С конца шестидесятых годов, когда появились первые ПЛК (программируемые логические контроллеры) стали использоваться локальные вычислительные сети (ЛВС). Первые ЛВС появились в промышленности. Они соединяли различные электрические, гидравлические, пневматические и другие машины а также персональные компьютеры, миникомпьютеры и майнфреймы, позволяя существенно повысить производительность труда.
ЛВС представляет собой коммуникационную сеть, которая соединяет несколько устройств и служит средством для обмена информацией между этими устройствами.
Введение в ЛВС
При рассмотрении ЛВС необходимо обсудить три основных элемента:
Топология сети.
Среда передачи.
Схема доступа к сети.
Существуют различные методы, используемые для физического подключения ПЛК, а также компьютеров в локальной сети (ЛВС). Способ подключения этих устройств является и определяет топологию ЛВС.
Среда передачи (провода) используется для физического соединения узлов сети и имеет решающее значение для определения расстояния между узлами сети, частоту передачи сигнала и определяет другие физические параметры.
Еще одним важным аспектом ЛВС является активное оборудование. Это называется схемой доступа к сети.
Каналы сети ЛВС
Оконечное оборудование сети, такое как компьютер или ПЛК инициирует установление связи путем отправки сообщений. Коммуникационное оборудование, такое как модем, принимает, обрабатывает и передает сообщения. Таким образом, в ЛВС существует как минимум один отправитель сообщений и несколько получателей сообщений. Такая схема связи называется каналом. Различают симплекс, полудуплекс и дуплекс каналы.
Симплекс канал либо получает либо передает данные, но не одновременно. В симплекс канале поток данных направлен всегда только в одну сторону. Поэтому такой поток данных является однонаправленным: от отправителя к получателю или обратно.
Полудуплекс канал может менять направление потока данных, но не одновременно. В полудуплекс канале прием или передача данных разделены во времени. Т.е. в каждый момент времени в полудуплекс канале поток данных однонаправлен.
В режиме полного дуплекса коммуникационное оборудование одновременно передает и получает данные. В настоящее время применяются в основном системы полного дуплекса.
Среда передачи ЛВС
Имеется три основных типа среды передачи в сетях ЛВС:
Все эти типы кабелей используются для подключения различного оборудования к ЛВС. Из-за простоты монтажа, технического обслуживания, а также более низкой стоимости, экранированные и неэкранированные кабели (UTP/STP) являются наиболее распространенными. В электронной промышленности созданы различные стандарты для витой пары. Экранированная витая пара обладает большим иммунитетом к различным электромагнитным помехам, чем неэкранированная. Каждые две пары кабеля используются для одного канала передачи. Как правило, в производственных цехах более предпочтительно использовать экранированный кабель, где обычно присутствует электромагнитный шум. Наиболее часто по витой паре данные передаются со скоростью 16Мбс или 100Мбс. 16Мбс кабель имеет 3-4 скрутки на фут. 100Мбс кабель обычно имеет 3-4 скрутки на дюйм и может применяться для передачи данных на более значительные расстояния.
Коаксиальный кабель более дорогой, но он намного лучше защищен от помех, чем витая пара. В ЛВС используется три вида коаксиального кабеля в зависимости от типа передаваемого сигнала: основной (обычный), широкополосный и магистральный. В основном в сетях ЛВС используется 50 Ом кабель, а не обычный 75 Ом кабель. Обычный коаксиальный 50 Ом кабель используется исключительно для передачи цифровых сигналов. Заметим, что витая пара также используется в основном для передачи цифровых сигналов. В широкополосных и магистральных коаксиальных кабелях сигнал передается в аналоговом виде, поэтому модем перед отправкой сигнала преобразовывает его из цифрового в аналоговый. Это связано с тем, что аналоговые сигналы можно передавать на более значительные расстояния, чем цифровые, а также с тем, что аналоговый сигнал менее подвержен затуханию и воздействию шумов. По широкополосному коаксиальному кабелю часто передают сразу несколько частот. Заметим, что в широкополосные кабели часто используются для передачи телевизионных сигналов. Широкополосные кабели и необходимое для их работы оборудование значительно дороже.
Волоконно-оптические кабели могут нести сигнал со скоростью до 2Гбс и более на расстояние до 100 км и больше. Волоконно-оптические кабели наиболее защищены от электромагнитных помех, т.к. несут оптические сигналы. В волоконно-оптическом канале могут передаваться сразу несколько частот. Материальные затраты на монтаж, техническое обслуживание волоконно-оптических кабелей значительно выше, чем у витой пары или коаксиального кабеля.
В настоящее время из-за затрат для монтажа ЛВС наиболее распространен кабель на витой паре.
Топология ЛВС
Физическое расположение устройств в сети ЛВС называется топологией. Общеприняты топологии кольца, шины, дерева и звезды. В сетевой топологии сигнал движется по кольцу и копируется принимающей станцией. Затем сигнал поглощается передающей станцией. В шине сигнал также передается от станции к станции, копируется принимающей станцией, но поглощается конечной точкой шины (терминатором). Дерево схоже с шиной в своей топологии, но является более сложным, т.к. имеет разветвления, которые требуют более сложной логики. В звезде передача данных контролируется центральным узлом передачи.
Каждое устройство подключается к сети с помощью специального оборудования, которое иногда называют сетевой картой. Изначально были более распространены ЛВС с топологией шины, т.к. они требовали меньшего количества обслуживающего оборудования. В настоящее время используется в основном топология звезды. Топология ЛВС также зависит от ее размера, т.е. от количества передающих и принимающих устройств.
Схема доступа к сети ЛВС
В сетях ЛВС обычно используется три вида схем доступа. Master-Slave, Token Ring и схема множественного доступа с контролем коллизий.
В схеме Master-Slave инициатором передачи всегда выступает главный ПЛК, который опрашивает остальные устройства из своего списка, чтоб определить какая станция передает данные, определяя одновременно, какая станция должна эти данные получить.
В схеме Token Ring пакет данных передается от одной станции к другой. Каждая станция определяет сама, кому предназначен пакет. Если пакет предназначен не ей, то он передается дальше, в противном случае паке поглощается принимающей станцией. Пакет также поглощается, если истекло его время жизни.
В схеме множественного доступа каждая станция одновременно прослушивает сеть и определяет не было ли одновременных посылок сообщений. В этом случае она прекращает передачу на определенное время, а затем продолжает. Схема CSMA/CD используется в сетях Ethernet, Fast Ethernet и Gigabit Ethernet.
Заключение Объединение программируемых логических контроллеров на производстве, с последующим их объединением в локальные вычислительные сети (ЛВС) дало не только значительно увеличило производительность предприятий, но и дало толчок развитию целого направления компьютерной отрасли сетевых технологий. Базовые принципы построения сетей, заложенные на заре ЛВС, используются и сегодня. В настоящее время сетевые технологии используются во всех без исключения отраслях промышленности. В будущем нас ждет еще более стремительное развитие сетевых технологий.
