Повторители интерфейса

Сетевое оборудование

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

o требуемая длина отводов от общей шины (например, для сетей на основе интерфейса RS-485) превышает допустимую;

o предельно допустимая длина линии связи меньше необходимой;

o необходимое количество подключенных к сети устройств превышает допустимое по спецификации на используемое оборудование;

o к сети необходимо подключить устройство, не имеющее соответствующего порта (например, вольтметр с портом RS-232 к сети на основе интерфейса RS-485 или Ethernet;

o необходимо объединить несколько различных сетей с различными протоколами в единую сеть (например, когда требуется объединить Ethernet c CAN и Modbus RTU);

o не удается ослабить влияние помех до допустимого уровня, используя медный кабель;

o 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.

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, 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 НИЛ АП 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

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, 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.