Энциклопедия АСУ ТП Спонсор проекта: Skip Navigation LinksЭнциклопедия АСУ ТП : 2 Промышленные сети и интерфейсы : 2.12 Сетевое оборудование Соспонсор:




Робот BotEyes




Промышленные контроллеры RealLab!

2.12. Сетевое оборудование

При проектировании распределенных АСУ ТП с применением промышленных сетей могут возникать следующие проблемы:

  • требуемая длина отводов от общей шины (например, для сетей на основе интерфейса RS-485) превышает допустимую;
  • предельно допустимая длина линии связи меньше необходимой;
  • необходимое количество подключенных к сети устройств превышает допустимое по спецификации на используемое оборудование;
  • к сети необходимо подключить устройство, не имеющее соответствующего порта (например, вольтметр с портом RS-232 к сети на основе интерфейса RS-485 или Ethernet;
  • необходимо объединить несколько различных сетей с различными протоколами в единую сеть (например, когда требуется объединить Ethernet c CAN и Modbus RTU);
  • не удается ослабить влияние помех до допустимого уровня, используя медный кабель;
  • фрагмент сети установлен на подвижном объекте.

Эти и аналогичные проблемы решаются с помощью вспомогательных сетевых устройств: повторителей и преобразователей интерфейса, концентраторов, коммутаторов, мостов, маршрутизаторов, шлюзов.

2.12.1. Повторители интерфейса

Электрический сигнал, проходя по линии передачи, ослабляется вследствие потерь на омическом сопротивлении кабеля и изменяет свою форму по причине неоднородности линии и неточного ее согласования. Поэтому существует ограничение на предельную длину кабеля, которое зависит от типа интерфейса и скорости передачи.

Повторитель (ретранслятор, репитер - Repeater) восстанавливает уровень и форму сигнала, а также позволяет согласовать ее в пределах каждого из фрагментов, ограниченных повторителями. Поэтому повторители используют для увеличения расстояния, на которое требуется передать сигнал, а также для увеличения нагрузочной способности (коэффициента разветвления) передатчика интерфейса.

Повторители интерфейса обычно имеют (не всегда) гальваническую изоляцию, поэтому их можно использовать также для деления сети на гальванически изолированные сегменты с целью защиты от помех.

Деление сети на гальванически изолированные фрагменты обеспечивает также электрическую защиту изолированных фрагментов от случайного попадания высокого напряжения в какой-либо фрагмент сети. При этом гальванически изолированные участки сети окажутся неповрежденными.

Поскольку электромагнитная волна существует только в пределах одного фрагмента сети, а в соседний фрагмент передается только восстановленный сигнал, то повторители можно использовать и для выполнения ответвлений в сети с шинной топологией (рис. 2.5), поскольку длина ответвления от кабеля до повторителя всегда может быть сделана достаточно малой. При этом не возникает отражений, которые имеют место при выполнении ответвлений без повторителя.

Повторитель использует только часть 1-го уровня модели OSI. Он не изменяет способа кодирования информации, не проверяет контрольные суммы, не восстанавливает потерянные биты, а только принимает электрические сигналы с помощью стандартного для выбранной сети приемника, восстанавливает их форму и передает дальше с помощью стандартного передатчика.

Пример структуры повторителя интерфейса NL-485C фирмы Reallab! приведен на рис. 2.46. Он состоит из двух стандартных приемопередатчиков интерфейса, микроконтроллера и стабилизатора напряжения. Гальваническая изоляция интерфейсов друг от друга и от источника питания выполняется с помощью изолирующих преобразователей напряжения (DC-DC преобразователей) и оптронов. При появлении сигнала на одном из портов микроконтроллера он автоматически ретранслирует его на второй порт, переключая его в режим передачи. Поскольку сигналы передаются без изменения временных соотношений, скорость передачи на обоих портах автоматически получается одинаковой.

Преобразователи интерфейсов могут быть без гальванической изоляции, с изоляцией каждого интерфейса отдельно (как на рис. 2.46), и с изоляцией одного из двух интерфейсов. В последнем случае второй интерфейс имеет гальваническую связь с источником питания.

