Trasmissione del segnale digitale

Le reti industriali che trasmettono dati utilizzando segnali digitali sono spesso parte integrante di una soluzione di acquisizione dei dati o controllo di processo. Per prendere le decisioni migliori in materia di implementazione, che possono avere un effetto profondo sulla capacità di adattarsi a tecnologie in continua evoluzione, è necessaria una conoscenza di base delle tecnologie di

rete disponibili per varie applicazioni. Ad esempio, il tipo di rete o di prodotti di rete selezionati per un'applicazione di ACQUISIZIONE DEI DATI può influire notevolmente sulle valutazioni costi/benefici per progetti futuri. Fino a poco tempo fa, la fibra ottica era un'opzione costosa che sembrava eccessiva per la maggior parte delle applicazioni. Ma con il carico di informazioni che

ora è probabile che fluisca tra i nodi di una rete aziendale, la fibra ottica appare interessante. Le tecnologie di rete offrono una gamma sconcertante di opzioni e alcuni segmenti di questa tecnologia stanno cambiando a un ritmo incredibile. L'utente medio potrebbe impiegare settimane a ricercare i vari modi per costruire o migliorare una rete, solo per scoprire che, una
volta presa una decisione e acquistati i prodotti, è già disponibile la nuova generazione di tecnologie più grandi, migliori e più veloci. Una soluzione integrata e ben progettata per la trasmissione dei dati offrirà un vantaggio competitivo a qualsiasi impresa industriale. Gli utenti in tutti gli aspetti di un'azienda dovrebbero essere in grado di ottenere dati relativi all'impianto e all'attività da qualsiasi nodo fisico, locale o remoto. "Incollare" insieme parti di reti nuove e/o esistenti sta diventando più fattibile con l'uso di tecnologie di bridging, routing e conversione dei media

che collegano tra loro

reti locali, geografiche e industriali. E con Internet e le tecnologie wireless, la trasmissione di dati su vaste aree geografiche è sempre più fattibile. Il modello di rete OSI Quasi tutte le descrizioni delle reti digitali iniziano con il modello OSI (Open Systems Interconnect) (Figura

4-1). Esso spiega i

vari "livelli" della tecnologia di rete. Per l'utente occasionale, questo modello è un po' astratto, ma non c'è modo migliore per iniziare a capire cosa sta succedendo. Titolo didascalia immagine A volte è utile comprendere ogni livello esaminando la tecnologia che rappresenta. Il livello applicativo è il più intuitivo perché è quello che vede l'utente. Rappresenta il problema che l'utente vuole che il sistema risolva. I browser Internet e i programmi di posta elettronica ne sono un buon esempio. Consentono all'utente
di inserire e leggere dati mentre è collegato tra un PC client e un server da qualche parte su Internet. In un'applicazione industriale, un programma su un controllore logico programmabile (PLC) potrebbe controllare una valvola intelligente. Il livello di presentazione esegue la formattazione dei dati in entrata e in uscita dall'applicazione. Questo livello esegue servizi quali la crittografia, la compressione e la conversione dei dati da un formato all'altro. Ad esempio, un'applicazione (un livello superiore) potrebbe inviare un timestamp formattato in formato 12 ore: 01:30:48 p.m. Una rappresentazione
più universale è 13:30:48, in formato 24 ore, che può essere accettata o presentata all'applicazione del nodo successivo nella forma richiesta. Uno dei vantaggi dei servizi di presentazione è che aiutano a eliminare il sovraccarico, o i servizi incorporati, nei programmi applicativi. Il livello di sessione stabilisce la connessione tra le applicazioni. Inoltre, applica le regole di dialogo, che specificano l'ordine e la velocità di trasferimento dei dati tra un mittente e
un destinatario. Ad esempio, il livello di sessione controllerebbe il flusso di dati tra un'applicazione e una stampante con un buffer fisso, per evitare overflow del buffer. Nell'esempio del timestamp, una volta che i dati sono presentati in formato 24 ore, un identificativo e un indicatore di lunghezza vengono aggiunti alla stringa di dati. Il livello di trasporto
è essenzialmente un'interfaccia tra il processore e il mondo esterno. Genera indirizzi per le entità di sessione e garantisce che tutti i blocchi o pacchetti di dati siano stati inviati o ricevuti. Nell'esempio del timestamp, un indirizzo per ciascuna entità di sessione (mittente e destinatario) e un checksum vengono aggiunti al blocco generato dal livello di sessione. Il livello di rete esegue funzioni di contabilità, indirizzamento e
instradamento sui messaggi ricevuti dal livello di trasporto. Se il messaggio è lungo, questo livello lo suddividerà e lo sequenzierà sulla rete. Questo livello utilizza anche una tabella di instradamento di rete per trovare il nodo successivo lungo il percorso verso l'indirizzo di destinazione. Nell'esempio del timestamp, un indirizzo di nodo e un numero di sequenza vengono aggiunti al messaggio ricevuto dal livello di sessione. Il livello di collegamento dati stabilisce e controlla il percorso fisico di comunicazione da un nodo al successivo, con rilevamento degli errori. Questo livello
esegue il controllo di accesso al supporto (MAC) per decidere quale nodo può utilizzare il supporto e quando. Le regole utilizzate per eseguire queste funzioni sono note anche come protocolli. Ethernet e token ring contention sono esempi di protocolli. Nell'esempio del timestamp, un'intestazione e un trailer vengono aggiunti al messaggio ricevuto dal livello di trasporto per contrassegnare l'inizio e la fine del frame, il tipo di frame (controllo o dati), il checksum e altre funzioni. Il livello fisico è forse il livello più evidente dal punto di vista dei costi. È relativamente facile comprendere i costi di manodopera e materiali necessari per la posa dei cavi, insieme all'infrastruttura fisica (condotti, canaline e canaline multiple)

