Netwerken en bussen

De draden tussen de tank en de bewakingslocatie worden een bus of een netwerk genoemd . Het onderscheid tussen deze twee termen is meer semantisch dan technisch, en de twee kunnen voor alle praktische doeleinden door elkaar worden gebruikt. In mijn ervaring wordt de term 'bus' meestal gebruikt met betrekking tot een reeks draden die digitale componenten verbinden in de behuizing van een computerapparaat, en 'netwerk' is voor iets dat fysiek meer wijdverbreid is.

In de afgelopen jaren heeft het woord "bus" echter aan populariteit gewonnen bij het beschrijven van netwerken die gespecialiseerd zijn in het onderling verbinden van discrete instrumentatiesensoren over lange afstanden ("Fieldbus" en "Profibus" zijn twee voorbeelden). In beide gevallen verwijzen we naar de manier waarop twee of meer digitale apparaten met elkaar zijn verbonden, zodat gegevens onderling kunnen worden uitgewisseld.

Namen als "Fieldbus" of "Profibus" omvatten niet alleen de fysieke bedrading van de bus of het netwerk, maar ook de gespecificeerde spanningsniveaus voor communicatie, hun timingsequenties (vooral voor seriële datatransmissie), connectorpinoutspecificaties en alle andere onderscheidende technische kenmerken van het netwerk.

Met andere woorden, als we het hebben over een bepaald type bus of netwerk bij naam, hebben we het eigenlijk over een communicatie-standaard , ongeveer analoog aan de regels en woordenschat van een geschreven taal. Voordat twee of meer mensen bijvoorbeeld penvrienden kunnen worden, moeten ze in een gemeenschappelijk formaat naar elkaar kunnen schrijven.

Alleen een postsysteem hebben dat hun brieven bij elkaar kan bezorgen, is niet voldoende. Als ze overeenkomen om elkaar in het Frans te schrijven, stemmen ze ermee in zich te houden aan de conventies van tekenset, woordenschat, spelling en grammatica die zijn gespecificeerd door de standaard van de Franse taal.

Evenzo, als we twee Profibus-apparaten met elkaar verbinden, kunnen ze alleen met elkaar communiceren omdat de Profibus-standaard zulke belangrijke details heeft gespecificeerd zoals spanningsniveaus, timingsequenties, enz. Gewoon een set draden tussen meerdere apparaten hebben is niet genoeg om een ​​werkend systeem te bouwen (vooral als de apparaten door verschillende fabrikanten zijn gebouwd!).

Laten we om in detail te illustreren onze eigen busstandaard ontwerpen. Door gebruik te maken van het meetsysteem van de ruwwatertank met vijf schakelaars om verschillende waterniveaus te detecteren en door (minstens) vijf draden te gebruiken om de signalen naar hun bestemming te leiden, kunnen we de basis leggen voor de machtige BogusBus :

De fysieke bedrading voor de BogusBus bestaat uit zeven draden tussen het zenderapparaat (schakelaars) en het ontvangerapparaat (lampen). De zender bestaat uit alle componenten en bedradingsaansluitingen links van de meest linkse connectoren (de “—>>—” symbolen). Elk connectorsymbool vertegenwoordigt een complementair mannelijk en vrouwelijk element. De busbedrading bestaat uit de zeven draden tussen de connectorparen.

Ten slotte ligt de ontvanger en al zijn samenstellende bedrading rechts van de meest rechtse connectoren. Vijf van de netwerkdraden (aangeduid met 1 tot en met 5) dragen de gegevens, terwijl twee van die draden (aangeduid met +V en -V) aansluitingen bieden voor gelijkstroomvoedingen. Er is ook een standaard voor de 7-pins connectorstekkers. De pinlay-out is asymmetrisch om "achterwaartse" verbinding te voorkomen.

Om ervoor te zorgen dat fabrikanten de ontzagwekkende "BogusBus-compliant" certificering op hun producten ontvangen, zouden ze moeten voldoen aan de specificaties die zijn opgesteld door de ontwerpers van BogusBus (waarschijnlijk een ander bedrijf, dat de bus voor een specifieke taak heeft ontworpen en het op de markt brengen voor een breed scala aan doeleinden). Zo moeten alle apparaten de 24 Volt DC-voeding van BogusBus kunnen gebruiken:de schakelcontacten in de zender moeten geschikt zijn om die gelijkspanning te schakelen, de lampen moeten zeker geschikt zijn om door die spanning te worden gevoed en de connectoren moet het allemaal aankunnen.

De bedrading moet natuurlijk aan dezelfde norm voldoen:lampen 1 t/m 5 moeten bijvoorbeeld op de juiste pinnen worden aangesloten, zodat wanneer LS4 van de zender van fabrikant XYZ sluit, lamp 4 van de ontvanger van fabrikant ABC gaat branden, en dus Aan. Aangezien zowel zender als ontvanger DC-voedingen bevatten met een output van 24 volt, moeten alle zender/ontvanger-combinaties (van alle gecertificeerde fabrikanten) moeten hebben voedingen die veilig parallel kunnen worden aangesloten.

