NIVÅ 1 DATOR- OCH KOMMUNIKATIONSTEKNIK
JÖRGEN JOHNSSON
INNEHÅLL
2.
5.
10. INTERNET
s
arbetar m ed s tandardisering i
8. KOMMUNIKATIONSLÄNKAR
11. INDUSTRIELL KOMMUNIKATION
9. LOKALA OCH GLOBALA NÄTVERK
12.
13. N YA MÖJLIGHETER
KOMMUNIKATIONSTEKNIK
Som du har sett tidigare i boken innebär datorkommunikation att data ska överföras mellan två eller flera punkter inuti en dator eller i ett nätverk. Tidigare har vi mest gått igenom intern datorkommunikation i en dator eller till och från en periferienhet i närheten av datorn. I det här avsnittet ska vi gå igenom några vanliga grundläggande kommunikationsbegrepp för att efterhand allt mer fokusera på olika typer av kommunikation utanför själva datorn.
Kommunikationslänkar
Den väg som information i datorer, skrivare, kameror skickas över kallas för en kommunikationslänk, ibland transmissionslänk. Länken kan t.ex. vara en radioförbindelse via en satellit eller en fiberkabel nedgrävd på havets botten. Man brukar dela upp kommunikationslänkarna i bundna och obundna. De bundna kan t.ex. vara en fiber- eller kopparkabel medan de obundna kan vara radiovågor eller infrarött ljus.
Bounded media
Bunden kommunikation, t.ex. signalöverföring med olika typer av kablar.
Boundless media
Obunden kommunikation, t.ex. signalöverföring i ett trådlöst nätverk.
Radiovågor mellan datorn och en trådlös router.
Exempel på några olika bundna och obundna kommunikationslänkar.
Radiovågor mellan datorn och mobiltelefonen via Bluetooth.
Kopparkabel mellan datorerna.
Radiovågor mellan datorn och en skrivare.
Optisk fiber mellan datorn och en robot.
Unicasting och multicasting
I en del fall går kommunikationslänken endast mellan en sändare och en mottagare, t.ex. då ett digitalfoto ska överföras mellan en dator och en skrivare. Detta kommunikationssätt kallas för unicasting. I många fall sker oftast kommunikationen mellan en sändare och många mottagare, t.ex. en tv- och radioutsändning eller ett mail som skickas till alla dina kompisar på samma gång. Detta kommunikationssätt kallas för multicasting.
Kommunikationen mellan en dator och en skrivare är ett exempel på unicasting.
Unicasting
En sändare – en mottagare
Multicasting
En sändare – många mottagare
En tv-sändning är ett exempel på multicasting.
Simplex och duplex
Inom datorkommunikationstekniken definierar man olika typer av utrustning som sändare eller mottagare. Två utrustningar som t.ex. en dator och en skrivare kan båda vara sändare och mottagare av data men är det sällan samtidigt. Om kommunikationen endast kan ske i en riktning, t.ex. signalen från en tryckknapp till en dörrklocka, talar man om enkelriktad överföring. Inom kommunikationstekniken kallas detta för simplex. Andra typer av simplex kommunikation är bl.a. olika typer av larm, GPS-kommunikation och analog radiomottagning.
GPS-kommunikation är ett exempel på enkelriktad kommunikation, simplex.
Om data däremot överförs i båda riktningarna, men inte samtidigt, talar man om halv duplex. Exempel på överföring i halv duplex är vid användandet av kommunikationsradio, t.ex. en walkie talkie eller en porttelefon, där endast den ena parten kan tala åt gången.
Att tala i en porttelefon är ett exempel på halv duplex.
Den tredje och sista varianten av överföring är full duplex. Vid denna typ av överföring kan data överföras i båda riktningarna samtidigt. Exempel på överföring i full duplex är när du talar i mobiltelefon. Talar du och din kompis i munnen på varandra gör ni det i full duplex!
Att tala i mobiltelefon är ett exempel på full duplex.
