Úvod do Profibus-DP

Souhrn

Sběrnici ProfiBus vytvořila v roce 1989 německá vláda ve spolupráci s několika výrobci automatizačních zařízení. Jedná se o formát zpráv speciálně navržený pro vysokorychlostní sériové I/O v aplikacích automatizace továren a budov. Jedná se o otevřený standard a je uznáván jako nejrychlejší dnes používaná sběrnice FieldBus. Je založen na RS485 a evropské elektrické specifikaci EN50170. Přípona DP označuje „Decentralizovanou periferii“, která se používá k popisu distribuovaných I/O zařízení propojených rychlým sériovým datovým spojením s centrální řídicí jednotkou. Naproti tomu programovatelný logický automat (PLC) má obvykle své vstupní/výstupní kanály uspořádány centrálně. Zavedením síťové sběrnice mezi hlavní řídicí jednotkou (master) a jejími vstupně-výstupními kanály (slave) jsme decentralizovali vstupy/výstupy.
ProfiBus vychází z univerzálních mezinárodních standardů a je orientován na referenční model OSI (Open System Interconnection) podle mezinárodní normy ISO 7498. V tomto modelu každá vrstva zpracovává přesně definované úlohy. Vrstva 1 tohoto modelu je fyzická vrstva a definuje fyzické přenosové charakteristiky. Vrstva 2 je vrstvou datového spoje a definuje přístupový protokol sběrnice. Vrstva 7 je aplikační vrstva a definuje aplikační funkce. ProfiBus DP používá pouze vrstvy 1 & 2 tohoto modelu a uživatelské rozhraní. Vrstvy 3 až 7 se nepoužívají.
Systém ProfiBus používá sběrnicový master k dotazování podřízených zařízení distribuovaných vícekapacitním způsobem na sériové sběrnici RS485. Podřízené zařízení sběrnice ProfiBus je jakékoli periferní zařízení (vstupně-výstupní snímač, ventil, síťový pohon nebo jiné měřicí zařízení), které zpracovává informace a odesílá svůj výstup do sběrnice Master. Podřízená jednotka tvoří v síti „pasivní stanici“, protože nemá přístupová práva ke sběrnici a může pouze potvrzovat přijaté zprávy nebo na požádání odesílat zprávy s odpovědí nadřízené jednotce. Je důležité si uvědomit, že všechny slave sběrnice ProfiBus mají stejnou prioritu a veškerá síťová komunikace vychází z masteru. Moduly Acromag I/O tvoří inteligentní podřízená zařízení.
Moduly Acromag implementují protokol ProfiBus prostřednictvím průmyslového standardu SPC3 ASIC od společnosti Siemens. Tento ASIC se chová jako RAM nebo UART čip k internímu mikrokontroléru a kompletně zvládá požadavky standardu protokolu. ASIC přenáší síťová data do a z mikrokontroléru a automaticky poskytuje odezvu na sběrnici podle specifikace ProfiBus.

Master sběrnice ProfiBus tvoří „aktivní stanici“ v síti. Sběrnice ProfiBus DP definuje dvě třídy masterů. Master třídy 1 zajišťuje běžnou komunikaci nebo výměnu dat s podřízenými jednotkami, které jsou mu přiřazeny. Master třídy 2 je speciální zařízení, které se používá především pro uvádění podřízených zařízení do provozu a pro diagnostické účely. Některé mastery mohou podporovat funkce třídy 1 i třídy 2. Komunikace mezi mastery není ve sběrnici Profibus obvykle povolena, s výjimkou případů, kdy je třeba udělit přístupová práva ke sběrnici jinému masteru prostřednictvím výměny tokenu. Komunikaci master-to-master mezi dvěma systémy mono-master však lze usnadnit pomocí brány DP-DP. Všimněte si, že výměna přístupových práv ke sběrnici prostřednictvím tohoto „kruhu tokenů“ platí pouze mezi mastery na sběrnici.
Zařízení master třídy 1 je obvykle centrální programovatelný automat (PLC) nebo PC se speciálním softwarem. Master třídy 1 nastavuje přenosovou rychlost a slave zařízení tuto rychlost automaticky detekují. Master třídy 1 zajišťuje výměnu dat s podřízenými zařízeními, která jsou mu přiřazena, a funguje jako hlavní řídicí jednotka pro výměnu I/O informací se svými distribuovanými podřízenými zařízeními, přičemž cyklicky načítá uživatelská I/O data podle definovaného cyklu zpráv. Master může aktivně komunikovat se svými přidělenými podřízenými zařízeními, ale pouze pasivně (na vyžádání) s jiným zařízením třídy 2 master.
Třída 2 master je obvykle konfigurační zařízení, třeba notebook nebo programovací konzola, a je poskytována pro účely uvedení do provozu, údržby nebo diagnostiky. Chová se jako „dohledový“ master v tom smyslu, že kromě svých vlastních podřízených zařízení může aktivně komunikovat s mastery třídy 1 a jejich podřízenými zařízeními, ale obvykle pouze za účelem konfigurace, diagnostiky problémů a výměny dat/parametrů. To znamená, že mastery třídy 2 mohou pouze krátkodobě převzít kontrolu nad podřízeným zařízením. Veškerá výměna mezi nadřízeným zařízením třídy 2 a nadřízeným zařízením třídy 1 vychází z nadřízeného zařízení třídy 2.
ProfiBus DP běžně funguje pomocí cyklického přenosu dat mezi master(y) a slave(y) v síti RS485. To znamená, že přiřazený master periodicky žádá (polls) každý uzel (slave) v síti. Veškerá výměna dat mezi zařízením master a slave vychází ze zařízení master. Každé zařízení slave je přiřazeno jednomu masteru a pouze tento master může zapisovat výstupní data do tohoto slave. Ostatní mastery mohou číst informace z libovolného podřízeného zařízení, ale výstupní data mohou zapisovat pouze do svých vlastních přiřazených podřízených zařízení.

