Netzwerke und Busse

Die Kabel zwischen dem Tank und der Überwachungsstelle werden als Bus oder Netzwerk bezeichnet . Die Unterscheidung zwischen diesen beiden Begriffen ist eher semantisch als technisch, und die beiden können für alle praktischen Zwecke austauschbar verwendet werden. Nach meiner Erfahrung wird der Begriff „Bus“ normalerweise in Bezug auf eine Reihe von Drähten verwendet, die digitale Komponenten im Gehäuse eines Computergeräts verbinden, und „Netzwerk“ steht für etwas, das physikalisch weiter verbreitet ist.

In den letzten Jahren hat das Wort „Bus“ jedoch an Popularität gewonnen, um Netzwerke zu beschreiben, die darauf spezialisiert sind, diskrete Instrumentierungssensoren über große Entfernungen zu verbinden („Feldbus“ und „Profibus“ sind zwei Beispiele). In beiden Fällen beziehen wir uns auf die Mittel, mit denen zwei oder mehr digitale Geräte miteinander verbunden werden, damit Daten zwischen ihnen übertragen werden können.

Namen wie „Feldbus“ oder „Profibus“ umfassen nicht nur die physikalische Verdrahtung des Busses oder Netzwerks, sondern auch die spezifizierten Spannungspegel für die Kommunikation, deren zeitliche Abläufe (insbesondere bei der seriellen Datenübertragung), Steckerbelegungsspezifikationen und alle anderen technischen Unterscheidungsmerkmale Funktionen des Netzwerks.

Mit anderen Worten, wenn wir namentlich von einem bestimmten Bus- oder Netzwerktyp sprechen, sprechen wir eigentlich von einem Kommunikations-Standard , ungefähr analog zu den Regeln und dem Vokabular einer geschriebenen Sprache. Bevor beispielsweise zwei oder mehr Brieffreunde werden können, müssen sie sich in einem gemeinsamen Format schreiben können.

Es reicht nicht aus, nur ein Postsystem zu haben, das in der Lage ist, ihre Briefe einander zuzustellen. Wenn sie sich bereit erklären, einander auf Französisch zu schreiben, verpflichten sie sich, die Konventionen von Zeichensatz, Vokabular, Rechtschreibung und Grammatik einzuhalten, die durch den Standard der französischen Sprache festgelegt sind.

Auch wenn wir zwei Profibus-Geräte miteinander verbinden, können sie nur miteinander kommunizieren, weil der Profibus-Standard so wichtige Details wie Spannungspegel, Timing-Sequenzen usw genug, um ein funktionierendes System aufzubauen (insbesondere wenn die Geräte von verschiedenen Herstellern gebaut wurden!).

Um dies im Detail zu veranschaulichen, entwerfen wir unseren eigenen Busstandard. Mit dem Rohwassertank-Messsystem mit fünf Schaltern zur Erkennung unterschiedlicher Wasserstände und mit (mindestens) fünf Drähten, um die Signale an ihr Ziel zu leiten, können wir den Grundstein für den mächtigen BogusBus legen :

Die physische Verkabelung des BogusBus besteht aus sieben Drähten zwischen dem Sendergerät (Schalter) und dem Empfängergerät (Lampen). Der Messumformer besteht aus allen Komponenten und Kabelanschlüssen links neben den am weitesten links liegenden Anschlüssen (die „—>>—“-Symbole). Jedes Steckersymbol repräsentiert ein komplementäres männliches und weibliches Element. Die Busverkabelung besteht aus den sieben Adern zwischen den Steckerpaaren.

Schließlich liegt der Empfänger und alle seine Bestandteile rechts neben den Anschlüssen ganz rechts. Fünf der Netzwerkdrähte (mit 1 bis 5 gekennzeichnet) übertragen die Daten, während zwei dieser Drähte (mit +V und -V gekennzeichnet) Anschlüsse für Gleichstromversorgungen bereitstellen. Auch für die 7-poligen Anschlussstecker gibt es einen Standard. Das Pin-Layout ist asymmetrisch, um eine „Rückwärts“-Verbindung zu verhindern.

