Специальные марки кабелей российского производства для сетей RS485
Для построения цифровых промышленных сетей RS485 часто применяется специализированная дорогостоящая кабельная продукция иностранных производителей таких, например, как Belden, LappKabel, Helukabel и др. или, в условиях ограниченного бюджета, в качестве кабеля RS485 применяется стандартная «витая пара» 5-й категории для LAN сетей, телефонные кабели, кабели управления с ПВХ изоляцией, которые хоть и имеют право на использование в системах с интерфейсом RS485, но технически в принципе не могут полностью обеспечить качество, надежность, защищенность и дальность передачи данных. В тоже время российскими производителями кабельной продукции уже достаточно давно освоен выпуск специальных интерфейсных кабелей для сетей использующих интерфейс RS485. Рассмотрим номенклатуру отечественных специальных интерфейсных кабелей RS485 на примере продукции НПП «Спецкабель».
Для построения сетей RS485 НПП «Спецкабель» выпускает интерфейсные кабели марок КИПЭВ, КИПвЭП и КИПвЭВ (ТУ 16.К99- 008-2001) с одной или более пар скрученных многопроволочных медных луженых проводников диаметром 0,60 мм (24AWG) и 0,78 мм (22AWG). Проводники жил имеют изоляцию из сплошного полиэтилена (П) или вспененного полиэтилена (Пв) с заполнением сердечника продольно уложенными нескрученными полипропиленовыми фибрилированными нитями в общем экране (Э). Экран состоит из алюмолавсановой ленты и наложенных поверх нее дренажного многопроволочного проводника и оплетки из луженых медных проволок (плотность оплетки 88…92%), в общей защитной оболочке из светостабилизированного полиэтилена (П) или поливинилхлоридного пластиката (В).
Конструктивное исполнение жил проводников кабелей марок КИПЭВ, КИПвЭП и КИПвЭВ (семь луженых скрученных проволок) обеспечивает:
- соответствие рекомендуемым размерам для отверстий стандартных интерфейсных соединителей RS485;
- повышенную гибкость сердечника (скрученных между собой пар проводников) кабеля, что важно при его использовании в жестких промышленных условиях, где не исключена вероятность воздействия многократных изгибов, перегибов, кручений, а также вибрации во время про кладки и эксплуатации кабеля;
- лучшую паяемость и коррозионную стойкость проводников при монтаже и дальнейшей работе кабеля.
Изоляция проводников из сплошного или вспененного полиэтилена обеспечивает этим кабелям низкое значение электрической емкости между проводниками пар порядка 40 пФ/м (в 2-3 раза ниже, чем у кабелей с ПВХ изоляцией проводников), что дает малую задержку и искажение сигнала при его распространении по кабелю. В свою очередь, это обеспечивает возможность передачи сигналов данных на большие расстояния при высоких скоростях передачи данных.
Волновое сопротивление данной серии кабелей равно (120±10) Ом, что строго удовлетворяет рекомендациям стандарта RS485, который устанавливает только требования к электрическим характеристикам интерфейсов (выходы передатчиков и входы приемников), но не самой среды передачи. Относительно последней в стандарте дается рекомендованное значение 120 Ом, под которое оптимизирована работа приемопередатчиков RS485. При волновом сопротивлении кабеля уменьшается токовая нагрузка на передатчик и увеличивается максимальная дальность передачи данных на низких скоростях передачи.
В качестве примера можно указать, что волновым сопротивлением 100 Ом обладает широко доступная дешевая «витая пара» 5-й категории для Ethernet. В случае же контрольных кабелей с ПВХ изоляцией, их волновое сопротивление не выходит за пределы 80 Ом в диапазоне 0,1…100 МГц, что увеличивает нагрузку на передатчик. Телефонные провода имеют волновое сопротивление 120 Ом на частоте выше 100 кГц, но они имеют массу других недостатков в свете применения их для RS485.
