Цели, задачи и принципы построения автоматических систем управления

 

 

Рисунок 1.12 - Модули вывода аналоговых сигналов

 

 

На практике большинство устройств каналов ввода-вывода объединены в составе одного устройства.

К примеру, модуль серии 5В для работы с термопарами фирмы Analog Devices обеспечивает преобразование, гальваническую развязку и нормирование сигнала.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 СТАНДАРТНЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ  В АСУ ТП

 

 

Интерфейс – совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструкционных элементов, предназначенных для взаимодействия различных устройств в соответствии с заданными правилами и стандартами.

Иногда в специальной литературе интерфейсами называют порты ЭВМ.

Стандартом интерфейса определяются:

- уровни сигналов (напряжение логического нуля и логической единицы);

- электрические параметры передатчиков, приемников и каналов связи;

- физическая среда передачи данных (тип и количество проводов, размеры переходников и разъемов, ограничения на длину проводов, если таковые имеются);

Человеко-машинный интерфейс (HMI) - средства взаимодействия человека с ЭВМ: устройства ввода-вывода («мышь», клавиатура, джойстик, дисплей), а также экранные формы (картинки, мнемосхемы, экранные кнопки и регуляторы и т.п.)

Протокол обмена – соглашение между обменивающимися устройствами, устанавливающее условия обмена (скорость передачи, количество служебных и информационных бит, контроль четностей).

Драйвер – служебная программа, осуществляющая согласование работы внешних устройств и процессора ЭВМ (прием, передача, обработка данных и управление).

По способу передачи информации интерфейсы подразделяются на параллельные и последовательные.

В параллельном интерфейсе все передаваемые биты выставляются одновременно по параллельно идущим проводам.

В последовательном интерфейсе биты выставляются последовательно друг за другом.

Для интерфейса, соединяющего два устройства, различают три режима обмена:

Дуплексный режим – обмен происходит сразу по обоим направлениям одновременно.

Полудуплексный режим – информация передается «туда и обратно» поочередно.

Симплексный – данные передаются только в одном направлении, а в обратном приходят только сигналы управления.

 

 

2.1 Последовательный интерфейс RS-232С

 

 

Последовательный интерфейс обычно используется для большинства периферийных устройств, таких как плоттер, удаленный принтер, мышь, внешний модем, программатор ПЗУ, модуль удаленного сбора информации и управления, программируемый контроллер и других устройств автоматизации. До настоящего времени для последовательной связи IBM PC-совместимых компьютеров используется интерфейс RS-232С (новая версия — ЕIА-232D).

В современном IBM PC-совместимом компьютере может использоваться до четырех последовательных портов, имеющих логические имена соответственно СОМ1, СОМ2, СОМЗ и СОМ4.

Стандарт передачи и приема использует высокие уровни сигналов до +/-15 В или +/-12 В. Уровень логического нуля соответствует напряжению +12 В, а логической единицы - напряжению -12 В.

Основным преимуществом последовательной передачи является возможность пересылки данных на большие расстояния — как правило, превышающие 30 метров. В самом простом случае для приема и передачи через последовательный порт необходимы только три сигнала: TxD (Transmit Data - Передача данных), RxD (Receive Data - Прием данных) и GND (Ground — Земля).

В 1ВМ РС-совместимых персональных компьютерах из 25 сигналов, предусмотренных стандартом RS-232, используются в соответствии с Е1А только 9: три описанных выше и шесть, объединенных общим названием handshake (квитирующие), сигналов.

Физической средой передачи данных служит девятипроводный кабель RS-232, поставляемый в комплекте с ЭВМ или специальный промышленный кабель интерфейса RS-232 (от 2 до 25 витых пар в 100% экране).

При использовании последовательного интерфейса одно из устройств выступает как DTE (Data Terminal Equipment - Оконечное устройство), а другое как DCE (Data Communication Equipment — Устройство передачи данных), хотя различие между ними состоит только в направлении используемых сигналов. Так, если сигнал для DTE является входным, то для DCE этот же сигнал будет выходным и наоборот.

