Анализ современного уровня технических средств физического уровня OSI

Введение и цель дипломной работы
Известная модель взаимодействия открытых систем
OSI ISO (Open Systems Interconnection International Standards Organization ) –
это структурная модель сложного процесса коммутации между сетевыми устройствами.
Модель OSI ISO содержит 7 уровней.
Взаимодействие уровней модели идет в двух направлениях.
Первое – горизонтальное – показывает взаимодействие прилоржений источника и получателя
(горизонтальные стрелки).
Второе – вертикальное – показывает взаимодействие между соседними уровнями модели (вертикальные стрелки).
Наш интерес – физический уровень, который получает от вышестоящего канального уровня данные. преобразует их в оптические или электрические сигналы и
перемещает их по физическим средам:
медным и оптическим кабелям, беспроводной среде.
Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети.
Предметом дипломного проекта являются технические средства физического уровеня модели OSI ISO –При этом рассматриваются три вида физической среды:
медные кабели, оптоволокно и беспроводная среда.

Технические средства медных кабельных сетей
Принято решение рассмотреть два вопроса.
Первый – способ «экранирования без экрана» – способ уменьшения или исключения
межкабельных электромагнитных помех.
Второй – интерфейсы в промышленных сетях Industrial Ethernet.
Способ «экранирования без экрана» обозначается как
WARP (Wave Reduction Patters) – дословно «схемы производства волн».
С увеличением пропускной способности сетей коммутации возникает проблема межкабельных, перекрестных помехах. «Наводки» от соседних кабелей – это источник помехи, которые называют шумом.
G-битные Ethernet кабели более чувствительны к электромагнитным помехам по сравнению с обычными М-битными сетями – называют 100-кратную чувствительность.
Из-за этого неэкранированные кабели UTP (Unshielded Twisted Pair) считаются не приемлемы для
G-битных Ethernet.

Технические средства медных кабельных сетей
Какие технические решения можно применить для исключения этих проблем.
Первое что напрашивается – это использование пространственного разноса витых пар соседних кабелей:
увеличить толщины оболочек, использовать «некруглые» кабели.
Теоретически это возможно, практически это неэффективно: увеличивается стоимость кабелей, проблемы монтажа «толстых» кабелей: прокладка, увеличение расстояний между разъемами и т.п.
Как решение проблемы рассмотрим предложение фирмы R&M (Швейцария) – технологию WARP.
Суть технологии WARP – предотвращение перекрестных наводок, для чего внутреннее экранирование кабеля выполняется
не сплошным, а отрезками из алюминиевой фольги.
Оболочка кабеля покрыта отрезками алюминиевой фольги,
которые служат резонаторами.
Экспериментально доказано, что кабели с WARP-экранированием идентичны
кабелям с общим экраном (оплёткой) и индивидуальными экранами из фольги каждой витой пары.

Технические средства медных кабельных сетей
Второй рассматриваемый вопрос – интерфейсы в промышленных сетях Industrial Ethernet
Соединения различных компонентов в сетях Industrial Ethernet выполняются интерфейсами.
Роль границы между системами сети Industrial Ethernet требует от интерфейсов обеспечение:
- пропускной способности;
- гальванической развязки.
Кроме этого важным параметром интерфейса является возможная длина подключаемого кабеля.
Этим требованиям отвечают все известные и применяемые в сети Industrial Ethernet интерфейсы: RS-485,
RS-232, RS-422, Ethernet, CAN, HART,
AS-интерфейс.
Всех их рассмотреть не удастся,
поэтому остановили выбор
на AS-Interface (далее – AS-i) – интеллектуальный интерфейс для универсального подключения к системе управления в сети Industrial Ethernet.
Структурная схема подключения
интерфейса AS-i

Технические средства медных кабельных сетей
AS-i – это шинная система сети Industrial Ethernet, для соединения датчиков и исполнительных механизмов системы промышленной автоматизации.
Подключается AS-i двухжильным кабелем – «желтым кабелем ASi» и он многофункционален и может подключать любые устройства.
AS-i
желтый кабель
По отношению к AS-i устройства называются ведущими и ведомыми.
Ведущими устройствами AS-i являются сигнальными процессоры CP 243-2, 343-2 P. Сигнальный процессор «через» AS-i «ведет» программируемые контроллеры серий CPU 2...
CP 243-2
Ведомые устройства интерфейса AS-i – это модули вода-вывода.
В ДП приведены технические характеристики ведомых устройств AS-i – модулей ввода-вывода IP 65 серий К…, которые имеют высокую степень защиты по стандарту IEC 60529.
Дан подробный анализ достоинствам и недостаткам каждых из модулей ввода-вывода IP 65 серий К…
Существуют цифровые ведомые устройства AS-i – модули серии
К60 с 8-ю цифровыми входами К45 – с 4-я входами.

