережі між двома ЕТО 24 години.

Такий час безвідмовної роботи системи вважається задовільним, отже, додаткових заходів щодо забезпечення надійності не потрібно.

5.6 Вплив середовища обміну

Розробник системи передачі даних повинен враховувати той факт, що на якість її функціонування можуть впливати такі ефекти, як перешкоди, наведені на лінію зв'язку, різниця потенціалів землі в місцях розміщення технічних засобів системи, активні і реактивні втрати потужності, а також відображення, які можуть мати місце при високих швидкостях обміну. Ступінь впливу електромагнітних завад і різниці потенціалів землі залежить від умов, в яких функціонує система, і її ефективність визначається багатьма факторами, в тому числі збалансованістю або симетрією, опис впливу якої наведено далі. Активні і реактивні втрати залежить від якості застосовуваного кабелю. Відображення є результатом внесення кожним пристроєм реактивних складових в еквівалентну навантаження, підключену до виходу формувача, що знаходиться в активному стані. При цьому реактивні складові переважно мають ємнісний характер.

Стандарт описує пристрої, здатні функціонувати в широкому діапазоні швидкостей обміну (до 10 Мбіт / с). Розробник системи повинен враховувати, що навіть при невисоких швидкостях обміну, наприклад 19,2 кбіт / с, тривалості переднього і заднього фронтів інформаційного біта можуть складати не більше 10 нс, а приймачі можуть мати ще більш високу швидкодію. Таким чином, якщо не вжиті спеціальні заходи, то навіть короткочасні перешкоди можуть призвести до порушення цілісності потоку переданих даних, у тому числі при низьких швидкостях обміну.

5.7 Електромагнітні перешкоди і симетрія параметрів каналу зв'язку

Стійкість системи зв'язку до електромагнітних перешкод, які виникають у результаті наявності паразитних індуктивних чи ємнісні зв'язки джерел перешкод із середовищем обміну, частково визначається ступенем асиметрії (або дисбалансу) розподілених і зосереджених параметрів лінії зв'язку щодо землі. Інтенсивність перешкоди, що діє між двома провідниками кабелю, як правило, буде визначатися ступенем асиметрії повного імпедансу щодо землі, якщо припустити, що джерело перешкоди має однакову паразитне зв'язок з кожним з провідників. Розглянемо структуру, що складається з активного генератора, який розташований в одній з найвіддаленіших точок лінії зв'язку. У протилежній найбільш віддаленій точці лінії зв'язку розташовується декілька приймачів і формувачів, що перебувають у пасивному стані і представлених у вигляді еквівалентної мостової схеми, показаної на рис. 5.4. Оскільки формувач в активному стані має мала вихідний опір, на низьких частотах можна вважати, що синфазних складова перешкоди прикладається до кожного входу еквівалентної мостової схеми приймача через опір Rs / 2, як показано на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Еквівалентна схема зв'язку при впливі синфазної перешкоди.

R S - на високих частотах - хвильовий опір кабелю, на низьких частотах - повне омічний опір кабелю;

Z a, Z b, Z c - повного імпедансу сукупності приймачів, представлених у вигляді мостовий еквівалентної схеми;

E i - напруга перешкоди загального вигляду;

E n - приведений до входу напруга противофазно складової перешкоди.

Для зазначеної еквівалентної схеми ступінь асиметрії визначається відношенням інтенсивності перешкоди загального вигляду Ei до напруги перешкоди En, наведеної між провідниками кабелю на вході еквівалентної схеми приймача:

Ставлення Ei / En визначається наступною формулою (проміжні обчислення опущені):

,

де Y x = 1 / Z x, G s = 1 / R s.

Нехай Y b - Y a = Y d. Крім того, виходячи з практичних міркувань, можна вважати, що (Y a, Y b, Y c) <<G s. Тоді ступінь асиметрії наближено виражається наступною формулою:

Таким чином, ступінь асиметрії обернено пропорційна сумі різниць повних (комплексних) провідностей між кожною вхідний клемою кожного приймача і землею і не залежить від повної синфазної провідності входу приймача щодо землі (Y a + Y b). Симетрія каналу найбільш істотна в області високочастотних складових переданого сигналу, які лежать в смузі пропускання приймача.

Різниця значень ємності між кожною вхідний клемою прийом ника і землею, складова всього лише кілька пікофарад, може призвести до значної асиметрії каналу, якщо застосовуваний приймач має смугу пропускання порядку сотень МГц. Наприклад, для 10 приймачів, підключених до кабелю, хвильовий опір якого складає 120 Ом, наявність різниці ємностей між вхідними клемами кожного з них і землею, що дорівнює 10 пФ, призведе до асиметрії каналу на частоті 10 МГц, що становить близько 10 дБ. На більш високих частотах (наприклад, 50 МГц) конфігурація системи буде аналогічна однопроводной із загальним зворотним проводом, яка лежить в основі інтерфейсу RS-232-C. У зв'язку з викладеним настійно рекомендується використовувати екрановані виту пару, що забезпечує як симетрію лінії зв'язку, так і підвищення стійкості до електромагнітних перешкод.

5.8 Додаткові вимоги до реалізації заземлення

Для правильного функціонування ланцюгів формувача і приймача при обміні даними одиниці обладнання системи повинні мати шлях повернення сигналу між ланцюгами заземлення на приймальної і передавальної сторони. Ланцюг заземлення може бути виконана шляхом безпосереднього приєднання загальних кожного пристрою до точок, які мають нульовий потенціал. Зазначений спосіб допустимий тільки при гарантованому рівність потенціалів землі в місцях розміщення одиниць обладнання системи. Крім того, ланцюг заземлення може бути реалізована за допомогою дренажного провідника, який є всередині кабелю передачі даних, як показано на рис. 5.5. При реалізації ланцюга сигнального заземлення другим способом з'єднання третього (дренажного) провідника із сигнальним загальним проводом кожного пристрою має бути виконано через резистор невеликого опору, наприклад 100 Ом, який призначений для обмеження блукаючих струмів, коли з метою безпеки застосовуються інші ланцюги заземлення.

Рис. 5.5. ланцюг заземлення реалізовані за допомогою дренажного провідника.

У ряді випадків для підвищення стійкості до перешкод електричного (не магнітного) характеру застосовується екранований кабель передачі даних. При його використанні екран повинен бути з'єднаний з корпусом обладнання тільки в одній з двох найбільш віддалених точок розміщення технічних засобів системи. Реалізація другого варіанта допустиме лише при гарантованому рівність потенціалів землі в місцях розміщення одиниць обладнання системи. Вимоги до засобів приєднання екрану кабелю стандартом EIA RS-485 не встановлюються.

Спосіб реалізації ланцюгів заземлення при використанні приймачів з гальванічною ізоляцією зображений на рис. 5.1.

5.9 Конфліктні ситуації

Якщо до лінії зв'язку підключено два формувача або більше, то можлива ситуація їх одночасного переходу в активний стан. У випадку, коли один формувач в активному стані є джерелом, а другий - споживачем струму, може статися надмірний розігрів компонентів вихідних каскадів формувачів. Подібна ситуація носить назву конфліктною. Оскільки вимоги до системи можуть зумовлювати можливість одночасного переходу в активний стан більш ніж одного формувача, умови випробувань згідно п.3.4.2 стандарту EIA RS-485 встановлені з урахуванням обмеження максимальної потужності, що розсіюється компонентами вихідного каскаду формувачів.