Analog och digital kommunikation
Syftet med kommunikation är som sagt att kunna överföra information mellan två eller flera enheter. Nuförtiden är i stort sett all datorkommunikation digital även om analoga inslag fortfarande ibland finns kvar. Ett modem är ett exempel på en analog kommunikationslänk mellan en dator och en telefonstation.
Signalen är digital i datorn och omvandlas till en analog signal i modemet för att sedan på nytt omvandlas till en digital signal hos din teleoperatör. Man kan säga att modemet lurar telefonlinjen att tro att det är ljud som skickas och inte data.
Ordet modem är en sammanslagning av orden MODulator och DEModulator och är en enhet som omvandlar datorns digitala bitar till toner som telenätet kan hantera.
Ett modem omvandlar digitala signaler i datorn till analoga som kan överföras över det vanliga telenätet. Denna teknik är idag mycket ovanlig och används nästan uteslutande i en del industriella tillämpningar.
Ett modem är både en analog-till-digitalomvandlare och en digital-tillanalogomvandlare i en och samma enhet. Sakta men säkert byts fler och fler av de analoga enheterna i kedjan ut mot helt digitala kommunikationsnät.
Låt oss därför slå fast att nästan all datorkommunikation idag är digital.
PARALLELL OCH SERIELL KOMMUNIKATION
Det finns två sätt att överföra digital information mellan två enheter, antingen är överföringen seriell eller parallell . Parallell överföring används internt i datorer som du har sett tidigare, men idag endast i undantagsfall, utanför själva datorn. Vid parallell överföring används en ledning för varje teckenbit, t.ex. 8 ledningar för 8 bitar information, D0–D7. Vid seriell överföring överförs bitarna däremot en i taget, efter varandra, på en och samma ledning. Idag är seriell kommunikation den klart dominerande överföringsmetoden på marknaden.
Sändare Mottagare D7
Parallell överföring.
Sändare Mottagare
Sändare Mottagare
Seriell överföring.
Parallell kommunikation
Parallell kommunikation är snabb och enkel, men används idag nästan enbart internt i datorerna och bara i ett fåtal tillämpningar utanför. Problemet med parallell kommunikation är att förbindelsen blir onödigt kostsam, p.g.a. det stora antalet kopparledningar som behöver användas. Dessutom blir överföringen störningskänslig och används därför aldrig vid långa överföringsavstånd.
Fördelar:
• Snabbare än seriell kommunikation
• Enkel teknik
Nackdelar:
• Kostsam på långa avstånd, p.g.a. behovet av kopparledning
• Tar stor plats
• T jocka och dyra kablar
• Störningskänslig
Seriell kommunikation
Seriell kommunikation innebär att de digitala bitarna överförs en i taget på en och samma ledning och är det idag mest använda sättet att sända information mellan datorer, mobiltelefoner, skrivare och spel. Seriell överföring av data ställer högre krav på sändare och mottagare och enheterna måste hela tiden hålla reda på när ett nytt tecken ska skickas.
Fördelar:
• Mindre antal kopparledningar
• Billigt!
• Relativt okänslig för störningar.
• Tar liten plats.
Nackdelar:
• Långsammare än vid motsvarande parallell kommunikation.
• Ställer högre krav på sändare och mottagare.
• Kräver ett stort regelverk (standarder), protokoll, hur signalerna ska överföras mellan olika enheter.
Vinsten med seriell överföring är att man endast behöver ett fåtal ledningar, vilket blir både billigare, enklare och tar mindre plats i kabelhöljet. Dessutom är seriell överföring inte lika känslig för störningar och därför kan en seriell USB-kabel till en skrivare vara upp till cirka 5 meter lång utan förstärkare. Vid seriell kommunikation används ofta en kommunikationslänk för varje riktning. Detta kan i ett nätverk vara en ledare för sändning och en ledare för mottagning. De övriga ledarna i en seriell kabel är till för spänningsmatning och jord.
Ledaren för sändning brukar i kommunikationssammanhang betecknas med TD eller TxD och ledaren för mottagning med RD eller RxD. TD står för transmit, överför, data och RD för receive, ta emot, data.
