5.2.1. Физические среды передачи данных в промышленных сетях.

Для организации промышленных сетей применяются следующие типы кабелей:

□ витая пара;

□ коаксиальные кабели;

□ волоконно-оптические кабели.

Основные конструкции кабелей схематично показаны на рис. 8.16.

Витой парой называется скрученная пара проводов. Этот вид среды передачи данных очень популярен и составляет основу большого количества как внутрен­них, так и внешних кабелей. Кабель может состоять из нескольких скрученных пар (внешние кабели иногда содержат до нескольких десятков таких пар).

Скручивание проводов снижает влияние внешних и взаимных помех на полез­ные сигналы, передаваемые по кабелю.

Кабели на основе витой пары являются симметричными, то есть они состоят из двух одинаковых в конструктивном отношении проводников. Симметричный ка­бель на основе витой пары может быть как экранированным, так и неэкранированным.

Нужно отличать электрическую изоляцию проводящих жил, которая имеется в любом кабеле, от электромагнитной изоляции. Первая состоит из непрово­дящего диэлектрического слоя — бумаги или полимера, например поливинилхлорида или полистирола. Во втором случае помимо электрической изоляции проводящие жилы помешаются также внутрь электромагнитного экрана, в каче­стве которого чаще всего применяется проводящая медная оплетка.

Экранированная витая пара хорошо защищает передаваемые сигналы от внеш­них помех, а также меньше излучает электромагнитные колебания вовне, что, в свою очередь, защищает пользователей сетей от вредного для здоровья излу­чения. Наличие заземляемого экрана удорожает кабель и усложняет его про­кладку.

Коаксиальный кабель состоит из несимметричных нар проводников. Каждая пара представляет собой внутреннюю медную жилу и соосную с ней внешнюю жилу, которая может быть полой медной трубой или оплеткой, отделенной от внутренней жилы диэлектрической изоляцией. Внешняя жила играет двоякую роль — по ней передаются информационные сигналы и она является экраном, защищающим внутреннюю жилу от внешних электромагнитных полей. Сущест­вует несколько типов коаксиального кабеля, отличающихся характеристиками и областями применения: для локальных компьютерных сетей, для глобальных телекоммуникационных сетей, для кабельного телевидения и т. п.

Волоконно-оптический кабель состоит из тонких (5-60 микрон) гибких стек­лянных волокон (волоконных световодов), по которым распространяются свето­вые сигналы. Это наиболее качественный тип кабеля — он обеспечивает переда­чу данных с очень высокой скоростью (до 10 Гбит/с и выше) и к тому же лучше других типов передающей среды обеспечивает защиту данных от внешних помех (в силу особенностей распространения света такие сигналы легко экранировать).

Каждый световод состоит из центрального проводника света (сердцевины) — стеклянного волокна, и стеклянной оболочки, обладающей меньшим показате­лем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине, лучи света не выхолят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки.

5.2.2. Топологии промышленных сетей

Под топологией сети понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют конечные узлы сети, а ребрам — физические или информационные связи между вершинами. Узлами сети могут выступать персональные компьютеры со SCADA-системами, контроллеры, интеллектуальные датчики и исполнительными устройствами.

Существующие топологии отличаются друг от друга по трем основным критериям: режим доступа к сети; средства контроля передачи и вос­становления данных: возможность изменения числа узлов сети.

Основными се­тевыми топологиями являются звезда, кольцо и шина.

Известны также древо­видная/иерархическaя (tree hierarchical) топология, ячеистая (mesh) и смешанная (mixed) топология.

Звезда (радиальная)

При топологии «звезда» все компьютеры с помощью сегментов кабеля подключаются к центральному компоненту, именуемому концентратором (hub). Сигналы от передающего компьютера поступают через концентратор ко всем остальным.

В сетях с топологией «звезда» подключение кабеля и управление конфигурацией сети централизованны. Каждое устройство имеет свою собственную среду соединения (выделенный именному ему канал связи). Но есть и недостаток: так как все компьютеры подключены к центральной точке, для больших сетей значительно увеличивается расход кабеля. К тому же, если центральный компонент выйдет из строя, нарушится работа всей сети.

А если выйдет из строя только один компьютер (или кабель, соединяющий его с концентратором), то лишь этот компьютер не сможет передавать или принимать данные по сети. На остальные компьютеры в сети это не повлияет.

1. Радиальная структура обеспечивает максимальную скорость обмена информацией.

2. Никто другой не может влиять на среду передачи конкретного узла.

3. Надежность всей системы зависит от надежности ЦУС. При выходе его из строя система распадается на децентрализованную.

4. Необходимо значительное количество кабеля.

5. Дополнительное устройство может быть вклю­чено в сеть только в том случае, если организован порт для его подсоединения к центральному узлу.

Коммутация каналов и пакетов с рисунками.