Согласующие резисторы внутри повторителя могут присутствовать или нет и могут отключаться микропереключателем или джампером. Перед применением повторителя нужно убедится, имеются ли резисторы внутри корпуса преобразователя, или нужно подключить внешние резисторы к клеммам преобразователя.

Вывод земли "GND" соединяется с экраном кабеля, но не с землей. Оплетка кабеля должна заземляется только в одной точке (подробнее см. раздел "Защита от помех").

Рис. 2.46. Типовая структура повторителя интерфейсов RS-232/RS-484/RS-422 типа NL-485C

2.12.2. Концентраторы (хабы)

Описанные выше повторители интерфейса могут содержать несколько портов. Если появляется сигнал на любом из них, микроконтроллер ретранслирует его на все другие порты. Такие многопортовые повторители называют концентраторами, или хабами (Concentrator, Hub). Они позволяют выполнить физическое разветвление сетевого кабеля или слияние нескольких кабелей в один (концентрацию) без нарушения условий согласования линии передачи. Таким образом, ограничение на длину ответвлений от шины, например, RS-485, снимается с помощью концентраторов.

Концентратор устроен точно так, как повторитель интерфейсов (рис. 2.46), но имеет больше портов и, соответственно, устройств для гальванической изоляции. Часто гальваническую изоляцию между портами концентратора не делают, чтобы удешевить коммерческий продукт. Это оправдано, когда концентратор используется для создания сети сложной топологии на ограниченной площади.

В сетях Ethernet при поступлении сигнала одновременно на два или более портов концентратора возникает коллизия. Поэтому Ethernet-концентраторы в настоящее время практически полностью вытеснены сетевыми коммутаторами, не имеющими указанной проблемы.

2.12.3. Преобразователи интерфейса

Преобразователь (конвертор) интерфейсов (медиаконвертор) используется для обеспечения совместимости устройств с разными интерфейсами или изменения физического способа передачи информации.

Сложность преобразователя интерфейсов существенно зависит от количества уровней модели OSI и их функций, которые должны быть реализованы в преобразователе. В простейшем частном случае, когда требуется преобразовать RS-232 в RS-485, и интерфейс RS-232 работает в режиме программного управления потоком данных, возможна побитовая ретрансляция сигналов без изменения протокола даже физического уровня. Однако в общем случае интерфейс RS-232 передает параллельно 10 сигналов, в то время как RS-485 - только два (Data+ и Data-), поэтому для полного преобразования интерфейса пришлось бы делать конвертирование между параллельным и последовательным форматом данных. Кроме того, RS-232 может работать в полнодуплексном режиме, а RS-485 - только в полудуплексном (при двухпроводной схеме подключения). Поэтому в общем случае преобразование интерфейсов невозможно без изменения протокола передачи данных и специального программного обеспечения для портов ввода-вывода.

Даже если преобразование выполняется без изменения параллельной формы представления информации в последовательную, как, например, в преобразователе  RS-485 - CAN,  может потребоваться выполнение одним из интерфейсов специфических для конкретной сети функций канального уровня (адресация, борьба за доступ к шине, отсылка сообщений об ошибках, обеспечение достоверности передачи и др.). Преобразователи интерфейсов не используют функции уровня приложений, поскольку в этом случае они переходят в разряд межсетевых шлюзов, см. ниже.

Преобразователь RS-232 - RS-485/422

В простейшем, но наиболее распространенном случае, когда к компьютеру с портом RS-232 требуется подключить сеть на основе интерфейса RS-485, порт RS-232 используют в режиме программного управления потоком данных. При этом из 10 клемм интерфейса используются только три: TD (Transmit Data - передача данных), RD - (Receive Data - прием данных) и SG (Signal Ground - сигнальное заземление), а протокол передачи не зависит от типа интерфейса. Преобразование интерфейса сводится фактически только к побитовому преобразованию потока данных из одной электрической формы в другую, без преобразования протоколов передачи и изменения драйверов порта ввода-вывода. Структурная схема такого преобразователя показана на рис. 2.47. Она отличается от схемы на рис. 2.46 по сути только типом приемопередатчиков портов ввода-вывода и наличием порта RS-422 (выводы Tx+, Tx-, Rx+, Rx-) одновременно с портом RS-485 (выводы Data+, Data-).