Благодаря использованию в конструкции интерфейсных кабелей заполняющих полипропиленовых нитей между скрученными парами, достигается некоторое удаление скрученных пар друг от друга и от экрана и уменьшение коэффициента затухания по сравнению с обычной экранированной «витой парой» 5-й категории в среднем на 15…20% в диапазоне частот 1…100 МГц. Это обусловлено уменьшением взаимного влияния между проводниками пар (эффект близости), а также влияния экрана на сердечник (эффект реакции экрана). Использование в кабелях марок КИПвЭП и КИПвЭВ в качестве изоляции проводников вспененного ПЭ дает снижение коэффициента затухания в среднем еще на 20 %. Кабели с ПВХ изоляцией, например контрольные кабели, в данном случае дают коэффициент затухания в 1,5…2,5 раза превышающий коэффициент затухания кабелей с изоляцией из ПЭ.
Полипропиленовые нити, помимо снижения коэффициента затухания, обеспечивают также дополнительную механическую прочность сердечника. Их наличие придает форме сердечника большую округлость, значительно повышает разрывную прочность сердечника, а также обеспечивает его целостность при осевых кручениях, изгибах и перегибах, что в свою очередь повышает стабильность электрических характеристик при указанных воздействиях.
Следует также отметить, что рассматриваемые кабели обладают повышенной помехозащищенностью, благодаря двухслойному экрану в виде алюмолавсановой ленты и медной луженой оплетки с дренажным проводником между ними, обеспечивающими ослабление внешнего электромагнитного поля примерно на 75 дБ. Это особенно важно в условиях напряженной электромагнитной обстановки в промышленной среде. Более того, наличие оплетки и дренажного проводника поверх фольги позволяет уберечь последнюю от нежелательных изломов при многократных изгибах кабеля, а также сохранить собственно физическую и электрическую целостность экрана. В LAN-кабелях, контрольных и телефонных кабелях экран зачастую выполняют в одном варианте: одна алюмолавсановая фольга или чисто медная оплетка, эффективность экранирования которых составляет всего 40…60 дБ.
Вариантов оболочек кабелей, выполняющих функции защиты кабеля от внешних воздействующих факторов, которые зависят от условий прокладки и климатических факторов, несколько. Если кабель прокладывается внутри здания, то в этом случае целесообразней использовать кабели марок КИПЭВ или КИПвЭВ с оболочкой из ПВХ пластиката; при этом, во-первых, кабель будет отвечать требованиям норм пожарной безопасности, а во-вторых, обладать меньшей жесткостью, что удобно при прокладке.
Кабели КИПЭП и КИПвЭП с оболочкой из светостабилизированного полиэтилена целесообразно использовать, когда нет отдельных требований по пожарной безопасности и когда кабельный проброс должен располагаться там, где на него будет воздействовать прямое ультрафиолетовое излучение (солнечные лучи), например по периметру или между зданиями при отсутствии кабельных каналов, а также в местах с постоянной повышенной влажностью (водопоглощение оболочечного полиэтилена в 10…15 раз меньше, чем у ПВХ пластиката).
Если на незащищенном от солнечных лучей месте проложить кабель с оболочкой из ПВХ пластиката, то последняя при длительном воздействии на нее УФ со временем будет охрупчиваться и покрываться трещинами, что абсолютно недопустимо. Как правило, температурный диапазон кабелей с полиэтиленовой оболочкой КИПЭП и КИПвЭП лежит в пределах 60…85°С, кабелей с ПВХ оболочкой КИПЭВ и КИПвЭВ — 40…70°С. Возможно исполнение кабелей с оболочкой из ПВХ пластиката повышенной морозостойкости (буква м в маркировке) — марки КИПЭВм и КИПвЭВм — для температурного диапазона 60…70°С, что крайне важно для климатических особенностей России, а также с оболочкой из ПВХ пластиката специальной светостабилизированной рецептуры (с добавлением в состав пластиката сажи), позволяющей прокладывать кабель с ПВХ оболочкой на открытых для УФ излучения местах.
Для защиты рассматриваемых кабелей от механических воздействий используется исполнение с наложением поверх защитной оболочки брони одного из двух видов: оплетки стальными оцинкованными (для защиты от коррозии) проволоками диаметром 0,3 мм или стальной гофрированной ленты.
Броня в виде оплетки из стальных круглых проволок (буква К в маркировке) используется в конструкции кабелей марок КИПЭПКГ, КИПЭВКГ, КИПвЭПКГ, КИПвЭВКГ, КИПЭВКГм и КИПвЭВКГм; буква Г (голый) в обозначении марок кабелей указывает на отсутствие защитных пластмассовых оболочек поверх брони.
