Сензорни интерфейси

Cъбирането на информация от различни видове сензори е съществена част от работата на съвременните системи за автоматизация на производството. За целта се използват разнообразни стандартизирани интерфейси. В зависимост от типа на преносната среда те най-общо могат да се разделят на две групи – жични и безжични интерфейси. В зависимост от типа на сигнала биват с аналогов, с честотен и с цифров сигнал на изхода.

Аналогови интерфейси
За аналогови изходи най-често приложение намира стандартът 4-20 mA, което се дължи на неговата ниска инсталационна себестойност, лекота на използване, здравина и шумоустойчивост. При него най-малката стойност от обхвата на сензора съответства на 4mA ток, а най-голямата – на 20 mA. Останалите показания на сензора се мащабират в границите между 4 и 20 mA.

По презумпция този интерфейс гарантира, че по линията винаги ще протича ток и по този начин при възникване на проблем устройствата, към които са свързани сензорите, лесно могат да се открият, когато няма протичане на ток. Данните от сензорите с 4-20 mA интерфейс могат да се предават на голямо разстояние и сигналът е малко зависим от смущения.

На базата на 4-20 mA интерфейса е реализиран HART протоколът за обмен на данни със сензори. При него се реализира обмен на цифрова информация посредством наслагване на цифровите данни върху аналоговия сигнал.

Сензорите с честотен изход също притежават висока устойчивост на шумови смущения, но в сравнение с аналоговите сигнали, честотните могат да се предават на по-големи разстояния. Освен това, за разлика от сензорите с аналогов изход, тези с честотен запазват енергията на сигнала при предаване на големи разстояния, без да се нуждаят от предварително усилване.

Друга отличителна черта е високата им точност при измерването на честотен сигнал, която се постига на базата на кристални резонатори. Грешката им при преобразуване на честота в цифров код е пренебрежимо малка (от порядъка на 0.001%). Самото преобразуване на измерваната величина в честотен сигнал може да се разглежда като процес на интегриране във времето, при който се филтрират евентуални шумове.

Най-често сигналът на сензорите с честотен изход е правоъгълно изменящ се, като честотата му се променя в зависимост от входния сигнал на сензора. По стойността на генерираната честота се съди за състоянието на измерваната величина.

При сензорите с изход с широчинно-импулсна модулация изходният сигнал представлява правоъгълен сигнал, при който се променя коефициентът на запълване. Промяната на коефициента на запълване носи информация за измерената от сензора стойност.

Цифрови интерфейси
AS-интерфейсът е мрежов протокол на ниво сензори/изпълнителни механизми, който се поддържа от почти всички водещи компании в областта на промишлената автоматизация. Интерфейсът е специално предназначен за удовлетворяване нуждите от работа в мрежа на устройства в приложения, където опростеността и разходите за свързване на точка са от най-голямо значение.

Разработчиците на AS-интерфейса са заложили на метод за модулация на сигналите. Избрана е т.нар. алтернативно-импулсна модулация (APM). Представлява техника на модулация, която се приема като опростена и ефикасна. Тази техника се отличава и с редица други предимства, правещи я много подходяща за мрежи с AS-интерфейс. APM се провежда в честотната лента на сигнала, следователно при нея отсъства необходимостта от носеща честота.

Процесът на модулация е независим от правия ток и поради това може да се добави към захранващото напрежение. На следващо място, сигналът заема тясна честотна лента, което улеснява трансфера му. Излъчените от сигналите емисии са ниски и удовлетворяват изискванията на регулаторните органи без допълнително ширмоване на кабела. Приемникът и предавателят могат да бъдат лесно събрани в една интегрална схема.

AS-интерфейсът се разглежда като възможност за замяна на традиционните кабелни инсталации с цифрови. Разработен е специален електронен чип за вграждане в потребителски модули и полеви устройства с AS-интерфейс, осигурявайки добро ниво на надеждност в съвместната работа на устройствата.

RS-485 е широко разпространен интерфейс за събиране на данни и управление, позволяващ връзката на множество устройства по обща шина. Благодарение на тази възможност RS485 е сред предпочитаните интерфейси за комуникация в индустриалните системи и в частност – за свързване на сензори. Предаването на данни се осъществява, като се използват диференциални сигнали по две линии.

За да се повиши шумоустойчивостта, се използва кабел от тип усукана двойка. Стандартно е възможно да се свържат до 32 устройства към една обща шина, като в определен момент от време само едно устройство е предавател, а всички останали са приемници. Устройствата се свързват на обща шина, като в двата края на шината се поставят терминиращи резистори.

При използване на високо импедансни приемници могат да се включат до 256 възела. Една RS-485 мрежа може да се използва за разстояние не повече от 1220 m и да пренася информация до 10 Мbрs, но не и двете едновременно. При предаване на информация 90 Кbps максималната дължина на кабела е 1220 m, при 1 Мbps - 130 m, при 10 Mbps дължината на кабела пада на 16 метра. За повече възли и по-големи разстояния могат да се използват повторители, които регенерират сигналите и започва нова RS-485 линия.

Важно е да се отбележи, че в повечето случаи RS-485 се използва за приложения, които по своя характер не са критични за производството, което обяснява ниския приоритет, поставен върху предотвратяването на загуби на данни и създаването на мрежови резерви, за да се гарантира непрекъсната връзка или намаляване на времето на прекъсване на работа на системата.

CAN интерфейсът осигурява висока надеждност при предаването на информацията. Поддържа множество приложения и богат набор от апаратни средства с различни характеристики и производители. Скоростта на предаване на данни е между 10 Kbit/s и 1 Mbit. Максималният обем на предаваните съобщения е 94 bit. Устройствата се свързват към обща шина. Данните, излъчени от CAN, се изпращат едновременно по шината към всички устройства в мрежата.

