Современные цифровые интерфейсы в слаботочных системах и их защита с помощью УЗИП

Опыт работы последних лет в области защиты слаботочных систем от импульсных воздействий позволяет сделать вывод, что на практике эта тема вызывает много вопросов, в частности по типам и видам интерфейсов и выбора УЗИП для защиты слаботочного оборудования.

К нам ежедневно обращаются проектировщики и менеджеры с просьбой подобрать УЗИП для проекта, с вопросами о подключении УЗИП к оборудованию, его заземлению в связке с УЗИП.

Особенно запутанным является многообразие современных интерфейсов, их определение в системах автоматики, диспетчеризации, безопасности и связи.

Помимо этого, возникает путаница у менеджеров по закупкам между силовыми автоматами, УЗО (устройствами защитного отключения), дифавтоматами и УЗИП (устройствами защиты от импульсных перенапряжений).

Многие путают защиту от превышения тока с защитой от импульсных разрядов и повышенного напряжения, вызванного, например, грозой.

Лагерь специалистов по теме УЗИП делится условно на теоретиков и практиков- разработчиков-испытателей данных устройств.

Путаница и непоследовательность ГОСТов и международных стандартов вносят еще большую сумятицу в данных вопросах. Причем есть отдельно стандарты для «силовых» УЗИП (230 В и выше) (ГОСТ IEC 61643-11-2013) и «слаботочных» или связных УЗИП, защищающих информационные порты и линии (ГОСТ IEC 61643-21-2014).

Теоретики постоянно предъявляют практикам ссылки на стандарты, не сильно задумываясь, кто, когда, для чего и при каких условиях их писал. Продавцы, особенно китайские, вообще не ссылаются на какие-либо стандарты, и не пишут параметры за исключением одного-трех. В общем, неразбериха от этого еще более усиливается.

Целью написания данной статьи является начальный обзор наиболее популярных цифровых интерфейсов передачи информации за исключением Ethernet, который достаточно широко известен.

Эти интерфейсы являются наиболее проблемными для проектировщиков в плане подбора к ним устройств защиты. Это часто связано с тем, что крупные поставщики систем автоматики, энергетики и связи часто разрабатывают свои стандарты и названия интерфейсов, однако, при этом за основу берут те базовые варианты, которые будут рассмотрены ниже.

Определение типа интерфейса порта

Для подбора УЗИП первая и главная задача- определить на основе документации на защищаемое устройство тип интерфейса по каждому защищаемому порту или входу/выходу информационной линии. Данную информацию можно получить также из проекта, опросного листа, технического задания. Вид интерфейса необходимо знать для определения физических параметров в линии.

Алгоритм подбора УЗИП. Сбор исходных данных о защищаемом порте

Придется разобраться в многообразии цифровых интерфейсов с точки зрения защиты оборудования, подключенного к протяженным медным линиям.

Нас не интересуют сейчас внутриблочные интерфейсы электронных устройств. Важны те интерфейсы, которые выходят «во внешний мир». Оговоримся, что необходимо иметь представление о физическом уровне интерфейса, где оговорены параметры сигналов обмена (уровень 1 по OSI).  Open Systems Interconnection Reference Model - базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем.

Технические характеристики интерфейса, необходимые для подбора УЗИП

Какие технические параметры интерфейсов важны для выбора УЗИП?

• Пропускная способность интерфейса — количество информации, которая может быть передана через интерфейс в единицу времени, например, 1 Мбит в секунду

• Максимальная частота передачи сигналов через интерфейс, например, 10 МГц

• Общее числом проводов (линий) в интерфейсе.

• Напряжение в линии.

• Ток в линии.

Самые популярные интерфейсы.

Рассмотрим наиболее популярные интерфейсы и их модификации, а также названия промышленных сетей на их основе.

Последовательный интерфейс RS-485.

Этот интерфейс наиболее широко распространен и востребован для управления и телеметрии в системах автоматики и безопасности. Он стандартизован TIA/EIA-485.