Bedenk wat er zou kunnen gebeuren als fabrikant XYZ een zender zou maken met de negatieve (-) kant van hun 24VDC-voeding aangesloten op aarde en fabrikant ABC een ontvanger zou maken met de positieve (+) kant van hun 24VDC-voeding aangesloten op aarde. Als beide aardingen relatief "solide" zijn (dat wil zeggen, een lage weerstand ertussen, zoals het geval zou kunnen zijn als de twee aardingen op de metalen structuur van een industrieel gebouw zouden zijn gemaakt), zouden de twee voedingen elkaar kortsluiten. anders!

BogusBus is natuurlijk een volledig hypothetisch en zeer onpraktisch voorbeeld van een digitaal netwerk. Het heeft een ongelooflijk slechte gegevensresolutie, vereist aanzienlijke bedrading om apparaten aan te sluiten en communiceert slechts in één richting (van zender naar ontvanger). Het is echter voldoende als een zelfstudievoorbeeld van wat een netwerk is en enkele overwegingen die verband houden met netwerkselectie en -werking.

Er zijn veel soorten bussen en netwerken die u in uw beroep kunt tegenkomen. Elk heeft zijn eigen toepassingen, voor- en nadelen. Het is de moeite waard om jezelf te associëren met een deel van de "alfabetsoep" die wordt gebruikt om de verschillende ontwerpen te labelen:

Korteafstandsbussen

PC/AT
Bus gebruikt in vroege IBM-compatibele computers om randapparatuur zoals diskdrive en geluidskaarten aan te sluiten op het moederbord van de computer.

PCI
Een andere bus die wordt gebruikt in pc's, maar niet beperkt tot IBM-compatibele apparaten. Veel sneller dan PC/AT. Typische gegevensoverdrachtsnelheid van 100 Mbytes/seconde (32 bit) en 200 Mbytes/seconde (64 bit).

PCMCIA
Een bus die is ontworpen om randapparatuur aan te sluiten op pc's ter grootte van een laptop en notebook. Heeft een zeer kleine fysieke "voetafdruk", maar is aanzienlijk langzamer dan andere populaire pc-bussen.

VME
Een krachtige bus (mede ontworpen door Motorola, en gebaseerd op Motorola's eerdere Versa-Bus-standaard) voor het bouwen van veelzijdige industriële en militaire computers, waar meerdere geheugen-, rand- en zelfs microprocessorkaarten kunnen worden aangesloten op een passief "rek" of "kaartkooi" om aangepaste systeemontwerpen te vergemakkelijken. Typische gegevensoverdrachtsnelheid van 50 Mbytes/seconde (64 bits breed).

VXI
Eigenlijk een uitbreiding van de VME-bus, VXI (VME eXtension for Instrumentation) omvat de standaard VME-bus samen met connectoren voor analoge signalen tussen kaarten in het rack.

S-100
Ook wel de Altair-bus genoemd, deze busstandaard was het product van een conferentie in 1976, bedoeld om te dienen als interface voor de Intel 8080 microprocessorchip. In filosofie vergelijkbaar met de VME, waar kaarten met meerdere functies kunnen worden aangesloten op een passief "rek", waardoor de constructie van aangepaste systemen wordt vergemakkelijkt.

MC6800
Het Motorola-equivalent van de Intel-centric S-100-bus, ontworpen om randapparatuur te koppelen aan de populaire Motorola 6800-microprocessorchip.

SOA
Staat voor Simple-To-Design, en is nog een ander passief "rack" vergelijkbaar met de PC/AT-bus, en leent zich goed voor ontwerpen op basis van IBM-compatibele hardware. Ontworpen door Pro-Log, het is 8 bits breed (parallel), geschikt voor relatief kleine (4,5 inch bij 6,5 inch) circuitkaarten.

Multibus I en II
Nog een bus bedoeld voor het flexibel ontwerpen van custom computersystemen, ontworpen door Intel. 16 bits breed (parallel).

CompactPCI

Een industriële aanpassing van de pc-PCI-standaard, ontworpen als een krachtiger alternatief voor de oudere VME-bus. Bij een buskloksnelheid van 66 MHz zijn de gegevensoverdrachtsnelheden 200 Mbytes/seconde (32 bit) of 400 Mbytes/sec (64 bit).

Microkanaal
Nog een bus, deze ontworpen door IBM voor hun noodlottige PS/2-serie computers, bedoeld voor de koppeling van pc-moederborden met randapparatuur.

IDE
Een bus die voornamelijk wordt gebruikt voor het aansluiten van harde schijven van pc's met de juiste randapparatuurkaarten. Op grote schaal gebruikt in de hedendaagse personal computers voor interfaces tussen harde schijven en cd-rom-stations.

SCSI
Een alternatieve (technisch superieur aan IDE) bus die wordt gebruikt voor schijven van pc's. SCSI staat voor Small Computer System Interface. Gebruikt in sommige IBM-compatibele pc's, evenals Macintosh (Apple), en veel mini- en mainframe-bedrijfscomputers. Wordt gebruikt om harde schijven, cd-rom-stations, diskettestations, printers, scanners, modems en tal van andere randapparatuur aan te sluiten. Snelheden tot 1,5 Mbytes per seconde voor de originele standaard.