Технические средства медных кабельных сетей
AS-i с датчиками и исполнительными устройствами служат для объединения в сеть устройств. Соединение производится через кабель AS-i – двухжильный кабель с трапецеидальным профилем, который удобен для присоединения методом «пронизывания» и обрезание проводов и четкого
определения полярности сети.
Для данных и питания сенсорных датчиков приближения и исполнительных устройств световой сигнализации используется «желтый» кабель AS-i. Для исполнительных устройств применяется «черный» кабель AS-i.
Повторители предназначены увеличения протяженности между ведущим устройством и сегментом AS-i
до 100 м,
а максимально
до 300 м.
Расширительный штепсель позволяет увеличить максимальную длину сегмента AS-i со 100 м до 200 м, а общую протяженность сети – до 600 м.
Модуль развязки с одной или двойной развязкой данных AS-i, который питается напряжением
24 или 30 В DC.

Технические средства волоконно-оптических сетей
В разделе даны понятия одномодовое волокно – single mode fiber (SM) и
многомодовое волокно – multi mode fiber (МM).
Существуют и такие виды оптоволокна как маломодовое волокно – low mode fiber (LM).
Это класс многосердцевинных волокон, где каждая сердцевина поддерживает свой режим передачи световой энергии, отличной от других .
Анализируя технические и оптические характеристики SM, LM и ММ волокон, можно сделать однозначный вывод: «много мод – хорошо, но мало – лучше»
Приведем некоторые достоинства LM волокна.
Возможно организация до 50 мод.
Режима передачи 15 мод уже продемонстрирован.
Диаметр стандартный в 125 мкм,
как у и SM и ММ волокнах:
удобство совместного монтажа.
Используются известные сварочные для оптоволокна аппараты – это хорошо
при монтажных и наладочных работах.
Используются многие известные и практикуемые оптические компоненты – совместимость устройств хорошая.

Технические средства волоконно-оптических сетей
О способах и методах прокладки волоконно-оптического кабеля (ВОК) в обычных ( офиса, здания) условиях уже много известно. Интереснее вопрос прокладки в нетрадиционных условиях, например,
прокладка по опорам линий электропередачи (ЛЭП) и в подводных условиях.
Для магистральных волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) на открытом воздухе известна технология прокладки ВОК размещением их на опорах ЛЭП способом подвеса.
Способ применим при прокладке и на других электрических опорах:
контактной сети, осветительных и силовых сетей и пр.
По статистике более 60 % ВОЛС подвесные.
ВОК может быть «подвешен» с помощью различных силовых элементов («нитей») и разными способами:
- выносной силовой элемент;
- встроенный в грозовой трос .
Существуют ВОК самонесущие
Выносной силовой элемент
Встроенный в грозовой трос с центральным модулем
Встроенный в грозовой трос с модулем в «повиве»
Самонесущие ВОК

Технические средства волоконно-оптических сетей
Существуют типы ВОК:
ОКСН – оптический кабель, самонесущий;
ОКГТ – оптический кабель, встроенный в грозотрос;
ОКФП – оптический кабель, совмещенный с фазным проводом;
ОКСМ – металлический самонесущий оптический кабель.
Рассмотрим для примера ОКСМ.
Силовой элемент – стальная оцинкованная проволока, наложенные «повивом» вокруг, опять стального, оптического модуля. Кабель ОКСМ довольно тяжеловесный.
Оптические волокна разного цвета. Цветовая гамма волокон – это идентификация номерам, т.е. понятно, что на волокна не проставишь номер.

Технические средства волоконно-оптических сетей
Трансокеанические подводные кабели связи имеют свою историю. В 1858 г. США и Великобритания, были соединены телеграфным кабелем, через Атлантический океан. Проект прослужил всего один месяц: коррозии в соленной морской среде начал разрушать кабель. Восстановлен в 1866 г.
В 1870 г. был проложен подводный тракт: Бомбей и Лондон – Индия и Великобритания.
В 1956 г. в США установили уже телефонную связь, которую громко назвали «голосом через океан».
Но нас интересует подводный кабель связи на основе оптоволокна.
Рассмотрим подводный кабель, протяженностью в 10 000 км и скоростью передачи 60 Тб/с.
Конструкция имеет следующий вид.
Внешняя оболочка (1) – полиэтилен. Под ней майларовая пленка (2) или просто майлар (mylar), нам известный как лавсан - для усиления защитных свойств полиэтилена (1).
Под майларовой пленкой располагается стальная проволока (3), выполняющая роль арматуры.
Внешне выглядит как стальная оплетка.