• Связь кабелем «витая пара» по двум жилам.

• Дифференциальные сигналы (либо 1, либо 0) организованы следующим образом: если напряжение жилы А больше напряжения жилы В более, чем на 200 милливольт, то сигнал считается единицей. Если наоборот, то нулем.

• Использование дифференциального сигнала обеспечивает интерфейсу RS-485 дальность на расстоянии до 1200 м.

• Однако скорость передачи данных уменьшается по мере увеличения длины линии.

• Скорость передачи может быть до 1 мегабита в секунду по одной витой паре и   до 10 мегабит по двум витым парам.

• Максимальный ток в линии 250 миллиампер.

• Напряжение от -7 до +12 вольт  постоянного тока.

• В один момент времени может передавать информацию только одно устройство в сети.

Почему интерфейс называется последовательным? Потому что цифровые 0 и 1 передаются последовательно один за одним, то есть в конкретный момент времени передаётся только один бит информации, или 0 или 1. В параллельных интерфейсах передается сразу несколько бит, но для этого нужна шина данных, а не одна линия (пара) проводов.

Встречаются в промышленной автоматизации и системах безопасности и связи и другие последовательные интерфейсы:

• RS232,

• RS422,

• CAN,

• HART,

• ASI.

Многоликий RS-485 в системах безопасности и автоматики.

На основе интерфейса RS-485 разработаны множество разновидностей интерфейсов,  которые называют промышленными сетями.

В настоящее время насчитывается более 50 типов промышленных сетей, например:

Modbus,          PROFIBUS,      DeviceNet,      CANopen,        HART,  LonWorks,       ControlNet,     BACnet,            Interbus,         SDS,     FDDI,   FIP,      ASI,      SDS,     WorldFIP,        Foundation Fieldbus,              BitBus, Seriplex,          ArcNet и другие.

Однако, широкое распространение получила только часть из них. В России подавляющее большинство АСУ ТП используют сети Modbus, PROFIBUS.

В последние годы возрос интерес к сетям на основе CAN, DeviceNet, HART.

Рассмотрим эти стандарты.

Modbus

Modbus был представлен в 1979 году компанией Modicon (ныне Schneider Electric). Это был открытый стандарт, работающий по интерфейсу RS-232. Позже появилась реализации протокола для интерфейсов RS-485 и Modbus TCP.

Modbus — это протокол, где одно устройство должно быть ведущим (master), а остальные ведомыми (slave).

Modbus не регламентирует, какими могут быть сами команды, и какая среда передачи данных используется.

Modbus RTU, он же Modbus Serial— это работа по RS-485 или RS-232, то есть, по одной витой паре кабелей.

Modbus TCP — это работа в компьютерной сети TCP/IP, где у каждого устройства есть IP адрес и порт.

Область применения: вентмашины, кондиционеры, инфракрасные приёмопередатчики, генераторы, конвекторы, электрокарнизы, термостаты, датчики и различные элементы расширения контроллеров: модули входов и выходов, диммеры, датчики, клапана, пускатели, расходомеры, тепловычислители, электросчётчики, манометры.

Profibus

• Modbus- шина должна состоять из одного магистрального кабеля, от которого могут быть сделаны отводы.

• Магистральный кабель Modbus должен содержать 3 проводника в общем экране, два из которых представляют собой витую пару, а третий соединяет общие ("земляные") выводы всех интерфейсов RS-485 в сети.

• Общий провод и экран должны быть заземлены в одной точке, желательно около ведущего устройства.

• Скорости обмена 9600 бит/с и 19200 бит/с.

• До 32 устройств.

• Максимальная длина магистрального кабеля при скорости передачи 9600 бит/с и сечении жил более 0,13 кв. мм (AWG26) составляет 1 км. Отводы от магистрального кабеля не должны быть длиннее 20 м.

