Популярные интерфейсы и протоколы, используемые в приборах и контроллерах

Интерфейс	Тип	Пропускная способность	Длина линии связи	Протоколы
RS-485	мультиприборный (до 32 приборов)	стандартно 115200 bps, есть реализации до 2 Mbps	не более 1200 м (без повторителя)	ОВЕН Modbus ASCII Modbus RTU DCON
RS-232	точка-точка		не более 3м
«токовая петля»	точка-точка	до 115200 bps	не более 1000 м
Ethernet 10/100 base T (по витой паре)	точка-точка	10 Mbps/ 100Mbps	не более 100 м	Modbus TCP
USB 1.1	точка-точка	12 Mbps	не более 3 м	Mass Storage Device CDC Device
USB 2.0	точка-точка	до 480 Mbps

Совместимость приборов - это их способность осуществлять ин формационный обмен между собой. Каждый из приборов, участвующих в информационном обмене, должен иметь определенный интерфейс и понимать определенный протокол. И даже в этом случае не гарантируется возможность обмена, т.к. один прибор может оказаться неспособным передавать ту информацию, которую требуется получать другому. Но что делать, если приборы способны к передаче нужной информации, но имеют разные интерфейсы и/или понимают разные протоколы? В этом случае требуется применение преобразователей интерфейсов или шлюзов.

Преобразователь интерфейсов - это устройство, имеющее два или более различных интерфейсов, ретранслирующее информацию из одного интерфейса в другой (другие). При этом передача информации осуществляется без ее преобразования. Поэтому к преобразователю интерфейсов имеет смысл подключать только те устройства, которые способны работать по одному протоколу.

Шлюз (или мост) - это интеллектуальное устройство, способное к преобразованию данных из одного протокола в другой. При этом шлюз может выступать также и в качестве преобразователя интерфейсов. Шлюз, в отличие от преобразователя интерфейса, требует дополнительной настройки, т.к. ему требуется указать, какие данные по каким протоколам надо принимать и передавать.

Интерфейс RS-485. При проектировании промышленных систем автоматизации наибольшее распространение получили информационные сети, основанные на интерфейсе стандарта EIA RS-485. Это высокоскоростной и помехоустойчивый последовательный интерфейс, который позволяет создавать сети путем параллельного подключения многих устройств к одной физической линии. Практически все современные компьютеры в промышленном исполнении, большинство интеллектуальных датчиков и исполнительных устройств, программируемые логические контроллеры наряду с традиционным интерфейсом RS-232 содержат в своем составе ту или иную реализацию интерфейса RS-485.

Сигналы интерфейса RS-485 передаются дифференциальными перепадами напряжения величиной (0,2…8) В, что обеспечивает высокую помехоустойчивость и общую длину линии связи до 1 км (и более с использованием специальных устройств – повторителей). Кроме того, интерфейс RS-485 позволяет создавать сети путем параллельного подключения многих устройств к одной физической линии (так называемая «мультиплексная шина»).

В обычном персональном компьютере (ПК), не промышленного исполнения, этот интерфейс отсутствует, поэтому для подключения к ПК промышленной сети RS-485 необходим специальный адаптер - преобразователь интерфейса RS-485/RS-232 или RS-485/USB.

В качестве линии связи используется экранированная витая пара (рис. 7.2) с волновым сопротивлением ≈120 Ом. Для защиты от помех экран (оплетка) витой пары заземляется в любой точке, но только один раз: это исключает протекание больших токов по экрану из-за неравенства потенциалов “земли”. Выбор точки, в которой следует заземлять кабель, не регламентируется стандартом, но, как правило, экран линии связи заземляют на одном из ее концов.

Рис. 7.2. Экранированная витая пара

Качество витой пары оказывает большое влияние на дальность связи и максимальную скорость обмена в линии. Существуют специальные методики расчета допустимых скоростей обмена и максимальной длины линии связи, основанные на паспортных параметрах кабеля (волновое сопротивление, погонная емкость, активное сопротивление) и микросхем приемопередатчиков (допустимые искажения фронта сигнала). Но на относительно низких скоростях обмена (до 19200 бит/с) основное влияние на допустимую длину линии связи оказывает активное сопротивление кабеля. Опытным путем установлено, что на расстояниях до 600 м допускается использовать кабель с медной жилой сечением 0,35 мм (например, кабель КММ 20,35), на большие расстояния сечение кабеля необходимо пропорционально увеличить.