Кольцо

При топологии «кольцо» компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо. В кольце не существует определенного централизованного контроля. Сигналы передаются по кольцу в одном направлении и проходят через каждый компьютер. Каждый узел выступает в роли репитера, усиливая сигналы и передавая их следующему компьютеру. Поэтому, если выйдет из строя один компьютер, прекращает функционировать вся сеть, что требует применения специальных схем защиты и дублирования (рисунок).

Отказ в работе хотя бы одного узла приводит к нарушению работы кольца, а, следовательно, и к остановке всех передач. Чтобы этого избежать, необходимо включать в сеть автоматические переключатели, которые берут на себя инициативу, если данное устройство вышло из режима нормальной работы. Суще­ствует также структура "двойное кольцо", в котором одна ветвь является рабочей, другая – резервной.

Основной принцип передачи данных в кольцевой сети носит название передачи маркера. Суть его такова. Маркер последовательно, от одного компьютера к другому, передается до тех пор, пока его не получит тот, который «хочет» передать данные. Передающий компьютер изменяет маркер, помещает электронный адрес в данные и посылает их по кольцу.

Данные проходят через каждый компьютер, пока не окажутся у того, чей адрес совпадает с адресом получателя, указанным в данных. После этого принимающий компьютер посылает передающему сообщение, где подтверждает факт приёма данных. Получим подтверждение, передающий компьютер создаёт новый маркер и возвращает его в сеть.

На первый взгляд кажется, что передача маркера отнимает много времени, однако на самом деле маркер передвигается практически со скоростью света. В кольце диаметром 200 м маркер может циркулировать с частотой 10 000 оборотов в секунду.

Основными недостатками топологии являются высокая стоимость организации канала связи, нерациональное (в большинстве случаев) использование сетевого трафика.

Шина

Данная топология относится к наиболее простым и широко распространенным топологиям. В ней используется один кабель, именуемый магистралью или сегментом, вдоль которого подключены все узлы сети. В шинной структуре все устройства подсоединены к обшей среде передачи данных, или шине.

Данные в виде электрических сигналов передаются всем узлам сети; однако информацию принимает только тот, адрес которого соответствует адресу получателя, зашифрованному в этих сигналах. Причем в каждый момент времени только один узел может вести передачу.

Так как данные в сеть передаются лишь одним узлом, ее производительность зависит от количества узлов, подключенных к шине. Чем их больше, т.е. чем больше узлов, ожидающих передачи данных, тем медленнее сеть. Однако вывести прямую зависимость между пропускной способностью сети и количеством узлов в ней нельзя.

Узлы только «слушают» передаваемые по сети данные, но не перемещают их от отправителя к получателю. Поэтому, если один из компьютеров выйдет из строя, это не скажется на работе остальных. В активных топологиях компьютеры регенерируют сигналы и передают их по сети.

Отражение сигнала

Данные, или электрические сигналы, распространяются по всей сети – от одного конца кабеля к другому. Если не предпринимать никаких специальных действий, сигнал, достигая конца кабеля, будет отражаться и не позволит другим компьютерам осуществлять передачу. Поэтому, после того как данные достигнут адресата, электрические сигналы необходимо погасить.

Терминатор

Чтобы предотвратить отражение электрических сигналов, на каждом конце кабеля устанавливают терминаторы (terminators), поглощающие эти сигналы. Все концы сетевого кабеля должны быть к чему-нибудь подключены, например к компьютеру или к баррел-коннектору — для увеличения длины кабеля. К любому свободному — неподключенному — концу кабеля должен быть подсоединен терминатор, чтобы предотвратить отражение электрических сигналов.

Характеристики (плюсы и минусы)

В отличие от "кольца" адресат получает свой информационный пакет без посредников. Процесс подключе­ния дополнительных узлов к шине не требует аппаратных доработок со стороны уже работающих узлов сети. как это имеет место в случае топологии "звезда". Однако шинная топология требует жесткой регламентации доступа к среде передачи. Дан­ная структура также носит название "общая шина" и "магистраль". Существуют магистральные структуры разомкнутая и типа "петля".

Не боится отключения или подключения устройств во время работы. Хорошо подходит для сильно распределенных объектов. Имеет ряд «генетических» недостатков, а именно: присутствие в каждой точке сети общего трафика, опасность потери связи при одиночном обрыве канала связи или фатальном выходе из строя одного узла.

Значительно меньшие затраты на кабельную продукцию.

Таблица 4.2 Сравнительные характеристики основных топологий

Сравнительные характеристики	ЗВЕЗДА	КОЛЬЦО	ШИНА
Режим доступа	Доступ и управление через центрaльный узел	Децентрализованное управление. Доступ от узла к узлу	Возможен централизованный и децентрализованный доступ
Надежность	Сбой центрального узла сбой всей системы	Разрыв линии связи приводит к сбою всей сети	Ошибка одного узла не приводит к сбою всей сети
Расширяемость	Ограничено числом физических портов на центральном узле	Возможно расширение числа узлов, но время ответа снижается	Возможно расширение числа узлов, но время ответа снижается