  Process Field Bus (шина полевого уровня) — открытая промышленная сеть, прототип которой был разработан компанией Siemens AG.
  Profibus так же предназначен для распределенных устройств, таких как: модули В/В, преобразователи, приводы, анализаторы, клапаны и операторские терминалы, Передача является циклической, в то время как дополнительные прерывания, конфигурационные и диагностические данные приходят ациклически, по мере необходимости. PROFIBUS удовлетворяет этим критериям и предлагает универсальное решение для АСУ.

  Profibus может представлять собой:

• экранированную витую пару, соответствующую стандарту RS-485;

• оптическую сеть на основе волоконно-оптического кабеля;

• инфракрасную сеть.

  Скорость передачи от 9,6 Кбит/сек до 12 Мбит/сек.

HART протокол

Очень интересный интерфейс. HART протокол (Highway Addressable Remote Transducer – магистральный адресуемый удалённый преобразователь)

HART находит применение для связи:

• контроллера с датчиками и измерительными преобразователями,

• с электромагнитными клапанами,

• с датчиками потока жидкости,

• с искробезопасным оборудованием, где низкая мощность сигнала позволяет удовлетворять требованиям стандартов на искробезопасные электрические цепи.

Цель при его разработке была сделать его совместимым с широко распространённым стандартом «токовая петля», но добавить возможности, необходимые для управления интеллектуальными устройствами.

Поэтому аналоговая токовая петля 4...20 мА была модернизирована и получила возможность полудуплексного цифрового обмена данными.

• Аналоговый сигнал суммируется с цифровым сигналом, и полученная таким образом сумма передаётся с помощью источника тока 4...20 мА по линии связи.

• Благодаря сильному различию диапазонов частот аналогового (0...10 Гц) и цифрового (1200 Гц и 2200 Гц) сигналов они легко могут быть разделены фильтрами низких и высоких частот в приёмном устройстве.

• При передаче цифрового двоичного сигнала логическая единица кодируется синусоидой частотой 1200 Гц, ноль – 2200 Гц.

• Максимальное количество устройств в сети может составлять 15, если не использовать HART повторители (ретрансляторы, репитеры).

• HART сеть может иметь произвольную топологию, поскольку при малых скоростях передачи (1200 бит/с) эффектов, характерных для длинных линий, не возникает.

• Длина кабеля до 2...3 км.

• HART протокол (как и другие протоколы) может использоваться для связи через оптоволокно (Fiber Optic HART) или радиоканал (Wireless HART).

Очередная (шестая) версия HART протокола (HART 6.0). позволяет передавать данные со скоростью 9600 бит/с.

Промышленная сеть CAN

Промышленная сеть CAN (Controller Area Network) была создана в конце 80-х годов фирмой Bosch.

Первая реализация CAN применялась в автомобильной электронике, однако сейчас CAN находит применение практически в любых типах промышленных установок.

В CAN использует дифференциальная линия связи — витая пара, сигналы по которой передаются в дифференциальном режиме.

• Данные передаются короткими (максимальная длина поля данных — 8 байт) пакетами, которые защищены контрольной суммой.

• В CAN отсутствует явная адресация сообщений.

• CAN имеет исчерпывающую схему контроля ошибок, которая гарантирует повторную передачу пакета, в случае возникновения ошибок передачи/приема сообщения.

• В CAN существует способ автоматического устранения узла, являющегося источником ошибочных пакетов в сети.

DeviceNet

DeviceNet использует преимущества CAN, делая сеть недорогой и надежной по сравнению с традиционными протоколами на основе RS-485.

Поддерживает скорость передачи данных 125 кбит/с, 250 кбит/с и 500 кбит/с. В зависимости от выбранного типа кабеля, DeviceNet может поддерживать связь на расстоянии до 500 метров (с использованием круглого кабеля большого диаметра). Типичный круглый кабель поддерживает до 100 метров, в то время как плоский кабель поддерживает до 380 метров при 125 кбит/с и 75 метров при 500 кбит/с.