По интерфейсу RS-485 данные передаются с помощью «симметричного» (дифференциального) сигнала по двум линиям (А и В). Максимальная длина линии связи между крайними устройствами может составлять до 1200 м (и более с использованием повторителей). При длине линии связи более 100 м в максимально удаленных друг от друга точках сети рекомендуется устанавливать оконечные согласующие резисторы номиналом от 100 до 250 Ом мощностью не менее 0,25 Вт – так называемые “терминаторы”, позволяющие компенсировать волновое сопротивление кабеля и минимизировать амплитуду отраженного сигнала (рис. 7.3). Количество приборов в сети не должно превышать 32 (без использования повторителя).

Рис. 7.3. Типовая схема промышленной сети, построенной на базе интерфейса RS-485 и адаптеров Российской компании «ОВЕН»:

АС3-М - адаптер RS-485/RS-232,

АС4 - RS-485/USB

Интерфейс RS-232. Интерфейс стандарта EIA RS-232C предназначен для последовательной связи двух устройств. Он является общепринятым и широко используется для подсоединения манипулятора типа “мышь”, модема к РС – совместимому компьютеру, и реже – для передачи данных на небольшое расстояние из одного компьютера в другой. Передача производится последовательно, пословно, каждое слово длиной (5…8) бит предваряют стартовым битом и заканчивают необязательным битом четности и стоп-битами. Интерфейс RS-232 принципиально не позволяет создавать сети, так как соединяет только два устройства (так называемое соединение “точка - точка”). Передача данных по интерфейсу RS-232C осуществляется с помощью «несимметричного» сигнала перепадами напряжения величиной (3…15) В по двум линиям - TxD и RxD, а амплитуда сигнала измеряется относительно линии GND («нуля») (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Схема подключения контроллера (ПЛК) к ПК по интерфейсу RS-232

Несимметричность сигнала обуславливает низкую помехозащищенность данного интерфейса, особенно при промышленных помехах, поэтому длина линии связи RS-232, как правило, ограничена расстоянием в несколько метров. Наличие линий приема (RxD) и передачи (TxD) данных позволяет поддерживать полнодуплексную передачу информации, т.е. одновременно информация может как передаваться, так и приниматься. Устройства для связи по интерфейсу RS-232 обычно соединяются кабелем с 9-контактными или 25-контактными разъемами (DB9, DB25 и др.).

Интерфейс «токовая петля» - разновидность интерфейса RS-232, также обеспечивающая связь двух приборов (соединение «точка-точка»). Информация в токовой петле передается не напряжением, а током по двухпроводной линии, что обеспечивает высокий уровень помехозащищенности. Стандарт «токовая петля» позволяет передавать данные на расстояния до 1000 м со скоростью до 19,2 кбит/с. Из-за наличия одной линии связи стандартом обеспечивается полудуплексная передача данных, т.е. в каждый момент времени информация может либо передаваться, либо приниматься.

Приборы могут иметь встроенный интерфейс «токовая петля», которые могут быть подключены (рис. 7.5):

1) к ПК через адаптер «токовая петля»/RS-232;

2) к сети RS-485 через шлюз «токовая петля»/RS-485.

а б

Рис. 7.5. Типовые схемы подключения приборов с интерфейсом

«токовая петля» к сети:

а – к промышленной сети RS-485, б – к ПК

Интерфейс Ethernet. Ethernet - транспортная технология для передачи данных в вычислительных сетях, преимущественно локальных. Протокол, используемый в кабельных сетях Ethernet - CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) - Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов. В соответствии с этим протоколом устройства начинают передачу данных только после обнаружения свободного канала связи для сокращения между ними количества коллизий (ошибок). Все версии семейства Ethernet ориентированы на поддержку работы до 1024 узлов сети. Этот интерфейс получил широкое распространение в компьютерных сетях благодаря высокой пропускной способности и помехоустойчивости. Чаще используется встроенный интерфейс Ethernet 10/100 Base-T, что позволяет встраивать приборы и программируемые логические контроллеры (ПЛК) в распределенные информационные системы более высокого уровня.

Интерфейс USB. Стандарт USB разработан как альтернатива более «медленным» компьютерным стандартам RS-232 и LPT. В настоящее время устройства с интерфейсом USB 2.0 позволяют передавать данные со скоростью до 480 Мбит/с.

Интерфейс USB, как и RS-485, является симметричным и позволяет передавать данные по двум проводам (D+ и D-), при этом логические уровни аналогичны соответствующим уровням стандарта RS-485. Интерфейс USB имеет линии питания Vcc и GND для запитывания подключенного устройства (при условии, что потребляемый им ток не превышает 500 мА). После установки драйвера операционная система распознает подключаемое устройство как СОМ-порт и использует стандартный асинхронный режим передачи данных, применяемый для работы с аппаратным СОМ-портом.