Архитектура промышленной сети BitBus

Искажения сигнала определяются его временным сдвигом относительно положения при передаче в идеальных условиях. Количественно искажения выражаются в процентах от полной длительности информационного бита. При выборе кабеля следует учитывать допустимый уровень искажений на входе приемника, расположенного в самой удаленной точке линии связи.

5.4 Методика выбора кабеля

1. Исходя из требуемого значения скорости обмена, вычислить длительность информационного бита по формуле:

где C -- скорость обмена.

2. Задать минимальное напряжение сигнала (U0), которое должно присутствовать на входе самого удаленного приемника.

3. Задать максимальный допустимый уровень искажений сигнала (д, %) на входе самого удаленного приемника.

4. Задать максимальное требуемое значение длины кабеля (L, м).

5. Вычислить максимальное допустимое значение омического сопротивления кабеля длиной L по следующей формуле:

где Rl -- полное омическое сопротивление кабеля длиной L; Rc -- сопротивление согласующего резистора, равное волновому сопротивлению кабеля; Uмин -- минимальное напряжение сигнала на выходе формирователя, равное 1,5 В; U0 -- минимальное напряжение сигнала, которое должно присутствовать на входе самого удаленного приемника.

6. Вычислить погонное сопротивление кабеля по формуле:

где rk -- погонное сопротивление кабеля.

7. Руководствуясь справочными данными, выбрать кабель, волновое сопротивление которого равно принятому в п. 5, а погонное сопротивление -- не более вычисленного в п. 6.

8. Вычислить длительность переднего фронта импульса (время нарастания сигнала от 10% до 90% его максимального уровня), воспользовавшись параметрами выбранного кабеля:

где tr -- длительность переднего фронта сигнала на входе самого удаленного приемника; Ck -- погонная емкость кабеля; Rэкв -- эквивалентное активное сопротивление нагрузки формирователя, определяемое следующим образом:

rk* -- погонное сопротивление выбранного кабеля; L -- максимальное требуемое значение длины кабеля; Rвх -- входное сопротивление приемника; Rc -- сопротивление согласующего резистора, равное волновому сопротивлению кабеля; n -- предполагаемое количество приемников, подключаемых к кабелю; Zk -- волновое сопротивление кабеля.

9. Установить реальное значение уровня искажений сигнала на входе самого удаленного приемника (д*) которое определяется отношением длительности переднего фронта сигнала, рассчитанной в п. 8, к полной длительности информационного бита, значение которой установлено в п. 1, а также минимальным напряжением сигнала на входе самого удаленного приемника U0 в соответствии с графиками, приведенными на рис. 15. Если полученный уровень искажений превышает допустимый согласно п. 3, следует повторить выбор кабеля. При этом кабель должен иметь меньшие значения погонного сопротивления и погонной емкости, чем выбранный в п. 7. Если не удается выбрать кабель с лучшими параметрами, следует снизить значение скорости обмена либо сократить протяженность линии связи.

Рис. 5.3. График зависимости уровня искажений сигнала на входе приемника от минимального напряжения сигнала на его входе и от отношений длительности переднего фронта к длительности информационного бита.

Графики, приведенные на рис.5.3, построены, исходя из предположения, что формирователь имеет максимально допустимую степень асимметрии выхода, приемник обладает наихудшей допустимой чувствительностью, а фронты сигнала, распространяющегося по линии связи между самыми удаленными ее точками, имеют форму, близкую к обратной экспоненте. В реальных условиях искажения могут иметь характер, отличный от предположений, использованных при построении графиков.

В реальных условиях разработчику нередко приходится решать обратную задачу, а именно, по имеющимся техническим характеристикам приобретенных приемопередатчиков, требуемой протяженности линии связи и параметрам стандартного кабеля определять максимально возможное значение скорости передачи данных. Рассмотрим конкретный пример.

Пусть требуемая протяженность линии связи составляет 1200 м. В качестве среды обмена предполагается применить неэкранированную витую пару на основе провода МГШВ 0,35. Кроме того, используется приемопередатчик фирмы Octagon Systems типа NIM, построенный на базе интегральной микросхемы MAX1480B. Необходимо определить максимально возможное значение скорости передачи данных.

