Архив / 1996 / №8-9 / 

Высоко-производительная распределенная система ввода-вывода

В последнее время многие разработчики компьютерных систем управления рассредоточенными технологическими процессами заняты поиском подходящего варианта системы передачи данных, использующей в качестве среды передачи оптическое волокно. Для этого есть достаточно веское основание: оптическое волокно имеет ряд существенных преимуществ перед традиционными металлическими проводниками:

– широкая частотная полоса пропускания сигнала;
– низкий показатель затухания сигнала в линии;
– малое сечение и малая масса проводника;
– невосприимчивость к электромагнитным помехам;
– отсутствие искрения при обрыве проводника;
– защищенность от несанкционированного доступа.

Благодаря этим качествам система передачи данных может иметь высокую пропускную способность даже при значительной территориальной распределенности в тяжелых производственных условиях. За последние несколько лет разработчиками накоплен достаточный опыт создания промышленных систем с использованием оптоволоконных каналов. Существуют, например, системы, построенные на интерфейсах FDDI, OLIVIA, MIL-1773. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки, но ни один из них не получил еще статуса стандарта «де-факто» для систем управления технологическими процессами.

Это связано с исключительным разнообразием, иногда – несовместимых требований разработчиков к аппаратным и программным средствам, используемым для создания систем управления, начиная с жестких требований к надежности и быстродействию и, кончая естественным желанием минимизировать общую стоимость системы. Немаловажным показателем при выборе варианта системы передачи данных является ее «прозрачность». Для программиста-прикладника «прозрачность» означает, прежде всего, легкость посылки и приема необходимых данных без учета особенностей каналов передачи.

В статье [1] уже обсуждались причины перехода от локальных сетей типа Ethernet к местным шинам класса Fieldbus, позволяющим использовать на нижнем уровне систем управления «безинтеллектуальные» контроллеры, что одновременно снижает стоимость оборудования и стоимость программного обеспечения. Хотя, справедливости ради, следует отметить, что снижение стоимости аппаратной части не так уж велико: адаптеры оптоволо-конных сетей с протоколом Ethernet имеют умеренную стоимость (для ISA-шины около 340 USD, для PCI-шины около 400 USD) при достаточно высокой скорости передачи данных (10 Мбит/с). Но их использование подразумевает применение в распределенной системе «интеллектуальных» устройств связи с объектом (УСО), т.е. хоть и слабеньких, но компьютеров, работающих хоть под маленькой, но операционной системой со всеми необходимыми драйверами. В тех случаях, когда необходимо обеспечивать в системе режим реального времени, затраты на программное обеспечение становятся весьма значительными.

В 1992 году немецкая фирма OR Industrial Computers поставила на рынок средств автоматизации набор изделий для создания высокопроизводительной распределенной системы  ввода/вывода на базе оптоволоконной шины LIGHTBUS. Конечно, эта сеть еще не получила статуса Международного стандарта, хотя для этого, пожалуй, есть все предпосылки: такие солидные фирмы-пользователи сети LIGHTBUS как Klockner Moller, HOMAG, Muller Weingarten, Volvo уже заявили о полной пригодности распределенной системы для решения проблем по управлению технологическими процессами (при прочих равных условиях стандартизируется тот протокол, который нравится ведущим фирмам). Кроме того, сама фирма OR Indгstrial Computers среди своих изделий предложила целый спектр контроллеров шины LIGHTBUS для системных интерфейсов компьютеров, которые имеют наибольшее использование в системах управления (при прочих равных условиях стандартизируется тот протокол, который реализуется на наибольшем количестве различных аппаратных платформ). Созданы контроллеры для системных интерфейсов ISA, VMEbus, а также для интерфейсов компьютеров фирм Sun, Siemens, Mitsubishi, Eberle и других.

Оптоволоконная шина LIGHTBUS относится к сетям типа Fieldbus и предназначена для построения высокопроизводительных распределенных систем ввода/вывода в составе систем управления технологическими процессами, где требуется высокая скорость, надежность и помехозащищенность передачи данных.

В качестве среды передачи данных шина LIGHTBUS предполагает использование оптоволоконного кабеля. В зависимости от конктерных требований (условия окружающей среды, расстояния между узлами) предусмотрено применение кабелей с двумя типами световодов:

– PSF (Plastic Cladding Fiber) или «стеклянный» кабель (сердцевина из кварца, оболочка из пластика);

– APF (All Plastic Fiber) или «пластиковый» кабель (сердцевина и оболочка светодовода из пластика), краткие характеристики которых приведены в таблице 1.