En seriell USB-C-kontakt har 24 st stift och är vändbar. GND (jord) finns längst ut till höger och vänster och kommer på samma plats om man vänder kontakten. Att det inte finns 24 st trådar som går ut ur kontakten har att göra med att det inuti kontakten sitter en kommunikationskrets (IC-krets) på ett mindre kretskort som hanterar omkoppling och kommunikation. Vid enbart strömförsörjning används GND som jord och TX1 och TX2 som plus 5V. Man hoppas att denna USB-kontakt på sikt ska ersätta alla typer av kontakter för spänningsförsörjning och datasignaler.
TD och TxD står för Transmit Data, vilket innebär att överföra data.
RD och RxD står för Receive Data, vilket innebär att ta emot data.
Kommunikation i en fabrik
Här kan du se hur en produktionsanläggning i en mindre fabrik skulle kunna vara uppbyggd. Du ser även en kort förklaring till olika industriella begrepp som är viktiga att känna till.
1. Kontrollrum
I kontrollrummet övervakas hela anläggningen av ett överordnat system, DCS-system, Distributed Control System. Från kontrollrummet kan teknikern styra och övervaka hela anläggningen. Här finns det möjlighet att programmera om systemet, återställa larm, avläsa och lagra produktionsdata och mycket annat. Datorerna i kontrollrummet ansluts ofta till ett Ethernet-nätverk.
Ett överordnat system med gränssnitt för en användare kallas även för ett
SCADA-system, Supervisory Control and Data Acquisition eller HMI-system, Human Machine Interface.
2. Operatörspanel
Med en operatörspanel kan man kommunicera direkt med olika styrs ystem i anläggningen. Med en display och några knappar kan operatören både styra processen och avläsa produktionsdata utan att behöva gå till kontrollrummet. Operatörspaneler har numera ofta en inbyggd webbserver med en egen IPadress, vilket gör att man kan komma åt och kommunicera med panelen från alla platser i nätverket.
3. Trådlösa nätverk
Även i industriella processer ökar användandet av trådlösa nätverk. Trådlösa signaler kan exempelvis skickas mellan en sensor och ett styrsystem. En produktionscell uppbyggd av trådlösa komponenter är lätt att bygga om när t.ex. en ny produkt eller modell ska tillverkas.
Produktionscell kallas ibland ett avgränsat produktionsavsnitt i en fabrik, t.ex. en plats i en bilfabrik där motor och växellåda monteras ihop med karossen.
4. Kontor
Från en dator på kontoret, en s.k. klient, kan man kommunicera med kontrollrummets överordnade system. Här kan man samla upp produktionsdata från anläggningen, skicka tillverkningsordrar eller skriva ut produktionsrapporter. Från kontoret kan företagets ledning hela tiden följa och övervaka produktionen så att de kan ta rätt beslut.
5. Frekvensomriktare
Transportbandets motor styrs av en frekvensomriktare som bl. a. startar och stoppar och ger rätt hastighet på bandet. Frekvensomriktaren kommunicerar oftast med ett styrsystem i anläggningen över en fältbuss.
6. Apparatskåp med styrsystem I ett styrsystem styrs och övervakas produktionen i anläggningen. Styrsystemet sköter bl. a. kommunikationen med robotar, frekvensomriktare, sensorer samt skickar och tar emot signaler från kontrollrummet eller från en lokal operatörspanel. Styrsystemen placeras ofta i ett apparatskåp för att skydda dem mot smuts, vätska, värme, kyla etc. Styrsystemen kan i vissa fall även vara kopplade till ett mobilt nätverk för att t.ex. snabbt kunna ringa upp en servicetekniker vid ett haveri.
7. Fältbuss
Med ett robust kommunikationsnät för industriellt bruk, en s.k. fältbuss, kan man samla upp produktionsdata i en process, skicka signaler mellan sensorer, styrsystem, operatörspaneler etc. Den vanligaste fältbussen i europeiska fabriker är Profibus.
8. Sensorer, givare
En sensor omvandlar en fysikalisk storhet till en elektrisk. Det kan t.ex. vara en vätskenivå i en tank, en temperatur i en ugn, ett vätskeflöde i ett rör, läget på en ventil eller att en detalj har kommit i rätt position på ett transportband. Sensorer kommunicerar ofta med industriella styrsystem, s.k. PLC. Kommunikationen kan överföras i en kabel eller trådlöst mellan sensorn och en nod i det industriella nätverket.