Описанный преобразователь находит применение при подключении к компьютеру промышленной сети Modbus или DCON, а также отдельных устройств с интерфейсом RS-485 или RS-422.

Рис. 2.47. Типовая структура двунаправленного преобразователя интерфейсов RS-232 в RS-485 и RS-422 типа NL-232C

Преобразователи интерфейса часто используют в качестве удлинителей интерфейса, т. е. для увеличения расстояния, на которое можно передать информацию. Например, для удлинения порта RS-232 можно использовать преобразователь RS-232 в RS-485, который обеспечивает дальность до 1,2 км, и на приемном конце сделать обратное преобразование из RS-485 в RS-232. Аналогично можно использовать оптоволоконный интерфейс или CAN. Однако чаще для удлинения интерфейсов используют преобразование в промежуточный нестандартный канал передачи, использующий повышенную мощность сигнала и позволяющий передавать данные на расстояние, например, до 20 км по медному кабелю.

Преобразователь RS-232 в оптоволоконный интерфейс

Оптоволоконный канал имеет ряд неоспоримых преимуществ, связанных с оптическим способом передачи информации:

  • большая дальность передачи: обычно до 2 км в многомодовом канале или до 20 км в одномодовом; с повторителями - до нескольких сотен километров;
  • нечувствительность к электромагнитным помехам, в том числе при разряде молнии или электростатических разрядах;
  • отсутствие аварийных ситуаций и порчи оборудования в случае коротких замыканий, отсутствие коррозии мест соединений;
  • более высокая пропускная способность (скорость передачи) или уменьшенное количество ошибок в канале при той же скорости по сравнению с медным кабелем;
  • гальваническая развязка с практически неограниченным напряжением изоляции;
  • хорошая защищенность от несанкционированного доступа: невозможно перехватить передаваемую информацию, не нарушив связь по каналу.

Одномодовое оптоволокно позволяет передавать сигнал на большее расстояние, чем многомодовое, однако коннекторы и приемопередатчики, а также вся кабельная инфраструктура для многомодового оптоволокна обычно на 25...50% дешевле, чем для одномодового. Это связано с жесткими технологическими допусками на компоненты систем для одномодового волокна.

В многомодовом кабеле распространяются световые волны нескольких мод (длин волн), в одномодовом - одной длины волны. Диаметр сердцевины многомодового оптоволокна на порядок больше длины волны, поэтому технологические допуски на кабельную инфраструктуру могут быть больше и изготовление - дешевле.

Примером оптоволоконного преобразователя может служить преобразователь SN-OFC-ST-62.5/125 фирмы RealLab!, передающий сигналы по оптоволокну на длине волны 820 нм, имеющий пропускную способность 5 Мбит/с, дальность передачи 1,5 км и разъемы типа ST для оптического кабеля.

Преобразователь USB в RS-232, RS-485, RS-422

Преобразователь из USB в RS-232/422/485 гораздо сложнее, чем описанные выше. Сложность появляется вследствие того, что для шины USB стандартом установлен определенный порядок обмена пакетами данных и пакетами квитирования с устройствами USB. Поэтому побитовая ретрансляция становится невозможной и в преобразователе интерфейсов большую роль играет модификация драйверов порта.

Преобразователи из USB в RS-232/422/485 используются, когда компьютер имеет недостаточное количество портов RS-232/422/485, но есть неиспользуемые порты USB. При подключении к компьютеру преобразователя и установки соответствующих драйверов в операционной системе появляется новый виртуальный COM-порт, который со стороны программного и аппаратного интерфейса ничем не отличается от обычного.