Таблица 1


Характеристика кабеля


Тип кабеля

PCF

APF

Минимальная длина сегмента, м

0,2

0,2

Максимальная длина сегмента, м

600,0

45,0

Длина волны наилучшей передачи, нм

800

670

Показатель затухания сигнала, дБ/км

2

20

Физически, оптоволоконный кабель образует кольцо, в которое «врезаются» модули ввода-вывода сигналов, деля его на сегменты. Выбор кольцевой топологии связан с тем, что свет по оптоволокну может передаваться только в одном направлении через все модули. Допускается использование в одном кольце на различных участках разных типов кабелей. Логически, оптоволоконный кабель образует моноканал магистрального типа с селекцией данных: все модули получают информацию одновре-менно, но откликаются только на свой адрес. Скорость передачи данных в моноканале 2,5 Мбод (скорость лимитируется не волокном, а устройствами приема-передачи, так что ее увеличение достигается только заменой излучателей и приемников). В качестве передатчика используется оптический излучатель (Transmitter) типа ТОТХ170А (для кабеля APF и PCF) и типа ТОТХ170 (для кабеля PCF). Приемником сигналов служит элемент (Receiver) типа ТОRХ170 (для любого типа кабеля).

байт 1
байт 2
 

байт 3
байт 4
байт 5
байт 6
байт 7

 

7  6  5  4  3  2  1  0
7  6  5  4  3  2  1  0
 

7  6  5  4  3  2  1  0
7  6  5  4  3  2  1  0
7  6  5  4  3  2  1  0
7  6  5  4  3  2  1  0
7  6  5  4  3  2  1  0

 

адресные биты
управляющие биты
биты прерывания
биты команд
байт 0 данных пользователя
байт 1 данных пользователя
байт 2 данных пользователя
байт 3 данных пользователя
контрольные биты
резерв
биты контрольной суммы

Схема распределения информационных байтов

Протокол передачи данных по оптоволоконной шине LIGHTBUS реализован на программируемой логической матрице XILINX. Каждые 25 мкс контроллер передает в кольцо посылку (Telegram) длиной 59 бит (1 старт-бит + 7 информа-ционных байт + 2 стоп-бита).

Информационные байты распределяются следующим образом (см. схему).

В кольце может находиться  до 254 модулей ввода/вывода, которыми управляет один контроллер, установленный на HOST-компьютере (адреса узлов 0 и 255 зарезервированы в системе). Допустимые функции (состояние полубайта команд) представлены в табл. 2.

Таблица 2

Разряды команды

Имя функции

Описание функции

CR3

CR2

CR1

CR0

0

0

0

0

READ

Читать входные данные из модуля

0

0

0

1

WRITE & READ

Писать выходные данные в  модуль и чистать входные  данные из модуля

0

0

1

0

ADDRESS-INIT

Установить адрес модуля; модулю присваивается новый адрес, задаваемый пользователем

0

1

0

0

CHECK ADDRESS & COUNT

Определить количество модулей в кольце и присвоить модулям адреса в порядке возрастания

1

0

0

1

LOW INTENSITY

Определить качество связи между двумя соседними модулями

Модули ввода/вывода могут выставлять требования на прерывание в любой посылке в течение цикла передачи. При этом, получив посылку с установленными битами прерывания, HOST-компьютер переходит к процедуре обработки сетевого прерывания (по вводу или по выводу), поддерживая, таким образом, режим работы в реальном времени. Система ввода/вывода, построенная на шине LIGHTBUS, обеспечивает при функционировании автоматическую диагностику: в случае обрыва кабеля или выхода из строя одного или нескольких модулей ввода/вывода, встроенный диагностический тест определяет местонахождения неисправности.

В качестве модулей ввода/вывода на шине LIGHTBUS могут использоваться следующие изделия фирмы OR Industrial Computers:

– модули ввода/вывода дискретных сигналов;
– модули вывода мощных дискретных сигналов;
– модули ввода/вывода аналоговых сигналов;
– модули ввода числоимпульсных сигналов;
– модули коммуникационных последовательных портов;
– модули специализированых преобразователей и другие модули.

Все модули ввода/вывода имеют алюминиевые защитные корпуса, которые легко крепятся к монтажной рейке. Имеются варианты брызгозащищенного исполнения со степенью защиты IP65.

Большие возможности перед разработчиками специализированной аппаратуры для автоматизации процессов открывает «интерфейсный» модуль (модуль каналов пользователя) типа LM1200/LM1210, который позволяет без больших усилий создавать необходимые модули ввода/вывода, подключаемые к шине LIGHTBUS. Обмен сигналами осуществляется через стандартные 34-точечные разъемы (на интерфейсном модуле – штыри, на изделии пользователя – гнезда 2х17). Уровни сигналов соответствуют уровням транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ: «логический нуль»: max 0,4-0,8 В и «логическая единица»: min 2,0-2,4 В).

В качестве первого шага для освоения шины LIGHTBUS фирма OR Industrial Computers предлагает дешевый (995 DM) демонстрационный комплект программно-аппаратных средств, который включает:

– ведущий контроллер сети (для шины ISAbus);
– модуль ввода/вывода дискретных сигналов (8/8);
– два сегмента оптоволо-конного кабеля (3 м каждый);
– демонстрационную версию компилятора (PCL/NC под MS-DOS);
– библиотеку программных модулей (C, BASIC, PASCAL).

Литература

1. Лутохин А.А., Рыжов Е.Н. Программно-технический комплекс для систем управления рассредоточенными объектами//Автоматизация и производство, 1996, № 7.

Александр Лутохин, Евгений Рыжов