1. Исходя из предположения, что волновое сопротивление линии связи составляет около 180-200 Ом, а погонная емкость -- около 80-100 пФ/м, вычисляем длительность переднего фронта передаваемого бита информации:

Допускаемое отношение длительности переднего фронта к полной длительности передаваемого бита информации MAX1480B составляет 0,5. Таким образом, максимально возможное значение скорости передачи данных лежит в диапазоне, определяемом следующим соотношением:

Откуда следует, что: 105218 бит/c ? Cмакс ? 126262 бит/c

Если в качестве среды обмена применить кабель типа 9842 фирмы Belden, волновое сопротивление которого составляет 120 Ом, а погонная емкость -- 42 пФ/м, то максимально возможное значение скорости передачи будет составлять около 37594 бит/с.

5.5 Расчет надежности

Проектируемая промышленная локальная сеть BitBus монтируется на основе готовых изделий, и время на работки на отказ берется из данных предоставляемых производителем оборудования.

Для «Сервера» и «Клиента» время наработки на отказ по часов

Для ССД и Табло по часов

Для платы BB_ISA (Micro TCX) часов

Интенсивность отказов разъемов RS-485

Общая интенсивность отказов:

Среднее время наработки системы на отказ:

часов

В рассмотренной сети в целях профилактики проводится ежедневное техническое обслуживание (ЕТО). Рассчитаем надежность работы сети между двумя ЕТО 24 часа.

Такое время безотказной работы системы считается удовлетворительным, следовательно, дополнительных мер по обеспечению надежности не требуется.

5.6 Влияние среды обмена

Разработчик системы передачи данных должен учитывать тот факт, что на качество ее функционирования могут оказывать влияние такие эффекты, как помехи, наведенные на линию связи, разность потенциалов земли в местах размещения технических средств системы, активные и реактивные потери мощности, а также отражения, которые могут иметь место при высоких скоростях обмена. Степень влияния электромагнитных помех и разности потенциалов земли зависит от условий, в которых функционирует система, и ее эффективность определяется многими факторами, в том числе сбалансированностью или симметрией, описание влияния которой приведено далее. Активные и реактивные потери зависят от качества применяемого кабеля. Отражения являются результатом внесения каждым устройством реактивных составляющих в эквивалентную нагрузку, подключенную к выходу формирователя, находящегося в активном состоянии. При этом реактивные составляющие преимущественно имеют емкостный характер.

Стандарт описывает устройства, способные функционировать в широком диапазоне скоростей обмена (до 10 Мбит/с). Разработчик системы должен учитывать, что даже при невысоких скоростях обмена, например 19,2 кбит/с, длительности переднего и заднего фронтов информационного бита могут составлять не более 10 нс, а приемники могут иметь еще более высокое быстродействие. Таким образом, если не приняты специальные меры, то даже кратковременные помехи могут привести к нарушению целостности потока передаваемых данных, в том числе при низких скоростях обмена.

5.7 Электромагнитные помехи и симметрия параметров канала связи

Устойчивость системы связи к электромагнитным помехам, возникающим в результате наличия паразитных индуктивных или емкостных связей источников помех со средой обмена, отчасти определяется степенью асимметрии (или дисбаланса) распределенных и сосредоточенных параметров линии связи относительно земли. Интенсивность помехи, действующей между двумя проводниками кабеля, как правило, будет определяться степенью асимметрии полного импеданса относительно земли, если предположить, что источник помехи имеет одинаковую паразитную связь с каждым из проводников. Рассмотрим структуру, состоящую из активного генератора, который расположен в одной из самых удаленных точек линии связи. В противоположной наиболее удаленной точке линии связи располагается несколько приемников и формирователей, пребывающих в пассивном состоянии и представленных в виде эквивалентной мостовой схемы, показанной на рис. 5.4. Поскольку формирователь в активном состоянии имеет малое выходное сопротивление, на низких частотах можно считать, что синфазная составляющая помехи прикладывается к каждому входу эквивалентной мостовой схемы приемника через сопротивление Rs/2, как показано на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Эквивалентная схема связи при воздействии синфазной помехи.

RS -- на высоких частотах -- волновое сопротивление кабеля, на низких частотах -- полное омическое сопротивление кабеля;

Za, Zb, Zc -- полные импедансы совокупности приемников, представленных в виде мостовой эквивалентной схемы;

Ei -- напряжение помехи общего вида;

En -- приведенное ко входу напряжение противофазной составляющей помехи.