Технические средства волоконно-оптических сетей
Защитные свойства стальной арматуры от попыток акул перегрызть кабель или «зацепа» кабеля рыболоводскими сетями. Оцинковый характер его позволяет прокладку кабеля просто в воде, без каких-либо траншей.
Под стальной арматурой располагается оболочка алюмополиэтилена (4) для экранирования от ЭМП.
Под алюмополиэтиленом располагается поликарбоната (5) – защита от механических воздействий и тепловых изучений.
Под поликарбонатом располагается медные трубки (6), между которыми находится гидрофобная гель (7) для исключения водопроницаемости.
Оптические волокна обозначены цифрой (8).
Производство подводного кабеля производят на предприятиях, близко расположенных к морю.
По возможности выпускают цельный продукт - длинные кабели до 4 – 5 км.
Кабель не просто сбрасываются в воду, а укладывают. Вытягиванием из больших катушек.
Перед укладкой выполнят ряд мероприятий и работ в последовательности действий – это:
- разрешение использовать прибрежные воды ряда стран; - геологическая разведка;
- рельеф, характер дна, - загрузка кабелей на корабль; - укладка кабеля.
Кабель укладывают непрерывно.

Технические средства волоконно-оптических сетей
В разделе «Охрана труда» рассмотрены мероприятия техника безопасности
при монтаже и эксплуатации ВОЛС.
По общим вопросам проанализированы допуска к работам, допуска к самостоятельной работе, определения опасных зон - зон. отстоящей от контактной сети (КС) или оси воздушной линии (ВЛ), по которым проложена линейно-кабельные сооружения ВОЛС, охранных зон наведенного напряжения.
По вопросам безопасности работ при прокладке подвесных ВОК проанализированы работы на высоте (1,3 м и выше) и верхолазные работы (более 5 м), расстояния от кабеля до проводов ВЛ, при обрыве ВЛ под напряжением, определены условия, при которых нельзя проводить работы по прокладке ВОЛС: дождь, туман, ветер (> 12 м/с), гололед и низкие температуры.
По вопросам безопасности работ при прокладке ВОК в траншеях укрепление их стенок при глубине траншеи при сыпучих грунтах и остальных случаях вида грунта, работы без укрепления при отсутствии грунтовых вод до определенной глубины, прокладка землеройными машинами и другими механизмами (трактор с ковшом и т.п.).
Рассмотрены мероприятия техники безопасности при монтаже и эксплуатации ВОК на ВЛ 0,4 – 35 кВ.
Монтаж и обслуживание ВОК типа ОКСН на ВЛ должны проводиться при устойчивой радиосвязи.
Работы по монтажу ВОК типа ОКСН на ВЛ с отключением ВЛ (со снятием напряжения) производятся согласно Правилам устройств электроустановок (ПУЭ), Правилам техники безопасности (ПТБ) и технической эксплуатации (ПТЭ) в электроустановках.

Экономическая часть
В данном разделе ДП принято решение провести расчет от внедрения интерфейса AS-i и двух сопровождающих его устройств с «обоих концов», т.е. ведущее и ведомое устройства.
Все три устройства объединены в технологии передачи информации автоматизированной системы как единый логический блок.
Назовем группу устройств «Интерфейс-Ведущее устройство-Ведомые устройства» условно
«Блоком интерфейса AS-i».
Результаты расчета экономической эффективности в и срока окупаемости в итоговую таблицу.

Заключение
В дипломном проекте была поставлена цель проанализировать технические средства физического уровня, которые носят в некоторый степень инновационный характер.
В области технических средств, относящихся к медным проводникам и кабелям рассмотрен способ экранирования, получивший наименования WARP-экранирования и заключается в использовании свойств отрезков фольги, размещённых на внешней оболочке медного кабеля.
В области сетей Industrial Ethernet рассмотрены современные интерфейсы AS-i и устройства, непосредственно взаимодействующие с ним: кабель, ведущие и ведомые устройства.
В области технических средств, относящихся к оптоволоконным проводникам и кабелям рассмотрены вопросы прокладки волоконно-оптических кабелей на опорах ЛЭП и подводные кабели.
Волоконно-оптические кабели рассмотрены двух типов ОКСН и ОКСМ.
Дан сравнительный анализ этих кабелей по достоинствам, недостаткам, области применения.
В вопросах прокладки волоконно-оптических кабелей под водой подробно рассмотрена структура такого кабеля с описанием все ее элементов.
В экономической части произведен расчет экономических показателей и, на основе их,
срок окупаемости интерфейса AS-i и его ведущих и ведомых устройств.
В разделе «Охрана труда» проанализированы технические и организационные мероприятия при выполнении монтажных работ по прокладке волоконно-оптического кабеля на опорах линий электропередач.
Все поставленные в дипломной работе цели выполнены полностью