Introducción al Profibus-DP

Resumen

ProfiBus fue creado en 1989 por el gobierno alemán en cooperación con varios fabricantes de equipos de automatización. Es un formato de mensajería diseñado específicamente para E/S en serie de alta velocidad en aplicaciones de automatización de fábricas y edificios. Es un estándar abierto y está reconocido como el FieldBus más rápido en funcionamiento actualmente. Se basa en RS485 y en la especificación eléctrica europea EN50170. El sufijo DP hace referencia a la «periferia descentralizada», que se utiliza para describir los dispositivos de E/S distribuidos conectados a través de un rápido enlace de datos en serie con un controlador central. Por el contrario, un controlador lógico programable (PLC) suele tener sus canales de entrada/salida dispuestos de forma centralizada. Al introducir un bus de red entre el controlador principal (maestro) y sus canales de E/S (esclavos), hemos descentralizado la E/S.
ProfiBus se basa en estándares internacionales universales y está orientado al modelo de referencia OSI (Interconexión de Sistemas Abiertos) según la norma internacional ISO 7498. En este modelo, cada capa se encarga de tareas definidas con precisión. La capa 1 de este modelo es la capa física y define las características físicas de transmisión. La capa 2 es la capa de enlace de datos y define el protocolo de acceso al bus. La capa 7 es la capa de aplicación y define las funciones de la aplicación. ProfiBus DP sólo utiliza las capas 1 & 2 de este modelo, además de la interfaz de usuario. Las capas 3 a 7 no se utilizan.
Un sistema ProfiBus utiliza un maestro de bus para sondear los dispositivos esclavos distribuidos en forma multipunto en un bus serie RS485. Un esclavo ProfiBus es cualquier dispositivo periférico (transductor de E/S, válvula, unidad de red u otro dispositivo de medición) que procesa información y envía su salida al maestro. El esclavo forma una «estación pasiva» en la red, ya que no tiene derechos de acceso al bus, y sólo puede acusar recibo de los mensajes recibidos, o enviar mensajes de respuesta al maestro a petición de éste. Es importante tener en cuenta que todos los esclavos ProfiBus tienen la misma prioridad, y que toda la comunicación de la red se origina en el maestro. Los módulos de E/S Acromag forman dispositivos esclavos inteligentes.

Los módulos Acromag implementan el protocolo ProfiBus a través de un ASIC SPC3 estándar de Siemens. Este ASIC actúa como un chip RAM o UART para el microcontrolador interno y maneja completamente los requerimientos del estándar del protocolo. El ASIC transferirá los datos de la red hacia y desde el microcontrolador y proporcionará automáticamente la respuesta al bus de acuerdo con la especificación ProfiBus.
Un maestro ProfiBus forma una «estación activa» en la red. ProfiBus DP define dos clases de maestros. Un maestro de clase 1 se encarga de la comunicación normal o del intercambio de datos con los esclavos que tiene asignados. Un maestro de clase 2 es un dispositivo especial que se utiliza principalmente para la puesta en marcha de los esclavos y para fines de diagnóstico. Algunos maestros pueden admitir tanto la funcionalidad de la clase 1 como la de la clase 2. La comunicación maestro a maestro normalmente no está permitida en Profibus, excepto para conceder derechos de acceso al bus a otro maestro mediante el intercambio de un token. Sin embargo, la comunicación maestro a maestro entre dos sistemas monomaster puede facilitarse utilizando una pasarela DP-DP. Tenga en cuenta que el intercambio de derechos de acceso al bus a través de este «anillo de tokens» sólo se aplica entre maestros en el bus.
Un dispositivo maestro de clase 1 es normalmente un controlador central programable (PLC), o un PC que ejecuta un software especial. El maestro de clase 1 establece la velocidad de transmisión y los esclavos la detectan automáticamente. El maestro de clase 1 se encarga del intercambio de datos con los esclavos que tiene asignados, y actúa como controlador principal para el intercambio de información de E/S con sus esclavos distribuidos, recuperando cíclicamente los datos de E/S del usuario según un ciclo de mensajes definido. Un maestro puede comunicarse activamente con sus esclavos asignados, pero sólo de forma pasiva (a petición) con otro dispositivo maestro de clase 2.
El maestro de clase 2 suele ser un dispositivo de configuración, tal vez un ordenador portátil o una consola de programación, y se proporciona con fines de puesta en marcha, mantenimiento o diagnóstico. Actúa como un maestro «supervisor» en el sentido de que puede comunicarse activamente con los maestros de clase 1 y sus esclavos, además de con sus propios esclavos, pero normalmente sólo con fines de configuración, diagnóstico de problemas e intercambio de datos/parámetros. Es decir, los maestros de clase 2 sólo pueden tomar brevemente el control de un esclavo. Todos los intercambios entre un maestro de clase 2 y un maestro de clase 1 se originan en el maestro de clase 2.