Для указанной эквивалентной схемы степень асимметрии определяется отношением интенсивности помехи общего вида Ei к напряжению помехи En, наведенной между проводниками кабеля на входе эквивалентной схемы приемника:

Отношение Ei/En определяется следующей формулой (промежуточные вычисления опущены):

,

где Yx=1/Zx, Gs=1/Rs.

Пусть Yb - Ya = Yd. Кроме того, исходя из практических соображений, можно считать, что (Ya, Yb, Yc) << Gs. Тогда степень асимметрии приближенно выражается следующей формулой:

Таким образом, степень асимметрии обратно пропорциональна сумме разностей полных (комплексных) проводимостей между каждой входной клеммой каждого приемника и землей и не зависит от полной синфазной проводимости входа приемника относительно земли (Ya+Yb). Симметрия канала наиболее существенна в области высокочастотных составляющих передаваемого сигнала, которые лежат в полосе пропускания приемника.

Разница значений емкости между каждой входной клеммой прием ника и землей, составляющая всего лишь несколько пикофарад, может привести к значительной асимметрии канала, если применяемый приемник имеет полосу пропускания порядка сотен МГц. Например, для 10 приемников, подключенных к кабелю, волновое сопротивление которого составляет 120 Ом, наличие разности емкостей между входными клеммами каждого из них и землей, равной 10 пФ, приведет к асимметрии канала на частоте 10 МГц, составляющей около 10 дБ. На более высоких частотах (например, 50 МГц) конфигурация системы будет аналогична однопроводной с общим обратным проводом, которая лежит в основе интерфейса RS-232-C. В связи с изложенным настоятельно рекомендуется использовать экранированную витую пару, что обеспечивает как симметрию линии связи, так и повышение устойчивости к электромагнитным помехам.

5.8 Дополнительные требования к реализации заземления

Для правильного функционирования цепей формирователя и приемника при обмене данными единицы оборудования системы должны иметь путь возврата сигнала между цепями заземления на приемной и передающей сторонах. Цепь заземления может быть выполнена путем непосредственного присоединения общих каждого устройства к точкам, имеющим нулевой потенциал. Указанный способ допустим только при гарантированном равенстве потенциалов земли в местах размещения единиц оборудования системы. Кроме того, цепь заземления может быть реализована при помощи дренажного проводника, который имеется внутри кабеля передачи данных, как показано на рис. 5.5. При реализации цепи сигнального заземления вторым способом соединение третьего (дренажного) проводника с сигнальным общим проводом каждого устройства должно быть выполнено через резистор небольшого сопротивления, например 100 Ом, который предназначен для ограничения блуждающих токов, когда в целях безопасности применяются другие цепи заземления.

Рис. 5.5. цепь заземления реализованая при помощи дренажного проводника.

В ряде случаев для повышения устойчивости к помехам электрического (не магнитного) характера применяется экранированный кабель передачи данных. При его использовании экран должен быть соединен с корпусом оборудования только в одной из двух наиболее удаленных точек размещения технических средств системы. Реализация второго варианта допустима только при гарантированном равенстве потенциалов земли в местах размещения единиц оборудования системы. Требования к средствам присоединения экрана кабеля стандартом EIA RS-485 не устанавливаются.

Способ реализации цепей заземления при использовании приемопередатчиков с гальванической изоляцией показан на рис. 5.1.

5.9 Конфликтные ситуации

Если к линии связи подключены два формирователя или более, то возможна ситуация их одновременного перехода в активное состояние. В случае, когда один формирователь в активном состоянии является источником, а второй -- потребителем тока, может произойти чрезмерный разогрев компонентов выходных каскадов формирователей. Подобная ситуация носит название конфликтной. Поскольку требования к системе могут предопределять возможность одновременного перехода в активное состояние более чем одного формирователя, условия испытаний согласно п.3.4.2 стандарта EIA RS-485 установлены с учетом ограничения максимальной мощности, рассеиваемой компонентами выходного каскада формирователей.

Конфликтные ситуации могут возникать по следующим причинам.

1. Включение питания системы.

2. При включении питания системы либо при повторном включении после кратковременного отключения несколько формирователей (или все) в процессе инициализации могут пребывать в активном состоянии.

3. Неисправность системы.

4. Возникновение неисправности системы или сбой программного обеспечения могут привести к переводу нескольких формирователей в активное состояние.