Данный вид брони может применяться, на пример в случае прокладки кабеля в грунте, который в связи с сезонными колебаниями температуры, а значит, и плотности почвы, будет оказывать на конструкцию кабеля различные механические воздействия, а именно, значительные радиальные и растягивающие усилия.
Данный вид брони также стоит применять, если есть вероятность воздействия на кабель значительных растягивающих и изгибающих усилий, которым должен противостоять кабель. Таким образом, еще одно свойство данного вида брони, которое можно использовать в качестве критерия его выбора — это сохранение гибкости конструкции кабеля, достаточной для его неоднократного изгиба, перегиба и кручения.
Кроме того, разумным решением может стать использование кабеля с наложенной поверх брони защитной оболочкой. В качестве дополнительного примера для ПЭ оболочки (марки КИПЭПКП и КИПвЭПКП) можно назвать прокладку в подвалах и шахтных участках с высокой влажностью и отсутствием пожаро- и взрывоопасности, а в случае ПВХ оболочки (марки КИПЭВКВ, КИПвЭВКВ, КИПЭВКВм и КИПвЭВКВм) — пожаро- и взрывоопасные участки шахт, а также другие внутриобъектовые трассы, требующие стойкость к воздействию пламени.
Наряду с броней из стальных оцинкованных проволок, используется броня в виде стальной гофрированной ленты. При этом соображения по выбору защитной оболочки под броней и поверх нее остаются теми же, что изложены выше. Кроме того, промежуток между броней и оболочкой под ней заполняется герметизирующим гидрофобным материалом, препятствующим продольному распространению влаги. Кабели с таким видом брони также могут быть использованы на участках, где необходима защита от раздавливающих нагрузок. При этом в случае требований пожаро- и взрывозащищенности должны использоваться кабели марок КИПЭВБВ, КИПвЭВБВ, КИПЭВБВм и КИПвЭВБВм, а в случае прокладки во влажных местах и на открытом для солнечных лучей воздухе — кабели марок КИПЭПБП и КИПвЭПБП.
Необходимо заметить, что в грунте всегда должны прокладываться кабели с ПЭ оболочкой, что также связано с периодическим увлажнением почвы, но если речь идет об эксплуатации в условиях, где необходима защита от распространения пламени и инициализации взрыва во взрывоопасных средах, то следует рассматривать кабели с ПВХ оболочкой. Это подтверждается «Разрешением Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору», полученным НПП «Спецкабель» для всех кабелей серии КИП с оболочкой из ПВХ пластиката (морозостойкого, теплостойкого или пониженной пожароопасности) или полиуретана пониженной пожароопасности.
Применение ленточной и, в меньшей степени, оплеточной брони сразу отбрасывает на второй план проблему помехозащищенности линии передачи, поскольку конструкция брони обеспечивает ослабление внешнего электромагнитного поля на несколько сот децибел в диапазоне частот выше 100 кГц; при этом совокупность брони и двойного экрана кабеля из фольги и оплетки делает кабель практически неуязвимым для влияния электромагнитных помех в промышленной обстановке. Кабели с ленточной броней рекомендованы ФГУП «РТРС» к применению в создании АСКУЭ промышленных предприятий, где имеет место воздействие высокого уровня помех со стороны многочисленных радиопередатчиков.
Число пар проводников в кабелях серии КИП НПП «Спецкабель» может быть от 1 до 4. Это позволяет организовать либо полудуплексную (с одной или полуторной (с дополнительным, используемым для заземления, изолированным проводником) парой), либо дуплексную (с двумя, тремя или четырьмя парами) связь. Например, в случае четырех пар одна пара будет использоваться для передачи, другая — для приема сигнала данных приемопередатчиком и две остальные — для передачи сигнала контроля/подтверждения.
При подготовке публикации использованы информационные материалы компании НПП «Спецкабель».
Источник
Практика разводки сетей RS-485
Цель настоящей статьи — предоставить базовые понятия по выбору элементов соединений для сетей на основе RS-485.
