Методика определения параметров линии связи

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

Т_b = 1 / C.

2. Задать максимальное напряжение сигнала U₀, которое должно присутствовать на входе самого отдаленного приемника.

3. Задать максимально допустимый уровень искажений сигнала d (%) на входе самого отдаленного приемника.

4. Задать требуемое значение длины линии связи L (м).

5. Вычислить максимальное допустимое значение омического сопротивления:

R_L = R_C*(U_min - U₀) / U₀,

где R_L - полное омическое сопротивление кабеля длиной L;

R_C - сопротивление согласующего резистора, равное волновому сопротивления кабеля;

U_min - минимальное напряжение сигнала на выходе формирователя (U_min = 1, 5 В);

6. Вычислить погонное сопротивление кабеля по формуле

r_К = R_L / L.

7. Руководствуясь справочными данными, выбрать кабель, волновое сопротивление которого равно принятому R_C, а погонное - не более вычисленного r_К.

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

t_r = 2, 2*R_экв.*C_k*L,

где t_r - длительность переднего фронта сигнала на входе самого удаленного приемника;

C_k - погонная емкость кабеля;

R_экв. - эквивалентное активное сопротивление нагрузки формирователя, определяемое по формуле:

R_вх - входное сопротивление приемника;

R_С - сопротивление согласующего резистора;

n - предполагаемое количество приемников, подключаемое к кабелю;

Z_k - волновое сопротивление кабеля.

9. Установить реальное значение искажений сигнала на входе самого удаленного приемника d, которое определяется как соотношение длительности переднего фронта сигнала, рассчитанной в п. 8, к полной длительности информационного бита, рассчитанного в п. 1, а также минимальным напряжением сигнала на входе самого удаленного приемника U₀ в соответствии с графиками (см. рис. 3). 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.

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

Пусть требуемая длина 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 максимальное значение скорости передачи данных.

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

t_r = 2, 2*R_экв.*C_k*L = 2, 2*(180...200)*(80...100)*1200 = (38, 02...52, 08) мкс.

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

2 / (52, 08*10^-6) £ С_max £ 2 / (38, 02*10^-6),

9600, 6 бит/с £ С_max £ 13151, 0 бит/с.

Если в качестве среды обмена применять 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.

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 разными факторами. 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 имеют преимущественно емкостной характер. Разработчик должен учитывать, что даже при невысоких скоростях обмена, например 19, 2 кбит/с, длительности переднего и заднего фронта 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.

Основная литература

1. Пьявченко Т. А. Проектирование АСУТП в SCADA-системе: Учебное пособие. Таганрог: изд-во ТРТУ. 2007. – 128 с.

2. Номенклатурные справочники и прайс-листы фирм производителей современных технических средств автоматизации (СНГ и дальнее зарубежье, 2003-2011 г, имеются на кафедре АТУ, в том числе в электронном варианте)

3. Автоматическое управление в химической промышленности: Учебник ВУЗов./Под ред. Е.Г.Дудникова. - ML: Химия, 1987. 168 с, ил.

Дополнительная литература

4. Федоров Ю.Н. Справочник инженера по АСУТП: Проектирование и разработка. – M.: Инфра-Инженерия, 2008. – 928 с.

5. Нестеров А.Л. Проектирование АСУТП: Методическое пособие. Книга 1. – СПб.: Издательство ДЕАН, – 2006. – 757 с

6. Нестеров А.Л. Проектирование АСУТП: Методическое пособие. Книга 2. – СПб.: Издательство ДЕАН, – 2009. – 944 с

7. Wolfgang Altmann. Practical Process Control for Engineers and Technicians. Newnes An imprint of Elsevier Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP. 2005