Полевые шины

Интерфейсы

• сравнительные характеристики стандартных интерфейсов;
• интерфейс RS232C;
• интерфейс RS422;
• интерфейс RS485.

Интеллектуальные датчики
HART-протокол
MODBUS
PROFIBUS
FIELDBUS FOUNDATION

Интерфейсы

Сравнительные характеристики стандартных физических интерфейсов

Интерфейс RS232C

Этот широко используемый стандартный интерфейс обеспечивает работу стандартного оборудования передачи данных между модемами, терминалами и компьютерами. Многие вторичные приборы также имеют встроенный интерфейс RS232.
Электрически интерфейс основан на передаче импульсов ±12 В, кодирующих последовательности «0» и «1».
Основные сигналы передаются по двум линиям «передача/прием» данных. Остальные сигнальные линии передают статусную информацию коммутируемых устройств.
Максимальная длина линии связи составляет 15 м, причем на концах линии может быть подключено только по одному устройству. По этим причинам интерфейс RS232 не используется для организации полевых шин.

Интерфейс RS422

Симметричный интерфейс RS422 использует дифференциальные сигнальные линии отдельно для приема и передачи данных. На приемном конце используются две информационные линии и линия заземления. В основе кодирования передаваемых/принимаемых данных лежит принцип изменения напряжения на сигнальных линиях. Реализованный принцип кодирования делает этот стандарт устойчивым к внешним помехам.
Использование этого стандарта позволяет значительно удлинять физические линии передачи данных и увеличивать скорость.
С помощью интерфейса RS422 можно строить и шинные структуры.

Интерфейс RS485

Этот тип интерфейса соответствует спецификации симметричной передачи данных, описанной в американском стандарте IEA RS485. Физический принцип передачи схож с интерфейсом RS422, но чаще всего используется только одна дифференциальная сигнальная линия с поочередной передачей/приемом (полудуплекс).
Этот интерфейс пригоден для высокоскоростной передачи данных.

Интеллектуальные датчики

Протокол HART Field Communications широко известен как промышленный стандарт для усовершенствования токовой петли 4…20 мА до цифровой коммуникации.
Эта технология быстро распространяется, и в настоящее время все крупнейшие производители средств автоматизации поддерживают работу по данному протоколу. HART обеспечивает совместимость между аналоговым и цифровым сигналами, которые могут одновременно передаваться по одному и тому же проводу без взаимного влияния.
Для передачи цифровой информации HART-протокол использует принцип частотной модуляции: логической «1» соответствует один полный период синусоиды 1200 Гц, логическому «0» — два периода синусоиды 2200 Гц. Цифровой и аналоговый сигналы передаются по одной паре проводов путем простого наложения HART на токовую петлю. HART-составляющая имеет небольшую амплитуду (± 0,5 мА) и не влияет на аналоговый измерительный сигнал, поскольку среднее значение синусоиды равно нулю. Кроме того, непосредственно перед использованием аналогового сигнала HART-составляющая может быть легко удалена из него при помощи простого фильтра нижних частот.

HART-протокол позволяет передавать цифровые данные со скоростью до 1200 бит/с. При такой скорости передачи обновленные данные от датчиков можно получать два раза в секунду.

Подключение «точка-точка»

Совмещенная передача цифрового и аналогового сигналов. При таком включении, как правило, основная измеряемая величина передается с использованием сигнала 4…20 мА, а HART-протокол используется для диагностики и калибровки.

Объединение в сеть (Multidrop)

Если предполагается использование только цифрового сигнала (сигнал 4…20 мА не нужен), HART-протокол допускает объединение в одну сеть до 15 приборов (до 4 во взрывоопасной зоне). В этом случае все приборы подключаются на одну линию, в которой фиксируется ток 4 мА. Этот ток уже не несет никакой информации и служит только для питания датчиков. Все данные передаются только в цифровом виде

Физический уровень

Для подключения датчиков с HART-протоколом может использоваться тот же кабель, что и для систем на основе сигнала 4…20 мА. Длина линии зависит от типа кабеля и количества подключаемых датчиков. В общем случае, при подключении типа «точка-точка» с использованием витой экранированной пары проводов, связь может быть организована на расстоянии до 3000 метров. При применении барьеров искробезопасности HART-протокол может быть использован и во взрывоопасных областях.
HART-протокол изначально разрабатывался как усовершенствование токовой петли 4…20 мА и не удовлетворяет современным требованиям к полевой шине.

