Introduction à Profibus-DP

Summary

ProfiBus a été créé en 1989 par le gouvernement allemand en coopération avec plusieurs fabricants d’équipements d’automatisation. C’est un format de messagerie spécifiquement conçu pour les E/S série à grande vitesse dans les applications d’automatisation des usines et des bâtiments. Il s’agit d’un standard ouvert et il est reconnu comme le FieldBus le plus rapide actuellement en service. Elle est basée sur la norme RS485 et la spécification électrique européenne EN50170. Le suffixe DP fait référence à la « périphérie décentralisée », qui est utilisée pour décrire les dispositifs d’E/S distribués connectés via une liaison de données série rapide avec un contrôleur central. En revanche, les canaux d’entrée/sortie d’un contrôleur logique programmable (PLC) sont normalement disposés de manière centrale. En introduisant un bus de réseau entre le contrôleur principal (maître) et ses canaux d’E/S (esclaves), nous avons décentralisé les E/S.
ProfiBus est basé sur des normes internationales universelles et orienté vers le modèle de référence OSI (Open System Interconnection) selon la norme internationale ISO 7498. Dans ce modèle, chaque couche gère des tâches précisément définies. La couche 1 de ce modèle est la couche physique et définit les caractéristiques physiques de la transmission. La couche 2 est la couche de liaison de données et définit le protocole d’accès au bus. La couche 7 est la couche application et définit les fonctions d’application. ProfiBus DP utilise uniquement les couches 1 & 2 de ce modèle, plus l’interface utilisateur. Les couches 3 à 7 ne sont pas utilisées.
Un système ProfiBus utilise un maître de bus pour interroger des dispositifs esclaves distribués en mode multipoints sur un bus série RS485. Un esclave ProfiBus est tout dispositif périphérique (transducteur d’E/S, vanne, lecteur de réseau ou autre dispositif de mesure) qui traite les informations et envoie sa sortie au maître. L’esclave constitue une « station passive » sur le réseau puisqu’il n’a pas de droits d’accès au bus et ne peut qu’accuser réception des messages reçus ou envoyer des messages de réponse au maître sur demande. Il est important de noter que tous les esclaves ProfiBus ont la même priorité, et que toutes les communications du réseau proviennent du maître. Les modules d’E/S d’Acromag constituent des dispositifs esclaves intelligents.

Les modules d’Acromag mettent en œuvre le protocole ProfiBus via un ASIC SPC3 standard de Siemens. Cet ASIC agit comme une RAM ou une puce UART pour le microcontrôleur interne et gère entièrement les exigences de la norme de protocole. L’ASIC transfère les données du réseau vers et depuis le microcontrôleur et fournit automatiquement la réponse au bus conformément à la spécification ProfiBus.
Un maître ProfiBus forme une « station active » sur le réseau. ProfiBus DP définit deux classes de maîtres. Un maître de classe 1 gère la communication normale ou l’échange de données avec les esclaves qui lui sont affectés. Un maître de classe 2 est un dispositif spécial utilisé principalement pour la mise en service des esclaves et à des fins de diagnostic. Certains maîtres peuvent prendre en charge les fonctionnalités de classe 1 et de classe 2. La communication de maître à maître n’est normalement pas autorisée dans Profibus, sauf pour accorder des droits d’accès au bus à un autre maître par l’échange d’un jeton. Cependant, la communication maître à maître entre deux systèmes mono-maître peut être facilitée en utilisant une passerelle DP-DP. Notez que l’échange de droits d’accès au bus via cet « anneau à jeton » ne s’applique qu’entre maîtres sur le bus.
Un dispositif maître de classe 1 est normalement un contrôleur central programmable (PLC), ou un PC exécutant un logiciel spécial. Le maître de classe 1 définit la vitesse de transmission et les esclaves détectent automatiquement cette vitesse. Le maître de classe 1 gère l’échange de données avec les esclaves qui lui sont assignés, et agit comme contrôleur principal pour l’échange d’informations d’E/S avec ses esclaves distribués, récupérant cycliquement les données d’E/S de l’utilisateur selon un cycle de messages défini. Un maître peut communiquer activement avec ses esclaves assignés, mais seulement passivement (sur demande) avec un autre dispositif maître de classe 2.
Le maître de classe 2 est généralement un dispositif de configuration, peut-être un ordinateur portable ou une console de programmation, et est fourni à des fins de mise en service, de maintenance ou de diagnostic. Il agit comme un maître « de supervision » en ce sens qu’il peut communiquer activement avec les maîtres de classe 1 et leurs esclaves, en plus de ses propres esclaves, mais généralement uniquement à des fins de configuration, de diagnostic des problèmes et d’échange de données/paramètres. En d’autres termes, les maîtres de classe 2 ne peuvent prendre que brièvement le contrôle d’un esclave. Tous les échanges entre un maître de classe 2 et un maître de classe 1 ont pour origine le maître de classe 2.

