Introduktion til Profibus-DP

Summary

ProfiBus blev oprettet i 1989 af den tyske regering i samarbejde med flere producenter af automatiseringsudstyr. Det er et beskedformat, der er specielt udviklet til seriel I/O med høj hastighed i fabriks- og bygningsautomatiseringsapplikationer. Det er en åben standard og er anerkendt som den hurtigste FieldBus, der er i drift i dag. Den er baseret på RS485 og den europæiske EN50170 Electrical Specification. DP-suffikset henviser til “Decentralized Periphery”, som bruges til at beskrive distribuerede I/O-enheder, der er forbundet via en hurtig seriel dataforbindelse med en central controller. I modsætning hertil har en PLC (programmable logic controller) normalt sine input/output-kanaler placeret centralt. Ved at indføre en netværksbus mellem hovedcontrolleren (master) og dens I/O-kanaler (slaver) har vi decentraliseret I/O.
ProfiBus er baseret på universelle internationale standarder og er orienteret mod OSI-referencemodellen (Open System Interconnection) i henhold til den internationale standard ISO 7498. I denne model varetager hvert lag præcist definerede opgaver. Lag 1 i denne model er det fysiske lag og definerer de fysiske transmissionskarakteristika. Lag 2 er dataforbindelseslaget og definerer busadgangsprotokollen. Lag 7 er applikationslaget og definerer applikationsfunktionerne. ProfiBus DP anvender kun lag 1 & 2 i denne model samt brugergrænsefladen. Lag 3 til 7 anvendes ikke.
Et ProfiBus-system anvender en busmaster til at spørge slaveenheder, der er fordelt på en multi-drop måde på en RS485 seriel bus. En ProfiBus-slave er enhver periferienhed (I/O-transducer, ventil, netværksdrev eller anden måleenhed), som behandler information og sender sit output til masteren. Slaven udgør en “passiv station” på netværket, da den ikke har adgangsrettigheder til bussen og kun kan kvittere for modtagne meddelelser eller sende svarmeddelelser til masteren efter anmodning. Det er vigtigt at bemærke, at alle ProfiBus-slaves har den samme prioritet, og at al netværkskommunikation stammer fra masteren. Acromag I/O-moduler udgør intelligente slaveenheder.
Acromag-moduler implementerer ProfiBus-protokollen via en industristandard SPC3 ASIC fra Siemens. Denne ASIC fungerer som en RAM- eller UART-chip til den interne mikrocontroller og håndterer fuldstændigt kravene i protokolstandarden. ASIC’en overfører netværksdata til og fra mikrocontrolleren og giver automatisk svar til bussen i overensstemmelse med ProfiBus-specifikationen.

En ProfiBus-master udgør en “aktiv station” på netværket. ProfiBus DP definerer to klasser af mastere. En master i klasse 1 håndterer den normale kommunikation eller udveksling af data med de slaver, der er tildelt den. En master i klasse 2 er en særlig enhed, der primært anvendes til idriftsættelse af slaver og til diagnoseformål. Nogle mastere kan understøtte både klasse 1- og klasse 2-funktioner. Master-til-master-kommunikation er normalt ikke tilladt i Profibus, undtagen for at give en anden master adgangsrettigheder til bussen via udveksling af et token. Master-to-master-kommunikation mellem to mono-mastersystemer kan dog lettes ved hjælp af en DP-DP-gateway. Bemærk, at udvekslingen af busadgangsrettigheder via denne “tokenring” kun gælder mellem mastere på bussen.
En klasse 1-master-enhed er normalt en central programmerbar styring (PLC) eller en pc, der kører en særlig software. Klasse 1-masteren indstiller baudfrekvensen, og slaveenhederne registrerer automatisk denne hastighed. Klasse 1-masteren håndterer dataudvekslingen med de slaver, der er tildelt den, og fungerer som hovedcontroller for udveksling af I/O-informationer med sine distribuerede slaver, idet den cyklisk henter bruger I/O-data i henhold til en defineret meddelelsescyklus. En master kan kommunikere aktivt med de tildelte slaver, men kun passivt (efter anmodning) med en anden klasse 2-master-enhed.
Klasse 2-masteren er normalt en konfigurationsenhed, måske en bærbar computer eller programmeringskonsol, og er beregnet til idriftsættelse, vedligeholdelse eller diagnostiske formål. Den fungerer som en “overvågningsmaster”, idet den aktivt kan kommunikere med klasse 1-mastere og deres slaver ud over sine egne slaver, men normalt kun med henblik på konfiguration, problemdiagnose og udveksling af data/parametre. Det vil sige, at klasse 2-mastere kun kortvarigt kan overtage kontrollen med en slave. Alle udvekslinger mellem en klasse 2-master og en klasse 1-master foregår med udgangspunkt i klasse 2-masteren.
ProfiBus DP fungerer normalt ved hjælp af en cyklisk overførsel af data mellem master(s) og slave(s) på et RS485-netværk. Det vil sige, at en tildelt master med jævne mellemrum anmoder (polls) hver enkelt knude (slave) på netværket. Alle datakommunikationsudvekslinger mellem en master og en slave stammer fra master-enheden. Hver slaveenhed er tilknyttet én master, og kun denne master kan skrive outputdata til den pågældende slave. Andre mastere kan læse oplysninger fra enhver slave, men kan kun skrive outputdata til deres egne tildelte slaver.