2.12.4. Адресуемые преобразователи интерфейса

Адресуемый преобразователь интерфейса может выполнять часть сетевых функций: проверку доступности канала, состязание за доступ к каналу, разбивку данных на кадры, обнаружение и коррекцию ошибок, повторную передачу в случае обнаружения ошибок. В частности, адресуемый преобразователь RS-232 в CAN выполняет все функции физического и канального уровня CAN, в соответствии со стандартом, см. раздел "CAN", однако он не выполняет функций уровня приложений, как это делают межсетевые шлюзы.

Наиболее распространены адресуемые преобразователи интерфейса RS-232 в RS-485, которые позволяют подключить к сети на основе интерфейса RS-485 такие устройства, как вольтметр, аппарат для считывания штрих-кодов, кассовый аппарат или ПЛК с интерфейсом RS-232. Для подключения нескольких таких устройств к компьютеру без адресуемых преобразователей потребовалось бы несколько COM-портов, по количеству RS-232 устройств. Дополнительные COM-порты можно получить с помощью преобразователей USB в RS-232 или с помощью многопортовых сетевых карт. Увеличить количество USB портов  можно также с помощью USB-хабов.

Вторым вариантов является подключение устройств с портом RS-232 к общей шине RS-485 с помощью адресуемого преобразователя. Обращение к таким устройствам выполняется по адресу, записанному в ППЗУ преобразователя. Использование шины RS-485 вместо нескольких портов RS-232 позволяет также отнести устройство на расстояние до 1,2 км от компьютера и расположить его в любом удобном месте.

Примером адресуемого преобразователя может быть модуль NL-232AC фирмы RealLab!, структурная схема которого не отличается от структуры обычного безадресного преобразователя (рис. 2.47), отличие содержится только в микропрограммном обеспечении. Настройка модуля (установка адреса, скорости обмена, длины поля данных, режима четности, количества стоповых битов и др.) выполняется командами в ASCII-кодах, которые посылаются в модуль через порт RS-232.

Скорости обмена преобразуемых портов могут быть различными. Например, если интерфейс RS-232 имеет стандартную скорость обмена 115200 бит/с, а CAN имеет стандартную скорость 125000 бит/с, то преобразование таких интерфейсов невозможно без промежуточной буферизацией данных, которая выполняется, например, с помощью буфера FIFO (First Input - First Output).

Функцию адресуемого преобразователя можно реализовать с помощью универсального контроллера, имеющего соответствующие порты. Контроллер, содержащий программу преобразования портов, называют коммуникационным контроллером.  Коммуникационный контроллер принимает сигнал через один из своих портов и передает его через другой порт. В общем случае коммуникационный контроллер может также выполнять функции сигнализации состояния шины, несложные функции управления и быть как ведомым, так и ведущим.

Широкое применение нашли адресуемые преобразователи интерфейса RS-232 в Ethernet. Они позволяют подключить устройство с портом RS-232 к компьютеру через сеть Ethernet. Поскольку написание программ для работы с Ethernet портом значительно сложнее, чем с COM, преобразователи RS-232 в Ethernet поставляются с драйверами, которые создают в компьютере виртуальные COM-порты, каждый из которых соответствует устройству RS-232, подключенному к шине Ethernet через адресуемый преобразователь. Это позволяет использовать программы, написанные для работы через COM-порт, в сети Ethernet без какой-либо их модификации. Пользовательское приложение общается с RS-232-устройствами через виртуальный COM-порт, а все сложности Ethernet и стандарта IEEE 802.3 оказываются скрыты в драйверах, поставляемых в комплекте с адресуемым преобразователем.

2.12.5. Межсетевые шлюзы

Межсетевые шлюзы (Gateways) позволяют выполнять обмен данными между различными сетями. Сети могут различаться протоколами, структурами фреймов, форматами и кодированием данных. Модели OSI сетей могут быть существенно различными, поэтому в межсетевых шлюзах используются все уровни модели OSI, с 1-го по 7-й.