ProfiBus DP funciona normalmente mediante una transferencia cíclica de datos entre maestro(s) y esclavo(s) en una red RS485. Es decir, un maestro asignado solicita (sondea) periódicamente cada nodo (esclavo) de la red. Todos los intercambios de comunicación de datos entre un maestro y un esclavo se originan en el dispositivo maestro. Cada dispositivo esclavo está asignado a un maestro y sólo ese maestro puede escribir datos de salida en ese esclavo. Otros maestros pueden leer información de cualquier esclavo, pero sólo pueden escribir datos de salida en sus propios esclavos asignados.
Los maestros pueden dirigirse a esclavos individuales, a un grupo definido de esclavos (multidifusión) o pueden emitir un telegrama a todos los esclavos conectados. Los esclavos devolverán una respuesta a todos los telegramas dirigidos a ellos individualmente, pero no responden a los telegramas de difusión o multidifusión de un dispositivo maestro. ProfiBus envía mensajes de difusión y multidifusión como telegramas de control global utilizando la dirección 127 y un número de grupo opcional para un grupo de esclavos objetivo.
Debido a que ProfiBus utiliza un mecanismo de sondeo cíclico (periódico) entre maestros y esclavos, también es determinista. Es decir, el comportamiento de un sistema ProfiBus puede predecirse con fiabilidad a lo largo del tiempo. De hecho, ProfiBus fue diseñado para garantizar una respuesta determinista. Por el contrario, CAN y Ethernet son sistemas de bus impulsados por eventos y, en consecuencia, forman sistemas no deterministas.
La longitud (y la temporización) de los datos de E/S que deben transferirse desde un único esclavo a un maestro está predefinida en la base de datos del dispositivo del esclavo o archivo GSD. Los archivos GSD de cada dispositivo conectado a través de la red (sólo esclavos y maestros de clase 1) se compilan en un registro de parámetros maestro que contiene datos de parametrización y configuración, una lista de asignación de direcciones y los parámetros del bus para todas las estaciones conectadas. Un maestro utiliza esta información para establecer la comunicación con cada esclavo durante el arranque.
Después de que un maestro recibe su registro de parámetros maestros, está listo para comenzar a intercambiar datos con sus esclavos. Durante el arranque, después de un reinicio del sistema, o al volver a la alimentación, un maestro intentará restablecer el contacto con todos los esclavos asignados a él antes de asumir el intercambio cíclico de datos de E/S. Cada esclavo debe tener ya una dirección única válida de 0 a 125 para poder comunicarse con el maestro. Cualquier esclavo que tenga una dirección por defecto de 126 esperará el comando Set_Slave_Address de un maestro de clase 2 antes de poder ser parametrizado. Al intentar establecer la comunicación, el maestro comienza con el esclavo de menor dirección y termina con el esclavo de mayor dirección. Un maestro enviará telegramas de parametrización y configuración a todos sus esclavos asignados (un esclavo sólo puede ser accedido en escritura por su maestro asignado, el maestro que lo parametrizó y configuró durante el arranque). Los telegramas de parametrización y configuración garantizan que el maestro conozca la funcionalidad y la configuración de un esclavo. Si se añade un esclavo adicional al bus de red y no está ya contabilizado en el registro maestro, debe generarse un nuevo registro maestro y realizarse una nueva configuración para que el maestro esté informado del estado del nuevo dispositivo.