Mastere kan adressere individuelle slaver, en defineret gruppe af slaver (multi-cast) eller kan udsende et telegram til alle tilsluttede slaver. Slaver returnerer et svar på alle telegrammer, der er adresseret til dem individuelt, men reagerer ikke på broadcast- eller multi-cast-telegrammer fra en master-enhed. ProfiBus sender Broadcast- og Multi-Cast-meddelelser som globale kontroltelegrammer ved hjælp af adresse 127 og et valgfrit gruppenummer for en målrettet gruppe af slaver.
Da ProfiBus anvender en cyklisk (periodisk) polling-mekanisme mellem mastere og slaver, er den også deterministisk. Det vil sige, at et ProfiBus-systems adfærd kan forudsiges pålideligt over tid. ProfiBus er faktisk designet til at garantere et deterministisk svar. I modsætning hertil er CAN og Ethernet begivenhedsstyrede bussystemer og udgør derfor ikke-deterministiske systemer.
Længden (og timingen) af de I/O-data, der skal overføres fra en enkelt slave til en master, er foruddefineret i slavens enhedsdatabase eller GSD-fil. GSD-filerne for hver enhed, der er tilsluttet via nettet (kun slaver og klasse 1-mastere), kompileres til en master-parameterpost, som indeholder parameter- og konfigurationsdata, en adressetildelingsliste og busparametrene for alle tilsluttede stationer. En master bruger disse oplysninger til at oprette kommunikation med hver slave under opstart.
Når en master har modtaget sin masterparameterpost, er den klar til at begynde at udveksle data med sine slaver. Under opstart, efter en systemreset eller ved tilbagevenden til strømmen vil en master forsøge at genetablere kontakten med alle de slaver, der er tildelt den, før den påtager sig den cykliske udveksling af I/O-data. Hver slave skal allerede have en unik gyldig adresse fra 0-125 for at kunne kommunikere med masteren. Enhver slave, der har en standardadresse på 126, vil afvente kommandoen Set_Slave_Address fra en klasse 2-master, før den kan parametreres. I forsøget på at etablere kommunikation starter masteren med den slave med den laveste adresse og slutter med den slave med den højeste adresse. En master sender parametrerings- og konfigurationstelegrammer til alle de tildelte slaver (en slave kan kun skrives af den tildelte master, dvs. den master, der har parametreret og konfigureret den under opstart). Parametrerings- og konfigurationstelegrammerne sikrer, at en slaves funktionalitet og konfiguration er kendt af masteren. Hvis der tilføjes en ekstra slave til netværksbussen, som ikke allerede er registreret i masterregistreringen, skal der genereres en ny masterregistrering og udføres en ny konfiguration, så masteren er informeret om den nye enheds status.

