Изучение PROFIBUS
1. Цель работы
Изучение семейства PROFIBUS из трех совместимых друг с другом версий: PROFIBUS PA, PROFIBUS DP и PROFIBUS FMS.
PROFIBUS-DP — это открытая система шин, соответствующая стандарту IEC 61784-1:2002 Ed1 CP 3/1 с протоколом передачи «DP» (DP означает «децентрализованная периферия»).
Физически PROFIBUS-DP это или электрическая сеть на основе экранированной 2-проводной линии, или оптическая сеть на основе волоконно-оптического кабеля.
Протокол передачи «DP» обеспечивает быстрый, циклический обмен данными между CPU контроллера и периферийными устройствами.
Master-устройство DP (DP-master) связывает CPU контроллера с периферийными устройствами. DP-master обменивается данными с периферийными устройствами посредством PROFIBUS-DP и контролирует систему шин PROFIBUS-DP.
Децентрализованные периферийные системы (slave-устройства DP) подготавливают данные датчиков и исполнительных элементов на месте, чтобы их можно было передать с помощью PROFIBUS-DP в CPU контроллера.
К PROFIBUS-DP можно подключать самые разнообразные устройств как в качестве master-устройств DP, так и в качестве slave-устройств DP, при условии, что их поведение соответствует стандарту IEC 61784-1:2002 Ed1 CP 3/1. Могут применяться следующие устройства:
— SIMATIC S5;
— SIMATIC S7/M7/C7;
— Устройство программирования SIMATIC или ПК;
— Человеко-машинный интерфейс SIMATIC, или ЧМИ (HMI = humanmachine interface) (панель оператора, OP; станция оператора, OS; текстовый дисплей, TD);
— Устройства других производителей.
Следующий рисунок иллюстрирует типичную структуру сети PROFIBUS-DP.
Рис.1- Типичная структура сети PROFIBUS-DP
DP-master встраивается в соответствующее устройство например, в S7-400 имеется интерфейс PROFIBUS-DP, интерфейсный master-модуль IM 308-C вставляется в S5-115U. Slave-устройствами DP являются устройства децентрализованной периферии, связанные с master-устройствами DP с помощью PROFIBUS-DP.
Основные характеристики:
Происхождение: правительственные органы Германии в сотрудничестве с производителями средств автоматизации, 1989 год.
Интерфейсы реализованы в виде специализированных микросхем (ASIC), которые выпускаются множеством поставщиков. Основывается на спецификации интерфейса RS485 и европейской электрической спецификации EN50170.
Разновидности: Profibus DP (главный/подчиненный), Profibus FMS (несколько главных устройств/одноранговые устройства), Profibus PA (внутренне безопасная шина).
Коннекторы: 9-штырьковый разъем типа D-Shell (с оконечной нагрузкой импеданса) или 12- миллиметровый быстроразборный разъём IP67.
Максимальное число узлов: 127.
Длина соединения: от 100 м до 24 км (с ретрансляторами и оптоволоконными кабелями).
Скорость передачи: от 9600 бит/с до 12 Мбит/с.
Размер сообщения: до 244 байт на сообщение для одного узла.
Методы обмена сообщениями: опрос (DP/PA) и одноранговый (FMS).
Поддерживающая организация: Profibus Trade Organization консорциум производителей и пользователей продуктов в стандарте Profibus.
Термины:
Поддержка нескольких главных устройств
Протокол Profibus DP допускает наличие в системе нескольких главных устройств; каждое подчиненное устройство при этом выделяется лишь одному главному. Это означает, что читать данные с какого-либо устройства имеют право несколько главных устройств, однако записывать информацию в конкретное подчиненное устройство может лишь одно главное.
Одноранговые устройства
Протокол Profibus FMS это формат обмена информацией между одноранговыми устройствами, обеспечивающий взаимодействие главных устройств. Главными устройствами при необходимости могут быть все устройства, подключенные к шине. Данная шина отличается более высокими накладными расходами на передачу сообщений по сравнению с Profibus DP. Допускается совместное использование FMS и DP в рамках одной и той же сети (режим "COMBI"). В таком режиме, как правило, функционируют системы, в составе которых наряду с программируемыми контроллерами есть персональные компьютеры. Основное главное устройство взаимодействует со вспомогательным главным при помощи FMS, обмен с устройствами ввода/вывода осуществляется по той же сети посредством DP-сообщений.
Расширения Profibus DP V1
Старая спецификация FMS стала основой нового подхода: спецификация DP с расширениями V1, ориентированными на новые, более сложные устройства. Консорциум Profibus (Profibus Trade Organization) выпустил новую спецификацию, в которой многие функции Profibus FMS (поддержка нескольких главных устройств, одноранговый обмен) были объединены с Profibus DP (обмен по принципу "главный/подчиненный"), что обеспечило возможность оперативного конфигурирования устройства одновременно с передачей данных ввода/вывода. В прошлом одновременное применение FMS и DP также имело место, однако решаемые с помощью этих двух протоколов задачи были совершенно различны. Подобная интеграция позволяет технологии Profibus эффективно противостоять своим конкурентам с более развитыми возможностями: DeviceNet и Foundation Fieldbus.