ProfiBus DP utiliza más a menudo un único dispositivo maestro de clase 1 (mono-maestro), que sondea cíclicamente a muchos esclavos distribuidos. Sin embargo, ProfiBus también permite la comunicación acíclica entre maestros y esclavos de clase 2, haciendo posible más de una estación o maestro activo. Un maestro de clase 1 detectará automáticamente la presencia de una nueva estación activa conectada al bus de red (un maestro de clase 2). Cuando el maestro de clase 1 complete su ciclo de sondeo, pasará un «token» al maestro de clase 2 concediéndole acceso temporal al bus. Se mantiene un comportamiento determinista, ya que el maestro de clase 2 sólo puede utilizar el tiempo que se le ha asignado a través del tiempo de intervalo especificado. Aunque en general se recomienda el funcionamiento monomáster, no es obligatorio. Es decir, un sistema ProfiBus puede tener más de un maestro de clase 1, pero no se permite la comunicación de maestro a maestro, excepto para la concesión de derechos de acceso al bus mediante el intercambio de tokens.
Para ilustrar la idea de la comunicación entre maestros en un sistema ProfiBus DP, un maestro de clase 1 intercambia cíclicamente datos con todos los esclavos que tiene asignados, de uno en uno, según su lista de esclavos asignados tomada del registro maestro. Al final de este ciclo de datos, se asigna un tiempo adicional (gap time) para permitir la comunicación acíclica entre un maestro de clase 2 y los mismos esclavos. Durante este tiempo, el maestro de la clase 1 pasará un token al maestro de la clase 2 concediéndole derechos de acceso al bus. El maestro de clase 2 que actualmente tiene el token tiene la oportunidad de intercambiar datos con todos los esclavos dentro de un período de tiempo específico llamado tiempo medio del token o tiempo de retención del token (TH). El maestro de clase 2 puede entonces proceder a leer datos o información de diagnóstico de cualquiera de los esclavos, y luego al completar su ciclo, pasará el token de vuelta al maestro de clase 1.
Como normalmente no hay suficiente tiempo durante el intervalo para completar un intercambio de datos completo, este proceso de recuperación de datos por parte del maestro de clase 2 puede continuar durante varios ciclos. Al final de la transferencia de registros, el maestro de clase 2 borrará la conexión. Tenga en cuenta, sin embargo, que el maestro de clase 2 sólo puede establecer comunicación con los esclavos durante el tiempo de intervalo.
Como se ha indicado anteriormente, es posible que un maestro de clase 2 tome temporalmente el control de un esclavo DP. Durante este tiempo, el esclavo DP detendrá su intercambio normal de datos con su maestro de clase 1. El maestro de clase 1 reconoce esto y procederá a solicitar cíclicamente diagnósticos al esclavo, comprobando el campo Dirección del maestro mientras haya otra dirección válida. Después de que el maestro de clase 2 termine su comunicación con el esclavo, pone el campo Dirección Maestra del esclavo en inválido (255). Esto hace que el maestro de clase 1 intente recuperar el control del esclavo y reparametrice y reconfigure el esclavo antes de reanudar el intercambio de datos con él.
ProfiBus DP –

• Estándar abierto basado en la norma EN 50170.
• Estándar de bus de campo más rápido hasta la fecha con velocidades de datos de hasta 12MB.
• Funcionamiento «play» de Plug &.
• Hasta 244 bytes de datos de entrada/salida por mensaje.
• Se pueden conectar al bus hasta 126 estaciones.
• Hasta 32 estaciones por segmento de bus.

Clase 1 Maestro –

• Controlador central que intercambia datos de E/S con los esclavos conectados.
• Determina la tasa de baudios (los esclavos autodetectan esta tasa).
• Gestiona la transferencia de tokens entre maestros. Detecta otro maestro durante el tiempo de intervalo.

Maestro Clase 2 –

• Herramienta de diagnóstico, configuración o puesta en marcha.
• Sólo puede controlar un esclavo a la vez.
• No tiene acceso de escritura al esclavo.
• No tiene un archivo GSD.

Esclavo –

• Una estación pasiva que sólo puede responder por una solicitud del maestro y reconocer mensajes. Un esclavo no tiene derechos de control del bus.
• El archivo GSD define el esclavo para el maestro.

Este es un breve resumen de Profibus-DP. Para obtener información más detallada sobre la tecnología y el protocolo Profibus puede descargar este documento completo de 40 páginas.
Este libro blanco fue escrito y proporcionado por Acromag. Acromag fabrica una línea de módulos de E/S que soportan Profibus DP sobre RS485. No dude en visitar su sitio web en www.acromag.com para obtener la información más reciente sobre estos y otros productos Acromag.
Haga clic aquí para obtener más información