Johdatus Profibus-DP:hen

Yhteenveto

Saksan hallitus loi ProfiBusin vuonna 1989 yhteistyössä useiden automaatiolaitteiden valmistajien kanssa. Se on sanomanvälitysmuoto, joka on suunniteltu erityisesti tehdas- ja rakennusautomaatiosovellusten suurnopeisiin sarjamuotoisiin I/O-sovelluksiin. Se on avoin standardi, ja se on tunnustettu nykyisin käytössä olevaksi nopeimmaksi FieldBus-väyläksi. Se perustuu RS485:een ja eurooppalaiseen EN50170-sähköstandardiin. DP-liite tarkoittaa ”Decentralized Periphery” (hajautettu periferia), jota käytetään kuvaamaan hajautettuja I/O-laitteita, jotka on yhdistetty nopean sarjadatayhteyden kautta keskusohjaimeen. Sitä vastoin ohjelmoitavan logiikkaohjaimen (PLC) tulo-/lähtökanavat on yleensä sijoitettu keskitetysti. Ottamalla käyttöön verkkoväylä pääohjaimen (master) ja sen I/O-kanavien (slave) välille olemme hajauttaneet I/O:n.
ProfiBus perustuu yleismaailmallisiin kansainvälisiin standardeihin ja on suunnattu OSI-viitemalliin (Open System Interconnection) kansainvälisen standardin ISO 7498 mukaisesti. Tässä mallissa jokainen kerros hoitaa tarkasti määriteltyjä tehtäviä. Tämän mallin kerros 1 on fyysinen kerros, jossa määritellään fyysiset siirto-ominaisuudet. Kerros 2 on tiedonsiirtokerros, ja siinä määritellään väyläyhteyskäytäntö. Kerros 7 on sovelluskerros ja määrittelee sovellustoiminnot. ProfiBus DP käyttää vain tämän mallin kerroksia 1 & 2 sekä käyttöliittymää. Kerroksia 3-7 ei käytetä.
ProfiBus-järjestelmässä käytetään väylän pääkäyttäjää, joka kysyy RS485-sarjaväylään moniportaisesti hajautettuja orjalaitteita. ProfiBus-orja on mikä tahansa oheislaite (I/O-anturi, venttiili, verkkoasema tai muu mittauslaite), joka käsittelee tietoa ja lähettää tulosteensa masterille. Slave muodostaa verkossa ”passiivisen aseman”, koska sillä ei ole väylän käyttöoikeuksia, ja se voi vain kuitata vastaanotetut viestit tai lähettää vastausviestejä masterille pyynnöstä. On tärkeää huomata, että kaikilla ProfiBus-orjilla on sama prioriteetti, ja kaikki verkkoviestintä lähtee masterilta. Acromag I/O-moduulit muodostavat älykkäitä orjalaitteita.
Acromag-moduulit toteuttavat ProfiBus-protokollan Siemensin teollisuusstandardin SPC3 ASIC:n avulla. Tämä ASIC toimii kuin RAM- tai UART-siru sisäiselle mikrokontrollerille ja hoitaa täysin protokollastandardin vaatimukset. ASIC siirtää verkkotiedot mikrokontrolleriin ja mikrokontrollerista ja antaa automaattisesti vastauksen väylälle ProfiBus-spesifikaation mukaisesti.