Кабель
Кабели, по которым осуществляется передача данных, могут быть совершенно разными. Это могут быть отдельные провода, витые пары различных типов: экранированные и неэкранированные. Однако, чем ближе применяемый кабель к рекомендациям, данных в предыдущей части статьи, тем больше вероятность, что построенная вами сеть будет функционировать быстро и надёжно.
Обычные провода. Если вы используете контроллеры Segnetics, то вы уже наверняка создавали сеть простейшего вида. Она идёт вразрез со всеми рекомендациями, но работает довольно таки устойчиво и на максимальной скорости. Эта сеть была создана вами для загрузки программы и соединяла конвертер, подключенный к компьютеру с контроллером (Рисунок 1).
Рис. 1. Простейший кабель — два обычных провода. Для связи на расстояниях до 10 метров нет ничего предосудительного в их использовании даже без согласующих резисторов и общего провода.
Однако, не стоит считать, что на малых расстояниях (например, внутри щита) совсем не нужно обращать внимание на разводку сети. Если контроллеры имеют разные источники питания, то дренажный провод будет совсем не лишним. Рано или поздно это обязательно пригодится! Другое дело, что предохранители и токоограничивающие резисторы скорее всего будут лишней тратой и сил и денег.
Витая пара. Несмотря на то, что RS-485 может успешно осуществлять передачу с использованием обычных одиночных проводов, он должен использоваться с проводкой, обычно называемой «витая пара».
Рис. 2. Витая пара для больших токов.
Рис. 3. Витая пара для передачи видеосигнала.
Более подробно Цифровой мультимедийный интерфейс HDMI
Рис. 4. Всем знакомые «компьютерные» витые пары (слева направо): UTP, FTP и STP.
Любая витая пара лучше, чем два одиночных провода, но параметры этих витых пар далеки от рекомендуемых. Это не позволяет организовывать протяженные устойчивые сети на базе RS485.
Например, силовая пара не имеет экранирования и определённого волнового сопротивления. Однако, большое сечение проводников и высокая устойчивость к излому, позволяет использовать её в высоконагруженных (большое количество контроллеров) сетях малой протяжённости (десятки метров).
Видеокабель характеризуется малым затуханием сигнала и прекрасной изоляцией. Но имеет волновое сопротивление всего 75 ом и поэтому высоконагруженную сеть на его базе построить не удастся. Однако, если в проводке здания такой свободный кабель уже присутствует, то для связи на сотню-другую метров между парой-тройкой контроллеров и компьютером он вполне сгодится.
Компьютерные витые пары, кроме своей откровенной дешевизны и большой вероятности, что они уже наверняка проложены в проводке здания, отличаются большим электрическим сопротивлением проводников, обусловленным их малым сечением. Это накладывает ограничение на общую нагрузку в сети. При этом волновое сопротивление кабеля близко к 100 омам, что является неплохим показателем. На таком кабеле вполне достижимы расстояния в 300-400 метров между двумя контроллерами или контроллером и компьютером. При увеличении количества контроллеров в сети дальность связи падает — сказывается малое сечение проводников.
При использовании «компьютерных» или видеокабелей знаковым признаком перегрузки сети является всякое пропадание связи при добавлении в сеть ещё одного контроллера. Знаковым признаком превышения допустимой длины кабеля является отсутствие связи между самыми дальними контроллерами в сети, но связь между более ближними контроллерами при этом функционирует устойчиво и без замечаний.
Применение специализированного кабеля во многих простейших случаях обойдётся в гораздо большие деньги, не имея при этом никаких веских обоснований, кроме как «так положено по стандарту». Но и устойчивость сети такие кабели дадут в разы, а то и на порядки большую.