per mantenere l'integrità

dei cavi. Questo livello non aggiunge nulla al frame del messaggio. Si limita a convertire il messaggio digitale ricevuto dal livello di collegamento dati in una stringa di uno e zero rappresentata da un segnale sul supporto. Un esempio è RS-485, dove un 1 binario è rappresentato da un Mark, o stato Off, e uno 0 binario è rappresentato da uno Space, o stato On. Un Mark è una tensione negativa tra i terminali del generatore,
mentre uno Space è una tensione positiva su quei terminali. Opzioni del livello fisico Esistono diverse implementazioni del livello fisico. I dispositivi di rete consentono un'ampia gamma di opzioni di collegamento. Alcune reti sono ben definite utilizzando il modello OSI, in cui cavi, ponti, router, server, modem e PC sono facilmente identificabili. A volte solo pochi dispositivi sono collegati tra loro in una sorta di rete proprietaria, o dove i servizi di rete sono raggruppati in modo black-box con il dispositivo. Le interfacce di scambio dati seriali più

comuni sono RS-232,

RS-422 e RS-485 per collegare due o più dispositivi tra loro . Tutte e tre le interfacce utilizzano la terminologia DTE (Data Terminal Equipment) e DCE (Data Communication Equipment) (Figura 4-2). Il DTE è il componente che desidera comunicare con un altro componente situato altrove, ad esempio un PC che comunica con un altro PC. Il DCE è il componente che effettua effettivamente la comunicazione o che svolge le funzioni di generatore e ricevitore descritte negli standard. Un
modem è un esempio comune di DCE. Titolo didascalia immagine Le interfacce tra DTE e DCE possono essere classificate in base ad aspetti meccanici, elettrici, funzionali e procedurali. Le specifiche meccaniche definiscono i tipi di connettori e il numero di pin. Le specifiche elettriche definiscono le tensioni di linea e le forme d'onda, nonché le modalità di guasto e gli effetti. Le specifiche funzionali includono la temporizzazione, i dati, i controlli e i segnali di terra, nonché i pin che le funzioni devono
utilizzare. L'interfaccia procedurale specifica le modalità di scambio dei segnali. RS-485 è un altro metodo di trasmissione dati seriale. Ufficialmente, si tratta dello standard EIA 485, ovvero "Standard for Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems" (Standard per le caratteristiche elettriche di generatori e ricevitori da utilizzare in sistemi multipunto digitali bilanciati) dell'Electronics Industry Association (EIA). Questo standard definisce un metodo per generare uno e zero come impulsi di alimentazione. Ricordate che, per tutta la
gestione dei dati, il framing, il packetizing, il routing e l'indirizzamento eseguiti dai livelli superiori, si tratta comunque di inviare uno e zero su alcuni supporti fisici. Ciò che è importante sapere sull'RS-485 è che consente più ricevitori e generatori e specifica le caratteristiche dei cavi in termini di velocità e lunghezze di segnalazione. Un cavo tipico è una coppia di rame intrecciata schermata, adeguata per la frequenza di segnalazione tipica di 10 milioni di bit al secondo (Mbps). Questo standard definisce solo le caratteristiche elettriche delle forme d'onda. Si noti che
RS-485 non specifica alcuna funzione di controllo dei supporti: ciò spetta esclusivamente al dispositivo collegato al generatore (di solito un chip). L'RS-485 è generalmente adatto per lunghezze di cavo fino a 2.000 piedi. Un esempio di rete seriale semplice potrebbe essere una serie di registratori collegati tramite un collegamento RS-485 a un PC che riceve i dati acquisiti da ciascun registratore. Il produttore vende una scheda plug-in che si installa in ciascun registratore, con le istruzioni di cablaggio. Ciascuna scheda di rete è collegata in cascata alle altre tramite una serie di cavi a doppino intrecciato schermato che terminano su una scheda di interfaccia