Высокоскоростные интерфейсы семейства хDSL

Некоторые читатели застали времена, когда интернет проводили по телефонной «лапше» и называлось это чудо – ADSL. Он был очень медленный и сегодня не встречается. Но сам принцип оказался очень перспективный и сегодня составляет конкуренцию IP- сетям. Как это случилось?

В июле 2002 международный телекоммуникационный союз (ITU) закончил разработку двух новых стандартов ADSL (G.992.3 и G.992.4), вместе называемых «ADSL2»

• ADSL2 может достигать скоростей приема и передачи до 12 Мбит/с и 1 Мбит/с соответственно

• ADSL2plus (ITU G.992.5) удваивает пропускную способность приема информации, достигая скорости в 20 Мбит/с на телефонных линиях длиной в 1500 метров

Одним из основных преимуществ ADSL над другими технологиями высокоскоростной передачи данных является использование самых обычных витых пар медных проводов телефонных кабелей. Технология ADSL использует метод разделения полосы пропускания медной телефонной линии на несколько частотных полос (также называемых несущими). Это позволяет одновременно передавать несколько сигналов по одной линии.

Телефонные провода связаны вместе в многопарные кабели, содержащие 25 или больше витых пар. В результате, электрические сигналы с одной пары могут навестись на соседние пары в кабеле. Это явление называется «перекрестные наводки».

• Приёмник отслеживает соотношение сигнал/шум для канала и определяет, что необходимо произвести адаптацию скорости передачи данных для сложившихся условий.

• Приёмник отправляет передатчику сообщение для инициализации изменения скорости передачи. Это сообщение содержит все необходимые параметры передачи для новой скорости

• В то время как первые два члена семейства стандартов ADSL2 устанавливают полосы частот входящего канала до 1.1 МГц и 552 кГц соответственно, ADSL2plus устанавливает полосу частот для входящего канала до 2.2 МГц

DSL-новые скорости

• SDSL - это технология, использующая широкополосную модуляцию. Технология SDSL обеспечивает симметричную передачу данных со скоростью до 2,3 Мбит/с.

• VDSL-обеспечивает скорость передачи данных «нисходящего» потока в пределах от 13 до 52 Мбит/с, а скорость передачи данных «восходящего» потока в пределах от 1,5 до 2,3 Мбит/с, причем по одной витой паре телефонных проводов. В симметричном режиме поддерживаются скорости до 26 Мбит/с. Максимальное расстояние передачи данных для этой технологии составляет от 300 метров до 1300 метров

• VDSL2 (англ. Very-high data rate Digital Subscriber Line 2, сверхвысокоскоростная цифровая абонентская линия 2) является новейшим стандартом хDSL широкополосных проводных коммуникаций. Предназначен для передачи голоса, видео, данных, телевидения высокой четкости (HDTV)

• VDSL2 позволяет передавать асимметричный и симметричный трафик (downstream и upstream) на витой паре с суммарной скоростью до 200 Мбит/с с использованием полосы пропускания до 30 МГц.

• Скорость VDSL2 начинает быстро падать с теоретического максимума 250 Мбит/с до 100 Мбит/с на расстоянии 0.5 км и до 50 Мбит/с на расстоянии от 1 км.

Итак, мы рассмотрели некоторые популярные стандарты интерфейсов, наиболее часто применяемые в современных системах автоматики, связи и безопасности. Ethernet мы не рассматриваем, поскольку его определение по внешним признакам- медным портам- не представляет проблемы.

Для практической работы мы свели в общую таблицу популярные интерфейсы.

Таблица физических параметров интерфейсов

Подводные камни выбора УЗИП   под интерфейс. С чего начинать, чтобы не ошибиться.

Алгоритм подбора УЗИП. Сбор исходных данных о защищаемом порте.

• Определение интерфейса порта по типу (Modbus, PROFIBUS, DeviceNet, CAN, VDSL, HART, Ethernet и т.д.).