6.
5. 7.
8.
INDUSTRINS PRODUKTIONSNIVÅER
I en produktionsanläggning kombineras ofta olika typer av nätverk. Man kan säga att kommunikationen sker i tre olika nivåer med olika krav på snabbhet och säkerhet. Längst ned i hierarkin, nära processen, finns den s.k. I/O-nivån. På denna nivå sker kommunikation mellan utrustningar som driver och positionerar olika mekaniska rörelser. Det kan t.ex. vara sensorer, frekvensomriktare, pneumatiska ventiler och I/O-moduler. Nätverket på denna nivå kallas för en fältbuss.
Kontrollnivå Styrnivå I/O-nivå
Kommunikationen i en industriell produktionsanläggning sker i tre olika nivåer.
Utrustningen på I/O-nivån utbyter information med den överliggande styrnivån. På denna nivå finns olika typer av styrdatorer och styrsystem. Dessa utrustningar kommunicerar med varandra och med tillkopplade operatörspaneler så att operatören kan avläsa data och göra mindre justeringar av ett program ute i anläggningen. Styrnivån kommunicerar uppåt med kontrollnivån och nedåt med I/O-nivån. Kontrollnivån sköts ofta från ett kontrollrum en bit från själva processen och här sker övervakning, produktionsstyrning och datainsamling från processen. Kontrollnivån är ofta PC-baserad och innehåller speciella programvaror så att man på ett grafiskt och överskådligt sätt kan övervaka och styra hela processen.
En I/O-modul, Input/Output modul, är en liten kommunikationsmodul som kan placeras ute i en anläggning för att kunna ge och ta emot olika analoga och digitala styrsignaler.
I nedanstående bild kan du se hur industrins produktionsnivåer skulle kunna se ut i verkligheten. Lägg märke till att det både finns dubbla nätverk och dubbla servrar i bilden. Detta kallas för redundans, och är mycket vanligt för att minska risken för ett haveri i en industriell anläggning.
Kontrollnivån består ofta av operatörsplatser, datorer, där operatören kan styra och övervaka processen. Programmen i dessa datorer har kontakt med styrnivån, styrsystemen, som i sin tur har kontakt med I/O-nivån, dvs. instrument, sensorer, ventiler, I/O-moduler, tryckknappar, lampor och mycket annat.
Operatörsplatser (DCS-system)
Arbetsstation (för övervakning/styrning)
Operatörspanel
Motorer
Frekvensomriktare
Ställverk
Ingenjörsstation (för programmering)
Redundanta styrsystem (PLC)
I/O-moduler
Fältbuss
Digitala och analoga I/O (Ventiler, lampor, tryckknappar, etc)
Redundanta nätverk, styrsystem och servrar är något som är mycket vanligt i industriella installationer. Redundans skapas exempelvis genom att man installerar dubbla nätverk, datorer, hårddiskar och styrsystem. Genom redundans minskar risken för ett haveri.
Kontorsdator (klient)
Kontorsnätverk
Router
Redundant industriellt nätverk
Router
Som du har sett tidigare i den här boken är det viktigt att det finns standarder kring hur olika apparater och system kopplas samman i ett nätverk. Detta gäller naturligtvis även i ett industriellt system. Sändarna och mottagarna måste med andra ord vara överens om hur signalerna ska se ut, hur de ska skickas, hur kontakterna ska vara utformade och vilka spänningsnivåer de ska kunna hantera. KONTROLLNIVÅ
Redundanta styrsystem (PLC)
I/O-moduler
Fältbuss
Digitala och analoga I/O (Ventiler, lampor, tryckknappar, etc)
I/O-NIVÅ
Industrins signaler
Den mest grundläggande standardsignalen som används inom industrin är den analoga strömsignalen på 4–20 mA. Denna signal används bl.a. när en analog signal från en sensor ska överföras till en mottagare, t.ex. ett styrsystem. Detta kopplingssätt kallas för en strömslinga , från engelskans current loop. I bilden nedan kan du se hur en signal från en nivåsensor i en tank ansluts till ett styrsystem för vidare presentation av volymen på en operatörspanel.