При обмене данными могут использоваться различные протоколы — правила обмена: от простейшего, упомянутого выше и работающего только с тремя сигналами интерфейса, до более сложных, использующих, например, пару квитирующих сигналов RTS и СTS. Различные коммуникационные программы и устройства могут применять различные протоколы обмена, поэтому во избежание недоразумений лучше всегда предварительно изучить соответствующие технические описания на данные устройства.

Скорость последовательной передачи данных оценивается в битах полезной информации в секунду. Устройства, работающие по стандартам RS-232  рассчитаны на максимальную скорость передачи данных 115 200 бит/с. Обычно передача данных осуществляется на нескольких дискретных скоростях: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600,19 200, 38 400, 57 600 бит/с.

Последовательный интерфейс позволяет сократить количество сигнальных линий и увеличить дальность связей. В ряде последовательных интерфейсов предусматривается гальваническая развязка внешних цепей.

Последовательная передача может осуществляться в синхронном или асинхронном режиме.

При асинхронной передаче каждому байту соответствует старт бит, сигнализирующий приемник о начале посылки, за которым следуют биты данных и, возможно, бит - четности (паритет – бит). Завершает посылку стоп – бит.

 

 

                 Старт – бит                               Стоп – бит   

Лог 0                                        паритет-бит

 

           Пауза                                                                                                                                                                                                                                                

                                                                                              Следующие посылки

Лог 1

 

Внутренние

Стробы

 

Рисунок 2.1 - Асинхронная передача

 

 

Старт – бит следующего байта посылается в любой момент после стоп – бита т.е. между посылками возможна пауза любой длительности.

Старт – бит, имеющий всегда строго определенное значение (лог 0) обеспечивает простой механизм синхронизации приемника по сигналу от передатчика. Приемник и передатчик должны работать на одной частоте обмена т.е. генераторы внутренних стробов синхронизированы (согласованны) по частоте не хуже, чем на 2,5%.

Внутренний генератор синхронизации приемника использует счетчик – делитель опорной частоты, обнуляемый в момент прихода старт – бита. Этот счетчик и генерирует строб – импульсы. В идеальном случае стробы располагаются в середине битовых интервалов, что позволяет принимать данные при незначительном рассогласовании скоростей передатчика и приемника, так, например, при передаче 8 бит данных одного контрольного и одного стоп – бита предельно допустимое рассогласование, при котором данные будут распознаны верно, не должно превышать 5%.

Формат асинхронной передачи позволяет выявить следующие возможные ошибки передачи:

- Если применяется контроль четности, то после каждой посылки данных передается контрольный бит. Этот бит дополняет количество передаваемых единичных бит до четного или нечетного в зависимости от принятого соглашения. Прием байта с неверным значением контрольного бита считается ошибочным.

- Если во время, отведенное под стоп – бит, обнаружен уровень логический 0, также фиксируется ошибка.

- Если после перепада, сигнализирующего о начале посылки, по стробу старт - бита зафиксирован уровень логической 1, старт – бит считается ложным, и приемник переходит в состояние ожидания.

- Контроль формата позволяет обнаруживать обрыв линии, при этом принимается логический 0, который сначала трактуется как старт – бит и нулевые биты данных.

Количество бит данных в основном 7 – 8 (реже 5 - 6). Количество стоп – бит 1 - 2.

Несмотря на то, что интерфейс RS-232C позволяет организовать более помехоустойчивую связь и накладывает менее жесткие ограничения на длину линий связи (до 1,5 км), чем Centronics, его применение в промышленных АСУ ТП также ограничено, ввиду плохой помехоустойчивости.

Его используют в том случае, если  длина линии не более 1 км, вблизи линии нет источников электромагнитных помех и требуемая скорость передачи данных не более 115 200 бит/с.

 

 

2.2 Промышленный интерфейс RS-485

 

 

В ходе изложения основных требований стандарта RS-485 использованы следующие термины:

Линия связи - физическая среда, предназначенная для переноса информации между единицами оборудования, принимающими участие в информационном обмене, включая данные, сигналы управления и синхронизации.

Канал передачи данных - совокупность физической среды и технических средств, включая аппаратуру преобразования сигналов, вовлекаемых в процесс передачи информации между оборудованием системы связи.

Формирователь - это:

а) электронная цепь или контакт реле (источник) на передающей стороне линии связи, посредством которых осуществляется передача двоичных цифровых сигналов в оконечную нагрузку по соединительному кабелю,

б) передатчик двоичных цифровых сигналов.