В структуре межсетевых шлюзов имеются два специализированных сетевых контроллера, которые реализуют полный стек протоколов обеих сетей. Для сетей CAN, Ethernet, Profibus и других со сложным стеком протоколов выпускаются специализированные микросхемы (ASIC - Application- Specific Integrated Circuit), в которых уже реализован стек протоколов. Каждый интерфейс имеет также буферную память, которая необходима для обмена данными между сетями с разной скоростью передачи данных. Это позволяет принять информацию из одной сети в соответствии с ее стеком протоколов, выделить телеграмму (обычно данные и адрес) на уровне приложений или на одном из нижележащих уровней, затем передать ее сверху вниз через другой стек протоколов в другую сеть.

Шлюзы могут быть использованы для передачи данных, например, между Modbus и Profibus, между Modbus и Ethernet.

2.12.6. Другое сетевое оборудование

Для построения промышленных сетей используются также маршрутизаторы, сетевые адаптеры, коммуникаторы, мосты, мультиплексоры, модемы, межсетевые экраны. В каждом конкретном случае системный интегратор должен выбрать необходимый состав оборудования исходя из смысла решаемой задачи.

Маршрутизаторы

Маршрутизатор (Router) выполняет перемещение информации между подсетями (сегментами сети) от источника к приемнику по оптимальному пути, используя 3-й (сетевой) уровень модели OSI. Для нахождения оптимума используются адрес получателя и таблица маршрутизации, в которых содержится информация о маршрутах, и их метрике (предпочтительности). Таблица маршрутизации может быть составлена статически (вручную) или динамически. При ручном составлении таблица должна корректироваться каждый раз, когда в топологию сети вносятся изменения. При динамической маршрутизации записи обновляются автоматически с помощью одного из стандартных алгоритмов маршрутизации.

Сетевые адаптеры

Для подключения компьютера к промышленной сети можно использовать межсетевой шлюз с интерфейсом RS-232, однако скорость передачи информации в таком случае будет ограничиваться пропускной способностью порта RS-232. Для получения высокой скорости передачи (например, 12 Мбит/с для Profibus или 100 Мбит/с для Ethernet) нужно использовать сетевой адаптер в виде платы ("сетевой карты"), вставляемой в слот шины PCI на материнской плате компьютера.

Коммутаторы

Коммутаторы (Switches) - интеллектуальные многопортовые повторители. Они выполняют роль репитеров и, кроме того, анализируют фреймы, сверяют контрольную сумму, выделяют из фрейма адрес устройства назначения и направляют фрейм в нужный порт в соответствии с адресом.

Подробнее о коммутаторах см. раздел "Промышленный Ethernet. Физический уровень".

Мосты

Мосты (bridges) - устройства для соединения и передачи пакетов между двумя сегментами одной и той же сети. Работают обычно на уровне 1...2, реже до уровня 4 модели OSI, поэтому их иногда называют устройствами канального уровня. Они устанавливают соединение, выполняют анализ контрольной суммы, выполняют повторную передачу после буферизации, но не изменяют структуру фреймов и не выделяют из них данные. Мосты являются устаревшими устройствами и вместо них в последнее время применяют коммутаторы.

Мультиплексоры

Мультиплексор - это устройство, позволяющее передавать по одному каналу связи несколько сигналов (потоков данных) одновременно. На входе канала мультиплексор объединяет несколько потоков данных, поступающих от разных источников, например, от двух разных компьютеров, в один общий поток, который передается по общему каналу с высокой пропускной способностью. Используется временное или частотное разделение потоков данных. На противоположном конце канала мультиплексор выполняет обратную операцию выделения данных из общего потока.

Мультиплексоры эффективны, когда пропускная способность канала передачи намного превышает информационную производительность источников данных.

Межсетевой экран

Межсетевой экран (брандмауэр, Firewall) - комплекс аппаратных и (или) программных средств, выполняющих фильтрацию поступающей из сети информации по различным критериям, например, с целью защиты от несанкционированного доступа или вирусов. Межсетевой экран может работать на сетевом уровне, сеансовом уровне и уровне приложений модели OSI.