Конфліктні ситуації можуть виникати з таких причин.

  1. Включення живлення системи.

  2. При включенні живлення системи або при повторному включенні після короткочасного відключення кілька формувачів (або всі) в процесі ініціалізації можуть перебувати в активному стані.

  3. Несправність системи.

  4. Виникнення несправності системи або збій програмного забезпечення можуть призвести до перекладу декількох формувачів в активний стан.

  5. Використання протоколу обміну, допускає здійснення спроб одночасного доступу до каналу зв'язку з боку декількох пристроїв. Деякі протоколи обміну можуть містити процедури доступу до каналу зв'язку, що передбачають переклад кількох формувачів в активний стан на короткі проміжки часу. Однак, в кінцевому рахунку, канал надається одному пристрою, що забезпечує вирішення конфліктної ситуації.

Механізми виникнення несправності формувача показані на рис. 5.6. і рис. 5.7.

Рис. 5.6. Конфліктна ситуація, викликана одночасною активацією двох формувачів.



На рис. 5.6. зображені вихідні ланцюга двох формувачів, приєднані до загальної лінії зв'язку. Струм короткого замикання буде протікати через відкрите верхнє плече формувача A і відкрите нижнє плече формувача B. При наявності різниці потенціалів між землями формувачів, що лежить в діапазоні від мінус 7 до плюс 7 В, потужність, що розсіюється формувачем A, може перевищити гранично допустиме значення. Наприклад, якщо гранично допустимий струм навантаження формувача A становить 250 мА, а різниця потенціалів між землями формувачів - 7 В, то розсіює потужність становитиме близько 3 Вт.

Рис 5.7. Конфліктна ситуація, викликана одночасною активацією декількох формувачів.



Ситуація, коли кілька формувачів навантажено на один, ілюструється рис. 5.7. По нижньому плечу формувача В ​​протікає сумарний струм від декількох формувачів A, що може призвести до його виходу з ладу за рахунок збільшення напруги насичення (колектор-емітер) та відповідного зростання розсіюваною потужності. Таким чином, формувач повинен бути оснащений засобами захисту, що запобігають вихід з ладу з описаним раніше причин.

Найбільш очевидними рішеннями зазначеної задачі є:

  • введення елементів обмеження струму;

  • реалізація теплової захисту формувача.

При використанні обмежувачів струму зменшується рассе іваемая потужність і після вирішення конфліктної ситуації працездатність пристрою миттєво відновлюється. У випадку ж застосування теплового захисту при її спрацьовуванні час відновлення формувача значно зростає. Таким чином, переважно реалізовувати теплову захист таким чином, щоб її поріг спрацьовування був близький до гранично допустимого значення струму, що протікає по ланцюгах вихідного каскаду формувача. Спільно з тепловим захистом рекомендується встановлювати у вихідних ланцюгах формувача елементи обмеження струму, функція яких полягає всніженіі розсіюваною потужності при протіканні струму, незначно перевищує номінальний.

Конфліктні ситуації, супроводжувані протіканням по лінії великого струму, призводять до того, що в лінії зв'язку запасається реактивна енергія. При різкому зниженні струму відбувається сплеск напруження, інтенсивність якого визначається формулою:



де U - амплітуда сплеску напруги; I кз - сумарний струм короткого замикання, що протікав в лінії при конфліктній ситуації; Z k - хвильовий опір лінії зв'язку.

Розробник системи повинен передбачати можливість виникнення сплесків напруги, амплітуда яких істотно перевищує встановлений стандартом значення (25 В). Зазначені сплески можуть бути викликані короткочасними потужними перешкодами, що виникають при комутації силового обладнання, а також атмосферними розрядами. Схема підключення пристрою придушення імпульсних перешкод показана на рис. 5.8. При реалізації зовнішніх ланцюгів захисту прийомопередавачів слід враховувати той факт, що кожне встановлений пристрій придушення викидів напруги в лінії зв'язку вносить ємність, еквівалентну ємності кабелю довжиною близько 120 м.

Рис. 5.8. Схема підключення пристрою придушення імпульсних перешкод.

6. Організаційно-економічна частина

6.1 Техніко-економічне обгрунтування доцільності проектування мережі BitBus

У даному дипломному проекті розглянуті питання створення локальної промислової мережі BitBus з використанням крученої пари і Wi-Fi технології для автоматизації технологічних процесів.

На сучасному етапі розвитку і використання локальних промислових мереж найбільш актуальне значення придбали такі питання, як оцінка продуктивності та якості локальних промислових мереж і їх компонентів, оптимізація вже існуючих або планованих до створення промислових комп'ютерних мереж. Зараз, коли промислові комп'ютерні мережі стали визначальним компонентом в інформаційній стратегії більшості підприємств, недостатня увага до оцінки потужності локальної обчислювальної мережі та її планування призвело до того, що сьогодні для підтримки сучасних додатків в архітектурі клієнт-сервер багато мереж необхідно наново проектувати, а в багатьох випадках і замінювати.

Продуктивність і пропускна здатність промислових локальних мереж визначається низкою факторів:

  • вибором кабельної системи, серверів і робочих станцій,

  • каналів зв'язку,

  • мережевого обладнання,

  • мережевих операційних систем та операційних систем робочих станцій,

  • розподілом інформації в мережі,

  • організацією розподіленого обчислювального процесу, а також захисту і підтримки та відновлення працездатності в ситуаціях збоїв і відмов і т.п.

Реалізація даного проекту, вироблена з урахуванням всіх перерахованих вище факторів, дозволить скоротити час аналізу всіляких нештатних ситуацій, паперовий документообіг всередині промислових підприємств, підвищити продуктивність праці, скоротити час на отримання і обробку інформації, виконувати точний і повний аналіз даних, забезпечувати отримання будь-яких форм звітів по підсумками роботи. Як наслідок, утворюються додаткові тимчасові ресурси для розробки і реалізації нових проектів.

Завдання розробки промислової локальної мережі та шляхи її вирішення представлені на малюнку 20 у вигляді «дерева цілей».

6.2 Організаційна частина

Для робіт, пов'язаних з проектуванням та монтажем промислової локальної мережі BitBus необхідний колектив, робітників і ІТП.

6.2.1 Склад групи розробників і посадові оклади

Для виконання поставленого завдання необхідно визначити рівень новизни і складності проекту і скласти штатний розклад проектної групи.

Виходячи з довідково-нормативної літератури, розробку промислової комп'ютерної мережі можна віднести до 3 категорії складності і до групи новизни "Б" - конструювання, яка потребує експериментальної перевірки всіх складових частин або технічних рішень та їх взаємодії в заданих параметрах.

Для виконання повного обсягу робіт (від підготовчого етапу до прийому роботи, див. табл.8) необхідна проектна група, представлена ​​в таблиці 6.1.

Таблиця 6.1. Штатний розклад.

Категорія працівників

Кількість працюючих, чол.

Посадовий оклад,

руб. / міс.

Провідний інженер

1

13000

Інженер-програміст

1

10000

Технік

1

7000

Разом:

3

30000

Дані взято в ЗАТ ПГО «Тюменьпромгеофізіка».

6.2.2 Перелік основних етапів розробки локальної промислової мережі BitBus

Проектування відбувається в кілька етапів, в яких бере участь не тільки склад групи розробників, але і монтажники, що забезпечують монтаж кручений пари. Всі етапи робіт наведено в таблиці 6.2.

Таблиця 6.2. Перелік основних етапів робіт.

Етап

Зміст робіт,

входять до етап

Вид звітності

по закінченої роботи

Кількість виконавців, чол.

Посада

Продовж

ність роботи, дні

1

2

3

4

5

6

Підготовчий

Аналіз

вимог

1.Ознакомленіе із завданням

на проект

Пояснювальна

записка

1

Провідний інженер

1


2.Подбор та вивчення науково-технічної та патентної літератури








1

Інженер-програміст

11


3.Узгодження та затвердження ТЗ

Технічне

завдання

1

Ведучий

інженер

14

Технічний

проект

1.Оценка і підбір

обладнання та комплектуючих

2. Написання

розрахунків за проектом

Звіт по ТП

1

Ведучий

інженер

15




1

Інженер-програміст

12

Монтаж

Монтаж кабелю і

мережевого

обладнання

Технологічна документація

2

Монтажник

10


10

Тестування системи


Перевірка системи на

працездатність

Акт тестування

2

Технік

7

Уточнення

технічної

документації

Коригування

техдокументації

та оформлення повного комплекту техдокументації

Комплект

технічної

документації

1

Інженер-програміст

5

Прийом робіт

Оцінка якості

робіт

Висновок

експертної комісії

1

Ведучий

інженер

2




1

Інженер-програміст

3





Разом:

90

У тому числі:


Провідний інженер:

32



Інженер програміст:

31



Технік

7

6.2.3 Кошторис витрат на розробку локальної промислової мережі

Беручи за основу дані, наведені в таблиці 6.2. розрахуємо кошторис витрат на роботи за наступними статтями витрат:

1. Витрати на матеріали (папір А4 5 пачок - 1000 руб.; Канцелярське приладдя - 600 крб.; Технічна література -1900 руб.) Складають 3500 руб.

2. Розрахунок витрат на заробітну плату ІТП (представлений в таблиці 6.3.)

Таблиця 6.3. Розрахунок витрат на з / п ІТП

Посада

Оклад,

руб. / міс

Оплата руб / день

Тривалість робіт, дні

Разом, руб.

Провідний інженер

13000

1281,8

32

10931,20

Інженер-програміст

10000

902,7

31

7712,80

Технік

7000

681,8

7

1414,00

Разом за тарифом:

20058

Доплати (40% від тарифу):

8023,20

Разом основна заробітна плата:

28081,20

Додаткова заробітна плата (20% від основної):

5616,24

Єдиний соціальний податок (26% від суми основної та додаткової з / п)

8761,33

3. Виробничі відрядження - 20% від основної заробітної плати: руб.

4. Контрагентські витрати - 25% від основної заробітної плати: руб.

5. Інші грошові витрати - 100% від основної заробітної плати: руб.

Отримані дані зводимо таблицю 6.4.

Таблиця 6.4. Кошторис витрат на розробку проекту.

№ п / п

Витрати за елементами

Сума, руб.

1

Матеріали

3500

2

Заробітна плата розробників (ІТП)

28081,20

3

Додаткова заробітна плата

5616,24

4

Єдиний соціальний податок

8761,33

5

Виробничі відрядження

5616,24

6

Контрагентські витрати

7020,30

7

Інші грошові витрати

28081,20

Разом:

86676,51

6.3 Економічна частина

В економічній частині розраховується повна собівартість промислової локальної мережі BitBus за наступними статтями витрат:

6.3.1 Витрати на основні та допоміжні матеріали

Для монтажу промислової мережі використовуються Profibus cable AWG22 3079A, Рознімання RS-485, а також вита пара категорії 5е.

Дані за цінами на ці матеріали формуються в основному на договірній основі і обговорюються на підготовчому етапі. У таблиці 6.5. наведено розрахунок витрат на основні і допоміжні матеріали, використовувані при монтажній роботі.

Таблиця 6.5. Розрахунок витрат на основні і допоміжні матеріали, використовувані при монтажній роботі

Найменування матеріалу

Одиниці виміру

Кількість

Вартість

одиниці,

руб.

Загальна

вартість

матеріалу, руб.

UNITRONIC BUS FD P LD

м

300

71,88

21564

Вита пара кат. 5

м

300

8,37

2511

Роз'єми RS-485

шт.

10

30

300

Разом:

Основні матеріали:

Допоміжні матеріали (25% від основних):

24375


6093,75

Разом за основні та допоміжні матеріали:

30468,75

Транспортно-заготівельні витрати (20% від суми витрат на основні і допоміжні матеріали):

6093,75

Разом витрати на основні і допоміжні матеріали з урахуванням транспортно-заготівельних витрат:

36562,50

6.3.2 Витрати на покупні комплектуючі вироби

Витрати на комплектуючі для промислової мережі представлені у таблиці 6.6.

Таблиця 6.6. Витрати на комплектуючі ЛВС

Найменування комплектуючих

Тип, марка

Кількість

Вартість одиниці, грн

Загальна вартість, грн.

ССД

НОКБ

2

27500

55000

МЕГА-Табло

НОКБ

2

17500

35000

8 канальне табло

НОКБ

1

12500

12500

Комутатор

D-Link DES-1008D / E

2

567

1134

сервер

HP ProLiant DL380 G3

1

17500

17500

ДБЖ

АРС Smart-UPS RM 2U

2

12000

24000

Радіомодем DWL-G510

D-Link

1

705

705

Точка доступу DWL-7100AP

D-Link

1

3832

3832

Разом:

149671

Транспортно-заготівельні витрати (20% від загальної суми):

29934,2

Усього:

179605,2

6.3.3 Розрахунок заробітної плати монтажників, зайнятих монтажем промислової мережі.

Розрахунок заробітної плати монтажників, зайнятих монтажем промислової мережі, представлений у таблиці 6.7.

Таблиця 6.7. Розрахунок заробітної плати монтажників

Вид роботи

Трудомісткість, год.

Годинна тарифна ставка, грн. / год

Разом зарплата, руб.

Протяжка кабелів

76

72

5472

Монтаж роз'ємів

12

72

864

Установка устаткування

80

72

5760

Разом тарифна заробітна плата:

12096

Доплата (50% від тарифної заробітної плати):

6048

Разом основна заробітна плата:

18144

Додаткова заробітна плата (18% від основної зарплати):

3265,92

Основна і додаткова заробітна плата:

21409,92

Єдиний соціальний податок (26% від основної і додаткової з / п)

5566,58

6.3.4 Розрахунок собівартості монтажу промислової мережі

Результати розрахунків окремих статей витрат, що включаються у вартість монтажу промислової мережі, представлені в таблиці 6.8.

Таблиця 6.8. Результати розрахунків окремих статей витрат

№ п / п

Найменування статей витрат

Сума,

руб.

1

Основні та допоміжні матеріали

36562,50

2

Комплектуючі вироби

179605,2

3

Основна заробітна плата монтажників

18144

4

Додаткова заробітна плата монтажників

3265,92

5

Єдиний соціальний податок

5566,58

6

Загальновиробничі витрати (120% від основної 1 заробітної плати монтажників)

21772,80

Разом:

264917

6.3.5 Розрахунок капітальних на проектування та монтаж ЛВС

Загальний кошторис витрат на проектування і монтаж промислової мережі розраховується за наступною формулою:

До доп = З окр. + З полн.пром,

Де До доп додаткові капітальні витрати

З окр. = 86676,51 руб.

З полн.пром = 264917,00 руб.

До доп = 86676,51 + 264917,00 = 351593,51 руб.

6.4 Розрахунок економічної ефективності проектованої промислової мережі

За оцінкою зарубіжних фахівців в області автоматизації управління, автоматизація роботи службовців в умовах комерційних підприємств з напрямком роботи в інформаційні технології може скоротити загальні витрати на конторську діяльність приблизно на 25%. Однак, найбільш важливою метою автоматизації роботи службовців є підвищення якості адміністративних рішень (якість вироблюваної інформації).

Джерелами економічної ефективності, виникає від застосування комп'ютерів в промисловій мережі, є:

  • зменшення витрат на обробку одиниці інформації;

  • підвищення точності розрахунків;

  • збільшення швидкості виконання обчислювальних та друкованих робіт;

  • здатність автоматично збирати, запам'ятовувати і накопичувати розрізнені дані;

  • систематичне ведення баз даних;

  • зменшення обсягів збереженої інформації й вартості зберігання даних;

  • стандартизація ведення документів;

  • істотне зменшення часу пошуку необхідних даних;

  • поліпшення доступу до архівів даних;

  • можливість використання обчислювальних мереж при зверненні до баз даних.

При аналізі ефективності промислової мережі важливо враховувати, що кінцевий ефект від їх застосування пов'язаний не тільки з відшкодуванням витрат на купівлю, монтаж та експлуатацію устаткування, а в першу чергу, за рахунок додаткового поліпшення якості прийнятих рішень.

Економічна ефективність інформаційних процесів визначається співвідношенням витрат на технічні засоби і на заробітну плату працівників з результатами їх діяльності. Відомий ряд підходів до визначення основних складових ефекту інформаційної діяльності. В основу цих понять покладено поняття інформаційної продукції (різні види інформації), інформаційного ефекту, величини запобігання втрат, суспільно необхідного рівня інформованості та інші.

Витрати на розробку, закупівлю комплектуючих та монтаж промислової мережі носять одноразовий характер і при розрахунку ефективності враховуються разом з додатковими капітальними витратами.

При розрахунку може бути прийнята така модель впровадження промислової мережі - до впровадження проекту автоматизовані функції виконувалися програмістами вручну (в цьому випадку ефект досягається за рахунок збільшення продуктивності праці, зниження чисельності програмістів, зниження витрат на оренду приміщень для розміщення програмістів; необхідно зробити повні витрати, на придбання комплекту технічних засобів)

Річна економічна ефективність розраховується за формулою:

,

де Е пр - річний приріст прибутку після впровадження проекту,

Е н - нормативний коефіцієнт економічної ефективності капітальних вкладень (для автоматизованих систем управління та проектування Е н = 0,33)

До доп - Повні одноразові витрати на створення запроектованої системи.

До доп = 351593,51 руб.

Е пр = П 2 - П 1,

де П 1, П 2 - чистий річний прибуток до (1) і після (2) впровадження системи, що розробляється.

- Річний приріст прибутку після впровадження проекту.

Окупність додаткових капітальних вкладень розраховуємо за формулою:

року

Результати розрахунків зводимо в таблицю:

6.4.1 Техніко-економічні показники

Техніко-економічні показники представлені в таблиці 6.9.

Таблиця 6.9. Техніко-економічні показники

№ п / п

Найменування показників

Одиниці вимірювань

Проект

1

Швидкість передачі даних

Мбіт / сек

До 10 Мбіт / сек

2

Топологія

- / / -

лінійна

3

Середовище передачі даних

- / / -

Вита пара (мідь)

4

Мережева ОС

- / / -

Microsoft Windows 2000

5

Додаткові капітальні вкладення

руб.

351593,51

6

Річний прибуток

руб / рік.

283787,00

7

Річна економічна ефективність

руб.

167761,14

8

Термін окупності До доп

рік

2,10

6.5 Висновок

Виходячи з такого терміну окупності, можна сказати, що проект промислової локальної мережі економічно ефективний для даної компанії.

7. Безпека і екологічність проектних рішень

7.1 Мета і вирішуються завдання

У даному дипломному проекті вирішуються питання створення та експлуатації промислової локальної мережі BitBus. Так як ПЕОМ служить виконання посадових обов'язків протягом 24 годин, тобто цілодобово тому доцільно розглянути питання, пов'язані із забезпеченням безпеки праці та збереженням працездатності персоналу саме при роботі з ПЕОМ. У даному розділі будуть висвітлені впливу шкідливих і небезпечних факторів виробничого середовища електромагнітних полів, статичної електрики, недостатньої освітленості та психо-емоційного напруження. Також будуть приведені шляхи вирішення цих проблем, стандарти і рекомендації з нормування.

7.2 Небезпечні і шкідливі фактори при роботі з ПЕОМ

При роботі з ПЕОМ можуть виникнути потенційно небезпечні та шкідливі фактори, вплив яких на організм людини може принести йому шкоду і привести до травматизму.

Основні чинники з можливими наслідками викладені в ГОСТ 12.1.003-74/80 і зведені в таблицю 7.1.

Таблиця 7.1. Основні небезпечні та шкідливі фактори.

n / n

Найменування чинника

Можливі

наслідки

1

Підвищене значення напруги електричного кола

Електротравма

2

Електрична дуга

Опіки, пожежа

3

Підвищена напруженість електричного поля та електромагнітного випромінювання

Порушення ЦНС, і серцево-судинної системи, стомлюваність, дратівливість, помутніння кришталика

4

Підвищений рівень статичної електрики

Пожежа, вибух, електричний удар

5

Підвищена або знижена температура повітря, вологість, рухливість повітря робочої зони

Перегрів чи переохолодження організму

6

Недостатня освітленість робочої зони

Стомлюваність, дискомфорт, небезпека травматизму, погіршення зору

7

Підвищений рівень шуму

Нервово-психічна перевантаження, захворювання органів слуху

8

Монотонність праці

Нервово-психічна перевантаження

9

Розумовий перенапруження;

Зміна функціонального стану ЦНС

10

Підвищення рівня хімічних речовин

Дратівливо діє на центральну нервову систему, блокування гемоглобіну, порушення тканинного дихання, общетоксическое, канцерогенну дію на організм людини.

7.3 Характеристика об'єкта дослідження

У даному розділі дипломного проекту я висвітлюю основні питання техніки безпеки праці та екології при створенні та експлуатації промислової комп'ютерної мережі BitBus.

При розробці проекту необхідно передбачити заходи щодо забезпечення безпеки та життєдіяльності. Головним об'єктом при розробці промислової комп'ютерної мережі є робоче місце оператора, де виконуються роботи з контролю над технологічними процесами, підготовка технічної документації та обробці інформації та звідти видається інформація на всі інші комп'ютери.

Так як користувачі (оператори) в процесі роботи значну час проводитимуть за ПЕОМ то актуально вибрати предметом дослідження, для забезпечення безпечних і екологічних умов праці користувачів, шкідливі фактори впливу ПЕОМ на людину.

Для роботи з промислової комп'ютерною мережею в моїй кваліфікаційної роботі я використовую наступну конфігурацію обладнання:

Системний блок типу: процесор - Intel Pentium IV 2.8ггц, OЗУ-512Mb, HDD-80Гб, материнська плата Intel D845 EGEW, DVD-Rom 48x, інтегрована звукова карта (загальна кількість системних блоків - 10 шт.), Оснащених моніторами LCD LG 117s 17 ''(загальна кількість моніторів - 10шт.).

У робочому приміщенні оператора знаходитися все необхідне для робочого процесу обладнання: 4 персональних комп'ютери і 2 принтер. Саме це обладнання може служити джерелом виникнення шкідливих і небезпечних факторів.

7.4 Заходи з безпеки праці та збереження працездатності.

7.4.1 Забезпечення вимог ергономіки технічної естетики

Планування приміщення, розміщення обладнання

Для забезпечення санітарно-гігієнічних умов праці проектом передбачено наступне:

Розміри робочої частини приміщення складають:

  • довжина

  • ширина

  • висота

  • загальна площа дорівнює

У приміщенні працюють 4 співробітника в денну зміну і 4 в нічну.

Тепер розраховую питому площу (Пуд.) припадає на одну людину за формулою:

де - Площа приміщення;

- Площа приміщення зайнятого великогабаритним обладнанням та меблями;

- Число осіб, що одночасно працюють у приміщеннях.

м2

За нормативним вимогам площа приміщень для працівників при використанні LCD моніторів слід передбачати величиною 4,5 м2, для моніторів з ЕПТ 6 м2 з розрахунку на одну людину з урахуванням максимального числа одночасно працюючих в зміну. Отже, нормативні вимоги сходяться з нашими розрахунками, СанПіН 2.2.2./2.4.1340-03

Ергономічні рішення і організація робочого місця користувачів ПЕОМ

Вимоги до організації та обладнанням робочого місця користувача ПЕОМ наведені у ГОСТ 12.2.032-78 і СанПіН 2.2.2.542-96, СанПіН 2.2.2./2.4.1340-03.

Висота робочої поверхні столу для користувачів повинна регулюватися в межах 680-800 мм, при відсутності такої можливості висота робочої поверхні столу повинна бути 725 мм.

Модульними розмірами робочої поверхні столу для ПЕОМ, на підставі яких повинні розраховуватися конструктивні розміри, слід вважати:

ширину-800, 1200, 1400 мм

глибину-800 або 1000 мм

висоту (при нерегульованої) -725 мм.

Робочий стіл повинен мати простір для ніг висотою не менше 600 мм, шириною - не менше 500 мм, глибиною на рівні колін - не менше 450 мм і на рівні простягнутої ноги - не менше 650 мм.

Робочий стілець (крісло) повинен бути підйомно-поворотним і регульованим по висоті і кутам нахилу сидіння і спинки, а також відстані спинки до переднього краю сидіння.

Клавіатуру слід розташовувати на поверхні столу на відстані 100-300 мм від краю, зверненого до користувача, або на спеціальній регульованій по висоті робочої поверхні, відокремленої від основної стільниці.

Конструкція застосовуваної клавіатури вибиралася, виходячи з таких нормативних параметрів:

  • конструкція виконана у вигляді окремого пристрою з можливістю вільного переміщення;

  • опорне пристосування, дозволяє змінювати кут нахилу

поверхні клавіатури в межах від 5 до 15 градусів;

  • висота середнього ряду клавіш 25 мм;

  • заводське виконання часто використовуваних клавіш виконано в центрі, внизу і праворуч, а рідко використовуваних - вгорі і зліва;

  • виділення кольором, розміром, формою і місцем розташування

функціональних груп клавіш;

  • оптимальний розмір клавіш - 15 мм;

  • клавіші з заглибленням у центрі і кроком 19 плюс-мінус 1 мм;

  • відстань між клавішами 3 мм;

  • однаковий хід всіх клавіш з максимальним опором натисканню 1,5 Н;

  • звукова зворотній зв'язок включення клавіш з регулюванням

рівня звукового сигналу. Можливістю її відключення.

Корпус ВДТ і ПЕОМ, клавіатура та інші блоки і пристрої ПЕОМ мають матову поверхню одного кольору з коефіцієнтом відображення 0,5 і не мають блискучих деталей, здатних викликати відблиски.

Кольорове оформлення приміщення

Рішення, пов'язані з області технічної естетики, повинні бути засновані на рекомендаціях СН-181-70 по колірному оформленню приміщення. При виборі колірного оформлення приміщення необхідно врахувати психофізіологічний вплив кольору на центральну нервову систему і орган зору людини, оптико-фізичний вплив, заснований на здатності, що відображає кольору і естетичне сприйняття, обумовлене гармонійним поєднанням різних кольорів.

При оформленні приміщення необхідно врахувати орієнтацію вікон у відношенні сторін світла і характер штучного освітлення. У даного приміщення вікна орієнтовані на захід, стіни - світло-жовті або голубувато-зелені, а підлога зелена або червонувато-оранжевий. Стеля у всіх приміщеннях білого кольору. Параметри колірного оформлення приміщень наведені в таблиці 7.2.:

Таблиця 7.2. Параметри колірного оформлення приміщень

Орієнтація вікон приміщень

Найменування кольору (поверхні)

Характеристика квітів

N зразка

CH 181-70



довжина хвилі, нм

чистота

коефіцієнт

відображення,%


Захід

Світло-жовтий (стіни)

572 ± 5

47 ± 10

70 ± 7

5,4


Блакитно-зелений (стіни)

515 ± 5

10 ± 5

67 ± 7

9,4


Зелений (стать)

550 ± 5

30 ± 10

29 ± 7

7,1


Червонувато-оранжевий (стать)

600 ± 7

50 ± 5

10 ± 7

18,1

Вибір зразків кольору для оздоблювальних матеріалів і виробів слід здійснювати з урахуванням фактури: поверхні в приміщеннях повинні мати матову і напівматову фактуру для виключення попадання відбитих відблисків в очі що працює.

7.4.2 Забезпечення оптимальних параметрів повітря робочих зон

Нормування параметрів мікроклімату

Один з факторів впливу навколишнього середовища - мікрокліматичні умови. Джерелом несприятливих мікрокліматичних умов є:

  • пил

  • тертьові механічні частини зовнішніх пристроїв ЕОМ

  • паперу для принтерів і картриджі

  • висока температура зовнішніх пристроїв ЕОМ (монітори, принтери)

  • погана робота кондиціонерів.

Параметри мікроклімату (температура в ° С, відносна вологість у% і рухливість повітря в м / с) нормуються по СанПіН 2.2.4.548-96 ". Оптимальні норми мікроклімату приведені в таблиці 7.3.

Таблиця 7.3. Оптимальні параметри мікроклімату з ПЕОМ.

Період року

Категорія робіт

Температура повітря в ° С не більше

Відносна вологість повітря,%

Швидкість руху повітря, м / с

Холодний

Легка-1б

21-23

40-60

0,1

Теплий

Легка-1б

22-24

40-60

0,2

Примітка:

До категорії 1б належать роботи, вироблені сидячи, стоячи або пов'язані з ходьбою і супроводжуються деяким фізичним напруженням, при яких витрата енергії складає від 120 до 150 ккал / ч.

Відповідно до СанПіН 2.2.4.548-96 роботу операторів можна віднести до роботи категорії легка-1б. Таким чином, фактичні параметри мікроклімату приведені в таблиці 7.4.

Таблиця 7.4. Фактичні параметри мікроклімату з ПЕОМ.

Період року

Категорія робіт

Температура повітря в ° С

Відносна вологість повітря,%

Швидкість руху повітря, м / с

Холодний

Легка-1б

22

50

0,1

Теплий

Легка-1б

23

50

0,2

З таблиць видно, що фактичні параметри мікроклімату в приміщенні відповідають нормативним.

Нормування рівнів шкідливих хімічних речовин

Джерелами забруднення приміщення є шкідливі речовини зовнішнього середовища і більше 100 з'єднань, що виділяються з будівельних матеріалів будинку, меблів, одягу, взуття та біоактивні сполуки (антропотоксини) самої людини.

Розглядаючи забруднення приміщення шкідливими речовинами зовнішнього середовища, необхідно, перш за все, враховувати місце розташування будівлі, в нашому випадку це вагон-будинок на території куща. Найбільш частими забруднювачами, що потрапляють із зовнішнього середовища в приміщення, є оксид вуглецю, діоксид азоту, діоксид сірки, пил і ін

Меблі, одяг та взуття, яка зберігається у приміщенні, виділяють пил з вмістом мінерального волокна, вуглеводні, поліефірні смоли та інші сполуки.

До найбільш небезпечних забруднювачів приміщень відносяться продукти куріння, концентрація яких при великій кількості людей, що палять в різний час робочого дня в десятки разів вище, ніж у їх відсутності. Тому необхідно організувати спеціально відведені місця для паління з вентиляцією цих зон.

У таблиці 7.5. наведемо можливий склад шкідливих речовин в аналізованому приміщенні з зазначенням їх гранично допустимих концентрацій:

Таблиця 7.5. Характеристика шкідливих речовин, що містяться в повітрі приміщення (ГОСТ 12.1.005-88 і ГН 2.2.5.1313-03)

Шкідливі речовини

ГДК, мг/м3

Клас небезпеки

Дія на людину

1. Зовнішні джерела (від автостради)

Оксид вуглецю

20

4

Блокує гемоглобін, порушує тканинне дихання

Діоксид азоту

5

2

Наркотична дія, дія на кровоносну систему

Свинець (вихлопи автомобілів)

0,01 / 0,0070

1

Загальнотоксична, канцерогенна

Пил (сажа)

4

4

Подразнюючу, канцерогенна

2. Будівельні матеріали (бетонні конструкції)

Радон, торону, полоній, уран

0,015

1

Канцерогенну, общетоксическое

3. Меблі, одяг, взуття

Фенопласти

6

3

Загальнотоксична, алергічне, канцерогенна

Поліефірний лак

6

2

-

Капролактам

10

3

-

Формальдегід

05

9

-

Бензол

5

2

-

Пил рослинного і тваринного походження

2-6

4

-

4. Антропоксіни

Діоксид вуглецю

10

2

Подразнюючу, діє на ЦНС

Сірководень

3

3

-

Мікроби



Загальнотоксична

Кліщі



Алергічне

5. Продукти куріння

Нікотин

10

3

Наркотична

Нормування рівнів аероіонізації

Основне застосування іонізаторів - створення в приміщеннях оптимальної концентрації негативно заряджених аероіонів, які необхідні для нормальної життєдіяльності. Позбавлений аероіонів повітря - "мертвий", погіршує здоров'я і веде до захворювань.

У таблиці 7.6. наведемо згідно з СанПіН 2.2.2.542-96 рівні позитивних і негативних аероіонів в повітрі приміщення:

Таблиця 7.6. Рівні іонізації повітря приміщень при роботі на ВДТ та ПЕОМ

Рівні

Число іонів в 1 см. куб. повітря


n +

n-

Мінімально необхідні

400

600

Оптимальні

1500-3000

3000-5000

Максимально допустимі

50000

50000

Розрахунок припливно-витяжної вентиляції

Розрахунок повітря для вентилювання приміщень ( ) Здійснюватися за формулою:

, Де

L - обсяг припливного повітря

с - теплоємність повітря (1,005 )

р - щільність повітря (1,2 )

- Температура повітря, що видаляється,

- Температура повітря надходить до приміщення,

- Теплонадлишки,

Визначимо кількість явного надлишкового тепла що виділяється в приміщенні:

, Де

- Виділення тепла від устаткування;

- Надходження тепла від людей;

- Надходження тепла від електричного освітлення;

- Надходження тепла від сонячної радіації;

, Де

- Коефіцієнт використання настановної потужності (0,95);

- Коефіцієнт одночасності роботи (1);

N - сумарна настановна потужність

- Потужність ПЕОМ споживана від мережі (350 Вт);

к - кількість ПЕОМ. Надходження тепла від людей:

, Де

n - кількість людей, що працюють у приміщенні;

q - кількість тепла, виділеного однією людиною (628 кДж / год).

Надходження тепла від електричного освітлення

, Де

- Коефіцієнти враховують спосіб установки світильників і особливості світильників (0,35 і 1,3);

N - сумарна настановна потужність світильників, кВт;

, Де

- Кількість світильників;

- Потужність одного світильника;

Тепло, що надходить від сонячної радіації:

, Де

q - питомі надходження від сонячної радіації (135 )

S - сумарна площа вікон,

Загальна кількість надлишкового тепла:

Звідси:

м 3

де:

t p - температура повітря в робочій зоні (t p = 23,5 ° С);

d - коефіцієнт наростання температури на кожен метр висоти (d = 1,5 град / м);

h - висота приміщення (h = 3,5 м).

Обсяг робочого простору вагон-будинку м 3

Кратність повітрообміну багато більше одиниці, отже, вентиляція організована правильно.

7.4.3 Створення раціонального освітлення

Недостатнє освітлення робить негативний вплив на організм людини. Джерелом недостатньої освітленості є неправильно спроектоване і виконане висвітлення. Основні вимоги до висвітлення сформульовані в «Гігієнічні вимоги до відео дисплейним терміналів, персональних електронно-обчислювальних машин та організації роботи. Санітарні правила та норми. СанПіН 2.2.2.542-96 ".

Природне освітлення має здійснюватись через світлові прорізи, орієнтовані переважно на північ і північний схід і забезпечувати коефіцієнт природної освітленості (КПО) не нижче 1,2% у зонах зі стійким сніжним покривом і не нижче 1,5% на решті території.

Освітленість робочого столу в зоні розміщення робочого документу повинна бути 300-500 лк. Допускається установка світильників для підсвічування документів. Місцеве освітлення не повинно створювати відблисків на поверхні екрана, а освітленість екрана має не перевищувати 300 лк.

Освітленість на робочому місці повинна відповідати характеру зорової роботи, який визначається наступними трьома параметрами:

  • Об'єкт розрізнення - найменший розмір розглянутого предмета.

  • Фон-поверхня, прилегла безпосередньо до об'єкта розрізнення.

  • Контраст об'єкта з тлом - характеризується співвідношенням яскравостей розглянутого об'єкта і СНіП 23-05-95.

Відповідно до СанПіН 2.2.2.542-96 роботу оператора можна віднести до роботи з малою точністю (найменший розмір об'єкту відмінності від 1 до 5 мм) 5-го розряду зорової роботи, з великою контрастністю об'єкта розрізнення (символів на екрані монітора), з темним фоном (подразряд зорової роботи - В).

Недостатнє освітлення призводить до напруги зору, передчасної втоми і послаблює увагу. Надмірно яскраве освітлення викликає засліплення, роздратування і різь в очах. Неправильний напрямок світла на робоче місце може створити різкі тіні, відблиски і дезорієнтувати працюючого. Це може призвести до професійних захворювань. Збереження зору людини, стан його центральної нервової системи значною мірою залежать від умов освітлення.

7.4.4 Захист від шуму

Одним з найбільш поширених факторів зовнішнього середовища, несприятливо впливають на організм людини, є шум. Джерелом є механічні пристрої ЕОМ (принтери і вентилятори в блоках харчування ПЕОМ).

Нормування шуму виконуватися за ГОСТ 12.1.003-83 та СНиП 2.2.4/2.1.8.562-96.

Таблиця 7.7.

Рівні звукового тиску в октавних смугах з середньогеометричними частотами, Гц.

Рівні звуку в дБА

31,5

63

125

250

500

1000

2000

4000

8000


86 дБ

71 дБ

61 дБ

54 дБ

49 дБ

45 дБ

42 дБ

40 дБ

38 дБ

50

Фактичні значення рівня шуму в межах норми.

Рівень шуму, що надходить ззовні можна знизити за рахунок ущільнення вікон і дверей. Так само можна обладнати приміщення звукопоглинальними поверхнями.

7.4.5 Забезпечення режимів праці та відпочинку

Режими праці та відпочинку при роботі з ПЕОМ і ВДТ повинні організовуватися в залежності від виду та категорії трудової діяльності. Є три групи видів трудової діяльності, в нашому випадку це група А - робота з зчитування інформації з екрана ВДТ або ПЕОМ з попереднім запитом.

При виконанні протягом робочої зміни робіт, що відносяться до різних видів трудової діяльності, за основну роботу з ПЕОМ і ВДТ слід приймати таку, яка займає не менше 50% часу протягом робочої зміни або робочого дня.

Для видів трудової діяльності встановлюється 3 категорія тяжкості і напруженості роботи з ВДТ і ПЕОМ. У нашому випадку для групи А - по сумарному числу прочитуються знаків за робочу зміну, але не більше 60 000 знаків за зміну.

Для позначення категорії праці, виходячи з нашої групи А, вкажемо кількість регламентованих перерв, час їх проведення і сумарний час на відпочинок:

Тривалість безперервної роботи на ПЕОМ без регламентованого перерви не повинна перевищувати двох годин. Так як контроль за технологічними процесами повинний здійснюватися цілодобово то вибирається 12 годинна робоча зміна. При 12-ти годинній робочій зміні і роботі на ПЕОМ регламентовані перерви слід встановлювати перші 8 годин роботи через 2 години від початку зміни і через 1.5-2 години після обідньої перерви тривалістю 15 хвилин кожен або тривалістю 10 хвилин через кожну годину роботи. А протягом останніх 4 годин роботи, незалежно від категорії і виду робіт, кожну годину тривалістю 15 хвилин.

З метою профілактики перевтоми і перенапруження при роботі на ПЕОМ, в тому числі при використанні дисплеїв, необхідно виконувати під час регламентованих перерв комплекси вправ.

З метою зниження або усунення нервово-психічного, зорового і м'язового напруги, попередження перевтоми необхідно проводити сеанси психофізіологічного розвантаження і зняття втоми під час регламентованих перерв і після закінчення робочого дня.

Ці сеанси повинні проводитись у спеціально обладнаному приміщенні - кімнаті психологічного розвантаження. Цю кімнату слід розташовувати на відстані не більше 75 м від робочих місць. Для зниження напруженості праці операторів ПЕОМ необхідно рівномірно розподіляти їх навантаження і раціонально чергувати характер діяльності - прийом і видачу результатів з роботою за ПЕОМ та ін У нічні години не повинні виконуватися роботи або завдання, що вимагають складних рішень або відповідальних дій.

7.4.6 Забезпечення електробезпеки

З точки зору ПУЕ (правил улаштування електроустановок) приміщення не є небезпечним. У приміщенні підтримується оптимальна температура і вологість повітря, шкідливі хімічні речовини відсутні.

Для захисту оператора від ураження електричним струмом при дотику до металевих неструмоведучих частин, які можуть опинитися під напругою в результаті пошкодження ізоляції використовується захисне заземлення, яке виконано навмисним електричним з'єднанням металевих частин електроустановок із "землею" або її еквівалентом.

Захисного заземлення та занулення схильні розетки і металеві частини електроустановок доступні для дотику людини і не мають інших видів захисту, що забезпечують електробезпеку.

В якості заземлюючих провідників використовуються спеціально призначені для цієї мети провідники.

У кабінеті розташовується щит з автоматами, у ньому знаходяться 3 автомати розрахованих на струм відсічки 25А, один з яких призначений для живлення розеток комп'ютерів, другий для харчування решти розеток, третій для освітлення.

Так само ми використовуємо для стабільної роботи ПЕОМ джерело безперебійного живлення АРС Smart-UPS RM 2U.

7.4.7 Захист від статичної електрики

Джерелом статичної електрики служать труться принтерів. Нормування допустимого поверхневого електростатичного потенціалу відеомонітора проводитися по СанПіН 2.2.2.542-96 "і не повинен перевищувати 500 В. Статична електрика може призвести до пожежі, вибуху, фізіологічному впливом на організм. Даний фактор також може призвести до виведення з ладу деяких окремих частин ПЕОМ.

Поверхнева провідність діелектриків підвищується при збільшенні вологості повітря. Вологість повітря підвищується за допомогою зволожувачів повітря вбудованих в кондиціонери. Оптимальна вологість повітря для запобігання статичних розрядів повинна бути 85% при температурі повітря 21 ° С.

Для захисту працівників від статичного заряду використовується взуття з електропровідного підошвою, антіелектростатіческая одяг, що не містить синтетичних волокон і передбачено пристрій електропровідних підлог ..

У лабораторії два рази на день проводиться антистатична обробка із застосуванням спеціальних антистатичних миючих засобів типу «Антистатик», що призводить до підвищення поверхневої провідності матеріалів.