Profibus DP V2 для управления перемещением
Последним расширением спецификации Profibus является вариант Profibus DP V2, включающий такие новые возможности, как:
1) функция синхронизации, позволяющая нескольким устройствам и осям перемещения зависеть от одного и того же генератора синхроимпульсов, и
2) обмен сообщениями по принципу "издатель/подписчик", позволяющий создавать связи между устройствами типа "один к одному" или "один ко многим". Тем самым обеспечивается согласованная работа синхронизированных осей перемещения.
Безопасность
Протокол Profibus PA практически идентичен последнему протоколу Profibus DP с диагностическими расширениями V1 за исключением более низких уровней напряжения и тока, соответствующих требованиям обеспечения внутренней безопасности (Класс I разд. II), принятых в обрабатывающей промышленности. Протокол Profibus PA поддерживается большинством плат главных устройств, однако использование данного протокола предполагает наличие развязывающих преобразователей между DP и PA (такие преобразователи поставляются целым рядом компаний). Питание PA-устройств от сети осуществляется с использованием напряжений и токов, гарантирующих внутреннюю безопасность.
Ведущие устройства класса 1 (Master)
Ведущие сетевые устройства класса 1 осуществляют управление циклическим обменом данными с ведомыми сетевыми устройствами. Помимо скоростного циклического обмена данными ведущие устройства класса 1 способны поддерживать асинхронный обмен. Асинхронный обмен используется для передачи параметров настройки или результатов измерений ведомых устройств и имеет более низкий приоритет по сравнению с циклическим обменом. Функции ведущих сетевых устройств класса 1 могут выполнять программируемые контроллеры SIMATIC S7-300/S7-400, системы автоматизации SIMATIC C7, промышленные компьютеры и т.д.
Ведущие устройства класса 2 (Master)
Ведущие сетевые устройства класса 2 (программаторы, компьютеры и т.д.) используются для программирования, конфигурирования, настройки параметров и диагностирования сетевых станций. Ведущие устройства этого класса способны считывать содержимое областей ввода вывода, диагностическую информацию, параметры настройки и другие данные сетевых станций. Ведущие устройства класса 2 способны поддерживать циклический и асинхронный обмен данными с ведомыми устройствами.
Ведомые устройства (Slave)
Ведомые устройства предназначены для организации связи с объектом управления. С их помощью производится сбор информации о текущем состоянии объекта управления, а также формируются необходимые управляющие воздействия. В каждом цикле обмена данными с ведущим сетевым устройством ведомые устройства способны передавать или принимать до 244 байт.
Основные принципы сети PROFIBUS
Определение
Коммуникационная сеть полевого уровня и уровня отдельных производственных участков, базирующаяся на стандарте EN 50170–1–2 и использующая гибридный метод доступа к шине (маркерное кольцо между активными узлами и "ведущий - ведомый" между активными и пассивными узлами). Средой передачи может являться витая пара, волоконно-оптический кабель или беспроводная среда.
Среда передачи
Сети PROFIBUS могут быть реализованы с использованием одной из следующих сред:
• Экранированная витая пара (волновое сопротивление 150 Ом)
• Искробезопасная экранированная витая пара (для PROFIBUS–PA)
• Волоконно-оптический кабель
• Беспроводные сети (ИК-технология)
Различные коммуникационные сети могут использоваться независимо или, в случае необходимости, объединяться между собой.
Маркерное кольцо/Ведущий–Ведомый
• Все активные узлы (ведущие) формируют логическое маркерное кольцо, имеющее фиксированный порядок, при этом каждый активный узел "знает" другие активные узлы и их порядок в логическом кольце (порядок не зависит от топологии расположения активных узлов на шине).
• Право доступа к каналу передачи данных, так называемый “маркер”, передаётся от активного узла к активному узлу в порядке, определяемом логическим кольцом.
• Если узел получил маркер (адресованный именно ему), он может передавать пакеты. Время, отпущенное ему на передачу пакетов, определяется временем удержания маркера. Как только это время истекает, узлу разрешается передать только одно сообщение высокого приоритета. Если такое сообщение у узла отсутствует, он передаёт маркер следующему узлу в логическом кольце. Маркерные таймеры, по которым рассчитывается максимальное время удержания маркера, конфигурируются для всех активных узлов.
• Если активный узел обладает маркером, и если для него сконфигурированы соединения с пассивными узлами (соединения "ведущее устройство-ведомое устройство"), производится опрос пассивных узлов (например, считывание значений) или передача данных на эти устройства (например, передача уставок).
• Пассивные узлы никогда не принимают маркер.
Описанная технология доступа поддерживает вход и выход узлов из логического кольца во время работы
Методы передачи
RS-485
Преимущества:
• Гибкая шинная или древовидная топология с повторителями, шинными терминалами и шинными штекерами для подключения узлов PROFIBUS
• Исключительно пассивная передача сигналов, которая обеспечивает отключение узлов без оказания влияния на сеть (за исключением узлов, питающих нагрузочные сопротивления)
• Простота прокладки и подключения шинного кабеля, не требующая специального опыта.
Ограничения:
• Охватываемое расстояние снижается при увеличении скорости передачи
• При наружной установке требуются дополнительные меры по молниезащите