GPIB (IEEE 488)
Interface Bus voor algemeen gebruik, ook bekend als HPIB of IEEE 488, die bedoeld was voor de koppeling van elektronische testapparatuur zoals oscilloscopen en multimeters aan personal computers. 8 bit breed adres/data "pad" met 8 extra lijnen voor communicatiecontrole.

Centronics parallel
Veel gebruikt op personal computers voor het koppelen van printer- en plotterapparaten. Soms gebruikt om te communiceren met andere randapparatuur, zoals externe ZIP (100 Mbyte floppy) diskdrives en tapedrives.

USB
Universal Serial Bus, bedoeld om veel externe randapparatuur (zoals toetsenborden, modems, muizen, enz.) met personal computers te verbinden. Lange tijd gebruikt op Macintosh-pc's, wordt het nu geïnstalleerd als nieuwe apparatuur op IBM-compatibele machines.

FireWire (IEEE 1394)
Een serieel netwerk met hoge snelheid dat kan werken met 100, 200 of 400 Mbps met veelzijdige functies zoals "hot swapping" (apparaten toevoegen of verwijderen terwijl de stroom is ingeschakeld) en flexibele topologie. Ontworpen voor high-performance personal computer interfaces.

Bluetooth
Een op radio gebaseerd communicatienetwerk dat is ontworpen om computerapparatuur op kantoor te koppelen. Voorzieningen voor gegevensbeveiliging ontworpen in deze netwerkstandaard.

Netwerken over grote afstand

20 mA stroomlus
Niet te verwarren met de gebruikelijke instrumentatie 4-20 mA analoge standaard, dit is een digitaal communicatienetwerk gebaseerd op het onderbreken van een 20 mA (of soms 60 mA) stroomlus om binaire gegevens weer te geven. Hoewel de lage impedantie een goede ruisimmuniteit geeft, is het gevoelig voor bedradingsfouten (zoals onderbrekingen) die het hele netwerk zouden uitvallen.

RS-232C
Het meest voorkomende seriële netwerk dat wordt gebruikt in computersystemen, vaak gebruikt om randapparatuur zoals printers en muizen aan een pc te koppelen. Beperkt in snelheid en afstand (meestal 45 voet en 20 kbps, hoewel hogere snelheden kunnen worden afgelegd met kortere afstanden). Ik heb RS-232 betrouwbaar kunnen gebruiken met snelheden van meer dan 100 kbps, maar dit was met een kabel van slechts 1,80 meter lang! RS-232C wordt vaak eenvoudigweg RS-232 genoemd (geen "C").

RS-422A/RS-485
Twee seriële netwerken ontworpen om enkele van de afstands- en veelzijdigheidsbeperkingen van RS-232C te overwinnen. Veel gebruikt in de industrie om seriële apparaten aan elkaar te koppelen in elektrisch "lawaaierige" fabrieksomgevingen. Veel grotere afstands- en snelheidsbeperkingen dan RS-232C, doorgaans meer dan een halve mijl en met snelheden die de 10 Mbps naderen.

Ethernet (IEEE 802.3)
Een supersnel netwerk dat computers en sommige soorten randapparatuur met elkaar verbindt. "Normaal" Ethernet werkt met een snelheid van 10 miljoen bits/seconde, en "Fast" Ethernet werkt met 100 miljoen bits/seconde. Het langzamere (10 Mbps) Ethernet is op verschillende manieren geïmplementeerd op koperdraad (dikke coax ="10BASE5", dunne coax ="10BASE2", twisted-pair ="10BASE-T"), radio en op glasvezel (“10BASE-F”). Fast Ethernet is ook op een paar verschillende manieren geïmplementeerd (twisted-pair, 2 pair =100BASE-TX; twisted-pair, 4 pair =100BASE-T4; optische vezel =100BASE-FX).

Tokenring
Nog een supersnel netwerk dat computerapparaten met elkaar verbindt, met behulp van een communicatiefilosofie die veel verschilt van Ethernet, waardoor nauwkeurigere responstijden van individuele netwerkapparaten mogelijk zijn en een grotere immuniteit voor schade aan de netwerkbedrading.

FDDI
Een zeer snel netwerk exclusief geïmplementeerd op glasvezelbekabeling.

Modbus/Modbus Plus
Oorspronkelijk geïmplementeerd door de Modicon Corporation, een grote maker van Programmable Logic Controllers (PLC's) voor het koppelen van externe I/O (Input/Output) racks met een PLC-processor. Nog steeds behoorlijk populair.

Profibus
Oorspronkelijk geïmplementeerd door Siemens, een andere grote fabrikant van PLC-apparatuur.

Fundament Fieldbus
Een krachtige bus die speciaal is ontworpen om meerdere procesinstrumenten (zenders, controllers, klepstandstellers) te laten communiceren met hostcomputers en met elkaar. Kan uiteindelijk het 4-20 mA analoge signaal verdringen als het standaardmiddel voor het onderling verbinden van procesbesturingsinstrumentatie in de toekomst.