Модемы

Модем (модулятор-демодулятор) выполняет модуляцию т.е. изменяет характеристики несущего сигнала с целью внесения в него передаваемой информации, и выполняет демодуляцию для извлечения информации на приемном конце канала связи. Модем используется для передачи данных по телефонным линиям (телефонный модем), кабелям системы коллективного телевидения, проводам для передачи электрической энергии, через спутник (спутниковый модем), радиоканал (радиомодемы), сотовые каналы связи (GSM-модем). Модемы бывают аналоговые (устарели) и цифровые (ISDN, DSL и их модификации).

2.12.7. Кабели для промышленных сетей

Основной частью кабеля для промышленных сетей является "витая пара" проводов. В свитых проводах магнитные поля соседних витков компенсируют друг друга, и чем ближе находятся витки, тем эффективнее компенсация. Поэтому одним из важных параметров витой пары является количество витков на метр длины, а также равномерность шага скручивания по длине кабеля. Отметим, что хорошая компенсация магнитной составляющей электромагнитного поля достигается только при условии, если сигналы в обеих жилах кабеля симметричны относительно некоторого условно нулевого уровня, когда величины производных тока по времени одинаковы. Это условие выполняется при использовании передатчиков с симметричным дифференциальным выходом.

В одном кабеле могут находиться несколько витых пар, покрытых общей защитной оболочкой. Оболочка предохраняет кабель от механических повреждений и повышает напряжение изоляции жил относительно внешних проводников.

Для уменьшения влияния внешних электромагнитных полей на кабель используется экранирование. Экранированы могут быть отдельные жилы кабеля, витые пары или весь кабель. Используются также различные комбинации перечисленных вариантов. По международному стандарту EIA/TIA 568 экранированная витая пара обозначается как STP (Shielded Twisted Pair), неэкранированная - UTP (Unshielded Twisted Pair).

Экран может быть плетеным, из медных проволок, или сплошной, из алюминиевой фольги, которая ламинируется полиэстерной или полипропиленовой пленкой. Плетеный экран обеспечивает меньшую степень защиты на высоких частотах, где играет роль площадь просветов в экране, достигающая 10...40%. При изготовлении сплошного экрана контакт к экрану выполняется с помощью медной проволоки, проложенной вдоль всей длины кабеля и контактирующей с алюминиевой фольгой. Недостатком алюминиевого экрана является большое сопротивление. Поэтому используют комбинированное экранирование, сочетающее плетеный и сплошной экран в разных вариантах. Оно обеспечивает одновременно низкое сопротивление и хорошее экранирование на высоких частотах. Подробнее об использовании экранов см. раздел "Защита от помех".

Табл. 2.19. Стандартные значения параметра NEXT для кабелей разных категорий

Частота, МГц

  Параметр NEXT

Категория 3

Категория 4

Категория 5

0,150

-54

-68

-74

0,772

-43

-58

-64

1,0

-41

-56

-62

4,0

-32

-47

-53

8,0

-28

-42

-48

10,0

-26

-41

-47

16,0

-23

-38

-44

20,0

-

-36

-42

25,0

-

-

-41

31,25

-

-

-40

32,5

-

-

-35

100,0

-

-

-32

В кабеле, состоящем из нескольких витых пар, наблюдается наводка сигнала из одной витой пары в другую за счет явления электромагнитной индукции и емкостной связи. Для контроля уровня наводок используют параметры NEXT, FEXT, ELFEXT и ACR. Параметр NEXT (Near-End crossTalk) измеряется как отношение наведенного напряжения на одной витой паре к амплитуде напряжения, приложенного к другой витой паре на одном и том же конце кабеля. Чем меньше значение этого параметра (чем больше его модуль в дБ), тем лучше кабель. NEXT играет важную роль при одновременной передаче сигналов в кабеле в противоположных направлениях, поскольку ослабленный сигнал, прошедший по кабелю, может оказаться более слабым, чем наводка из соседней витой пары. В табл. 2.19 приведены стандартные значения параметра NEXT для кабелей разных категорий.