Den mekaniska delen av nivåsensorn
Elektroniken inuti
nivåsensorn
Spänningsmatning (24 V)
I = 4–20 mA
Överföring av signaler från en nivåsensor. När tanken är full flyter det 20 mA i strömslingan och när tanken är tom flyter det 4 mA.
När en nivåsensor ska kopplas in ansluts vanligtvis en matningsspänning på 24 V mellan sändaren och mottagaren. Vid olika vätskenivåer kommer det flyta mellan 4 och 20 mA ström i strömslingan. Vanligtvis flyter det 4 mA när tanken är tom och 20 mA då tanken är full. Styrsystemet kan nu programmeras så att exempelvis systemet ger en larmsignal när vätskan når en viss nivå. Signalen kan även visas på en display, exempelvis på en operatörspanel, eller skickas vidare till en arbetsstation i ett kontrollrum för vidare bearbetning.
Industriell datorkommunikation
Oftast är det betydligt fler signaler som ska överföras i ett industriellt system än en enstaka strömsignal från en nivåsensor. När datorer, instrument och styrsystem ska anslutas används ofta någon form av kommunikationskabel.
Den kommunikationsstandard man ibland använder är en vidareutveckling av den äldre standarden RS232C, Recommended Standard nr 232 – revision C .
Styrsystem
Operatörspanel
Den äldre RS232-standarden kan antingen ha en 9- eller en 25-polig D-sub kontakt som gränssnitt. Tre ledare används vanligtvis för att skicka data, Transmit Data – TD, ta emot data, Receive Data – RD och som signaljord, Signal Ground – SG. Det finns också en del andra ledare för att ge klartecken att data kan överföras, att mottagaren kan ta emot data etc. En RS232-signal kan relativt enkelt omvandlas till en USB-signal med ett speciellt kablage.
9-polig RS232, hane
25-polig RS232, hane
Det maximala avståndet för överföring med RS232-standarden är ca 15 meter och den maximala överföringshastigheten ca 20 kbps. Detta fungerade förr i hemmen och i olika kontorsmiljöer men knappast i industrin. Därför vidareutvecklade man gränssnittet och tog fram några modernare standarder för att kunna kommunicera säkert även i tuffa industriella miljöer.
Standarden RS232 kallas även för V.24 beroende på vilket standardiseringsorgan som har utfärdat standarden. RS232 är en ANSI-standard, American National Standards Institute, medan V.24 är standardiserad av ITU, International Telecommunication Union
DATOR- OCH KOMMUNIKATIONSTEKNIK
Dator- och kommunikationstekniken genomsyrar det mesta vi har omkring oss, från de allra enklaste leksaker med inbyggda mikroprocessorer till avancerade symaskiner, industrirobotar och superdatorer som kan beräkna hur vädret ska bli framöver. Idag har dessutom alla datorsystem på marknaden många olika möjligheter att kommunicera med varandra och mängden information mellan systemen ökar i allt snabbare takt.
Den här boken behandlar grunderna i all form av dator- och kommunikationsteknik, inte bara persondatorns uppbyggnad och hur datorer kommunicerar med varandra. I boken tas flera andra teknikområden upp, bland annat mobiltelefoni, industriell kommunikationsteknik, AI och digitalisering. Allt är skrivet på ett lättillgängligt sätt och utan några krav på speciella förkunskaper.
Läromedlet Dator- och kommunikationsteknik omfattar följande komponenter:
• Faktabok
• Instuderingsuppgifter
• Digitalt läromedel
• Digitalt komplement
Instuderingsuppgifterna är ett övningshäfte med frågor till faktabokens avsnitt. Det digitala läromedlet innehåller faktatexterna, självrättande övningar baserade på instuderingsuppgifterna och lärardel med facit m.m. Det digitala komplementet innehåller instuderingsfrågorna i digital form och lärardel med facit.