Mastery mohou oslovovat jednotlivá podřízená zařízení, definovanou skupinu podřízených zařízení (multi-cast) nebo mohou vysílat telegram všem připojeným podřízeným zařízením. Podřízené jednotky vrátí odpověď na všechny telegramy, které jim byly adresovány jednotlivě, ale neodpovídají na vysílání nebo multi-cast telegramy ze zařízení master. ProfiBus posílá zprávy Broadcast a Multi-Cast jako globální řídicí telegramy s použitím adresy 127 a volitelného čísla skupiny pro cílovou skupinu podřízených zařízení.
Protože ProfiBus používá cyklický (periodický) mechanismus dotazování mezi zařízeními master a slave, je také deterministický. To znamená, že chování systému ProfiBus lze spolehlivě předvídat v čase. Ve skutečnosti byl systém ProfiBus navržen tak, aby zaručoval deterministickou odezvu. Naproti tomu CAN a Ethernet jsou sběrnicové systémy řízené událostmi a v důsledku toho tvoří nedeterministické systémy.
Délka (a časování) vstupně-výstupních dat, která mají být přenesena z jednoho slave do masteru, je předem definována v databázi zařízení slave nebo v souboru GSD. Soubory GSD každého zařízení připojeného přes síť (pouze slave a master třídy 1) jsou sestaveny do záznamu parametrů master, který obsahuje parametrizační a konfigurační údaje, seznam přidělení adres a parametry sběrnice pro všechny připojené stanice. Master používá tyto informace k nastavení komunikace s každou podřízenou jednotkou během spouštění.
Poté, co master obdrží svůj záznam hlavních parametrů, je připraven zahájit výměnu dat se svými podřízenými jednotkami. Během spouštění, po resetu systému nebo po návratu k napájení se master pokusí znovu navázat kontakt se všemi podřízenými jednotkami, které mu byly přiřazeny, a teprve poté převezme cyklickou výměnu vstupně-výstupních dat. Každý slave již musí mít jedinečnou platnou adresu v rozsahu 0-125, aby mohl komunikovat s masterem. Každý slave, který má výchozí adresu 126, bude čekat na příkaz Set_Slave_Address od masteru třídy 2, než bude moci být parametrizován. Při pokusu o navázání komunikace začne master od slave s nejnižší adresou a skončí u slave s nejvyšší adresou. Master bude posílat parametrizační a konfigurační telegramy všem svým přiřazeným slave (k slave může zapisovat pouze jeho přiřazený master, tedy master, který jej při spuštění parametrizoval a konfiguroval). Parametrizační a konfigurační telegramy zajišťují, že master zná funkčnost a konfiguraci slave. Pokud je na síťovou sběrnici přidán další slave, který ještě není zohledněn v záznamu master, musí být vytvořen nový záznam master a provedena nová konfigurace, aby byl master informován o stavu nového zařízení.