5. Использование протокола обмена, допускающего осуществление попыток одновременного доступа к каналу связи со стороны нескольких устройств. Некоторые протоколы обмена могут содержать процедуры доступа к каналу связи, предусматривающие перевод нескольких формирователей в активное состояние на короткие интервалы времени. Однако, в конечном счете, канал предоставляется одному устройству, что обеспечивает разрешение конфликтной ситуации.

Механизмы возникновения неисправности формирователя показаны на рис. 5.6. и рис. 5.7.

Рис. 5.6. Конфликтная ситуация, вызванная одновременной активацией двух формирователей.

На рис. 5.6. изображены выходные цепи двух формирователей, присоединенные к общей линии связи. Ток короткого замыкания будет протекать через открытое верхнее плечо формирователя A и открытое нижнее плечо формирователя B. При наличии разности потенциалов между землями формирователей, лежащей в диапазоне от минус 7 до плюс 7 В, мощность, рассеиваемая формирователем A, может превысить предельно допустимое значение. Например, если предельно допустимый ток нагрузки формирователя A составляет 250 мА, а разность потенциалов между землями формирователей -- 7 В, то рассеиваемая мощность будет составлять около 3 Вт.

Рис 5.7. Конфликтная ситуация, вызванная одновременной активацией нескольких формирователей.

Ситуация, когда несколько формирователей нагружено на один, иллюстрируется рис. 5.7. По нижнему плечу формирователя В протекает суммарный ток от нескольких формирователей A, что может привести к его выходу из строя за счет увеличения напряжения насыщения (коллектор-эмиттер) и соответствующего роста рассеиваемой мощности. Таким образом, формирователь должен быть оснащен средствами защиты, предотвращающими выход из строя по описанным ранее причинам.

Наиболее очевидными решениями указанной задачи являются:

· введение элементов ограничения тока;

· реализация тепловой защиты формирователя.

При использовании ограничителей тока уменьшается рассе иваемая мощность и после разрешения конфликтной ситуации работоспособность устройства мгновенно восстанавливается. В случае же применения тепловой защиты при ее срабатывании время восстановления формирователя значительно возрастает. Таким образом, предпочтительно реализовывать тепловую защиту таким образом, чтобы ее порог срабатывания был близок к предельно допустимому значению тока, протекающего по цепям выходного каскада формирователя. Совместно с тепловой защитой рекомендуется устанавливать в выходных цепях формирователя элементы ограничения тока, функция которых состоит вснижении рассеиваемой мощности при протекании тока, незначительно превышающего номинальный.

Конфликтные ситуации, сопровождаемые протеканием по линии большого тока, приводят к тому, что в линии связи запасается реактивная энергия. При резком снижении тока происходит всплеск напряжения, интенсивность которого определяется формулой:

где U -- амплитуда всплеска напряжения; Iкз -- суммарный ток короткого замыкания, протекавшего в линии при конфликтной ситуации; Zk -- волновое сопротивление линии связи.

Разработчик системы должен предусматривать возможность возникновения всплесков напряжения, амплитуда которых существенно превышает установленное стандартом значение (25 В). Указанные всплески могут быть вызваны кратковременными мощными помехами, возникающими при коммутации силового оборудования, а также атмосферными разрядами. Схема подключения устройства подавления импульсных помех показана на рис. 5.8. При реализации внешних цепей защиты приемопередатчиков следует учитывать тот факт, что каждое установленное устройство подавления выбросов напряжения в линии связи вносит емкость, эквивалентную емкости кабеля длиной около 120 м.

Рис. 5.8. Схема подключения устройства подавления импульсных помех.

6. Организационно-экономическая часть

6.1 Технико-экономическое обоснование целесообразности проектирования сети BitBus

В данном дипломном проекте рассмотрены вопросы создания локальной промышленной сети BitBus с использованием витой пары и Wi-Fi технологии для автоматизации технологических процессов.

На современном этапе развития и использования локальных промышленных сетей наиболее актуальное значение приобрели такие вопросы, как оценка производительности и качества локальных промышленных сетей и их компонентов, оптимизация уже существующих или планируемых к созданию промышленных компьютерных сетей. Сейчас, когда промышленные компьютерные сети стали определяющим компонентом в информационной стратегии большинства предприятий, недостаточное внимание к оценке мощности локальной вычислительной сети и ее планированию привело к тому, что сегодня для поддержки современных приложений в архитектуре клиент-сервер многие сети необходимо заново проектировать, а во многих случаях и заменять.