ProfiBus DP fonctionne normalement en utilisant un transfert cyclique de données entre maître(s) et esclave(s) sur un réseau RS485. C’est-à-dire qu’un maître assigné demande (interroge) périodiquement chaque nœud (esclave) sur le réseau. Tous les échanges de données entre un maître et un esclave proviennent de l’appareil maître. Chaque dispositif esclave est assigné à un maître et seul ce maître peut écrire des données de sortie à cet esclave. Les autres maîtres peuvent lire les informations de n’importe quel esclave, mais ne peuvent écrire des données de sortie que sur les esclaves qui leur sont attribués.
Les maîtres peuvent s’adresser à des esclaves individuels, à un groupe défini d’esclaves (multi-cast), ou peuvent diffuser un télégramme à tous les esclaves connectés. Les esclaves renvoient une réponse à tous les télégrammes qui leur sont adressés individuellement, mais ne répondent pas aux télégrammes de diffusion ou de multidiffusion provenant d’un dispositif maître. ProfiBus envoie des messages de diffusion et de multidiffusion en tant que télégrammes de contrôle global utilisant l’adresse 127 et un numéro de groupe facultatif pour un groupe d’esclaves ciblé.
Parce que ProfiBus utilise un mécanisme d’interrogation cyclique (périodique) entre les maîtres et les esclaves, il est également déterministe. C’est-à-dire que le comportement d’un système ProfiBus peut être prédit de manière fiable dans le temps. En fait, ProfiBus a été conçu pour garantir une réponse déterministe. En revanche, CAN et Ethernet sont des systèmes de bus pilotés par des événements et forment par conséquent des systèmes non déterministes.
La longueur (et le timing) des données d’E/S à transférer d’un esclave unique à un maître est prédéfinie dans la base de données du dispositif de l’esclave ou fichier GSD. Les fichiers GSD de chaque dispositif connecté via le réseau (esclaves et maîtres de classe 1 uniquement) sont compilés dans un enregistrement des paramètres du maître qui contient des données de paramétrage et de configuration, une liste d’attribution d’adresses et les paramètres du bus pour toutes les stations connectées. Un maître utilise ces informations pour établir la communication avec chaque esclave pendant le démarrage.
Après avoir reçu son enregistrement de paramètres maître, un maître est prêt à commencer à échanger des données avec ses esclaves. Pendant le démarrage, après une réinitialisation du système ou lors du retour à l’alimentation, un maître tentera de rétablir le contact avec tous les esclaves qui lui sont assignés avant d’assumer l’échange cyclique de données d’E/S. Chaque esclave doit déjà avoir une adresse unique valide comprise entre 0 et 125 afin de pouvoir communiquer avec le maître. Tout esclave dont l’adresse par défaut est 126 devra attendre la commande Set_Slave_Address d’un maître de classe 2 avant de pouvoir être paramétré. En essayant d’établir la communication, le maître commence par l’esclave ayant l’adresse la plus basse et termine par l’esclave ayant l’adresse la plus élevée. Un maître envoie des télégrammes de paramétrage et de configuration à tous les esclaves qui lui sont assignés (un esclave ne peut être accédé en écriture que par le maître qui lui est assigné, c’est-à-dire le maître qui l’a paramétré et configuré au démarrage). Les télégrammes de paramétrage et de configuration garantissent que la fonctionnalité et la configuration d’un esclave sont connues du maître. Si un esclave supplémentaire est ajouté au bus réseau et qu’il n’est pas déjà comptabilisé dans la fiche maître, une nouvelle fiche maître doit être générée et une nouvelle configuration effectuée afin que le maître soit informé de l’état du nouveau dispositif.