ProfiBus-master muodostaa ”aktiivisen aseman” verkossa. ProfiBus DP määrittelee kaksi luokkaa mastereita. Luokan 1 master huolehtii normaalista viestinnästä tai tiedonvaihdosta sille osoitettujen orjien kanssa. Luokan 2 master on erikoislaite, jota käytetään ensisijaisesti orjien käyttöönottoon ja diagnostiikkaan. Jotkin masterit voivat tukea sekä luokan 1 että luokan 2 toimintoja. Masterin ja masterin välinen tiedonsiirto ei yleensä ole sallittua Profibus-järjestelmässä paitsi silloin, kun toiselle masterille myönnetään väylän käyttöoikeudet tokenin vaihdon avulla. Kahden mono-master-järjestelmän välistä master-to-master-viestintää voidaan kuitenkin helpottaa DP-DP-yhdyskäytävän avulla. Huomaa, että väylän käyttöoikeuksien vaihtaminen tämän ”merkkirenkaan” kautta on mahdollista vain väylällä olevien masterien välillä.
Luokan 1 master-laite on tavallisesti ohjelmoitava keskusohjain (PLC) tai PC, jossa on erikoisohjelmisto. Luokan 1 master-laite asettaa baudinopeuden ja orjalaitteet tunnistavat sen automaattisesti. Luokan 1 päällikkö hoitaa tiedonsiirron sille osoitettujen orjien kanssa ja toimii pääohjaimena I/O-tietojen vaihdossa hajautettujen orjiensa kanssa hakemalla syklisesti käyttäjän I/O-tietoja määritellyn viestisyklin mukaisesti. Pääkäyttäjä voi kommunikoida aktiivisesti sille osoitettujen orjien kanssa, mutta vain passiivisesti (pyynnöstä) toisen luokan 2 pääkäyttäjän kanssa.
Luokan 2 pääkäyttäjä on tavallisesti konfigurointilaite, ehkä kannettava tietokone tai ohjelmointikonsoli, ja se on tarkoitettu käyttöönotto-, huolto- tai diagnostiikkatarkoituksiin. Se toimii ”valvovan” master-laitteen tavoin siinä mielessä, että se voi aktiivisesti kommunikoida luokan 1 master-laitteiden ja niiden slave-laitteiden kanssa omien slave-laitteidensa lisäksi, mutta yleensä vain konfigurointia, ongelmanmääritystä ja tietojen/parametrien vaihtoa varten. Toisin sanoen luokan 2 päälliköt voivat ottaa orjan hallinnan haltuunsa vain lyhytaikaisesti. Kaikki luokan 2 pääkäyttäjän ja luokan 1 pääkäyttäjän välinen tiedonvaihto lähtee luokan 2 pääkäyttäjältä.
ProfiBus DP toimii tavallisesti syklisellä tiedonsiirrolla päällikön (päälliköiden) ja orjan (orjien) välillä RS485-verkossa. Tämä tarkoittaa sitä, että määritetty master pyytää (pollaa) määräajoin jokaista verkon solmua (slavea). Kaikki master- ja slave-laitteiden välinen tiedonsiirto lähtee master-laitteesta. Kukin orjalaite on määritetty yhdelle master-laitteelle, ja vain tämä master-laite voi kirjoittaa lähtötietoja kyseiselle orjalaitteelle. Muut päälliköt voivat lukea tietoja miltä tahansa orjalaitteelta, mutta voivat kirjoittaa lähtötietoja vain omille orjalaitteilleen.