Производительность и пропускная способность промышленных локальных сетей определяется рядом факторов:

- выбором кабельной системы, серверов и рабочих станций,

- каналов связи,

- сетевого оборудования,

- сетевых операционных систем и операционных систем рабочих станций,

- распределением информации в сети,

- организацией распределенного вычислительного процесса, а также защиты и поддержания и восстановления работоспособности в ситуациях сбоев и отказов и т.п.

Реализация данного проекта, произведенная с учетом всех вышеперечисленных факторов, позволит сократить время анализа всевозможных нештатных ситуаций, бумажный документооборот внутри промышленных предприятий, повысить производительность труда, сократить время на получение и обработку информации, выполнять точный и полный анализ данных, обеспечивать получение любых форм отчетов по итогам работы. Как следствие, образуются дополнительные временные ресурсы для разработки и реализации новых проектов.

Задачи разработки промышленной локальной сети и пути её решения представлены на рисунке 20 в виде «дерева целей».

6.2 Организационная часть

Для работ, связанных с проектированием и монтажом промышленной локальной сети BitBus необходим коллектив, рабочих и ИТР.

6.2.1 Состав группы разработчиков и должностные оклады

Для выполнения поставленной задачи необходимо определить уровень новизны и сложности проекта и составить штатное расписание проектной группы.

Исходя из справочно-нормативной литературы, разработку промышленной компьютерной сети можно отнести к 3 категории сложности и к группе новизны "Б" - конструирование, требующее экспериментальной проверки всех составных частей или технических решений и их взаимодействия в заданных параметрах.

Для выполнения полного объема работ (от подготовительного этапа до приема работы, см. табл.8) необходима проектная группа, представленная в таблице 6.1.

Таблица 6.1. Штатное расписание.

Данные взяты в ЗАО ПГО «Тюменьпромгеофизика».

6.2.2 Перечень основных этапов разработки локальной промышленной сети BitBus

Проектирование происходит в несколько этапов, в которых принимает участие не только состав группы разработчиков, но и монтажники, обеспечивающие монтаж витой пары. Все этапы работ приведены в таблице 6.2.

Таблица 6.2. Перечень основных этапов работ.

6.2.3 Смета затрат на разработку локальной промышленной сети

Принимая за основание данные, приведенные в таблице 6.2. рассчитаем смету затрат на работы по следующим статьям затрат:

1. Затраты на материалы (бумага А4 5 пачек - 1000 руб.; канцелярские принадлежности - 600 руб.; техническая литература -1900 руб.) составляют 3500 руб.

2. Расчет затрат на заработную плату ИТР (представлен в таблице 6.3.)

Таблица 6.3. Расчет затрат на з/п ИТР

3. Производственные командировки - 20% от основной заработной платы: руб.

4. Контрагентские расходы - 25% от основной заработной платы: руб.

5. Прочие денежные расходы - 100% от основной заработной платы: руб.

Полученные данные сводим таблицу 6.4.

Таблица 6.4. Смета затрат на разработку проекта.

6.3 Экономическая часть

В экономической части рассчитывается полная себестоимость промышленной локальной сети BitBus по следующим статьям затрат:

6.3.1 Затраты на основные и вспомогательные материалы

Для монтажа промышленной сети используются Profibus cable AWG22 3079A, Разъемы RS-485, а также витая пара категории 5е.

Данные по ценам на эти материалы формируются в основном на договорной основе и обговариваются на подготовительном этапе. В таблице 6.5. приведен расчет затрат на основные и вспомогательные материалы, используемые при монтажной работе.

Таблица 6.5. Расчет затрат на основные и вспомогательные материалы, используемые при монтажной работе

6.3.2 Затраты на покупные комплектующие изделия

Затраты на комплектующие для промышленной сети представлены в таблице 6.6.

Таблица 6.6. Затраты на комплектующие ЛВС

6.3.3 Расчет заработной платы монтажников, занятых монтажом промышленной сети.

Расчет заработной платы монтажников, занятых монтажом промышленной сети, представлен в таблице 6.7.

Таблица 6.7. Расчет заработной платы монтажников

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6