Учебное пособие по интерфейсам систем промышленной автоматизации, страница 16

Объект каждого уровня может взаимодействовать только с объектамисвоего уровня или с соседями.Набор правил, определяющих начало, проведение и окончание процесса связи между одноранговыми объектами называется протоколом. Сообщения, которыми обмениваются одноранговые объекты, содержат либо пользовательскиеданные, либо являются протокольными (управляющими) сообщениями.

Передпередачей на следующий, нижележащий, уровень к сообщению добавляетсяуправляющая информация − заголовок уровня − в соответствии с протоколом,принятом на данном уровне. Результат напоминает матрёшек, которые вкладываются друг в друга (рис. 3.4). Самая маленькая матрёшка соответствует исходномусообщению, т.е. прикладным данным, самая большая − тому, что в действительности передаётся по физическому тракту. Протоколы и вызовы процедур описаныв документах модели ВОС и соответствующих стандартах с указанием конкретного синтаксиса каждой функции и её параметров.Узел 1Узел 2услугауровень nвызовпроцедурыуровень nвызовпроцедурывиртуальное соединениефизическое соединениеуслугапромежуточныеуровнивызовпроцедурыуслугауровень 13.виртуальное соединениеуслугапромежуточныеуровнивызовпроцедурыуслугауслугауровень 1Рис.

3.3. Виртуальное соединение одноранговых объектов в модели ВОС79УровеньЗаголовки (служебнаяинформация уровня)исходные данныеданные7 – прикладной#7данные#6#7данные#5#6#7данные#4#5#6#7данные#3#4#5#6#7данные6 – представления5 – сеансовый4 – транспортный3 – сетевой2 – канальный#2#3#4#5#6#7данныеCRC1 – физический#2#3#4#5#6#7данныеCRCCRC – циклический избыточный код или контрольная сумма4.Рис. 3.4. Общая схема передачи информации между уровнямиБольшинство промышленных сетей поддерживают 1-ый, 2-ой и 7-ой уровнимодели ВОС: физический уровень, уровень передачи данных и уровень приложений. Все другие уровни, как правило, избыточны.3.5. УРОВЕНЬ ПРИЛОЖЕНИЙ В ПРОМЫШЛЕННЫХ СЕТЯХУровень приложений обычно реализуется процедурами и функциями, доступными программисту при разработке программы ПЛК.

Это в первую очередьфункции приёма и передачи данных, а также специальные функции диагностики,как самой сети, так и подключаемых к ней устройств. Вообще же функциональность уровня приложений промышленных сетей довольно часто зависит от функциональности объединяемых сетью устройств. При узкой специализации промышленной сети набор команд может учитывать смысловую нагрузку передаваемых данных.Например, возможен вариант, когда каждый узел сети рассматривается какнабор доступных для чтения и записи адресуемых ячеек памяти (регистров).В этом случае обмен информацией выполняется примерно такими командами:«узлу номер N записать в регистр с номером A значение X», «считать значение изрегистра с номером A узла номер N». Такой подход можно считать достаточноуниверсальным.

Он применяется в семействе протоколов Modbus.Возможно также использование менее универсальных команд, команд учитывающих специфику работы адресуемого узла, например, «считать из узла с номером N значение главной измеряемой величины», «записать в узел N новое значение уставки регулируемой величины».

Такие протоколы могут быть универ80сальными для определённого класса устройств (например, HART-протокол), а могут быть ориентированы только на конкретные устройства отдельного взятогопроизводителя. В этом случае, производитель фактически разрабатывает свойсобственный протокол обмена.3.6. ПРОТОКОЛЫ КАНАЛЬНОГО УРОВНЯПостроение сети начинается с организации физического тракта передачиданных. Однако, создание работоспособного физического тракта передачи – этопервый шаг в построении надёжной коммуникационной системы. Второй шаг –гарантировать доставку данных без искажений. Помимо этого при подключенииболее чем одного передатчика к одному и тому же физическому тракту долженбыть упорядочен их доступ к общему каналу.