• Количество сигнальных пар и наличие/отсутствие провода сигнальная «земля».

Определение по типу интерфейса и проекту параметров сигнала в паре:

• Скорость передачи в Мб/сек в одной паре при выбранной длине линии по проекту или паспорту защищаемого устройства.

• Несущих частот.

• Макс. напряжение в линии.

В общем случае здесь важно максимальное амплитудное значение, так как при его превышении, с учетом разброса параметров, УЗИП начнет открываться и подкорачивать линию. 

Следует иметь в виду, что напряжение источника питания может оказаться ниже напряжения в линии, например, в   ОПС “Болид”. Поэтому напряжение источника питания не равно напряжению в линии.

• Макс. ток в линии.

Здесь, как правило, полезно знать: питает ли порт контроллера периферию по информационной линии, либо потребляет ли данный датчик, счетчик, или привод питание одновременно с приемом/передачей информации. Для этого можно посмотреть, есть ли у питаемого устройства линия или клеммы для отдельной подачи питания.

Пример.

Если скажем контроллер питает по последовательному интерфейсу 32 датчика с потреблением по 20 мА, значит максимальный ток в линии достигнет 32х20мА=640 мА. (например, в ДПЛС системы ОПС “Болид”)

Номинальный рабочий ток УЗИП должен быть не менее 1 А, можно и 5А в этом случае. О,5 А (500мА)  будет мало, напряжение просядет, УЗИП выгорит.

Встречается в системах автоматики управление токовой петлей, обычно до 20 мА- тут подходит любой УЗИП.

Не путайте ток в линии ( рабочий, потребляемый, номинальный) с разрядным током или импульсным. Этот параметр относится к режиму сработки УЗИП при защите и достигает в импульсе от 200 А до 50 кА.

Этот перечень позволяет выбрать тип УЗИП на сайте производителя или дилера. Это особенно удобно, когда на сайте есть квалифицированный селектор выбора по параметрам.

Про работу с селектором здесь не будем останавливаться, она достаточно проста и интуитивна.  Следует добавить, что благодаря селектору круг возможных УЗИП сужается и часто нет необходимости вводить все параметры поиска, достаточно нескольких, и вы подберете сами УЗИП.

Желающие могут попробовать на нашем сайте. Селектор находится слева.

Воронка для определения интерфейса по имеющимся признакам.

Здесь представлены виды интерфейсов и не только цифровых, но и аналоговых.

Мы в данной статье не рассматривали параметры защиты УЗИП:

Они описаны в ГОСТ IEC 61643-21-2014 Устройства защиты от перенапряжений низковольтные. Часть 21. Устройства защиты от перенапряжений, подсоединенные к телекоммуникационным и сигнализационным сетям. Требования к эксплуатационным характеристикам и методы испытаний

Наша задача была помочь подобрать УЗИП так, чтобы не ухудшить параметры системы, в которой он установлен. И одновременно защитить оборудования. Принцип «не навреди» здесь актуален как в медицине.

Эти параметры у слаботочных УЗИП примерно совпадают и зависят от схемотехники. Но это тема для других статей.

Конструктивные исполнения УЗИП- основные форм-факторы

Интерфейсные УЗИП могут выглядеть в отличии от силовых автоматов более разнообразно. 

• в виде стандартных модулей одно-двухканальных с креплением на дин-рейку:

• в рековом групповом   исполнении для установки в стандартную 19-ти дюймовую телекоммуникационную стойку (шкаф):

• в групповом корпусе на 4 канала с креплением на дин-рейку:

• бескорпусном исполнении в виде платы для установки в корпус защищаемого оборудования или распредкоробку:

• бескорпусном исполнении в виде штекера для установки в плинты (телефонные “гребенки”) LSA “KRONE”:

Спасибо за внимание, к сожалению, короткой статья не получилась.

Ответим на вопросы, комментарии и пожелания.

Петров Роман Владимирович, Главный инженер проекта ООО "Тахион"