Profibus. Краткий обзор.

В данном материале описываются основные термины и характеристики промышленной сети Profibus, а также правила и рекомендации, которые необходимы при проектировании.

Хорошая скорость передачи, большая длина соединения и широкие возможности по обработке данных превращают Profibus в одну из лучших шин, предназначенных для систем управления многими технологическими процессами и интенсивной обработки информации.

Наиболее часто используемый формат обмена сообщениями Profibus DP представляет собой сеть с опросом узлов (выделенное главное устройство периодически опрашивает состояние каждого узла сети), тем самым обеспечивается постоянный контроль состояния каждого устройства в сети (одно устройство за один цикл опроса может передавать до 244 байт полезной информации).

Каждое сообщение содержит 12 дополнительных байт, вследствие чего максимальная длина всего сообщения составляет 256 байт.

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

По волоконно-оптическому каналу

Преимущества:
• Независимо от скорости передачи, достигаются большие расстояния между двумя терминалами передачи данных (ТПД) (расстояния между двумя модулями OLM достигают до 15 км)
• Узлы и среда передачи данных электрически развязаны между собой
• При соединении компонентов, имеющих разные потенциалы относительно земли, отсутствуют токи экрана
• Отсутствие электромагнитных помех
• Не требуются дополнительные средства молниезащиты
• Простота прокладки волоконно-оптических кабелей
• Высокая надёжность ЛВС благодаря использованию кольцевой топологии
• Чрезвычайно простая техника подключения при использовании пластиковых волоконно- оптических кабелей на коротких дистанциях.
Ограничения:
• Общее время передачи пакета увеличено по сравнению с сетями на витой паре
• Для монтажа стеклянных волоконно-оптических кабелей к штекерам требуется специальный опыт и инструменты
• Отсутствие питания в точках сочленения (в приспособлениях для подключения узлов, в OLM, или в OBT) приводит к прерыванию передачи сигнала

Технология беспроводной передачи в инфракрасном диапазоне

Преимущества:
• Высокая мобильность подключенных компонентов производственного участка (например, тележек)
• Отсутствие износа при подключении и отключении в сетях с фиксированными компонентами
• Объединение узлов без монтажа кабеля (временное подключение, подключение к труднодоступным участкам)
• Не зависит от протокола
• Электрическая развязка между узлами и проводной сетью
Ограничения:
• Скорость передачи &lt,= 1.5 Мбит/с
• Требуется открытое пространство и прямая видимость между узлами
• Максимальное расстояние не превышает 15 м
• В сетях может быть только одно ведущее устройство

Подключение оконечной нагрузки
На обоих концах сегмента шины необходимо включать согласующую нагрузку, сопротивление которой соответствует волновому сопротивлению кабеля. Оконечная нагрузка встроена в повторители RS-485, шинные терминалы, модули ILM и шинные штекеры, в которых предусмотрена возможность ее включения/отключения. Включение согласованной нагрузки можно выполнять только после того, как на устройство подано напряжение питания. На шинные терминалы и штекеры питание подается от подключенного устройства, а повторители RS-485, модули ILM и модули активной оконечной нагрузки (терминаторы) имеют свои собственные источники питания. Техника передачи RS-485 допускает подключение не более 32-х устройств (терминалов данных и повторителей) на один сегмент шины. Максимальная допустимая длина кабеля в пределах одного сегмента зависит от скорости передачи и используемого кабеля ЛВС.

Объединение сегментов с помощью повторителей RS-485
Сегменты можно объединить между собой с помощью повторителей RS-485. Повторитель RS- 485 увеличивает мощность сигналов, передаваемых по кабелям ЛВС. Использование повторителя RS- 485 требуется тогда, когда к сети необходимо подключить более 32-х узлов или тогда, когда должна быть достигнута длина сегмента, превышающая допустимую. Между двумя узлами допускается использование не более 9-ти повторителей. Может быть реализована как шинная, так и древовидная топология.

Также при проектировании следует учитывать емкостные показатели устройств: не рекомендуетя подключать устройства короткими отрезками кабеля, т.е. практически это значит, что отрезки кабеля между узлами должны быть не меньше 2-3 метров.