Все эти задачи рассматриваются наканальном уровне модели ВОС.Физический уровень не обеспечивает защиту данных от помех и восстановление повреждённых данных. Контроль правильности полученных данных осуществляется на уровнях выше физического и, в первую очередь, на канальном.Для этого применяются специальные протоколы и дополнительная информация впакетах данных.Канальный уровень обычно делиться на два подуровня: MAC (Media AccessControl – управление доступом к среде) и LLC (Logical Link Control – управлениелогическим звеном данных). Подуровень MAC отвечает за организацию доступанескольких передатчиков к одному физическому тракту передачи. ПодуровеньLLC обеспечивает установку и поддержку соединения для передачи кадров данных от одного устройства к другому.Последовательная передача данныхПервым этапом появления промышленных сетей можно считать момент, когда для передачи измерительной информации от датчиков к УВМ стали использоваться цифровые каналы связи.

Набор правил, описывающих взаимодействиедвух электронных устройств, вычислительных систем или программ называетсяинтерфейсом (interface). Интерфейс описывает элементы соединения и вспомогательные схемы управления, используемые для соединения устройств [16].Для интерфейса, соединяющего (физически или логически) два устройства,различают три возможных режима обмена: дуплексный, полудуплексный и симплексный.

Дуплексный режим позволяет по одному каналу связи одновременнопередавать информацию в обоих направлениях. Он может быть асимметричным,если пропускная способность в направлениях «туда» и «обратно» имеет существенно различающиеся значения, или симметричным. Полудуплексный режим по81зволяет передавать информацию «туда» и «обратно» поочередно, при этом интерфейс имеет средства переключения направления канала. Симплексный (односторонний) режим предусматривает только одно направление передачи информации (во встречном направлении передаются только вспомогательные сигналы интерфейса).По способу передачи информации интерфейсы подразделяются на параллельные и последовательные. В параллельном интерфейсе все биты передаваемогослова (обычно байта) выставляются и передаются по соответствующим параллельно идущим проводам одновременно.

Последовательный интерфейс для передачи данных использует одну сигнальную линию, по которой информационныебиты передаются друг за другом последовательно, отсюда и название интерфейса.При рассмотрении интерфейсов важным параметром является пропускнаяспособность. Технический прогресс приводит к неуклонному росту объёмов передаваемой информации. Вполне очевидно, что при одинаковом быстродействииприёмопередающих цепей и пропускной способности соединительных линий поскорости передачи параллельный интерфейс должен превосходить последовательный. Однако повышение производительности за счёт увеличения тактовойчастоты передачи данных упирается в волновые свойства соединительных кабелей.

В случае параллельного интерфейса начинают сказываться задержки сигналов при их прохождении по линиям кабеля, и, что самое неприятное, задержки вразных линиях интерфейса могут быть различными вследствие неидентичностипроводов и контактов разъёмов.

Для надёжной передачи данных временные диаграммы обмена строятся с учетом возможного разброса времени прохождениясигналов, что является одним из факторов, сдерживающих рост пропускной способности параллельных интерфейсов. В последовательных интерфейсах, конечноже, есть свои проблемы повышения производительности, но, поскольку в них используется меньшее число линий (в пределе – одна), то повышение пропускнойспособности линий связи обходится дешевле.Другим немаловажным параметром интерфейса является допустимое удаление соединяемых устройств.

Оно ограничивается как частотными свойствами кабелей, так и помехозащищённостью интерфейсов. Часть помех возникает от соседних линий интерфейса – это перекрёстные помехи, защитой от которых можетбыть применение витых пар проводов для каждой линии. Другая часть помех вызывается искажением уровней сигналов.Последовательная передача позволяет сократить количество сигнальных линий и увеличить дальность связи, что является определяющим фактором для применения последовательных интерфейсов на физическом уровне промышленныхсетей.82Кодирование битСуществуют два основных способа передачи битовой последовательности пофизическому каналу [1]:• посылка бит в линию в непосредственном или закодированном виде присохранении цифрового характера данных;• модуляция несущей по амплитуде/частоте/фазе и передача модулированного сигнала.Передача данных непосредственным способомНепосредственный способ передачи цифровых данных является наиболеепростым.