Damit Hersteller die Ehrfurcht gebietende „BogusBus-konform“-Zertifizierung für ihre Produkte erhalten, müssten sie die Vorgaben der Designer von BogusBus (wahrscheinlich ein anderes Unternehmen, das den Bus für eine bestimmte Aufgabe entworfen und beendet hat) einhalten für eine Vielzahl von Zwecken zu vermarkten). Zum Beispiel müssen alle Geräte in der Lage sein, die 24 Volt DC-Versorgungsspannung des BogusBus zu nutzen:die Schaltkontakte im Sender müssen für das Schalten dieser DC-Spannung ausgelegt sein, die Lampen müssen definitiv für diese Spannung ausgelegt sein und die Anschlüsse muss in der Lage sein, alles zu bewältigen.

Die Verkabelung muss natürlich dem gleichen Standard entsprechen:Die Lampen 1 bis 5 müssen beispielsweise mit den entsprechenden Pins verbunden werden, damit beim Schließen von LS4 des Senders des Herstellers XYZ die Lampe 4 des Empfängers des Herstellers ABC aufleuchtet und so an. Da sowohl Sender als auch Empfänger DC-Netzteile mit einer Ausgangsleistung von 24 Volt enthalten, müssen alle Sender/Empfänger-Kombinationen (von allen zertifizierten Herstellern) müssen über Netzteile verfügen, die sicher parallel verdrahtet werden können.

Überlegen Sie, was passieren könnte, wenn Hersteller XYZ einen Sender mit der negativen (-) Seite seiner 24 VDC-Stromversorgung an Masse gelegt und Hersteller ABC einen Empfänger mit der positiven (+) Seite seiner 24 VDC-Stromversorgung an Masse gelegt. Wenn beide Erdungsmassen relativ „fest“ sind (d. h. ein niedriger Widerstand zwischen ihnen, wie dies der Fall sein könnte, wenn die beiden Erdungen auf der Metallstruktur eines Industriegebäudes hergestellt würden), würden die beiden Netzteile jeweils kurzschließen andere!

BogusBus ist natürlich ein völlig hypothetisches und sehr unpraktisches Beispiel für ein digitales Netzwerk. Es hat eine unglaublich schlechte Datenauflösung, erfordert eine erhebliche Verkabelung zum Anschließen von Geräten und kommuniziert nur in eine einzige Richtung (vom Sender zum Empfänger). Es reicht jedoch als Tutorial-Beispiel dafür aus, was ein Netzwerk ist und einige der Überlegungen, die mit der Netzwerkauswahl und dem Betrieb verbunden sind.

Es gibt viele Arten von Bussen und Netzen, die Ihnen in Ihrem Beruf begegnen könnten. Jeder hat seine eigenen Anwendungen, Vor- und Nachteile. Es lohnt sich, sich mit einigen der „Alphabetsuppe“ zu assoziieren, die zur Kennzeichnung der verschiedenen Designs verwendet wird:

Kurzstreckenbusse

PC/AT
Bus, der in frühen IBM-kompatiblen Computern verwendet wird, um Peripheriegeräte wie Laufwerke und Soundkarten an die Hauptplatine des Computers anzuschließen.

PCI
Ein weiterer Bus, der in Personalcomputern verwendet wird, jedoch nicht auf IBM-kompatible Geräte beschränkt ist. Viel schneller als PC/AT. Typische Datenübertragungsrate von 100 MByte/Sekunde (32 Bit) und 200 MByte/Sekunde (64 Bit).

PCMCIA
Ein Bus zum Anschluss von Peripheriegeräten an PCs in Laptop- und Notebook-Größe. Hat einen sehr kleinen physischen „Footprint“, ist aber erheblich langsamer als andere gängige PC-Busse.

VME
Ein Hochleistungsbus (von Motorola mitentwickelt und basierend auf dem früheren Versa-Bus-Standard von Motorola) zum Bau vielseitiger Industrie- und Militärcomputer, bei dem mehrere Speicher-, Peripherie- und sogar Mikroprozessorkarten an einen passives „Rack“ oder „Kartenkäfig“, um benutzerdefinierte Systemdesigns zu ermöglichen. Typische Datenübertragungsrate von 50 MByte/Sekunde (64 Bit breit).

VXI
Eigentlich eine Erweiterung des VME-Busses, enthält VXI (VME eXtension for Instrumentation) den Standard-VME-Bus zusammen mit Anschlüssen für analoge Signale zwischen den Karten im Rack.