di rete nel PC. Non

è realmente necessario conoscere e comprendere i livelli di rete in questa configurazione, se non per comprendere le limitazioni dell'RS-485 (distanza, schermatura, frequenza di trasmissione dati, ecc.). Il titolo dello standard RS-422 è TIA/ EIA 422 B, "Caratteristiche elettriche dei circuiti di interfaccia digitale a tensione bilanciata" della Telecommunications Industry Association (in associazione con l'EIA). È simile all'RS-485; le differenze principali riguardano
i tempi di salita e le caratteristiche di alimentazione della forma d'onda. L'RS-422 consente generalmente lunghezze cavi fino a 1,2 chilometri a una velocità massima di 100 mila bit al secondo (kbps). A 10 milioni di bps (Mbps), la lunghezza cavo è limitata a circa 10 metri (Figura
4-3). In presenza di squilibrio dei cavi o di livelli elevati di rumore di modo comune, le lunghezze dei cavi possono essere ulteriormente ridotte al fine di mantenere la frequenza di trasmissione desiderata. Titolo didascalia immagine
RS-232C è forse la forma più comune di scambio dati seriale. È ufficialmente nota come EIA/TIA 232 E, "Interfaccia tra apparecchiature terminali dati e apparecchiature di terminazione circuito dati che utilizzano lo scambio di dati binari", sempre dalla TIA in associazione con l'EIA. Il suffisso "E" indica una versione successiva alla comune versione "C". Ciò che rende questo standard diverso da RS-422 e RS-485 è che definisce sia le interfacce meccaniche che quelle elettriche. RS-232 è adatto per
frequenze di trasmissione fino a 20 kbps, a distanze fino a 50 piedi . Uno zero (spazio) e un uno (segno) sono misurati in termini di differenza di tensione dal segnale comune (+3 V cc = 0, -3 V cc = 1). Le interfacce meccaniche più comuni sono i connettori D-sub 9 e D-sub 25. I circuiti di interscambio (pin) nei dispositivi RS-232 si dividono in quattro categorie: segnale comune, circuiti dati (dati trasmessi, dati ricevuti), circuiti di controllo (ad es. richiesta di invio, autorizzazione
all'invio, DCE pronto, DTE pronto) e circuiti di temporizzazione. Gli standard sopra descritti sono tutti utilizzati negli schemi di comunicazione seriale progettati per distanze maggiori. Esiste un'interfaccia parallela comune, nota come General Purpose Interface Bus (GPIB) o IEEE- 488. È possibile effettuare l'interconnessione di fino a 15 dispositivi, solitamente personal computer e apparecchiature o strumenti scientifici. Fornisce un'elevata frequenza di trasmissione dei dati, fino a 1 Mbps, ma è limitata in lunghezza. La lunghezza totale consentita del bus è di 20 metri, con una distanza massima di 4 metri tra i dispositivi. Il bus IEEE-488 è un'interfaccia parallela multi-drop con 24
linee accessibili da tutti i dispositivi. Le linee sono raggruppate in linee dati, linee di handshake, linee di gestione del bus e linee di terra. La comunicazione è digitale e i messaggi vengono inviati un byte alla volta. Il connettore è a 24 pin; i dispositivi sul bus utilizzano prese femmina, mentre i cavi di interconnessione hanno