Вот неполный список специализированных кабелей, которые легко найти за несколько минут:
| Тип | Описание |
| КИПЭКГнг(А)-HF Nx2x0,60 | Кабели для промышленного интерфейса RS-485 групповой прокладки, пожаробезопасные, бронированные |
| КИПвЭКнг(А)-HF Nx2x0,78 | Кабели для промышленного интерфейса RS-485 групповой прокладки, пожаробезопасные, бронированные |
| КИПвЭВБВнг(А)-LS Nx2x0,78 | Кабели для промышленного интерфейса RS-485 групповой прокладки, пожаробезопасные, бронированные |
| КИПвЭВБВнг(А)-LS Nx2x0,78 | Кабели для промышленного интерфейса RS-485 групповой прокладки, пожаробезопасные, бронированные |
| КИПЭКГнг(А)-HF Nx2x0,60 | Кабели для промышленного интерфейса RS-485 групповой прокладки, пожаробезопасные, бронированные |
| КИПвЭнг(А)-HF Nx2x0,78 | Кабели для промышленного интерфейса RS-485 групповой прокладки, пожаробезопасные |
| КИПЭБнг(А)-HF Nx2x0,60 | Кабели для промышленного интерфейса RS-485 групповой прокладки, пожаробезопасные, бронированные |
| КИПвЭКГнг(А)-HF Nx2x0,78 | Кабели для промышленного интерфейса RS-485 групповой прокладки, пожаробезопасные, бронированные |
| КИПвЭВКВнг(А)-LS Nx2x0,78 | Кабели для промышленного интерфейса RS-485 групповой прокладки, пожаробезопасные, бронированные |
| КИПЭВнг(А)-LS Nx2x0,60 | Кабели для промышленного интерфейса RS-485 групповой прокладки, пожаробезопасные, бронированные |
| КИПвЭВнг(А)-LS Nx2x0,78 | Кабели для промышленного интерфейса RS-485 групповой прокладки, пожаробезопасные |
| КИПЭнг(А)-HF Nx2x0,60 | Кабели для промышленного интерфейса RS-485 групповой прокладки, пожаробезопасные, бронированные |
| КИПвЭБнг(А)-HF Nx2x0,78 | Кабели для промышленного интерфейса RS-485 групповой прокладки, пожаробезопасные, бронированные |
| КИПЭКГнг(А)-HF Nx2x0,60 | Кабели для промышленного интерфейса RS-485 групповой прокладки, пожаробезопасные, бронированные |
| КИПЭКнг(А)-HF Nx2x0,60 | Кабели для промышленного интерфейса RS-485 групповой прокладки, пожаробезопасные, бронированные |
| КИПЭВКГнг(А)-LS Nx2x0,60 | Кабели для промышленного интерфейса RS-485 групповой прокладки, пожаробезопасные, бронированные |
| КИПЭВКВнг(А)-LS Nx2x0,60 | Кабели для промышленного интерфейса RS-485 групповой прокладки, пожаробезопасные, бронированные |
Применение специализированного кабеля позволит построить гарантированно беспроблемную и работающую сеть передачи данных на базе любых устройств, использующих RS485.
Согласующие резисторы
Согласующий резистор — это просто резистор, который установлен на крайних концах кабеля (Рис. 5). В идеале, сопротивление согласующего резистора равно волновому сопротивлению кабеля.
Если сопротивление согласующих резисторов не равно волновому сопротивлению кабеля, произойдет отражение, т.е. сигнал вернется по кабелю обратно. Значительные расхождения могут вызвать отражения, достаточно большие для того, чтобы привести к ошибкам в данных.
Контроллеры Segnetics имеют встроенные согласующие резисторы (так называемые «терминаторы» — такое название дано им потому, что они уничтожают рассогласование). Номинал согласующих резисторов, установленных в контроллере равен 120 омам. В заводской настройке контроллера согласующий резистор отключен. При необходимости, его можно включить, просто установив нужную перемычку:
Рис. 6. Расположение перемычек в контроллере SMH2010.
Рис. 7. Расположение перемычки в контроллере Pixel.
Внимание! Конвертеры USB RS485 или RS232 RS485 зачастую не имеют встроенных согласующих резисторов! Поэтому нужно использовать внешний согласующий резистор, который подключается напрямую к клеммам конвертера:
Рис. 8. Использование внешнего сопротивления для согласования кабеля.
Максимальное число передатчиков и приемников в сети
Простейшая сеть на основе RS-485 состоит из одного управляющего устройства (например, контроллер) и одного управляемого (например, преобразователь частоты). Расстояние между ними редко превышает десять метров.