При передаче двух сигналов по двум соседним витым парам в кабеле важен параметр FEXT (Far-End Crosstalk), который измеряется как отношение напряжения между выводами витой пары на одном конце кабеля к приложенному напряжению к другой витой паре на противоположном конце кабеля. Вместо параметра FEXT часто используют ELFEXT (Eequal-Level Far-End crosstalk), который не зависит от длины кабеля и используется в процедуре сертификации кабелей.

Для оценки качества кабелей используется также параметр ACR (Attenuation to Crosstalk Ratio), который рассчитывается как отношение коэффициента ослабления (затухания) к значению параметра NEXT. При ACR=1 (0 дБ) напряжение, наведенного из соседней пары, равно напряжению полезного сигнала в кабеле.

Волновое сопротивление идеального кабеля не зависит от частоты. Однако в реальности частотная зависимость имеется и определяется частотной зависимостью диэлектрической проницаемости материала изолятора и технологической неоднородностью кабеля по его длине. Стандарт TIA/EIA 568-A требует, чтобы разброс волнового сопротивления кабеля находился в пределах от 85 до 115 Ом (100 Ом ±15%) для кабелей 3, 4 и 5 категории.

Омическое сопротивление типового кабеля сечением 0,33 кв.мм. составляет 56 Ом/км. На низких частотах это сопротивление определяет максимальную дальность передачи сигнала по кабелю. На высоких частотах начинает играть роль емкостное сопротивление между жалами кабеля, которое  является основной причиной ослабления (затухания) сигнала, передаваемого по кабелю. В табл. 2.20 приведены значения затухания для кабелей 3, 4 и 5 категории при температуре +20 ˚С и длине кабеля 305 м.

Табл. 2.20. Зависимость коэффициента затухания кабелей от частоты

Частота, МГц

Коэффициент затухания, дБ/100 м

Категория 3

Категория 4

Категория 5

0,064

2,8

2,3

2,2

0,256

4,0

3,4

3,2

0,512

5,6

4,6

4,5

0,772

6,8

5,7

5,5

1,0

7,8

6,5

6,3

4,0

17

13

13

8,0

26

19

18

10,0

30

22

20

16,0

40

27

25

20,0

-

31

28

25,0

-

-

32

31,25

-

-

36

62,5

-

-

52

100

-

-

67

Погонная емкость кабеля определяется расстоянием между проводниками, диаметром проводников и материалом изоляции. Для типовых кабелей ее значение составляет от 20 до 100 пФ/м. Для уменьшения емкости в качестве диэлектрика используют вспененный полиэтилен, который позволяет в 2...3 раза снизить погонную емкость и в 1,5...2,5 раза коэффициент затухания по сравнению с поливинилхлоридной (ПВХ) изоляцией [Кузнецов].

Индуктивность проводников кабеля определяется их диаметром и для проводника сечением 0,33 кв.мм. составляет около 100 мкГн/м.

Для кабелей, используемых вне помещений, важным параметром является минимальная рабочая температура, которая для типовых кабелей составляет -30 ºС, для специальных морозостойких кабелей нижнее значение может составлять -60 ºС. Материалом изоляции определяется также возможность использования кабеля во взрывопожароопасных зонах, где ПУЭ* запрещает применять кабели в полиэтиленовой оболочке.

Параметры кабеля определяют надежность и дальность передачи информации. С ростом скорости передачи требования к кабелю и его стоимость возрастают. В зависимости от диапазона частот по стандарту EIA/TIA 568 кабели делятся на категории:

  • категория 1 - кабель из не витой пары проводов для передачи речи. Имеет наихудшие характеристики и не используется для передачи данных;
  • категория 2 - кабель для передачи данных в полосе частот до 1 МГц;
  • категория 3 - кабель для передачи данных в полосе частот до 16 МГц. Состоит из витых пар с 9-ю витками на метр длины. Имеет волновое сопротивление 100 Ом. Наиболее распространен в настоящее время;
  • категория 4 - кабель для передачи данных в полосе частот до 20 МГц. Мало отличается от категории 3 и поэтому стандартом рекомендуется при необходимости переходить с категории 3 сразу на категорию 5, минуя 4;
  • категория 5 - кабель для передачи данных в полосе частот до 100 МГц. Имеет 27 витков на метр длины и волновое сопротивление 100 Ом;
  • категория 5е (здесь "e" - от слова "enhanced' - "улучшенный") - отличается от категории 5, но имеет большее количество витков на метр длины и лучший параметр NEXT.
  • категория 6 - кабель для передачи данных в полосе частот до 200 МГц;
  • категория 7 - кабель для передачи данных в полосе частот до 600 МГц.