spine maschio

corrispondenti. Un cavo tipico avrà connettori maschi e femmina per consentire il collegamento a catena tra i dispositivi. Un esempio di implementazione IEEE-488 è un sistema di misurazione progettato per valutare le prestazioni di un pozzetto di campionamento chimico. Il pozzetto esegue il condizionamento dei campioni (controllo della pressione, del flusso e della temperatura) e l'analisi chimica (pH, ossigeno disciolto e conduttività) sui campioni d'acqua. Il lavandino è dotato di sensori di pressione, rilevatori di temperatura a resistenza (RTD), termocoppie e giunzioni di riferimento. Uno scanner a 30 punti viene utilizzato per multiplexare i dati provenienti da tutti i
sensori. Lo scanner è collegato a un PC desktop o laptop tramite l'interfaccia GPIB. I dati vengono acquisiti, memorizzati, visualizzati e ridotti utilizzando programmi applicativi sul PC, in modo efficiente e affidabile secondo lo standard IEEE-488. Il supporto
utilizzato per implementare il livello fisico è solitamente un insieme di fili di rame. Il cavo a doppino intrecciato non schermato (UTP) è il più economico. È leggero, facile da tirare, facile da terminare e occupa meno spazio nella canalina rispetto al cavo a doppino intrecciato schermato (STP). Tuttavia, è più suscettibile alle interferenze
elettromagnetiche (EMI). Titolo della didascalia dell'immagine L'STP è più pesante e più difficile da produrre, ma È possibile migliorare notevolmente la frequenza di trasmissione in un dato schema di trasmissione (Figura 4-4).. La torsione consente di annullare i campi e le correnti indotti magneticamente su una coppia di conduttori. I campi magnetici si generano intorno ad altri
conduttori che trasportano correnti elevate e intorno a grandi motori elettrici. Sono disponibili cavi in rame di vari gradi, di cui il grado 5 è il migliore e il più costoso. Il rame di grado 5, adatto per applicazioni a 100 Mbps, ha un numero di torsioni per pollice maggiore rispetto ai gradi inferiori. Un numero maggiore di torsioni per pollice significa più metri lineari di filo di rame utilizzati per realizzare un cavo, e più rame significa più denaro. La schermatura fornisce un mezzo per riflettere o assorbire i campi
elettrici presenti intorno ai cavi. La schermatura è disponibile in varie forme, dalla treccia di rame o dalle maglie di rame al nastro di mylar alluminato avvolto attorno a ciascun conduttore e nuovamente attorno al doppino intrecciato. Le fibre ottiche vengono utilizzate sempre più spesso poiché le applicazioni degli utenti richiedono larghezze di banda sempre maggiori. Il termine "larghezza di banda" indica tecnicamente

la differenza tra

la frequenza più alta e quella più bassa di un canale di trasmissione, espressa in hertz (Hz). Più comunemente, indica la capacità o la quantità di dati che possono essere inviati attraverso un determinato circuito. Una larghezza di banda di 100 Mbps è lo standard per i cavi in fibra ottica. Quando è stata introdotta per la prima volta, la fibra era considerata adatta solo per applicazioni speciali perché era costosa e difficile da lavorare. Negli ultimi anni, la ricerca di una maggiore larghezza di banda, unita a una fibra più facile da usare, l'ha resa più comune. Gli strumenti e la formazione per l'installazione
e la risoluzione dei

problemi relativi

alla fibra sono facilmente disponibili. Sono disponibili tre tipi fondamentali di cavi in fibra ottica: multimodali a indice graduale, multimodali a indice graduale e monomodali. Le fibre multimodali sono solitamente alimentate da LED alle estremità del cavo, mentre le fibre monomodali sono solitamente alimentate da laser. Le fibre monomodali possono raggiungere larghezze di banda molto più elevate rispetto alle fibre multimodali, ma sono più sottili (10 micron) e fisicamente più deboli di quelle multimodali. I costi delle apparecchiature per la trasmissione e la ricezione dei segnali in fibra monomodale sono molto più elevati (almeno quattro
volte) rispetto a quelli

