Bevezetés a Profibus-DP

Summary

A ProfiBust 1989-ben hozta létre a német kormány több automatizálási berendezésgyártóval együttműködve. Kifejezetten nagysebességű soros I/O üzemi és épületautomatizálási alkalmazásokhoz tervezett üzenetküldő formátum. Ez egy nyílt szabvány, és a ma használatban lévő leggyorsabb FieldBusnak ismerik el. Alapja az RS485 és az európai EN50170 elektromos specifikáció. A DP utótag a “decentralizált periféria” kifejezésre utal, amelyet a központi vezérlővel gyors soros adatkapcsolaton keresztül összekapcsolt elosztott I/O eszközök leírására használnak. Ezzel szemben egy programozható logikai vezérlő (PLC) bemeneti/kimeneti csatornái általában központilag vannak elrendezve. A fő vezérlő (master) és annak I/O csatornái (slaves) közötti hálózati busz bevezetésével decentralizáltuk az I/O-t.
AProfiBus egyetemes nemzetközi szabványokon alapul, és az ISO 7498 nemzetközi szabvány szerinti OSI (Open System Interconnection) referenciamodellhez igazodik. Ebben a modellben minden réteg pontosan meghatározott feladatokat lát el. E modell 1. rétege a fizikai réteg, és meghatározza a fizikai átviteli jellemzőket. A 2. réteg az adatkapcsolati réteg, és meghatározza a buszhozzáférési protokollt. A 7. réteg az alkalmazási réteg, és meghatározza az alkalmazási funkciókat. A ProfiBus DP csak a modell 1. & 2. rétegét használja, valamint a felhasználói felületet. A 3-7. rétegek nem használatosak.
A ProfiBus rendszer egy buszmastert használ az RS485 soros buszon multi-drop módon elosztott slave eszközök lekérdezésére. A ProfiBus slave bármely perifériás eszköz (I/O jelátalakító, szelep, hálózati meghajtó vagy más mérőeszköz), amely feldolgozza az információt, és kimenetét elküldi a master-nek. A szolga “passzív állomás” a hálózaton, mivel nem rendelkezik buszhozzáférési jogokkal, és csak a kapott üzeneteket nyugtázhatja, vagy kérésre válaszüzeneteket küldhet a mesternek. Fontos megjegyezni, hogy minden ProfiBus szolga azonos prioritással rendelkezik, és minden hálózati kommunikáció a mestertől származik. Az Acromag I/O modulok intelligens slave eszközöket alkotnak.
Az Acromag modulok a Siemens ipari szabványú SPC3 ASIC-jén keresztül valósítják meg a ProfiBus protokollt. Ez az ASIC úgy viselkedik, mint egy RAM vagy UART chip a belső mikrokontrollerhez, és teljes mértékben kezeli a protokollszabvány követelményeit. Az ASIC a hálózati adatokat a mikrokontrollerre és a mikrokontrollerről továbbítja, és a ProfiBus specifikációnak megfelelően automatikusan választ ad a busznak.

A ProfiBus master egy “aktív állomást” képez a hálózaton. A ProfiBus DP a mesterek két osztályát határozza meg. Az 1. osztályú master kezeli a normál kommunikációt vagy adatcserét a hozzá rendelt slave-ekkel. A 2. osztályú master egy speciális eszköz, amelyet elsősorban a slave-ek üzembe helyezéséhez és diagnosztikai célokra használnak. Egyes mesterek mind az 1., mind a 2. osztályú funkciókat támogathatják. A mesterek közötti kommunikáció általában nem megengedett a Profibusban, kivéve, ha egy token cseréje révén buszhozzáférési jogokat biztosítanak egy másik mesternek. A két monomaster rendszer közötti master-to-master kommunikáció azonban megkönnyíthető egy DP-DP átjáró segítségével. Megjegyzendő, hogy a buszhoz való hozzáférési jogok cseréje ezen a “tokengyűrűn” keresztül csak a buszon lévő mesterek között érvényes.
Az 1. osztályú mestereszköz általában egy központi programozható vezérlő (PLC) vagy egy speciális szoftvert futtató PC. Az 1. osztályú master beállítja a baud-sebességet, és a slave-ek automatikusan érzékelik ezt a sebességet. Az 1. osztályú master kezeli az adatcserét a hozzá rendelt slave-ekkel, és az elosztott slave-ekkel történő I/O információcsere fő vezérlőjeként működik, ciklikusan lekérdezve a felhasználói I/O adatokat egy meghatározott üzenetciklus szerint. A master aktívan kommunikálhat a hozzárendelt slave-ekkel, de csak passzívan (kérésre) egy másik 2. osztályú master eszközzel.
A 2. osztályú master általában egy konfigurációs eszköz, esetleg egy laptop vagy programozó konzol, és üzembe helyezési, karbantartási vagy diagnosztikai célokra szolgál. Úgy viselkedik, mint egy “felügyelő” master, mivel a saját slave-jei mellett aktívan kommunikálhat az 1. osztályú masterekkel és azok slave-jeivel, de általában csak konfiguráció, problémadiagnosztika és adat/paramétercsere céljából. Vagyis a 2. osztályú masterek csak rövid időre vehetik át egy slave irányítását. A 2. osztályú master és az 1. osztályú master közötti minden adatcsere a 2. osztályú masterrel történik.
A ProfiBus DP rendszerint a mester(ek) és a szolga(k) közötti ciklikus adatátvitellel működik egy RS485 hálózaton. Ez azt jelenti, hogy egy hozzárendelt master periodikusan lekérdezi (lekérdezi) a hálózat minden egyes csomópontját (slave). A master és a slave közötti minden adatcsere a master készüléktől származik. Minden slave eszköz egy masterhez van rendelve, és csak ez a master írhat kimeneti adatokat az adott slave-nek. A többi mester bármelyik slave-ről olvashat információt, de csak a saját hozzárendelt slave-jeire írhat kimeneti adatokat.