Mestarit voivat osoittaa yksittäisille orjalaitteille, määritellylle orjalaiteryhmälle (multi-cast) tai lähettää sähkeen kaikille liitetyille orjalaitteille. Orjat palauttavat vastauksen kaikkiin niille erikseen osoitettuihin sähkösanomiin, mutta eivät vastaa master-laitteen lähettämiin tai monilähetyssanomiin. ProfiBus lähettää Broadcast- ja Multi-Cast-sanomat globaaleina ohjaussanomina käyttäen osoitetta 127 ja valinnaista ryhmänumeroa kohdennetulle orjaryhmälle.
Koska ProfiBus käyttää syklistä (jaksoittaista) kyselymekanismia päälliköiden ja orjien välillä, se on myös deterministinen. Tämä tarkoittaa, että ProfiBus-järjestelmän käyttäytyminen voidaan luotettavasti ennustaa ajan mittaan. Itse asiassa ProfiBus on suunniteltu takaamaan deterministinen vaste. Sitä vastoin CAN ja Ethernet ovat tapahtumapohjaisia väyläjärjestelmiä, joten ne eivät ole deterministisiä järjestelmiä.
Yksittäiseltä orjalta isännälle siirrettävän I/O-tiedon pituus (ja ajoitus) on ennalta määritelty orjan laitetietokannassa tai GSD-tiedostossa. Kunkin verkon kautta liitetyn laitteen GSD-tiedostot (vain orjat ja luokan 1 masterit) kootaan master-parametritietueeksi, joka sisältää parametrointi- ja konfigurointitiedot, osoitteenjakoluettelon ja väyläparametrit kaikille liitetyille asemille. Master käyttää näitä tietoja asettaakseen kommunikaation jokaisen orjan kanssa käynnistyksen aikana.
Kun master on saanut master-parametritietueensa, se on valmis aloittamaan tiedonvaihdon orjiensa kanssa. Käynnistyksen aikana, järjestelmän nollauksen jälkeen tai virran palaamisen jälkeen master yrittää luoda uudelleen yhteyden kaikkiin sille määritettyihin orjiin ennen kuin se aloittaa syklisen I/O-tiedonvaihdon. Jokaisella orjalla on jo oltava yksilöllinen voimassa oleva osoite väliltä 0-125, jotta se voi kommunikoida päällikön kanssa. Kaikki orjat, joiden oletusosoite on 126, odottavat luokan 2 päällikön Set_Slave_Address-komentoa, ennen kuin ne voidaan parametroida. Yrittäessään luoda tiedonsiirtoa isäntä aloittaa pienimmän osoitteen omaavasta orjasta ja lopettaa suurimman osoitteen omaavaan orjaan. Pääkäyttäjä lähettää parametrointi- ja konfigurointitelegrammeja kaikille sille osoitetuille orjille (orjaa voi käyttää kirjallisesti vain sille osoitettu pääkäyttäjä eli se pääkäyttäjä, joka parametroi ja konfiguroi sen käynnistyksen aikana). Parametrointi- ja konfigurointisanomien avulla varmistetaan, että orjan toiminnot ja konfigurointi ovat masterin tiedossa. Jos verkkoväylään lisätään uusi orja, jota ei vielä ole merkitty master-tietueeseen, on luotava uusi master-tietue ja suoritettava uusi konfigurointi, jotta master saa tiedon uuden laitteen tilasta.