За избягване на т. нар. колизии (две устройства започват да предават по едно и също време) се използва механизъм на работа CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). При него устройствата следят дали мрежата е свободна и ако няма предаване на друго съобщение –започват своето изпращане.

Ако в същия момент започне и друго устройство да предава, се извършва т. нар. побитово арбитриране на шината – устройството, предаващо логическа нула, печели арбитрирането, докато устройството, опитващо се да предаде логическа единица, прекратява предаването и изчаква шината да бъде отново освободена. Съдържанието на съобщението е кодирано със специален и характерен за CAN мрежата идентификатор, който носи информация за това какво се предава в това съобщение.

Всички приемници приемат информацията и всеки извършва тест на идентификатора, за да определи какво се съдържа в съобщението. Ако то е подходящо за приемника, се приема и обработва, ако не - се пропуска. Идентификаторът съдържа информация за приоритета на съобщението, който се градира най-малко в две степени – висок, нисък или приоритет по нива. Предаването на информацията става от двупроводна усукана двойка или телефонна линия, ако индуктираните смущения не са високи.

Базовите спецификации CAN не предоставя много възможности, необходими в реалните системи, като: предаване на данни с дължина по-голяма от 8 байта, автоматично разпределение на идентификаторите между възлите, еднообразно управление на устройства от различен тип и производителност. Поради това след появата на CAN започват да се разработват модификации на протоколи от високо ниво като СANopen, DeviceNet и др.

Profibus. Възможните технологии за пренос на данни са RS485, IEC 1158-2 или оптични кабели. Позволява програмируеми контролери с разпределена интелигентност да се свързват в обща мрежа. Обхваща три основни типа мрежи – DP (Decentralized Periphery), FMS (Fieldbus Message Specification) и PA (Process Automation). Profibus DP позволява скорости на обмен до 12 Mbit/s. Методът на комуникация е master/slave или равноправен обмен.

Преносната среда е усукана двойка. Максималният брой поддържани устройства е над 100. Profibus PA намира приложение при управление на процеси и интелигентни измервателни прибори. Позволява скорости на обмен до 30 kbit/s. Методът на комуникация е master/slave или равноправен обмен. Profibus FMS е проектиран за комуникация на по-високо йерархично ниво в САУМК и не е подходящ във функцията на комуникационна среда на полевото ниво.

IEEE 1451.4 е един от стандартите, разработени да описват начина на свързване на интелигентни сензори. IEEE 1451.4 дефинира няколко важни елемента на интелигентните сензори, отнасящи се до принципа им на работа и до техния интерфейс. Основната идея на стандарта е възможността сензорът да съхранява информация за самия него, която да улесни използването му.

Информацията съдържа данни за типа на сензора, серийния му номер, обхвата на измерванията, датата на последното калибриране и др. Тази информация се намира в EEPROM памет в сензора, като е организирана в т. нар. TEDS - Transducer Electronic Data Sheets. Стандартът IEEE 1451.4 запазва аналоговия сигнал от сензора, като същевременно добавя възможност за серийна цифрова връзка за четене на данните, записани в TEDS.

IO-Link е сравнително нов сензорен интерфейс за връзка между интелигентни сензори и изпълнителни прибори. Той е от типа отворени интерфейси и осъществява двупосочна връзка между управляващо устройство (Master) и едно или повече управляеми устройства (Device, Slave) обикновено чрез използването на 3-проводни линии.

Управляемите устройства може да са произволна комбинация от сензори (от различен вид) и изпълнителни механизми, включително индикатори и прибори за радиочестотна идентификация RFID, без да има принципни ограничения за техния брой. Във всеки момент от времето Master-устройството е свързано само към едно от тях и може да предава или приема, т.е. връзката е полудуплексна (Half Duplex).

Скоростите на обмен на данните са 4,8 kbps, 38,4 kbps и 230,4 kbps, като управляващото устройство трябва да осигурява и трите. От своя страна, то може да е част от някакво устройство, например хъб, и да се свързва към програмируем логически контролер или промишлен компютър чрез някой от индустриалните интерфейси.

ZigBee. Като надстройка на стандарта IEEE 802.15.4, ZigBee дефинира мрежов слой, слой за сигурност и потребителски слой. Чрез него се опростява разработката на безжични устройства и се постига възможност за комуникация между продукти на различни производители.

Стандартът IEEE 802.15.4 специфицира физическия и каналния слоеве за множество радиочестотни ленти, включително 868 MHz, 915 MHz и 2,4 GHz. ZigBee разширява възможностите на този радио-стандарт, дефинирайки гъвкав и надежден мрежов слой, който поддържа разнообразие от архитектури, за да се постигне надеждна безжична комуникация.

В стандарта са дефинирани три типа устройства, които се включват в една ZigBee мрежа: ZigBee coordinator – ZC; ZigBee router – ZR и ZigBee End Device – ZED. Във всяка мрежа има един ZigBee координатор, който на практика изгражда мрежата, асоциира или изключва устройства. ZigBee маршрутизаторът има възможност да маршрутизира съобщения от съседните му устройства в мрежата към други устройства.

Крайните устройства при ZigBee не могат да маршрутизират съобщения, но пък, от своя страна, те могат да бъдат устройства на батерийно захранване, които се включват към мрежата за кратко време, обменят информация с други устройства в мрежата и преминават в режим на намалена консумация.

Сензорите със ZigBee интерфейс основно работят като крайни устройства и са приспособени за батерийно захранване. Стандартът търпи допълнения с времето, но основно негово предимство е възможността на негова база да се изграждат безжични мрежи от сензори.

Статията продължава в следващ брой.