A mesterek megszólíthatják az egyes slave-eket, a slave-ek meghatározott csoportját (multi-cast), vagy küldhetnek egy táviratot az összes csatlakoztatott slave-nek. A rabszolgák az összes, egyenként nekik címzett táviratra válaszolnak, de nem válaszolnak a mestereszköz által küldött, vagy többszörösen küldött táviratokra. A ProfiBus a Broadcast és Multi-Cast üzeneteket globális vezérlőtáviratként küldi a 127-es címet és egy opcionális csoportszámot használva a rabszolgák célzott csoportjára.
Mivel a ProfiBus ciklikus (periodikus) lekérdezési mechanizmust használ a mesterek és a rabszolgák között, ezért determinisztikus is. Ez azt jelenti, hogy a ProfiBus rendszer viselkedése idővel megbízhatóan megjósolható. Valójában a ProfiBus rendszert úgy tervezték, hogy garantálja a determinisztikus választ. Ezzel szemben a CAN és az Ethernet eseményvezérelt buszrendszerek, és következésképpen nem determinisztikus rendszereket alkotnak.
Az egyetlen slave-ről a master felé továbbítandó I/O-adatok hossza (és időzítése) a slave eszközadatbázisában vagy GSD-fájljában előre meghatározott. A hálózaton keresztül csatlakoztatott minden egyes eszköz (csak a slave-ek és az 1. osztályú masterek) GSD-fájljait egy masterparaméterrekordba állítják össze, amely tartalmazza a paraméterezési és konfigurációs adatokat, a címkiosztási listát és az összes csatlakoztatott állomás buszparamétereit. A mester ezeket az információkat használja fel az indítás során az egyes szolgákkal való kommunikáció beállításához.
Miután a mester megkapja a mesterparaméterrekordot, készen áll arra, hogy megkezdje az adatcserét a szolgáival. Az indítás során, a rendszer visszaállítása után vagy a tápellátás visszakapcsolásakor a master megkísérli helyreállítani a kapcsolatot a hozzá rendelt összes slave-rel, mielőtt megkezdené az I/O adatok ciklikus cseréjét. Minden slave-nek már rendelkeznie kell egy egyedi, 0-125 közötti érvényes címmel ahhoz, hogy kommunikálni tudjon a masterrel. Minden olyan szolga, amelynek alapértelmezett címe 126, a 2. osztályú mester Set_Slave_Address parancsára vár, mielőtt paraméterezhetővé válna. A kommunikáció létrehozására tett kísérlet során a master a legalacsonyabb című slave-rel kezd, és a legmagasabb című slave-rel fejezi be. A mester paraméterezési és konfigurációs táviratokat küld az összes hozzá rendelt slave-nek (egy slave-hez csak a hozzá rendelt mester férhet hozzá írásban, az a mester, amelyik az indításkor paraméterezte és konfigurálta). A paraméterezési és konfigurációs táviratok biztosítják, hogy a slave funkcionalitása és konfigurációja ismert legyen a master számára. Ha a hálózati buszhoz egy további szolga csatlakozik, amely még nem szerepel a mesterrekordban, akkor új mesterrekordot kell létrehozni és új konfigurációt kell végrehajtani, hogy a mester értesüljön az új eszköz állapotáról.