ProfiBus DP:ssä käytetään useimmiten yhtä luokan 1 master-laitetta (mono-master), joka kyselee syklisesti monia hajautettuja orjia. ProfiBus mahdollistaa kuitenkin myös asyklisen viestinnän luokan 2 masterien ja orjien välillä, jolloin useampi kuin yksi aktiivinen asema tai master on mahdollinen. Luokan 1 master havaitsee automaattisesti uuden aktiivisen aseman, joka on liitetty verkkoväylään (luokan 2 master). Kun luokan 1 pääkäyttäjä päättää kyselysyklinsä, se välittää luokan 2 pääkäyttäjälle ”tokenin”, joka antaa tälle väliaikaisen pääsyn väylään. Deterministinen käyttäytyminen säilyy, koska luokan 2 päällikkö voi käyttää vain sille määritellyn väliajan kautta varattua aikaa. Vaikka mono-master-käyttö on yleensä suositeltavaa, se ei ole pakollista. Toisin sanoen ProfiBus-järjestelmässä voi olla useampi kuin yksi luokan 1 master, mutta masterien välinen kommunikointi ei ole sallittua, lukuun ottamatta väylän käyttöoikeuksien myöntämistä tokenien vaihdon avulla.
Vaikuttaaksemme ajatusta masterien välisestä kommunikaatiosta ProfiBus DP -järjestelmässä, luokan 1 master vaihtaa syklisesti dataa kaikkien sille osoitettujen orjien kanssa yksi kerrallaan master-tietueesta otetun osoitettujen orjien luettelon mukaisesti. Tämän tiedonsiirtosyklin lopussa varataan lisäaikaa (väliaika), jotta luokan 2 päällikön ja samojen orjien välinen asyklinen tiedonsiirto on mahdollista. Tänä aikana luokan 1 pääkäyttäjä välittää luokan 2 pääkäyttäjälle merkin, joka antaa sille väylän käyttöoikeudet. Luokan 2 pääkäyttäjällä, jonka hallussa merkki on tällä hetkellä, on mahdollisuus vaihtaa tietoja kaikkien orjien kanssa tietyn ajan kuluessa, jota kutsutaan merkin puolikkaaksi ajaksi tai merkin pitoajaksi (TH). Tämän jälkeen luokan 2 päällikkö voi lukea tietoja tai diagnostiikkatietoja miltä tahansa orjalta, ja syklinsä päätyttyä se luovuttaa merkin takaisin luokan 1 päällikölle.
Koska välissä ei yleensä ole riittävästi aikaa täydelliseen tiedonvaihtoon, tämä luokan 2 päällikön suorittama tiedonhakuprosessi voi jatkua useiden syklien ajan. Tietueiden siirron päätyttyä luokan 2 pääkäyttäjä tyhjentää yhteyden. Huomaa kuitenkin, että luokan 2 päällikkö voi aloittaa yhteydenpidon orjien kanssa vain väliajan aikana.
Kuten aiemmin todettiin, luokan 2 päällikön on mahdollista ottaa väliaikaisesti hallintaansa DP-orja. Tänä aikana DP-orja lopettaa normaalin tiedonsiirron luokan 1 päällikön kanssa. Luokan 1 pääkäyttäjä tunnistaa tämän ja pyytää syklisesti diagnostiikkaa orjalta tarkistamalla pääkäyttäjän osoitekenttää niin kauan kuin toinen voimassa oleva osoite on olemassa. Kun luokan 2 pääkäyttäjä lopettaa viestinnän orjan kanssa, se asettaa orjan pääkäyttäjäosoitekentän arvoksi invalid (255). Tämä saa luokan 1 masterin yrittämään saada orjan takaisin hallintaansa, ja se parametroi ja konfiguroi orjan uudelleen ennen kuin se jatkaa tiedonsiirtoa sen kanssa.
ProfiBus DP –

• Avoin standardi, joka perustuu standardiin EN 50170.
• Nopein kenttäväylästandardi tähän mennessä, jonka tiedonsiirtonopeus on jopa 12 Mt.
• Plug & play-toiminto.
• Jopa 244 tavua tulo-/lähtötietoja viestiä kohden.
• Väylään voi liittyä jopa 126 asemaa.
• Jopa 32 asemaa väyläsegmenttiä kohden.

Luokan 1 Master –

• Keskusohjain, joka vaihtaa I/O-dataa liitettyjen orjien kanssa.
• Määrittää baudinopeuden (orjat tunnistavat tämän nopeuden automaattisesti).
• Hallitsee masterien välistä merkkien siirtoa. Tunnistaa toisen masterin välin aikana.

Luokan 2 master –

• Diagnoosi-, konfigurointi- tai käynnistystyökalu.
• Voi ohjata vain yhtä orjaa kerrallaan.
• Ei ole kirjoitusoikeutta orjaan.
• Ei ole GSD-tiedostoa.

Slave –

• Passiivinen asema, joka voi vastata vain masterin pyyntöön ja kuitata viestit. Orjalla ei ole väylän ohjausoikeuksia.
• GSD-tiedosto määrittelee orjan päällikölle.

Tämä on lyhyt katsaus Profibus-DP:hen. Jos haluat yksityiskohtaisempia tietoja Profibus-tekniikasta ja -protokollasta, voit ladata tämän täydellisen 40-sivuisen asiakirjan.
Tämän valkoisen kirjan on kirjoittanut ja toimittanut Acromag. Acromag valmistaa sarjan I/O-moduuleja, jotka tukevat Profibus DP:tä RS485:n kautta. Voit vapaasti vierailla heidän verkkosivustollaan osoitteessa www.acromag.com saadaksesi uusimmat tiedot näistä ja muista Acromagin tuotteista.
Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoja