АНАЛИЗ И ВЫБОР СОВРЕМЕННЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ СЕТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ КЛИМАТОМ

В статье “Применимость устройств автоматики в системах вентиляции и кондиционирования воздуха” рассматривается система управления климатом. В качестве управляющих устройств были выбраны устройства на основе микроконтроллеров STM32F107, обладающих достойным набором интерфейсов для связи (RS-232, ETHERNET, CAN). Блок-схемы предлагаемых устройств предоставлены на рисунках.

Рисунок 1. Блок-схема исполнительного модуля с непосредственным управлением двигателем

Рисунок 2. Блок-схема главного модуля.

Рисунок 3. Блок-схема исполнительного модуля с дистанционным управлением сплит-системой

Последовательный интерфейс RS-232 известен с 1962 г. и, несмотря на то, что не используется в современных ПК (вместо него используется USB), RS232, RS-422 и RS-485 часто встречаются в лабораториях. Наиболее важным продвижением стандарта RS-232 стала возможность стабильной передачи последовательности двоичных данных. Однако ограничения этого стандарта затрудняют его использование потому, что компьютеры используют очень маленькие блоки питания. Кроме того, многоканальный RS-485 плохо реализован и требует доработки с помощью ПО. Протоколы RS-232 и RS-485 способны к двусторонней передаче и легко применимы в реализации двунаправленной связи на коротких дистанциях. Они часто используются для коммуникации лабораторного оборудования, анализаторов, присоединения удаленных систем безопасности к централизованной системе обеспечения контроля.RS-422 использует для передачи витую пару, что позволяет преодолевать бóльшие расстояния, чем с RS-485, однако он реализует P2P-соединение. Этот протокол позволяет подключать до 10 управляемых устройств (Slave), но управляющее устройство (Master) одно. Несмотря на то, что RS-485 был основой для многих ранних стандартов связи, например Rockwell Automation/Allen-Bradley’s Data Highway и Profibus от Siemens, ни RS-232, ни RS-485 не были спроектированы с учетом требований кибербезопасности.

Ниже в таблице 1 приведены главные черты этих трех последовательных портов, как они определены в документах стандарта. [2]

Таблица 1.

Сравнительные характеристики интерфейсов

RS-232 - интерфейс передачи информации между двумя устройствами на расстоянии до 20 м. Информация передается по проводам с уровнями сигналов, отличающимися от стандартных 5В, для обеспечения большей устойчивости к помехам. Асинхронная передача данных осуществляется с установленной скоростью при синхронизации уровнем сигнала стартового импульса.

RS-422 - Последовательный дифференциальный интерфейс RS-422 (Recommended Standard 422) имеет сходства с другим интерфейсом - RS-485. Максимальная дальность действия интерфейса RS-422 как и у RS-485 составляет 1200 метров. К каждому передатчику RS-422 возможно подключение до 10 приёмников. Максимальная скорость передачи данных достигает 10 Мбит/секунду. На самой большой удалённости от передатчика скорость может составлять 10 кб/с. В качестве провода используется витая пара.

RS-485 - Протокол связи RS-485 является наиболее широко используемым промышленным стандартом, использующим двунаправленную сбалансированную линию передачи. Протокол поддерживает многоточечные соединения, обеспечивая создание сетей с количеством узлов до 32 и передачу на расстояние до 1200 м. Использование повторителей RS-485 позволяет увеличить расстояние передачи еще на 1200 м или добавить еще 32 узла.

CAN (Controller Area Network — сеть контроллеров) — стандарт промышленной сети, ориентированный, прежде всего, на объединение в единую сеть различных исполнительных устройств и датчиков. Режим передачи — последовательный, широковещательный, пакетный.

Все узлы в сети должны работать с одной скоростью. Стандарт CAN не определяет скоростей работы, но большинство как отдельных, так и встроенных в микроконтроллеры адаптеров позволяют плавно менять скорость в диапазоне, по крайней мере, от 20 килобит в секунду до 1 мегабита в секунду. Существуют решения, выходящие далеко за рамки данного диапазона. [3]

Достоинства

• Простота реализации и минимальные затраты на использование.
• Высокая устойчивость к помехам.
• Надёжный контроль ошибок передачи и приёма.
• Широкий диапазон скоростей работы.
• Большое распространение технологии, наличие широкого ассортимента продуктов от различных поставщиков.

Недостатки

• Небольшое количество данных, которое можно передать в одном пакете (до 8 байт).
• Большой размер служебных данных в пакете (по отношению к полезным данным).

Ethernet - Технология Ethernet была разработана вместе со многими первыми проектами корпорации Xerox PARC. Общепринято считать, что Ethernet был изобретён 22 мая 1973 года. Пропускная способность оценивается через количество кадров либо количество байт данных, передаваемых по сети за единицу времени. Если в сети не происходят коллизии, максимальная скорость передачи кадров минимального размера (64 байта) составляет 14881 кадров в секунду. При этом полезная пропускная способность для кадров Ethernet II – 5.48 Мбит/с.

Максимальная скорость передачи кадров максимального размера (1500 байт) составляет 813 кадров в секунду. Полезная пропускная способность при этом составит 9.76 Мбит/с.[4]

Универсальная шина IEEE-488

Изначально разработанный компанией Hewlett-Packard для своих лабораторных измерительных и тестовых установок протокол IEEE-488 сначала назывался HPIB (Hewlett-Packard Interface Bus). Это была параллельная шина, и она могла работать без микропроцессора, используя транзисторно-транзисторную логику (TTL).

HPIB стала стандартом де-факто, потому что могла связать до 15 устройств, причем каждый имел свой адрес. Когда другие производители стали применять этот стандарт, его стали называть GPIB (General Purpose Interface Bus), а затем IEEE-4888. Со временем Институт инженеров по электротехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE) и Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission, IEC) превратили его в двойной стандарт IEEE/IEC-488.1 и.2. К сожалению, пока канал связывает устройства, он не определяет общие команды, таким образом устройства, поддерживающие IEEE-488, зачастую несовместимы друг с другом.

IEEE-488 — 8-битная шина Master/Slave с максимальной скоростью передачи данных 1–8 Мбит/с, в зависимости от реализации. Сейчас мы считаем, что это довольно медленное соединение. Но поскольку лабораторное измерительное и проверочное оборудование имеет долгий срок службы, стандарт GPIB все еще в ходу.

Modbus — стандарт связи для ПЛК

Представленный компанией Modicon в конце 70-х годов Modbus (сокр. от Modicon Bus) был разработан специально для промышленных контроллеров. В те времена фирме (теперь это часть Schneider Electric) принадлежала существенная доля рынка ПЛК и промышленных контроллеров, и требовалось разработать надежный метод передачи данных между ними.

Шина Modbus надежна, распространяется по лицензии «роялти-фри», проста в эксплуатации и способ передачи данных по ней не накладывает серьезных ограничений на поставщиков оборудования.

Современные контроллеры и компьютеры всегда оборудуются портом Ethernet, и реализация стандарта подразумевает работу Plug&Play. По этим причинам Ethernet станет единым стандартом связи в ближайшее десятилетие. Современные контроллеры и компьютеры всегда оборудуются портом Ethernet, и реализация стандарта подразумевает работу Plug&Play. По этим причинам Ethernet станет единым стандартом связи в ближайшее десятилетие. Не последнее значение имеет и тот факт, что последовательные протоколы Modbus, DeviceNet, Profibus и HART могут работать по каналу Ethernet. Для высокопроизводительных машин и роботов широко применяются сети на основе Ethernet — EtherCAT и Powerlink.

С приходом IPv6 и ростом количества разрешенных IP-адресов становится возможным запускать Ethernet на каждом устройстве в мире несколько раз одновременно. [2]

Сравнив ряд интерфейсов были выбраны оптимальные по протяжённости и скорости передачи данных – RS-232, RS-485, Ethernet.

Список литературы:

1. Зимин В.В. Промышленные сети: Учебное пособие. Н. Новгород: НГТУ, 2006. — 252 с.
2. Кангин В. В. Аппаратные и программные средства систем управления. Промышленные сети и контроллеры: учебное пособие / В. В. Кангин, В. Н. Козлов. — М.: Бином. Лаборатория знаний, 2010 - 418с.
3. Controller Area Network // Википедия. [2017—2017]. Дата обновления: 17.05.2017. URL: http://ru.wikipedia.org/?oldid=85459006 (дата обращения: 17.05.2017).
4. Ethernet // Википедия. [2017—2017]. Дата обновления: 22.05.2017. URL: http://ru.wikipedia.org/?oldid=85551101 (дата обращения: 22.05.2017).