ProfiBus DP anvender oftest en enkelt klasse 1-masterenhed (mono-master), som cyklisk poller mange distribuerede slaver. ProfiBus giver dog også mulighed for acyklisk kommunikation mellem klasse 2-mastere og slaver, hvilket gør mere end én aktiv station eller master mulig. En klasse 1-master vil automatisk registrere tilstedeværelsen af en ny aktiv station, der er tilsluttet netværksbussen (en klasse 2-master). Når klasse 1-masteren afslutter sin afstemningscyklus, sender den en “token” til klasse 2-masteren, som giver den midlertidig adgang til bussen. Der opretholdes en deterministisk adfærd, fordi klasse 2-masteren kun kan bruge den tid, der er tildelt den via den angivne mellemrumstid. Selv om mono-master-drift generelt anbefales, er det ikke obligatorisk. Det vil sige, at et ProfiBus-system kan have mere end én klasse 1-master, men master til master-kommunikation er ikke tilladt, bortset fra tildeling af busadgangsrettigheder via tokenudveksling.
For at illustrere ideen om kommunikation mellem mastere i et ProfiBus DP-system udveksler en klasse 1-master cyklisk data med alle de slaver, der er tildelt den, én ad gangen, i henhold til listen over tildelte slaver, som er hentet fra masterregistret. Ved afslutningen af denne datacyklus er der afsat yderligere tid (gap-tid) til acyklisk kommunikation mellem en klasse 2-master og de samme slaver. I løbet af denne tid sender klasse 1-masteren en token til klasse 2-masteren, som giver den adgangsrettigheder til bussen. Den klasse 2-master, som i øjeblikket har tokenet, har mulighed for at udveksle data med alle slaverne inden for en bestemt tidsperiode, der kaldes tokenhalvtiden eller tokenholdtiden (TH). Klasse 2-masteren kan derefter fortsætte med at læse data eller diagnostiske oplysninger fra en hvilken som helst af slaverne, og ved afslutningen af sin cyklus giver den derefter tokenet tilbage til klasse 1-masteren.
Da der normalt ikke er tid nok i løbet af hullet til at gennemføre en fuld dataudveksling, kan denne proces med datahentning fra klasse 2-masteren fortsætte over flere cyklusser. Ved afslutningen af recordoverførslen rydder klasse 2-masteren forbindelsen. Bemærk dog, at klasse 2-masteren kun kan etablere kommunikation med slaverne i løbet af gap-tiden.
Som tidligere nævnt er det muligt for en klasse 2-master midlertidigt at overtage kontrollen med en DP-slave. I denne periode vil DP-slaven stoppe sin normale dataudveksling med sin klasse 1-master. Klasse 1-masteren genkender dette og vil fortsætte med cyklisk at anmode om diagnostik fra slaven og kontrollere Master Address-feltet, så længe en anden gyldig adresse er til stede. Når klasse 2-masteren har afsluttet sin kommunikation med slaven, sætter den slavens Master Address-felt til ugyldig (255). Dette får klasse 1-masteren til at forsøge at genvinde kontrollen med slaven, og den vil omparametrere og omkonfigurere slaven, før den genoptager dataudvekslingen med den.
ProfiBus DP –

• Open standard baseret på EN 50170.
• Hurtigste feltbusstandard til dato med datahastigheder på op til 12 MB.
• Plug & play-operation.
• Op til 244 bytes input/output-data pr. meddelelse.
• Op til 126 stationer kan tilsluttes til bussen.
• Op til 32 stationer pr. bussegment.

Klasse 1 Master –

• Central controller, der udveksler I/O-data med tilsluttede slaver.
• Bestemmer baudfrekvensen (slaverne registrerer automatisk denne frekvens).
• Styrer tokenoverførslen mellem mastere. Registrerer en anden master i mellemrumstiden.

Klasse 2 Master –

• Diagnose-, konfigurations- eller opstartsværktøj.
• Kan kun styre én slave ad gangen.
• Har ikke skriveadgang til slaven.
• Har ikke en GSD-fil.

Slave –

• En passiv station, der kun kan svare per en masterforespørgsel og kvittere for meddelelser. En slave har ingen busstyringsrettigheder.
• GSD-filen definerer slaven for masteren.

Dette er en kort oversigt over Profibus-DP. For mere detaljerede oplysninger om Profibus-teknologien og -protokollen kan du downloade dette komplette 40-siders dokument.
Dette white paper er skrevet og leveret af Acromag. Acromag fremstiller en serie af I/O-moduler, der understøtter Profibus DP over RS485. Du er velkommen til at besøge deres websted på www.acromag.com for at få de seneste oplysninger om disse og andre Acromag-produkter.
Klik her for flere oplysninger