dei segnali multimodali. Un vantaggio distintivo dei cavi in fibra ottica è l'immunità ai disturbi. I cavi in fibra ottica possono essere instradati indiscriminatamente attraverso aree ad alto livello di disturbi senza conseguenze, anche se è necessario rispettare i requisiti di resistenza al
fuoco. I cavi che attraversano più spazi in un impianto devono essere classificati per i plenum di riscaldamento/ventilazione/condizionamento dell'aria (HVAC) dove possono resistere agli incendi secondo i requisiti della National Fire Protection Association (NFPA). Topologie di rete Il termine topologia si riferisce al metodo utilizzato per collegare i componenti di una rete. Le topologie più comuni sono quelle ad anello, a bus e a stella (Figura 4-5, 4-6 e 4-7), ma possono assumere l'aspetto l'una dell'altra pur mantenendo le proprie caratteristiche. Ad esempio, un segmento di rete token ring può essere cablato in una configurazione a

stella, dove i componenti sono collegati a un hub dove l'anello si trova "all'interno" dell'hub. Ciò consente di avere un armadio di cablaggio comune per un determinato edificio o area con cavi home-run per ogni componente. Un hub offre i vantaggi di una manutenzione centralizzata e di un controllo della configurazione. Titolo didascalia immagine Bus token e anelli Le funzioni MAC dei bus e degli anelli token sono simili.
ARCnet, sviluppato dalla Datapoint Corp. negli anni '70, è un protocollo di passaggio del token che può essere implementato in una topologia bus o a stella utilizzando cavi coassiali o UTP.
Un "token" viene passato lungo il bus o l'anello. Il nodo che possiede il token è autorizzato a comunicare sul supporto. ARCnet funziona a 2,5 Mbps, con le seguenti lunghezze: 400 piedi con 10 nodi

utilizzando UTP

2.000 piedi con un limite pratico fino a 100 nodi utilizzando cavo coassiale RG-62 in una configurazione a stella coassiale (utilizzando uno o più hub); e 1.000 piedi con 10 nodi per segmento di 1.000 piedi utilizzando cavo coassiale RG-62. Titolo didascalia immagine ARCnet utilizza hub attivi e passivi in configurazione a stella, con schede di rete sui dispositivi dotati di interruttori per l'impostazione dei numeri dei nodi. Il nodo con il numero più basso è il controller
master, che autorizza la comunicazione con ciascun nodo in base al numero. ARCnet è disponibile in una versione a 20 Mbps. Il protocollo token ring IBM, standardizzato tramite IEEE-802.5, funziona a 4 o 16 Mbps. I nodi sull'anello si collegano a un'unità di accesso multi-stazione (MAU), un tipo di hub. Le MAU possono essere collegate tra loro in un anello principale, con segmenti, o lobi, da ciascuna MAU collegati in una configurazione a stella a dispositivi con schede di interfaccia di rete. La lunghezza dell'anello è limitata a 770 metri e il numero massimo di nodi consentiti su un anello è 260 utilizzando un cavo STP. Il cavo STP (150 ohm), ma è possibile utilizzare anche cavi UTP (100 ohm) se è previsto un filtraggio

