46849 (Архитектура промышленной сети BitBus), страница 9

В идеальном мире, все приемники и неактивные передатчики будут иметь бесконечный импеданс и никогда не будут нагружать систему. В реальном мире, однако, так не бывает. Каждый приемник, подключенный к сети и все неактивные передатчики увеличивают нагрузку. Чтобы помочь разработчику сети на основе RS-485 выяснить, сколько устройств могут быть добавлены к сети, была создана гипотетическая единица, называемая "единичная нагрузка (unit load)". Все устройства, которые подключаются к сети RS-485, должны характеризоваться отношением множителей или долей единичной нагрузки. Два примера - MAX3485, который специфицирован как 1 единичная нагрузка, и MAX487, который специфицирован как 1/4 единичной нагрузки. Максимальное число единичных нагрузок на витой паре (принимая, что мы имеем дело с должным образом согласованным кабелем, имеющим волновое сопротивление 120 Ом или больше) - 32. Для приведенных выше примеров это означает, что в одну сеть могут быть включены до 32 устройств MAX3485 или до 128 MAX487.

3.7 Примеры правильных сетей

Вооружившись приведенной выше информацией, мы готовы разработать некоторые сети на основе RS-485. Вот несколько простых примеров.

3.7.1 Один передатчик, один приемник

Простейшая сеть - это один передатчик и один приемник, рисунок 3.6. В этом примере, согласующий резистор показан на кабеле на стороне передатчика. Хотя здесь это необязательно, вероятно хорошей привычкой было бы проектировать сети с обоими согласующими резисторами. Это позволят перемещать передатчик в места, отличные от дальнего конца кабеля, а также позволяет, если в этом возникнет необходимость, добавить в сеть дополнительные передатчики.

Рис. 3.6. Сеть RS-485 с одним передатчиком и одним приемником.

3.7.2 Один передатчик, несколько приемников

На рисунке 3.7. представлена сеть с одним передатчиком и несколькими приемниками. Здесь важно, чтобы расстояния от витой пары до приемников были как можно короче.

Рис. 3.7. Сеть RS-485 с одним передатчиком и несколькими приемниками.

3.7.3 Два приемопередатчика

На рисунке 3.8. представлена сеть с двумя приемопередатчиками.

Рис. 3.8. Сеть RS-485 с двумя приемопередатчиками.

3.7.4 Несколько приемопередатчиков

На рисунке 3.9. представлена сеть с несколькими приемопередатчиками. Как и в примере с одним передатчиком и несколькими приемниками, важно, чтобы расстояния от витой пары до приемников были как можно короче.

Рис. 3.9. Сеть RS-485 с несколькими приемопередатчиками.

3.8 Примеры неправильных сетей

Ниже представлены примеры неправильно сконфигурированных систем. В каждом примере сравнивается форма сигнала, полученного от некорректно разработанной сети, с формой сигнала, полученного от должным образом разработанной системы. Форма сигнала измерялась дифференциально в точках A и B (A-B).

3.8.1 Несогласованная сеть

В этом примере, рисунок 3.10., на концах витой пары отсутствуют согласующие резисторы. Поскольку сигнал распространяется от источника, он сталкивается с открытой цепью на конце кабеля. Это приводит к рассогласованию импедансов, вызывая отражение. В случае открытой цепи (как показано ниже), вся энергия отражается назад к источнику, вызывая сильное искажение формы сигнала.

Рис. 3.10. Несогласованная сеть RS-485 (вверху) и ее итоговая форма сигнала (слева) по сравнению с сигналом, полученным на правильно согласованной сети (справа).

3.8.2 Неправильное расположение терминатора

На рисунке 3.11. согласующий резистор (терминатор) присутствует, но его размещение отличается от дальнего конца кабеля. Поскольку сигнал распространяется от источника, он сталкивается с двумя рассогласованиями импеданса. Первое встречается на согласующем резисторе. Даже при том, что резистор согласован с волновым сопротивлением кабеля, есть еще кабель за резистором. Этот дополнительный кабель вызывает рассогласование, а значит и отражение сигнала. Второе рассогласование, это конец несогласованного кабеля, ведет к дополнительным отражениям.

Рис. 3.11. Сеть RS-485 с неправильно размещенным согласующим резистором (верхний рисунок) и ее итоговая форма сигнала (слева) по сравнению с сигналом, полученным на правильно согласованной сети (справа).

3.8.3 Составные кабели

На рисунке 3.12. имеется целый ряд проблем с организацией межсоединений. Первая проблема заключается в том, что драйверы RS-485 разработаны для управления только одной, правильным образом согласованной, витой парой. Здесь же каждый передатчик управляет четырьмя параллельными витыми парами. Это означает, что требуемые минимальные логические уровни не могут гарантироваться. В дополнение к тяжелой нагрузке, имеется рассогласование импедансов в точке, где соединяются несколько кабелей. Рассогласование импедансов в очередной раз означает отражения и, как следствие, искажение сигнала.

Рис. 3.12. Сеть RS-485, некорректно использующая несколько витых пар.

3.8.4 Длинные ответвители

На рисунке 3.13., кабель корректно согласован и передатчик нагружен только на одну витую пару; однако сегмент провода в точке подключения (ответвитель - stub) приемника чрезмерно длинный. Длинные ответвители вызывают значительное рассогласование импедансов и, таким образом, отражение сигнала. Все ответвители должны быть как можно короче.

Рис. 3.13. Сеть RS-485 использующая 3-метровый ответвитель (рисунок сверху) и ее итоговый сигнал (слева) по сравнению с сигналом, полученным с коротким ответвлением

4. Промышленная локальная сеть для проведения ГТИ

4.1 Станция геолого-технологических исследований

Геолого-технологические исследования (ГТИ) – это совокупность методов и средств, применяемых на буровой с целью получения достоверной информации о геологии разреза скважины и с целью оптимизации режимов бурения. ГТИ выполняется для бурения разведочных, эксплуатационных, наклонно-направленных и горизонтальных скважин.

Станция ГТИ представляет собой совокупность датчиков, систем сбора данных (ССД), обработки данных (СОД) и индикаторов. Она предназначена для автоматизации ГТИ, в том числе для регистрации технологических параметров, архивирования и документирования полученных данных, определения видов работ и нештатных ситуаций. Станция ГТИ может содержать средства индикации технологических параметров (дисплеи) и оповещения (звуковые, световые). Станция может использоваться для автоматизации работ на скважине.

Задачи станции:

• непрерывный прием сигналов от датчиков и аппаратуры газового каротажа в автоматическом режиме, забойной инклинометрической системы;

• автоматическую обработку принятых сигналов, интерпретацию полученной информации и представление ее в виде диаграмм, таблиц;

• распознавание и предупреждение на ранней стадии возникновения предаварийных и аварийных ситуаций, непредвиденных осложнений, в том числе газонефтепроявлений;

• контроль бурения, а именно углубления забоя, спуско-подъемных операций (СПО) с контролем долива скважины, цементирования;

• определение в процессе бурения литологического разреза, выделения пластов коллекторов, определение пластового давления в процессе бурения и прогноз пластового давления, прогноз и определение зон АВПД;

• определение параметров газового каротажа, продуктивности пластов коллекторов;

• построение уточненного геологического разреза по данным, полученным в процессе бурения и исследования шлама и керна (ввод данных, расчеты, печать стратиграфического разреза, шламограммы, карбонатограммы, результатов люминесцентного, битуминологического и др. анализов шлама и керна, результатов газового каротажа);

• контроль и прогноз траектории скважины;

• выполнение расчетов при решении геологических, технологических задач проводки скважины;

• визуализацию всей полученной по скважине информации на экране монитора;

• накопление и хранение всей полученной информации по скважине;

• формирование и печать отчетной документации по скважине;

• передачу получаемой информации средствами радио, сотовой или проводной связи в центр сбора;

• копирование информации по скважине для ее последующей обработки в центре сбора.

• Предоставление в режиме реального времени информации о ходе бурения представителю заказчика и различным службам (количество подключаемых рабочих мест оговаривается в договоре).

• Оперативный обмен информацией между службами.

4.2 Состав и структура станции

На рис 4.1 показана структурная схема станции ГТИ. Канал связи BITBUS позволяет подключать до 255 ССД и представляет собой интерфейс, специально разработанный и оптимизированный для связи программируемых контроллеров, управляющих ЭВМ и т.п. и интеграции этих устройств в локальную управляющую сеть распределенных АСУ ТП.

Поскольку в соответствии с теорией систем, структурные системы автоматизации строятся, как правило, подобно объектам управления, а объекты в подавляющем большинстве имеют иерархическую структуру, в основу сети BITBUS также положен иерархический принцип.

Рис 4.1. структурная схема станции ГТИ.

1 - промышленный компьютер, ведущий узел сети BITBUS; 2 - адаптер сети BITBUS для компьютера BB_ISA; 3 - ретранслятор сети BITBUS (для больших расстояний); 4 - интеллектуальное УСО с интерфейсом BITBUS; 5 - программируемый контроллер моноблочный, с интерфейсом BITBUS; 6 - программируемый контроллер магистрально-модульный, с интерфейсом BITBUS; 7 - шлюз; 8 - программируемый контроллер магистрально-модульный, с произвольным интерфейсом; 9 - интеллектуальные датчики. 10 - интеллектуальные датчики (хроматограф)

Центральным элементом сети BITBUS является ведущее устройство, функции которого, как правило, возлагаются на промышленный компьютер (1). Этот компьютер обычно выполняет несколько функций:

• инструментальное средство для программирования контроллеров;

• графическая операторская станция;

• элемент локальной сети (LAN) верхнего уровня АСУ ТП.

На практике в качестве этого элемента системы часто применяют IBM-совместимые персональные компьютеры. Интерфейс с локальной сетью BITBUS осуществляет адаптер сети BB_ISA (2), установленный в PCI слот компьютера. Как правило, применяются адаптеры, обеспечивающие гальваническую изоляцию компьютера от сети BITBUS.

Протокол BITBUS определяет два режима передачи данных по шине:

1. Синхронный режим, этот режим используется при необходимости работы на большой скорости, но на ограниченных расстояниях. В этом случае топология сети может включать до 28 узлов, а длина шины ограничиваться 30 м. Скорость может быть от 500 до 2400 кбод. Синхронный режим передачи предполагает использование двух дифференциальных сигнальных пар: одной для данных, другой для синхронизации.

2. Режим с самосинхронизацией, использование этого режима позволяет значительно удлинить шину. Стандартом определены три скорости передачи: 1500 Мбод, 375 кбод (до 300 м) и 62,5 кбод (до 1200 м). Используя шинные репитеры, можно объединять последовательно несколько шинных сегментов (до 28 узлов на сегмент). Тогда общее число узлов можно довести до 250, длину общей шины — до нескольких километров. При этом режиме передачи используются две дифференциальные пары: одна для данных и одна для управления репитером.

На физическом уровне реализации BITBUS соответствуют спецификациям RS-485. RS-485 получил за последние годы наиболее широкое распространение в локальных сетях нижнего уровня, подтверждая правильность выбора разработчиков BITBUS. Физической средой в сети обычно является экранированная витая пара. В качестве альтернативной среды иногда применяют оптоволокно.