7.4.8 Забезпечення допустимих рівнів електромагнітних полів

Електромагнітні поля, які характеризуються напруженням електричних і магнітних полів, найбільш шкідливі для організму людини. Основним джерелом цих проблем, пов'язаних з охороною здоров'я людей, що використовують у своїй роботі персональні комп'ютери, є дисплеї (монітори), особливо дисплеї з електронно-променевими трубками. Вони являють собою джерела найбільш шкідливих випромінювань, що несприятливо впливають на здоров'я оператора. Наведемо витяг з СанПіН 2.2.2/2.4.1340-03 в таблиці 7.8.;

Таблиця 7.8. тимчасові допустимі рівні ЕМП, що створюються ПЕОМ на робочих місцях

Найменування параметрів

ВДУ

Напруженість

електричного

поля

в діапазоні частот 5 Гц - 2 кГц

25 В / м


в діапазоні частот 2 кГц - 400 кГц

2,5 В / м

Щільність магнітного потоку

в діапазоні частот 5 Гц - 2 кГц

250 нТл


в діапазоні частот 2 кГц - 400 кГц

25 нТл

Напруженість електростатичного поля

15 кВ / м

Для досягнення ПДУ ЕМП можна передбачено застосування таких методів:

екранування робочого місця;

видалення робочого місця від джерела ЕМП;

раціональне розміщення в робочому приміщенні обладнання, що випромінює електромагнітну енергію.

7.4.9 Забезпечення пожежної безпеки

Для вирішення проблем пожежної безпеки нам необхідно спочатку визначити і обгрунтувати категорію приміщення, керуючись НПБ 105-03 витяг в таблиці 7.9.:

Таблиця 7.9. Категорії приміщень за вибухопожежною та пожежною небезпекою

Категорія приміщення

Характеристика речовин і матеріалів, що знаходяться (обертаються) у приміщенні

В1 - В4

пожежонебезпечні

Горючі і важкогорючі рідини, тверді горючі і важкогорючі речовини і матеріали (в тому числі пил та волокна), здатні при взаємодії з водою, киснем повітря або одне з одним тільки горіти за умови, що приміщення, в яких вони є в наявності або обертаються, не відносяться до категорій А або Б

Виходячи з таблиці, ми робимо висновок, що в нашому випадку приміщення належить до категорії В.

Однією з найбільш важливих завдань пожежного захисту є захист приміщень від руйнувань та забезпечення їх достатньої міцності в умовах впливу високих температур при пожежі. З огляду на високу вартість електронного обладнання приміщень, а також категорію його пожежної небезпеки, будівля має 1 ступінь вогнестійкості.

Таблиця 7.10.

Ступінь вогнестійкості будинку

Межа вогнестійкості будівельних конструкцій, не менш


Несучі елементи будівлі

Зовнішні ненесучі стіни

Перекриття міжповерхові

(У тому числі горищні та над підвалами)

Елементи безгорищних покриттів

Сходові клітки





Настили

(У тому числі з утеплювачем)

Ферми, балки, прогони

Внутрішні стіни

Марші та сходові площадки

I

R 120

Е З0

REI 60

RE 30

R 30

REI 120

R 60

де R - втрата несучої здатності;

E - втрата цілісності;

I - втрата теплоізолюючої здатності.

Цифрами позначений час в хвилинах.

Для гасіння пожеж на початкових стадіях широко застосовуються вогнегасники.

У приміщеннях з ПЕОМ застосовуються головним чином вуглекислотні вогнегасники, гідністю якого є висока ефективність гасіння пожежі, схоронність електронного устаткування, діелектричні властивості вуглекислого газу, що дозволяє використовувати ці вогнегасники навіть у тому випадку, коли не вдається знеструмити електроустановку відразу, при цих умови можливий пожежу можна віднести до категорії Е

Всі приміщення необхідно обладнати установками стаціонарного автоматичного пожежогасіння. Найбільш доцільно застосовувати установки газового гасіння пожежі, дія яких грунтується на швидкому заповненні приміщення вогнегасною речовиною газовим з різким зріджування вмісту у повітрі кисню. При наявності стаціонарного автоматичного пожежогасіння, кількість вогнегасників зменшується у два рази, тому у нас два вогнегасників ОУ-2 ППБ 01-03. Вогнегасники розташовані на висоті 1,5 метра від підлоги. Повірка здійснюється 1 раз на рік.

Використовуючи дані з наведеної вище таблиці 7.9., Я зробив висновок, що приміщення належить до категорії В (пожежонебезпечна), так як ПЕОМ знаходяться в приміщенні, складаються з твердих горючих і важкогорючих матеріалів, здатних лише горіти.

Розрахунок ширини евакуаційних виходів.

Визначаю найменшу ширину дверного отвору і найбільше число працівників евакуюються з виробничих приміщень об'ємом до 15 тис.м 3 протягом 1 хвилини на два виходи, розташованих по кінцях коридору.

Найбільша відстань до виходу L 1 = 40м., Ширина проходу згідно з таблицею 7.11.

Таблиці 7.11. відстань від найбільш віддалених місць до найближчих евако. виходів

Обсяг приміщення тис.м 3

Категорія приміщення

Ступінь вогнестійкості

Відстань, м, при щільності людського потоку в загальному проході, чол / м




до 1

від 1 до 3

від 3 до 5

до 15

А, Б

I, II, ІІІа

40

25

15


У

I, II, III, ІІІа

100

60

40



ІІІб, IV

70

40

30



V

50

30

20

Необхідна швидкість переміщення людей

,

їй відповідає щільність людського потоку ;

Звідси найбільша кількість працівників яке може евакуюватися по всьому проходу: .

Знаючи щільність людського потоку Д 1 і швидкість переміщення людей по таблиці 7.12. визначаю інтенсивність руху людського потоку q = 16м/мін

Таблиця 7.12. швидкість та інтенсивність руху людського потоку

Щільність потоку осіб / м 2

Горизонтальний шлях

Дверний отвір

Сходи вниз

Сходи вгору


Інтенсивність, м / хв

Швидкість, м / хв

Інтенсивність, м / хв

Інтенсивність, м / хв

Швидкість, м / хв

Інтенсивність, м / хв

Швидкість, м / хв

4

16

40

18,4

16

40

10,4

26

Звідси необхідна ширина дверного отвору:

максимальна інтенсивність руху людського потоку через дверний проріз по табліце7.12., q max = 18,4 м / хв

Якщо з коридору є вихід назовні або в іншій горизонтальний коридор, то максимальна інтенсивність руху людського потоку по горизонтальному шляху q max = 16м/мін, тоді необхідна ширина дверного отвору буде:

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Програмування, комп'ютери, інформатика і кібернетика | Диплом
713.4кб. | скачати

Схожі роботи:
Архітектура стільникових мереж зв`язку й мережі абонентського доступу
Комп ютерні мережі класифікація протоколи послуги локальні та глобальні мережі
Проектування локальної мережі для робочих місць на базі мережі Ethernet
Аналіз проблем інформаційної безпеки в комп`ютерній мережі організації підключеної до мережі Інтернтет
Безпека праці при виконанні робіт в каналізаційній мережі мережі газопостачання колодязях ємностях
Налаштування локальної мережі і підключення до мережі інтернет для Windows XP і Windows 7
Основоположники промислової системотехнiки
Охорона промислової власності
Право промислової власності
© Усі права захищені
написати до нас