Более сложные сети имеют, кроме управляющего устройства, ещё несколько управляемых. В этом случае сеть имеет не очень большую протяжённость (максимум десятки метров) и имеет стабильные условия функционирования. Под стабильностью условий подразумевается, что все устройства сгруппированы на довольно-таки маленькой площади (внутри шкафа или два-три рядом расположенных шкафа) и в процессе эксплуатации оборудования отсутствуют такие неожиданности, как неумелое расположение силовых кабелей и оборудования монтажниками сторонних организаций.
Рис. 9. Пример локальной распределённой системы управления.
Самую большую сложность имеют сети, использующиеся для диспетчеризации. Как правило они совмещают максимальную протяжённость и большое количество опрашиваемых устройств, размещённых по всему зданию.
В этом случае легко достигнуть предела нагрузочной способности сети: 31 шкаф управления с одной стороны и конвертер с компьютером с другой стороны.
Кроме этого, не всегда достаточно и допустимой длины сети (1000 метров).
И, наконец, появляется проблема пропускной способности сети.
Сети диспетчеризации
Как упоминалось выше, при создании высоконагруженной и протяжённой сети возникает четыре проблемы:
- Большая протяжённость сети.
- Большое количество устройств в сети.
- Высокий уровень помех в сети.
- Ограниченная пропускная способность сети.
При этом, последняя проблема всегда является следствием первых трёх.
Большая протяжённость сети. Стандартом RS-485 общая длина линии связи ограничена 1000 метрами. Обойти это ограничение собственными силами контроллеров невозможно (в пределах поставленной задачи).
Однако, существуют специальные усилители сигналов RS-485. Они называются «Повторители» или «Репитерами» (Repeater). Их назначение состоит в том, чтобы ретранслировать все сигналы, проходящие по сети.
Таким образом, подключив в компьютеру, например, 10 шкафов управления на расстоянии 500 метров, подключаем к концу полученной сети повторитель и получаем ещё 1000 метров допустимой длины! Таким образом, устанавливая повторители, сеть можно наращивать до довольно-таки больших расстояний (десятки километров).
Рис. 10. Пример увеличения дальности связи до 2 км за счёт использования повторителя.
Большое количество устройств в сети. Стандартом RS-485 нагрузочная способность сети ограничена 32-мя устройствами. Т.е. это компьютер + 31 шкаф управления. Обойти это ограничение собственными силами контроллеров невозможно (опять же, в пределах поставленной задачи).
Повторители решают и эту проблему. Сеть может состоять из множества сегментов: компьютер, 10 шкафов управления, повторитель, ещё 10 шкафов. И ещё и ещё.
Нужно только обязательно помнить, что повторитель такое же устройство, как и контроллер: он нагружает сеть и для него существуют все правила подключения, которые описывает стандарт RS-485.
Высокий уровень помех в сети.
Повторители, кроме усиления сигнала, становятся преградой для многих видов помех. А повторители с опторазвязкой формируют электрически изолированные друг от друга сегменты одной сети. В этом случае даже кабели, применяемые в сегментах, могут быть с различными характеристиками!
Но с помехами внутри сегмента они бороться не могут. С этим уже придётся справляться как проектировщику (закладывая в проект оптимальные типы кабелей и трассы их прокладки), так и наладчику (выбирая правильную точку заземления экрана кабеля и подбирая нужную скорость передачи данных в сети).
Ограниченная пропускная способность сети.
При использовании Modbus-RTU (мастер по очереди опрашивает слейвы), время полного опроса всей системы пропорционально количеству устройств. Например, если опрос занимает передачу десятка байт туда и обратно, на скорости 9600 это займет 20 миллисекунд. Немного? А теперь умножьте на 256 – получите 5 секунд. Если для пожарной системы это еще может быть приемлемо, то для системы контроля доступа, пожалуй, тяжело найти клиента, готового ждать 5 секунд после поднесения карты. Многие за это время выломают дверь и еще и настучат по голове тому, кто такую систему установил.
Поэтому, планируя большую и расветвлённую сеть, обязательно просчитывайте трафик и частоту опроса в этой сети. Что толку считывать 10 раз в секунду показания датчика наружной температуры, если достаточно одного раза за 10 минут. И это касается абсолютно любой переменной, «путешествующей» в сети.
Источник