Il jitter è un problema interessante

che

può verificarsi

sulle reti token ring, dove i nodi

interfaccia per unire i

vari tipi di supporti in una rete più grande. Lo standard IEEE-802.3 copre diverse implementazioni CSMA/CD, con lunghezze fino a 925, 2.500 e 3.600 metri. Il numero di nodi consentiti segue i requisiti hardware e di prestazioni del sistema
operativo di rete. Un numero maggiore di nodi e un traffico più elevato comportano un maggiore rischio di collisioni. Le prestazioni della rete potrebbero diminuire proprio quando ne avete più bisogno, ad esempio durante un transitorio dell'impianto, quando il flusso di dati e l'attivazione degli elementi di controllo sono alti. Ethernet o CSMA/CD sono stabiliti per 1, 10 e 100 Mbps, con 10 Mbps attualmente il più comune. Alcuni fornitori offrono Ethernet "veloce" a 100 Mbps, compatibile con le implementazioni esistenti a 10 Mbps. 100BaseT
è essenzialmente 10BaseT, solo 10 volte più veloce. Entrambi utilizzano lo stesso livello MAC. A velocità più elevate, le implementazioni dovrebbero tenere conto dei ritardi di andata e ritorno per le collisioni. Infine, è disponibile un'implementazione Ethernet wireless. Supporta velocità di trasmissione dati fino a 3 Mbps in spazi aperti fino a 3.000 piedi e in ambienti interni da 200 a 600 piedi, e non è necessaria la linea di vista in ambienti interni. Sono disponibili ripetitori e ponti wireless per collegare le celle tra loro. Le decisioni relative alle topologie delle reti locali (LAN) e ai protocolli
MAC possono influire sul modo in cui una rete viene gestita per gli anni a venire. Una nuova struttura
può essere cablata con componenti di rete e dispositivi di cablaggio all'avanguardia, ma l'amministratore di rete o l'ingegnere dell'impianto si trova solitamente di fronte a un'infrastruttura esistente, dove le opzioni sono limitate dai mezzi installati. Ad esempio, un
vecchio cavo STP a loop di corrente continua 4-20 mA abbandonato può sempre essere utilizzato per implementare Ethernet 10BaseT e risparmiare notevoli fondi di progetto. Oppure, è possibile acquistare un nuovo cavo in fibra ottica con fibre multimodali per il progetto a bassa larghezza di banda di
quest'anno e avere ancora fibre monomodali di riserva per future applicazioni ad alta larghezza di banda. I protocolli Token Passing e CSMA/CD
offrono interessanti confronti. Il Token Passing offre una finestra di accesso prevedibile con prestazioni costanti su reti grandi e trafficate, ma i nodi devono
attendere il token e gli anelli di grandi dimensioni possono causare ritardi significativi. Il CSMA/CD consente a un nodo di trasmettere immediatamente quando la rete è silenziosa, ma le prestazioni possono essere imprevedibili e dipendono dalla probabilità di collisioni. L'aggiornabilità e la crescita sono due aspetti da considerare per ogni nuovo segmento o modifica di un determinato segmento. La sfida consiste nel tenere d'occhio le esigenze della rete man mano che arrivano nuove applicazioni e selezionare la giusta quantità di larghezza di banda e aggiornabilità in rapporto al costo. Passare ai livelli superiori Finora è stato descritto il livello fisico, con funzioni implicite ai livelli di collegamento dati e di rete. Due dispositivi possono comunicare tramite un semplice collegamento RS-485 oppure possono far parte di una LAN più ampia con controlli di accesso ai media complessi. L'unica funzione del collegamento dati è quella di trasmettere i dati da un nodo al successivo. Il livello di collegamento dati può collegare due nodi o

dispositivi con un

"bridge". I primi bridge collegavano solo due segmenti di una rete con lo stesso protocollo (come CSMA/CD o token passing). Oggi sono disponibili ponti intelligenti in grado di collegare protocolli diversi, con inoltro selettivo dei pacchetti di dati. Esistono vari livelli di prestazioni del collegamento dati a seconda delle dimensioni
della rete (rete geografica o locale; WAN o LAN) e delle selezioni di protocollo/mezzo. Il livello di rete instrada i dati in entrata per un altro nodo su un percorso in uscita appropriato. Il dispositivo
fisico che svolge questa funzione è naturalmente chiamato router. Poiché i bit devono ancora essere trasmessi su alcuni supporti fisici, un router svolge intrinsecamente le funzioni fisiche e di collegamento dati per salire e scendere il modello OSI, anche se i router non sono sensibili ai dettagli del collegamento dati e del livello fisico, consentendo loro di collegare diversi tipi di reti. Un router prende un pacchetto in entrata, esamina l'indirizzo di destinazione, determina il percorso migliore e fornisce l'indirizzamento necessario.

Un'implementazione

comune di questa funzione è il Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP). Sulle reti Novell, questa funzione è chiamata Sequenced Packet Exchange/Internetwork Packet Exchange (SPX/IPX). Novell, Inc. è forse il più
grande e popolare fornitore di software per sistemi operativi di rete (NOS). Novell f

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