ProfiBus DP utilise le plus souvent un seul dispositif maître de classe 1 (mono-maître), interrogeant cycliquement de nombreux esclaves distribués. Toutefois, ProfiBus permet également une communication acyclique entre les maîtres et les esclaves de classe 2, ce qui rend possible la présence de plus d’une station ou d’un maître actif. Un maître de classe 1 détecte automatiquement la présence d’une nouvelle station active connectée au bus de réseau (un maître de classe 2). Lorsque le maître de classe 1 termine son cycle d’interrogation, il transmet un « jeton » au maître de classe 2, lui accordant un accès temporaire au bus. Le comportement déterministe est maintenu car le maître de classe 2 ne peut utiliser que le temps qui lui est alloué via le gap time spécifié. Bien que le fonctionnement mono-maître soit généralement recommandé, il n’est pas obligatoire. C’est-à-dire qu’un système ProfiBus peut avoir plus d’un maître de classe 1, mais la communication de maître à maître n’est pas autorisée, sauf pour l’octroi de droits d’accès au bus via l’échange de jetons.
Pour illustrer l’idée de la communication entre maîtres dans un système ProfiBus DP, un maître de classe 1 échange cycliquement des données avec tous les esclaves qui lui sont affectés, un par un, selon la liste des esclaves qui lui sont affectés, tirée de la fiche maître. A la fin de ce cycle de données, un temps supplémentaire (gap time) est alloué pour permettre une communication acyclique entre un maître de classe 2 et les mêmes esclaves. Pendant ce temps, le maître de la classe 1 transmet un jeton au maître de la classe 2 lui accordant des droits d’accès au bus. Le maître de classe 2 qui détient actuellement le jeton a la possibilité d’échanger des données avec tous les esclaves pendant une période de temps spécifique appelée mi-temps du jeton ou temps de maintien du jeton (TH). Le maître de classe 2 peut alors procéder à la lecture de données ou d’informations de diagnostic à partir de n’importe lequel des esclaves, puis à la fin de son cycle, il repasse le jeton au maître de classe 1.
Puisqu’il n’y a généralement pas assez de temps pendant l’intervalle pour effectuer un échange de données complet, ce processus de récupération de données par le maître de classe 2 peut se poursuivre sur plusieurs cycles. A la fin du transfert d’enregistrement, le maître de classe 2 efface la connexion. Notez cependant que le maître de classe 2 ne peut établir la communication avec les esclaves que pendant le temps d’écart.
Comme indiqué précédemment, il est possible pour un maître de classe 2 de prendre temporairement le contrôle d’un esclave DP. Pendant ce temps, l’esclave DP arrêtera son échange de données normal avec son maître de classe 1. Le maître de classe 1 le reconnaît et demande cycliquement des diagnostics à l’esclave, en vérifiant le champ de l’adresse du maître tant qu’une autre adresse valide est présente. Une fois que le maître de classe 2 a terminé sa communication avec l’esclave, il définit le champ Master Address de l’esclave comme invalide (255). Cela amène le maître de classe 1 à tenter de reprendre le contrôle de l’esclave et il reparamétrera et reconfigurera l’esclave avant de reprendre l’échange de données avec lui.
ProfiBus DP –

• Norme ouverte basée sur la norme EN 50170.
• Norme de bus de terrain la plus rapide à ce jour avec des débits de données allant jusqu’à 12MB.
• Fonctionnement en mode plug &play.
• Plus de 244 octets de données d’entrée/sortie par message.
• Plus de 126 stations peuvent se connecter au bus.
• Plus de 32 stations par segment de bus.

Maître de classe 1 –

• Contrôleur central qui échange des données d’E/S avec les esclaves connectés.
• Détermine la vitesse de transmission (les esclaves détectent automatiquement cette vitesse).
• Gère le transfert de jetons entre maîtres. Détecte un autre maître pendant le temps d’intervalle.

Maître de classe 2 –

• Outil de diagnostic, de configuration ou de démarrage.
• Ne peut contrôler qu’un seul esclave à la fois.
• Ne dispose pas d’un accès en écriture à l’esclave.
• Ne dispose pas d’un fichier GSD.

Esclave –

• Une station passive qui ne peut répondre que par une demande du maître et des messages d’acquittement. Un esclave n’a aucun droit de contrôle du bus.
• Le fichier GSD définit l’esclave pour le maître.

Ceci est un bref aperçu du Profibus-DP. Pour des informations plus détaillées sur la technologie et le protocole Profibus, vous pouvez télécharger ce document complet de 40 pages.
Ce livre blanc a été rédigé et fourni par Acromag. Acromag fabrique une gamme de modules d’E/S qui prennent en charge Profibus DP sur RS485. N’hésitez pas à visiter leur site Web à l’adresse www.acromag.com pour obtenir les dernières informations sur ces produits et d’autres produits Acromag.
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