Табл. 2.21. Расшифровка параметра AWG

Обозначение: AWG

Диаметр, мм

Сечение, мм2

Сопротивление, Ом/км

Номинальный ток (из расчета 3А/мм2

39

0,09

0,0064

2700

19 мА

38

0,1

0,0078

2190

24 мА

37

0,11

0,0095

1810

28 мА

36

0,13

0,013

1300

40 мА

35

0,14

0,015

1120

45 мА

34

0,16

0,02

844

60 мА

33

0,18

0,026

676

75 мА

32

0,2

0,031

547

93 мА

30

0,25

0,049

351

147 мА

29

0,3

0,071

243

212 мА

27

0,35

0,096

178

288 мА

26

0,4

0,13

137

378 мА

25

0,45

0,16

108

477 мА

24

0,5

0,2

87,5

588 мА

22

0,65

0,33

51,7

1,0 A

20

0,8

0,50

34,1

1,51 A

19

0,9

0,64

26,9

1,91 A

18

1

0,78

21,9

2,36 A

16

1,3

1,3

13

3,97 A

14

1,6

2

8,54

6,0 A

13

1,8

2,6

6,76

7,6 A

В настоящее время действует международный стандарт на кабели ISO/IEC IS 11801 (International Organization for Standardization/International Engineering Consortium), в Европе действует стандарт Cenelec EN 50173; в США - стандарт EIA/TIA 568 (Commercial Building Telecommunications Cabling Standard), принятый в 1995 году и заменивший все действовавшие ранее фирменные стандарты. В России чаще всего используют термины и обозначения американского стандарта.

При рассмотрении отражений от концов кабеля (см. раздел Согласование линий с передатчиком и приемником") важным параметром является скорость распространения электромагнитной волны в кабеле (NVP - Nominal Velocity of Propagation), которая описывается в виде доли от скорости света. Например, NVP=0,65 означает, что скорость распространения электромагнитной волны в кабеле составляет 0,65 от скорости света в вакууме. При NVP=0,65 задержка распространения электрического импульса в кабеле составляет 5,13 нс на метр длины. Типовые значения задержки для разных кабелей составляют от 4,4 до 5 нс/м.

Для импортных кабелей площадь поперечного сечения проводников указывается не в кв.мм., а в условных единицах AWG (American Wire Gauge standard). В табл. 2.21 приведена связь единиц AWG с  площадью поперечного сечения.

2.13. Заключение к главе "Промышленные сети и интерфейсы"

Наиболее простым и наиболее распространенным в мире и России сетевым протоколом является Modbus, популярность которого объясняется простотой как для разработчиков, так и потребителей, а также низкой стоимостью реализации.

Наиболее продуманным, универсальным и многообещающим протоколом является CAN, однако высокая стоимость и сложность мешают его быстрому распространению.

Очень эффективным и широко применяемым протоколом является Profibus, однако его распространенность объясняется, в первую очередь, мощным брендом "Siemens".

Широкую популярность в России имеет частнофирменный протокол DCON, что связано, в первую очередь, с низкой ценой на продукцию из Юго-Восточной Азии, а также с предельной простой протокола.

Беспроводные сети, несмотря на свою привлекательность, имеют очень большое количество трудноразрешимых проблем, поэтому их применение в промышленной автоматизации должно основываться на детальном анализе задачи и тщательной оценке всех преимуществ и недостатков беспроводных сетей для конкретного применения.



* ПУЭ - правила устройства электроустановок, установленные Министерством энергетики РФ.


© RLDA Ltd. info@rlda.ru  Рейтинг@Mail.ru Спонсоры проекта: , а также