S-100
Dieser Busstandard, der manchmal auch Altair-Bus genannt wird, war das Produkt einer Konferenz im Jahr 1976, der als Schnittstelle zum Intel 8080-Mikroprozessorchip dienen sollte. Ähnlich in der Philosophie der VME, bei der mehrere Funktionskarten in ein passives „Rack“ eingesteckt werden können, was den Aufbau kundenspezifischer Systeme erleichtert.

MC6800
Das Motorola-Äquivalent des Intel-zentrierten S-100-Busses, der entwickelt wurde, um Peripheriegeräte mit dem beliebten Motorola 6800-Mikroprozessorchip zu verbinden.

STD
steht für Simple-To-Design und ist ein weiteres passives „Rack“ ähnlich dem PC/AT-Bus und eignet sich gut für Designs, die auf IBM-kompatibler Hardware basieren. Es wurde von Pro-Log entwickelt und ist 8 Bit breit (parallel) und bietet Platz für relativ kleine (4,5 Zoll x 6,5 Zoll) Leiterplatten.

Multibus I und II
Ein weiterer Bus für das flexible Design von kundenspezifischen Computersystemen, entworfen von Intel. 16 Bit breit (parallel).

CompactPCI

Eine industrielle Adaption des PC-PCI-Standards, konzipiert als leistungsstärkere Alternative zum älteren VME-Bus. Bei einem Bustakt von 66 MHz beträgt die Datenübertragungsrate 200 MByte/Sekunde (32 Bit) oder 400 MByte/Sek (64 Bit).

Mikrokanal
Noch ein Bus, der von IBM für ihre unglückselige PS/2-Computerserie entwickelt wurde und für die Verbindung von PC-Motherboards mit Peripheriegeräten gedacht ist.

IDE
Ein Bus, der hauptsächlich zum Verbinden von Festplattenlaufwerken von PCs mit den entsprechenden Peripheriekarten verwendet wird. Weit verbreitet in modernen PCs als Schnittstellen für Festplatten und CD-ROM-Laufwerke.

SCSI
Ein alternativer (technisch besser als IDE) Bus, der für PC-Laufwerke verwendet wird. SCSI steht für Small Computer System Interface. Wird in einigen IBM-kompatiblen PCs sowie Macintosh (Apple) und vielen Mini- und Mainframe-Business-Computern verwendet. Wird verwendet, um Festplatten, CD-ROM-Laufwerke, Diskettenlaufwerke, Drucker, Scanner, Modems und eine Vielzahl anderer Peripheriegeräte anzuschließen. Geschwindigkeiten bis zu 1,5 MByte pro Sekunde für den ursprünglichen Standard.

GPIB (IEEE 488)
General Purpose Interface Bus, auch bekannt als HPIB oder IEEE 488, der für die Anbindung elektronischer Testgeräte wie Oszilloskope und Multimeter an PCs gedacht war. 8 Bit breiter Adress-/Daten-„Pfad“ mit 8 zusätzlichen Leitungen zur Kommunikationssteuerung.

Centronics-Parallel
Weit verbreitet auf PCs zum Anschließen von Drucker- und Plottergeräten. Wird manchmal als Schnittstelle zu anderen Peripheriegeräten verwendet, z. B. externe ZIP-Diskettenlaufwerke (100 Mbyte-Disketten) und Bandlaufwerke.

USB
Universeller serieller Bus, der viele externe Peripheriegeräte (wie Tastaturen, Modems, Mäuse usw.) mit PCs verbinden soll. Lange Zeit auf Macintosh-PCs verwendet, wird es jetzt als neues Gerät auf IBM-kompatiblen Computern installiert.

FireWire (IEEE 1394)
Ein serielles Hochgeschwindigkeitsnetzwerk, das mit 100, 200 oder 400 Mbit/s betrieben werden kann, mit vielseitigen Funktionen wie „Hot-Swapping“ (Hinzufügen oder Entfernen von Geräten bei eingeschaltetem Gerät) und flexibler Topologie. Entwickelt für Hochleistungs-PC-Schnittstellen.