AProfiBus DP leggyakrabban egyetlen 1. osztályú mestereszközt (mono-mester) használ, amely ciklikusan sok elosztott szolgát kérdez le. A ProfiBus azonban lehetővé teszi az aciklikus kommunikációt a 2. osztályú masterek és slave-ek között is, így egynél több aktív állomás vagy master is lehetséges. Az 1. osztályú master automatikusan észleli a hálózati buszra csatlakozó új aktív állomás (2. osztályú master) jelenlétét. Amikor az 1. osztályú mester befejezi a lekérdezési ciklusát, átad egy “tokent” a 2. osztályú mesternek, amely ideiglenes hozzáférést biztosít a buszhoz. A determinisztikus viselkedés megmarad, mivel a 2. osztályú mester csak a számára a megadott résidőn keresztül kiosztott időt használhatja fel. Bár a mono-master működés általában ajánlott, nem kötelező. Ez azt jelenti, hogy egy ProfiBus rendszerben egynél több 1. osztályú mester is lehet, de a mesterek közötti kommunikáció nem megengedett, kivéve a buszhoz való hozzáférési jogok tokencserén keresztüli megadását.
A ProfiBus DP rendszerben a mesterek közötti kommunikáció gondolatának szemléltetésére egy 1. osztályú mester ciklikusan cserél adatokat a hozzá rendelt összes szolgával, egyenként, a mesterrekordból vett rendelt szolgák listája szerint. Ennek az adatciklusnak a végén további idő (résidő) áll rendelkezésre, hogy a 2. osztályú master és ugyanezen slave-ek közötti aciklikus kommunikációt lehetővé tegye. Ez alatt az idő alatt az 1. osztályú mester átadja a 2. osztályú mesternek a buszhoz való hozzáférési jogokat biztosító tokent. A tokent éppen birtokló 2. osztályú mesternek lehetősége van arra, hogy egy meghatározott időn belül, amelyet token-félidőnek vagy token-tartási időnek (TH) nevezünk, az összes szolgával adatot cseréljen. A 2. osztályú master ezután folytathatja az adatok vagy diagnosztikai információk olvasását bármelyik slave-ről, majd a ciklusa végén visszaadja a tokent az 1. osztályú mesternek.
Mivel általában nincs elég idő a rés alatt a teljes adatcserére, ez a 2. osztályú master által végzett adatlekérési folyamat több cikluson keresztül folytatódhat. A rekordátvitel végén a 2. osztályú master törli a kapcsolatot. Megjegyzendő azonban, hogy a 2. osztályú master csak a résidő alatt létesíthet kommunikációt a slave-ekkel.
Amint korábban említettük, lehetséges, hogy egy 2. osztályú master átmenetileg átvegye egy DP slave irányítását. Ez alatt az idő alatt a DP-szolga leállítja a normál adatcserét az 1. osztályú mesterrel. Az 1. osztályú mester ezt felismeri, és ciklikusan diagnosztikát kér a szolgától, ellenőrizve a mestercím mezőt mindaddig, amíg egy másik érvényes cím van jelen. Miután a 2. osztályú mester befejezi a kommunikációt a szolgával, a szolga mestercím mezőjét érvénytelennek (255) állítja be. Ennek hatására az 1. osztályú mester megpróbálja visszaszerezni az irányítást a slave felett, és újraparaméterezi és átkonfigurálja a slave-et, mielőtt folytatná vele az adatcserét.
ProfiBus DP –

• Az EN 50170-en alapuló nyílt szabvány.
• A mai napig a leggyorsabb Fieldbus szabvány, akár 12 MB adatátviteli sebességgel.
• Plug & play működés.
• Üzenetenként legfeljebb 244 bájt bemeneti/kimeneti adat.
• A buszra legfeljebb 126 állomás csatlakozhat.
• Buszszegmensenként legfeljebb 32 állomás.

1. osztályú mester –

• Központi vezérlő, amely I/O-adatokat cserél a csatlakoztatott szolgákkal.
• Meghatározza a baudsebességet (a szolgák automatikusan érzékelik ezt a sebességet).
• A mesterek közötti tokenátvitelt kezeli. Érzékeli a másik mestert a hézagidő alatt.

2. osztályú mester –

• Diagnosztikai, konfigurációs vagy indítási eszköz.
• Egyszerre csak egy szolgát vezérelhet.
• Nincs írási hozzáférése a slave-hez.
• Nincs GSD fájlja.

Slave –

• Passzív állomás, amely csak a master kérésére és visszaigazoló üzenetekre tud válaszolni. A slave nem rendelkezik buszvezérlési jogokkal.
• A GSD fájl definiálja a slave-et a master számára.

Ez a Profibus-DP rövid áttekintése. A Profibus technológiával és protokollal kapcsolatos részletesebb információkért letöltheti ezt a teljes 40 oldalas dokumentumot.
Ezt a fehér könyvet az Acromag írta és bocsátotta rendelkezésre. Az Acromag olyan I/O modulok sorát gyártja, amelyek támogatják a Profibus DP-t RS485-n keresztül. Látogasson el weboldalukra, a www.acromag.com címre, és szerezze be a legfrissebb információkat ezekről és más Acromag-termékekről.
Kattintson ide további információkért