BRAIN-протокол

Частная реализация протокола HART, разработанная компанией Yokogawa Electric для конфигурации полевых датчиков собственного производства (EJA, ADMAG).
На физическом уровне имеются два основных отличия:

• логическому «0» соответствует один полный период синусоиды 2400 Гц, логической «1» соответствует отсутствие наложенной частоты;
• BRAIN-составляющая имеет амплитуду ± 2,0 мА.

Modbus

Этот протокол был специально разработан для построения промышленных распределенных систем управления. Специальный физический интерфейс для него не определен. Эта возможность предоставлена самому пользователю:

• RS232C, RS422, RS485 или даже токовая петля 4…20 мА.

Протокол MODBUS работает по принципу MASTER-SLAVE, или «ведущий-ведомый». Конфигурация на основе этого протокола предполагает наличие одного MASTER-узла и до 247 SLAVE-узлов. Только MASTER инициирует циклы обмена данными. Существует два типа запросов:

• запрос/ответ (адресуется только одному из SLAVE-узлов);
• широковещательная передача (MASTER обращается ко всем узлам сети одновременно).

Протокол MODBUS описывает фиксированный формат команд, последовательность полей в команде, обработку ошибок и исключительных состояний, коды функций. Для кодирования передаваемых данных используются форматы ASCII и RTU. При использовании формата ASCII каждый символ сообщения передается как два байта в ASCII кодировке. Главное преимущество этого способа — время между передачей символов может быть до 1 с без возникновения ошибок при передаче. При передаче в формате RTU используется восьмибитовая двоичная (шестнадцатеричная) кодировка, что увеличивает конечную скорость передачи данных.

• Каждый запрос со стороны ведущего узла включает код команды (чтение, запись и т. д.), адрес абонента, размер поля данных, собственно данные и контрольный код.
• Протокол MODBUS можно назвать наиболее распространенным в мире. Для работы со своими изделиями его используют десятки фирм. Хотя ограничения этого протокола достаточно очевидны, он привлекает простотой логики и независимостью от типа интерфейса.
• MODBUS PLUS — усовершенствованный протокол, обеспечивающий более высокую скорость передачи данных и допускающий наличие в сети нескольких ведущих (MASTER) устройств.

PROFIBUS

В 1987 году группа из 13 компаний и 5 институтов разработала спецификацию открытой промышленной сети, получившей название PROFIBUS (PROcess Field BUS).
В апреле 1991 года PROFIBUS получил статус стандарта DIN19245 и был объявлен открытым решением — никто не обладает лицензионным правом на него. С помощью Profibus устройства разных производителей могут работать друг с другом без каких-либо специальных интерфейсов.
PROFIBUS разделен на три различные, но совместимые друг с другом версии:

• PROFIBUS-PA: спроектирована специально для автоматизации процессов. Она позволяет подключать датчики, исполнительные устройства и контроллеры на одну линейную шину, причем даже во взрывоопасных средах. Имеется возможность питания устройств непосредственно от линии связи.
• PROFIBUS-DP: версия оптимизирована для высокоскоростных одномастерных систем. Разработана специально для связи между автоматизированными системами управления и распределенной периферией.
• PROFIBUS-FMS: используется для широкого ранга приложений, в частности, для связи контроллеров с системами верхнего уровня. Позволяет организовать в одной сети работу нескольких активных станций.

Физически PROFIBUS — это электрическая сеть, в основе своей использующая экранированную витую пару (возможна оптическая сеть на основе оптоволоконного кабеля). Скорость передачи может варьироваться: 9,6 кбит/с…12 Мбит/с. Передающая среда в PROFIBUS, как правило, строится на основе интерфейса RS485.

FIELDBUS FOUNDATION

FIELDBUS FOUNDATION (FF) — самый молодой и быстроразвивающийся стандарт на промышленную сеть, вобравший в себя самые современные технологии построения шины управления в масштабе предприятия.
FF объединяет функции информационной магистрали верхнего уровня и управляющей сети полевого уровня, что обеспечивает широкие возможности — от передачи файлов большого объема до создания распределенных контуров управления в реальном времени.
Практически стандарт FF определяет два уровня сети:

• Нижний уровень (Н1) физически идентичен Profibus-PA и также, чаще всего, реализуется на основе интерфейса RS485. Это дает возможность использовать сеть FF во взрывоопасных зонах и запитывать устройства непосредственно от линии связи.
• Верхний уровень (HSE) основан на использовании высокоскоростной магистрали Ethernet (Hight Speed Ethernet) со скоростью обмена данными до 100 Мбит/с.

Протокол FF поддерживают как многие полевые датчики, так и вторичные приборы (например, видеографические регистраторы моделей DX/CX). Практически все ведущие производители распределенных систем управления также обеспечивают поддержку данного стандарта.