ProfiBus DP nejčastěji používá jedno zařízení master třídy 1 (mono-master), které cyklicky dotazuje mnoho distribuovaných slave. Sběrnice ProfiBus však umožňuje také acyklickou komunikaci mezi mastery a slave třídy 2, takže je možné použít více než jednu aktivní stanici nebo master. Master třídy 1 automaticky zjistí přítomnost nové aktivní stanice připojené k síťové sběrnici (master třídy 2). Když master třídy 1 dokončí svůj cyklus dotazování, předá „token“ masteru třídy 2, který mu umožní dočasný přístup ke sběrnici. Deterministické chování je zachováno, protože master třídy 2 může využít pouze čas, který mu byl přidělen prostřednictvím zadané doby mezery. Ačkoli se obecně doporučuje provoz s jedním masterem, není povinný. To znamená, že systém ProfiBus může mít více než jeden master třídy 1, ale komunikace mezi mastery není povolena, s výjimkou udělení přístupových práv ke sběrnici prostřednictvím výměny tokenů.
Pro ilustraci myšlenky komunikace mezi mastery v systému ProfiBus DP si master třídy 1 cyklicky vyměňuje data se všemi jemu přiřazenými slave, a to po jednom, podle seznamu jemu přiřazených slave převzatého ze záznamu masteru. Na konci tohoto datového cyklu je vyčleněn dodatečný čas (gap time) pro acyklickou komunikaci mezi masterem třídy 2 a stejnými slave. Během této doby předá master třídy 1 masteru třídy 2 token, který mu uděluje přístupová práva ke sběrnici. Master třídy 2, který právě drží token, má možnost vyměnit si data se všemi podřízenými jednotkami během určitého časového úseku, který se nazývá poloviční doba pro výměnu tokenu nebo doba držení tokenu (TH). Master třídy 2 pak může pokračovat ve čtení dat nebo diagnostických informací z libovolného podřízeného zařízení a po dokončení svého cyklu předá token zpět masteru třídy 1.
Protože během mezery obvykle není dostatek času na dokončení úplné výměny dat, může tento proces získávání dat masterem třídy 2 pokračovat v několika cyklech. Na konci přenosu záznamů master třídy 2 zruší spojení. Všimněte si však, že master třídy 2 může navázat komunikaci s podřízenými jednotkami pouze během doby mezery.
Jak již bylo uvedeno, je možné, aby master třídy 2 dočasně převzal řízení podřízené jednotky DP. Během této doby DP slave zastaví normální výměnu dat se svým masterem třídy 1. Master třídy 1 to rozpozná a bude pokračovat v cyklickém vyžádání diagnostiky od slave, přičemž bude kontrolovat pole Master Address tak dlouho, dokud bude přítomna jiná platná adresa. Poté, co master třídy 2 ukončí komunikaci s podřízeným zařízením, nastaví pole Master Address podřízeného zařízení na neplatné (255). To způsobí, že se master třídy 1 pokusí znovu získat kontrolu nad podřízeným zařízením a před obnovením výměny dat s podřízeným zařízením provede jeho reparametrizaci a rekonfiguraci.
ProfiBus DP –

• Otevřený standard založený na EN 50170.
• Dosud nejrychlejší standard Fieldbus s přenosovou rychlostí až 12 MB.
• Plug & play operation.
• Až 244 bajtů vstupních/výstupních dat na jednu zprávu.
• Ke sběrnici se může připojit až 126 stanic.
• K jednomu segmentu sběrnice lze připojit až 32 stanic.

Třída 1 Master –

• Centrální řídicí jednotka, která vyměňuje vstupně-výstupní data s připojenými podřízenými jednotkami.
• Určuje přenosovou rychlost (podřízené jednotky tuto rychlost automaticky detekují).
• Řídí přenos tokenů mezi mastery. Detekuje další master v době mezery.

Třída 2 Master –

• Diagnostický, konfigurační nebo spouštěcí nástroj.
• Může současně ovládat pouze jeden slave.
• Nemá přístup k zápisu do slave.
• Nemá GSD soubor.

Slave –

• Pasivní stanice, která může reagovat pouze na žádost mastera a potvrzovat zprávy. Slave nemá žádná práva k řízení sběrnice.
• Soubor GSD definuje slave pro master.

Toto je stručný přehled Profibus-DP. Pro podrobnější informace o technologii a protokolu Profibus si můžete stáhnout tento kompletní 40stránkový dokument.
Tuto bílou knihu napsala a poskytla společnost Acromag. Společnost Acromag vyrábí řadu I/O modulů, které podporují Profibus DP přes RS485. Neváhejte navštívit jejich webové stránky na adrese www.acromag.com, kde získáte nejnovější informace o těchto a dalších produktech společnosti Acromag.
Klikněte zde pro více informací

.