Асинхронная и синхронная связь в АСУ ТП. Виды интерфейсов. Количество информации

Интерфейс передачи данных – интерфейс обеспечивающий передачу двоичных данных. В зависимости от способа передачи данных различают последовательный и параллельный интерфейсы. Параллельный интерфейс – это интерфейс, обеспечивающий одновременную передачу двоичных данных по нескольким линиям. Последовательный интерфейс – интерфейс обеспечивающий передачу последовательности битов по единственной линии.

При обмене данными по каналам связи используются три метода передачи данных:

1) Симплексная (однонаправленная) — TV, радио;

2) Полудуплексная передача — (приём и передача данных осуществляются поочерёдно);

3) Дуплексная (двунаправленная) – каждая станция одновременно передаёт и принимает данные.

Здесь различают 2 режима:- асинхронный – это основной тип интерфейса с помощью которого осуществляется взаимодействие между компьютерами. (каждому биту предшествует старт-бит, а затем идут биты данных, бит контроля четности, стоп-бит);- синхронный (посылка начинается с синхробайта, при этом необходимо внешняя синхронизация передатчика и приемника; применяется самосинхронизирующее» кодирование типа манчестерского кода)

При асинхронной передаче каждый символ передаётся отдельной посылкой. Стартовые биты предупреждают о начале передачи. Затем передаётся символ. Для определения достоверности передачи используется бит чётности (бит чётности равен 1, если количество единиц в символе нечётно, и равен 0 в противном случае). Последний бит сигнализирует об окончании передачи.

Преимущества:

1) Несложная отработанная система;

2) Недорогое интерфейсное оборудование.

Недостатки:

1) Третья часть пропускной способности теряется на передачу служебных битов;

2) Невысокая скорость передачи данных по сравнению с синхронной;

3) При множественной ошибке с помощью бита чётности невозможно определить достоверность полученной информации.

Асинхронная передача используется в системах, где обмен данными происходит время от времени, и не требуется высокая скорость передачи данных.

При использовании синхронного метода данные передаются блоками. Для синхронизации работы приёмника и передатчика в начале блока передаются биты синхронизации. Затем передаются данные, код обнаружения ошибки и символ окончания передачи. Код обнаружения ошибки вычисляется по содержимому поля данных и позволяет однозначно определить достоверность принятой информации.

Преимущества:

1) Высокая эффективность передачи данных;

2) Высокая скорость передачи данных;

3) Надёжный встроенный механизм обнаружения ошибок.

Недостатки:

1) Интерфейсное оборудование более сложное и дорогое.

На физическом уровне последовательный интерфейс имеет различные реализации, отличающиеся способом передачи электрических сигналов.

- симметричные линии RS 485; RS 422A;

- несимметричные линии RS 232: RS432A; RS232C

RS-232 (RecommendedStandard 232) - стандарт описывающий интерфейс для последовательной двунаправленной передачи данных между терминалом (DTE, DataTerminalEquipment) и конечным устройством (DCE,DataCircuit-TerminatingEquipment ).

RS-232 — проводной дуплексный интерфейс. Метод передачи данных аналогичен асинхронному последовательному интерфейсу.

Информация передается по проводам двоичным сигналом с двумя уровнями напряжения. Логическому «0» соответствует положительное напряжение (от +5 до +15 В для передатчика), а логической «1» — отрицательное (от −5 до −15 В для передатчика).

RS-485 (англ. Recommended Standard 485), EIA-485 (англ. Electronic Industries Alliance-485) — стандартфизического уровня для асинхронного интерфейса. Регламентирует электрические параметрыполудуплексной многоточечной дифференциальной линии связи типа «общая шина». передача данных идёт по двум линиям, A и B.

· Логическая единица: (A-B) > +200 мВ.

· Логический ноль: (A-B) < −200 мВ.

Требования, предъявляемые к входному каскаду: — входной каскад представляет собой дифференциальный вход с высоким входным сопротивлением и пороговой характеристикой от −200 мВ до +200 мВ:

· допустимый диапазон входных напряжений Uag (Ubg) относительно земли (GND) от −7 В до +12 В;

· входной сигнал представлен дифференциальным напряжением (Ui +0,2 В и более);

· уровни состояния приёмника входного каскада — см. состояния передатчика выходного каскада.

Интерфейс RS-232.

Интерфейс RS-232 полностью аппаратно реализован на персональных компьютерах в виде микросхем и разъемов. В PC его называют COM-портом.Аппаратная реализация означает то, что он работает всегда, не зависимо, какая операционная система установлена на PC (он работает и без ОС). Программы могут взаимодействовать с СОМ-портами всеми доступными средствами: прямым кодом микропроцессора, аппаратными прерываниями, функциями BIOS, средствами ОС, компонентами языков высокого уровня. СОМ порт реализованный по стандарту RS-232- универсален. Он обеспечивал работу PC с периферийными устройствами (чем сейчас занят USB), взаимодействие с локальной сетью через модем (Ethernet), обмен данными между PC и промышленным оборудованием ( ModBus и др.), чтобы разбираться как работают эти протоколы необходимо понимать какую функцию СОМ порта они взяли на себя.

9-контактная вилка типа DB-9M Нумерация контактов со стороны штырьков Направление сигналов указано относительно хоста (компьютера)

Контакт	Сигнал	Направление	Описание
	CD	Вход	Обнаружена несущая
	RXD	Вход	Принимаемые данные
	ТXD	Выход	Передаваемые данные
	DTR	Выход	Хост готов
	GND	–	Общий провод
	DSR	Вход	Устройство готово
	RTS	Выход	Хост готов к передаче
	CTS	Вход	Устройство готово к приему
	RI	Вход	Обнаружен вызов

Протокол обмена данными

В протоколе RS-232 существуют два метода управления обменом данных: аппаратный и программный, а также два режима передачи: синхронный и асинхронный. Протокол позволяет использовать любой из методов управления совместно с любым режимом передачи. Также допускается работа без управления потоком, что подразумевает постоянную готовность хоста и устройства к приему данных, когда связь установлена (сигналы DTR и DSR установлены).

Аппаратный метод управления реализуется с помощью сигналов RTS и CTS. Для передачи данных хост (компьютер) устанавливает сигнал RTS и ждет установки устройством сигнала CTS, после чего начинает передачу данных до тех пор, пока сигнал CTS установлен. Сигнал CTS проверяется хостом непосредственно перед началом передачи очередного байта, поэтому байт, который уже начал передаваться, будет передан полностью независимо от значения CTS. В полудуплексном режиме обмена данными (устройство и хост передают данные по очереди, в полнодуплексном режиме они могут делать это одновременно) снятие сигнала RTS хостом означает его переход в режим приема.

Программный метод управления заключается в передаче принимающей стороной специальных символов остановки (символ с кодом 0x13, называемый XOFF) и возобновления (символ с кодом 0x11, называемый XON) передачи. При получении данных символов передающая сторона должна соответственно остановить передачу или возобновить ее (при наличии данных, ожидающих передачи). Этот метод проще с точки зрения реализации аппаратуры, однако обеспечивает более медленную реакцию и соответственно требует заблаговременного извещения передатчика при уменьшении свободного места в приемном буфере до определенного предела.

Синхронный режим передачи подразумевает непрерывный обмен данными, когда биты следуют один за другим без дополнительных пауз с заданной скоростью. Этот режим COM-портом не поддерживается.

Асинхронный режим передачи состоит в том, что каждый байт данных (и бит контроля четности, в случае его наличия) "оборачивается" синхронизирующей последовательностью из одного нулевого старт-бита и одного или нескольких единичных стоп-битов.

14. Принципы построения современных АСУ ТП. Механизму OLE и ОРС. Сетевая модель OSI/

OLE(ObjectLinking) – встраивание и связывание объекта.Механизм OLE реализован операционной системой XP. Например перенос таблиц из Excel в Word. Данные разделенные между приложениями называются OLEобъектами. Приложение которое содержит OLEобъект называется OLE Контейнером. Приложение из которых данные можно включать в OLEконтейнер в виде OLEобъекта называется OLEсервером.

Механизм OLE может: Присоединять объект к контейнеру, внедрять его в контейнер.

В 1 случае данные могут изменяться любым приложение, которое будет иметь доступ к ним. Во втором случае данные меняются только OLE контейнером

Существуют 2 версии OLE:

OLE1: (использован механизм DDEдля коммуникации и позволяло активизировать встроенный объект в приложение и получать составной объект. OLE 1 обладает всеми недостатками DDE (общаться с составным объектом сложно так как нужно знать по отдельности каждый объект.) Этот недостаток был исправлен в ОЛЕ2

OLE2: использует механизм, когда разные программные компоненты предоставляют друг другу сервисы в независимости от своей внутренней структуры. Здесь важны интерфейсы подпрограмм, а не сами подпрограммы. ОLЕ2 использует модель COM(исполняемые файлы с расширением dll и exe)

COMразделы зарегистрированы в реестре HKEY_CLASSES_ROOT/CLSIDOPCТехнология OPC была разработана для унификации механизмов взаимодействия программного обеспечения систем управления с аппаратурой этих систем. Международная организация OPCFoundations разрабатывает и поддерживает открытые промышленные стандарты. Регламентирующие методы обмена данными в реальном времени.OPC DA1 (Data Access) был сначалаOPCDA2 – действует сейчасТак же существуют OPCHistoryDataAccess исторический серверРассмотрим OPC DA 2:

Датчик OPC Сервер

Контроллер

SCADA

Чтобы организовать эту связь датчик подключается к компу. Открывается окошко ОПС нужно выбрать настройки необходимые OPC и тоже самое проделать на клиенте. Т.о. связь налажена.При настройки ОПС идет описание переменной. Каждая переменная имеет свойства, которые могут быть обязательными, рекомендуемыми или пользовательскими.Существуют 3 основных способа получения данных OPC клиентами от ОПС сервера:

-- синхронное чтение -- асинхронное чтение -- подписка

1) При синхронном чтение клиент посылает серверу запрос со списком переменных и ждет ответ.При асинхронном чтение клиент посылает запрос и продолжает работать дальше. Когда сервер выполнит запрос, клиент получит уведомление через интерфейс COM объекта, реализованного в клиенте.

2) В случае подписки клиент передает серверу список, переменных и сервер выдает из этого списка те переменные которые изменили свое значение. Эти списки называются группами. И каждый клиент одновременно поддерживает много групп.

Основной единицей данных в OPC является Item.Программист может подключаться к ОПС, читать и записывать данные, запрашивать отчет об исключительных ситуациях, просматривать поля данных.Установка/разрыв связи с ОПС сервером осуществляется специальной командой ConnectКоманда GetOPCServer выдает список всех ОПС серверов.

Сетевая модель OSIСетевая модель OSI(базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем) – абстрактная сетевая модель для коммуникаций и разработки сетевых протоколов. Представляет уровневый подход к компьютерной сети. Благодаря такой структуре совместная работа сетевого оборудования и ПО становится гораздо проще и прозрачнее. Применительно к Ethernet: Macуровень передатчика укладывает данные полученные с LLC в кадры пригодные для передачи, затем, дождавшись освобождение канала, передает кадры на физический уровень, и следит за результатом. Если кадр передан успешно, он об этом сообщит LLC подуровню. При обнаружение коллизий происходит повторная передача.

1) Физический уровень- уровень который обеспечивает физическую связь двух компьютеров. Производит физическое кодирование сигналов в последовательность бит, определяет тип кабелей. В основном витая пара. На этом уровне работают концентраторы, повторители сигнала и медиа конверторы.

2) Канальный уровень – обеспечивает формирование фреймов, передаваемых через физический уровень, контроль ошибок управления потоком данных. Предназначен для того, чтобы скрыть от вышестоящих уровней подробности технической реализации сети. На этом уровне работают коммутаторы, мосты. Канальный уровень разделен на 2 подуровня:

3) LCC (LogicalLinkControl) управление логической связью интерфейса сетевого уровня

4) MAC (MediaAccessControl) подуровень доступа к физической реализации сети.

5) Сетевой уровень – обеспечивает выбор маршрута между двумя конечными пользователями, маршрутизацию между отдельными пользователями, сетями, подсетями. На этом уровне работает маршрутизатор.

6) Транспортный – делит потоки информации на малые фрагменты для передачи их на сетевой уровень. Ему соответствует протокол TCP

7) Сеансовый- отвечает за организацию сеансов обмена между конечными пользователями. Протокол является составной частью протокола 3х верхних уровней.

8) Уровень представлений - отвечает за то чтобы информация, посылаемая с 7 уровня была понятна прикладному уровню другой системы. На этом уровне производится трансформация форматов. Обеспечивает преобразование данных 7 уровня в поток информации, понятный для сеансового и транспортного уровня.

9) Прикладной – наиболее близкий к пользователю уровень. Это интерфейс между компьютерной сетью и пользователем. Это прикладные программы. К нему относится также протоколы, которые обеспечивают крупномасштабные переносы информации (FTP)

Информация передается тоько через физический уровень; с уровня на уровень не передается, на каждом уровне добавляется заголовок, который отвечает за то чтобы пользователь нашел информацию.

HART-протокол.

HART-протокол (англ. Highway Addressable Remote Transducer Protocol) — цифровой промышленный протокол передачи данных, попытка внедрить информационные технологии на уровень полевых устройств. Модулированный цифровой сигнал , позволяющий получить информацию о состоянии датчика или осуществить его настройку, накладывается на токовую несущую аналоговой токовой петли уровня "1—20 мА. Таким образом, питание датчика, снятие его первичных показаний и вторичной информации осуществляется по двум проводам. HART-протокол - это практически стандарт для современных промышленных датчиков. Приём сигнала о параметре и настройка датчика осуществляется с помощью HART-модема или HART-коммуникатора. К одной паре проводов может быть подключено несколько датчиков. По этим же проводам может передаваться сигнал -1—20 мА.

HART протокол использует принцип частотной модуляции для обмена данными на скорости 1200 бод. Для передачи логической «1» HART использует один полный период частоты 1200 Гц, а для передачи логического «0» - два неполных периода 2200 Гц. HART составляющая накладывается на токовую петлю -1—20 мА. Поскольку среднее значение синусоиды за период равно "О", то HART сигнал никак не влияет на аналоговый сигнал 4—20 мА. HART протокол построен по принципу «Ведущий — Ведомый», то есть полевое устройство отвечает по запросу системы. Протокол допускает наличие двух управляющих устройств (управляющая система и коммуникатор). Существует два режима работы датчиков, поддерживающих обмен данными по HART протоколу.

Режим передачи цифровой информации одновременно с аналоговым сигналом. Обычно в этом режиме датчик работает в аналоговых АСУ ТП, а обмен по HART-протоколу осуществляется посредством HART-коммуникатора или компьютера. При этом можно удаленно (расстояние до 3000 м) осуществлять полную настройку и конфигурирование датчика. Оператору нет необходимости обходить все датчики на предприятии, он может их настроить непосредственно со своего рабочего места.

В многоточечном режиме — датчик передает и получает информацию только в цифровом виде. Аналоговый выход автоматически фиксируется на минимальном значении (только питание устройства — 4 мА) и не содержит информации об измеряемой величине. Информация о переменных процесса считывается по HART-протоколу. К одной паре проводов может быть подключено до 15 датчиков. Их количество определяется длиной и качеством линии, а также мощностью блока питания датчиков. Все датчики в многоточечном режиме имеют свой уникальный адрес от 1 до 15, и обращение к каждому идет по соответствующему адресу. Коммуникатор или система управления определяет все датчики, подключенные к линии, и может работать с любым из них.

HART- протокол может использоваться в 2х режимах работы:

1) Стандартный вариант – соединение «точка-точка» т.е. непосредственное соединение прибора автоматики (датчика) и не более 2х ведущих устройств. В качестве первичного ведущего устройства используется ПЛК (программно логический контроллер) В качестве вторичного применяется ПК с HART- модемом.

2) Многоточечный режим – 15 ведомых устройств могут соединяться параллельно с теми же двумя ведущими устройствами.

Структура HART сети:

ПЛК

HART

П1

П 15

HART

Расстояние HART сети 1.5 тыс.м. – 3 тыс.м.

HART протокол реализует 1,2,7 уровень модели OSI. Для понимания HART команд к уровню 7 добавляется DDL (Device Description Language) это программа в двоичной форме дает HART образ устройства.

1 уровень – физический основан на протоколе Bell202

2 уровень – канальный – HART команды

В HART сети может быть 2 мастера: АРМ оператора (комп)и HART коммуникатор

7 уровень – реализуется дополнительная настройка DDL. Они позволяют общаться по HART сети мастеру со своими клиентами. DDL подгружают на пакеты, которые установлены на АРМ оператора. Это пакеты:

AMS (фирма Emerson) – устанавливается дополнительно к SCADA, обслуживает HART сеть.

Simatic PDM (Siemens) – имеет библиотеку DDL, видит устройство и понимает его.

Существует 3 вида HART команд:

- универсальные (поддерживаются всеми приборами и решают общие задачи, функции read, write и другие);- стандартные (как записать, так и считывание входных и выходных параметров. Например установить фиксированное значение входного тока)

- специфические ( для каждой конкретной модификации полевого оборудования. Например, считывание интенсивности ультразвука).

На втором уровне (канальном) реализуются пакеты, которые на физическом уровне передаются в поле.

Передача данных происходит асинхронно в полудуплексном режиме (т.е. передача в обоих направлениях, но с разрешением по времени).

Сообщения передаются побайтно.

Стандартные сообщение HART:

1. Запрос ведущего (мастера) |PA|SD|AD|CD|BC|DT|CHK|

2. Ответ ведомого |PA|SD|AD|CD|BC|ST|DT|CHK|

PA- преамубла; SD- признак старта; AD- адрес HART терминала; CD- HART команда; BC- длина поля статуса и данных; ST- статус полевого устройства; DT- поле данных от 0 до 25 байт; CHK- контрольная сумма