Bluetooth
Ein funkbasiertes Kommunikationsnetzwerk, das für die Verbindung von Computergeräten im Büro entwickelt wurde. Vorkehrungen für die Datensicherheit in diesem Netzwerkstandard.

Netze über größere Entfernungen

20 mA Stromschleife
Nicht zu verwechseln mit dem üblichen analogen 4-20-mA-Messgerätstandard, dies ist ein digitales Kommunikationsnetzwerk, das auf der Unterbrechung einer 20-mA- (oder manchmal 60-mA-) Stromschleife basiert, um binäre Daten darzustellen. Obwohl die niedrige Impedanz eine gute Störfestigkeit bietet, ist sie anfällig für Verdrahtungsfehler (z. B. Unterbrechungen), die das gesamte Netzwerk ausfallen lassen würden.

RS-232C
Das am häufigsten in Computersystemen verwendete serielle Netzwerk, das häufig verwendet wird, um Peripheriegeräte wie Drucker und Mäuse mit einem PC zu verbinden. Begrenzt in Geschwindigkeit und Entfernung (normalerweise 45 Fuß und 20 kbps, obwohl höhere Geschwindigkeiten mit kürzeren Entfernungen gefahren werden können). Ich war in der Lage, RS-232 zuverlässig mit Geschwindigkeiten von über 100 kbps auszuführen, aber dies wurde mit einem nur 6 Fuß langen Kabel verwendet! RS-232C wird oft einfach als RS-232 (kein „C“) bezeichnet.

RS-422A/RS-485
Zwei serielle Netzwerke, die entwickelt wurden, um einige der Entfernungs- und Vielseitigkeitsbeschränkungen von RS-232C zu überwinden. Weit verbreitet in der Industrie verwendet, um serielle Geräte in elektrisch „verrauschten“ Anlagenumgebungen miteinander zu verbinden. Viel größere Entfernungs- und Geschwindigkeitsbeschränkungen als bei RS-232C, normalerweise über 800 m und bei Geschwindigkeiten von fast 10 Mbit/s.

Ethernet (IEEE 802.3)
Ein Hochgeschwindigkeitsnetzwerk, das Computer und einige Arten von Peripheriegeräten miteinander verbindet. „Normales“ Ethernet läuft mit einer Geschwindigkeit von 10 Millionen Bit/Sekunde und „schnelles“ Ethernet läuft mit 100 Millionen Bit/Sekunde. Das langsamere (10 MBit/s) Ethernet wurde auf verschiedene Weise auf Kupferdraht (dickes Koax =„10BASE5“, dünnes Koax =„10BASE2“, Twisted-Pair =„10BASE-T“), Funk und auf Glasfaser implementiert („10BASE-F“). Das Fast Ethernet wurde auch auf verschiedene Weise implementiert (Twisted-Pair, 2 Pair =100BASE-TX; Twisted-Pair, 4 Pair =100BASE-T4; Glasfaser =100BASE-FX).

Tokenring
Ein weiteres Hochgeschwindigkeitsnetzwerk, das Computergeräte miteinander verbindet und eine Kommunikationsphilosophie verwendet, die sich stark von Ethernet unterscheidet und präzisere Reaktionszeiten von einzelnen Netzwerkgeräten und eine größere Immunität gegen Beschädigungen der Netzwerkverkabelung ermöglicht.

FDDI
Ein sehr schnelles Netzwerk, das ausschließlich auf Glasfaserkabeln implementiert ist.

Modbus/Modbus Plus
Ursprünglich von der Modicon Corporation implementiert, einem großen Hersteller von speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) zum Verbinden von Remote-E/A-(Eingabe/Ausgabe)-Racks mit einem SPS-Prozessor. Immer noch sehr beliebt.

Profibus
Ursprünglich von der Siemens Corporation implementiert, einem anderen großen Hersteller von SPS-Ausrüstung.

Foundation Fieldbus
Ein Hochleistungsbus, der speziell dafür entwickelt wurde, mehreren Prozessinstrumenten (Messumformern, Reglern, Stellungsreglern) die Kommunikation mit Host-Computern und untereinander zu ermöglichen. Kann letztendlich das 4-20-mA-Analogsignal als Standardmittel zur Verbindung von Prozesssteuerungsinstrumenten in der Zukunft verdrängen.