Оконечная нагрузка – это:

а) электронная цепь (потребитель) на приемной стороне цепи обмена, посредством которой осуществляется прием двоичных цифровых сигналов от формирователя по соединительному кабелю;

б) приемник двоичных цифровых сигналов.

 

2.2.1 Стандарт устанавливает требования к электрическим параметрам формирователей и приемников, которые могут применяться для обмена двоичными сигналами в многоточечных системах и комплексах цифровой аппаратуры. Приемники и формирователи, соответствующие требованиям данного стандарта, могут быть объединены в систему связи посредством подключения к общему кабелю.

Система связи включает в себя один или более формирователей, соединенных кабелем с одним или более приемников и нагрузочных резисторов. Электрические характеристики системы определяются допустимыми значениями напряжения, тока и сопротивления, полученными при проведении измерений в точках подключения приемников и формирователей. Данный стандарт не определяет другие характеристики системы связи, такие как качество сигнала; методы доступа к линии связи; протокол обмена; тип, назначение и нумерацию контактов соединителей интерфейса и т. д., необходимые для правильного функционирования оборудования, вовлекаемого в информационный обмен. Предполагается, что стандарты и спецификации, устанавливающие перечисленные выше дополнительные требования к системе связи, будут содержать ссылки на настоящий стандарт в части требований к электрическим параметрам приемников и формирователей.

2.2.2 Структурная схема системы связи, в состав которой входят приемники и формирователи, соответствующие требованиям настоящего стандарта, приведена на рисунке 2.2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.2 - Структурная схема системы связи

 

G — формирователь;

R — приемник;

G/R. — сочетание приемник/формирователь;

L — длина цепей ответвления. Указания настоящего стандарта вырабатывались, исходя из предположения, что длина цепей ответвления равна нулю;

Rc — согласующий резистор. Сопротивление и точки присоединения согласующих резисторов не устанавливаются настоящим-стандартом. Формирователь способен функционировать на 32 единицы нагрузки и 2 согласующих резистора сопротивлением 120 Ом.

Элементами системы являются формирователи, приемники, соединительный кабель и согласующие резисторы (Rc). Нагрузкой является формирователь в пассивном состоянии (G), приемник (R) либо их параллельное соединение Электрические параметры RS-485 выбраны таким образом, чтобы обеспечивалась возможность функционирования формирователя на эквивалентную нагрузку, соответствующую 32 единицам нагрузки и общему значению сопротивления согласующих резисторов, равному не менее 60 Ом.

Измерение устанавливаемых настоящим стандартом электрических параметров выполняется в точке, которая отведена производителем для подключения оборудования к линии связи. Точки подключение формирователей имеют обозначения А, В, С, а точки подключение приемников — А¢, В', С¢.

Выходной каскад формирователя представлен в виде симметричного источника напряжения с малым выходным сопротивлением, подключаемого к линии связи и вырабатывающего напряжение в диапазоне от 1,5 до 5,0 В.

Уровни входных/выходных сигналов приемников и формирователей при передаче данных следующие:

- Потенциал в точке А (А¢) должен быть отрицательным по отношению к точке В (В¢) для состояния  логической «1» (состояние отжатия - МАRК или ОТКЛЮЧЕН - ОFF).

- Потенциал в точке А (А¢) должен быть положительным по отношению к точке В (В¢)  для состояния логического «0» (состояние нажатия - SРАСЕ или ВКЛЮЧЕН - ОN).

- Для любого двоичного состояния значение дифференциального напряжения UАВ измеренное между выходными клеммами формирователя, не должно быть менее 1,5 В и более 6,0 В. Значения напряжения UАС и UВС, измеренные на каждой выходной клемме формирователя или приемника относительно земли, не должны быть более 6,0 В.

Протяженность линии связи по стандарту RS-485 определяется требуемой скоростью передачи данных и типом соединительного кабеля (к примеру,  при использовании кабеля с волновым сопротивлением 120 Ом, погонной емкостью 42 пФ/м и требуемой скоростью передачи данных 38 400 бит/с максимальная длина линии составит 1150 м). Однако, без применения повторителей сигнала максимальная протяженность линии составляет 1,5 км.