Introduzione a Profibus-DP

Summary

ProfiBus è stato creato nel 1989 dal governo tedesco in collaborazione con diversi produttori di apparecchiature di automazione. È un formato di messaggistica specificamente progettato per I/O seriali ad alta velocità in applicazioni di fabbrica e di automazione degli edifici. È uno standard aperto ed è riconosciuto come il più veloce FieldBus in funzione oggi. Si basa su RS485 e sulla specifica elettrica europea EN50170. Il suffisso DP si riferisce a “Periferia decentralizzata”, che è usato per descrivere dispositivi I/O distribuiti collegati tramite un collegamento dati seriale veloce con un controller centrale. Al contrario, un controllore logico programmabile (PLC) ha normalmente i suoi canali di ingresso/uscita disposti centralmente. Introducendo un bus di rete tra il controllore principale (master) e i suoi canali I/O (slave), abbiamo decentralizzato l’I/O.
ProfiBus è basato su standard internazionali universali e orientato al modello di riferimento OSI (Open System Interconnection) per lo standard internazionale ISO 7498. In questo modello, ogni strato gestisce compiti definiti con precisione. Il livello 1 di questo modello è il livello fisico e definisce le caratteristiche fisiche di trasmissione. Il livello 2 è il livello di collegamento dati e definisce il protocollo di accesso al bus. Il livello 7 è il livello dell’applicazione e definisce le funzioni dell’applicazione. ProfiBus DP usa solo i livelli 1 & 2 di questo modello, più l’interfaccia utente. I livelli da 3 a 7 non sono utilizzati.
Un sistema ProfiBus usa un bus master per interrogare i dispositivi slave distribuiti in modo multi-drop su un bus seriale RS485. Uno slave ProfiBus è un qualsiasi dispositivo periferico (trasduttore I/O, valvola, azionamento di rete o altro dispositivo di misurazione) che elabora informazioni e invia la sua uscita al master. Lo slave forma una “stazione passiva” sulla rete poiché non ha diritti di accesso al bus e può solo confermare i messaggi ricevuti o inviare messaggi di risposta al master su richiesta. È importante notare che tutti gli slave ProfiBus hanno la stessa priorità, e tutte le comunicazioni di rete provengono dal master. I moduli I/O Acromag formano dispositivi slave intelligenti.

I moduli Acromag implementano il protocollo ProfiBus tramite un ASIC SPC3 standard industriale di Siemens. Questo ASIC agisce come un chip RAM o UART al microcontrollore interno e gestisce completamente i requisiti del protocollo standard. L’ASIC trasferirà i dati di rete da e verso il microcontrollore e fornirà automaticamente la risposta al bus secondo la specifica ProfiBus.
Un master ProfiBus forma una “stazione attiva” sulla rete. ProfiBus DP definisce due classi di master. Un master di classe 1 gestisce la normale comunicazione o lo scambio di dati con gli slave ad esso assegnati. Un master di classe 2 è un dispositivo speciale utilizzato principalmente per la messa in funzione degli slave e per scopi diagnostici. Alcuni master possono supportare entrambe le funzionalità di classe 1 e classe 2. La comunicazione da master a master non è normalmente consentita in Profibus, tranne che per concedere diritti di accesso al bus a un altro master tramite lo scambio di un token. Tuttavia, la comunicazione master-to-master tra due sistemi mono-master può essere facilitata utilizzando un gateway DP-DP. Si noti che lo scambio di diritti di accesso al bus tramite questo “token ring” si applica solo tra master sul bus.
Un dispositivo master di classe 1 è normalmente un controllore centrale programmabile (PLC), o un PC con un software speciale. Il master di classe 1 imposta il baud rate e gli slave lo rilevano automaticamente. Il master di classe 1 gestisce lo scambio di dati con gli slave ad esso assegnati, e agisce come il controllore principale per lo scambio di informazioni I/O con i suoi slave distribuiti, recuperando ciclicamente i dati I/O dell’utente secondo un ciclo di messaggi definito. Un master può comunicare attivamente con i suoi slave assegnati, ma solo passivamente (su richiesta) con un altro dispositivo master di classe 2.
Il master di classe 2 è di solito un dispositivo di configurazione, forse un computer portatile o una console di programmazione, ed è fornito per scopi di messa in servizio, manutenzione o diagnostica. Si comporta come un master “supervisore” in quanto può comunicare attivamente con i master di classe 1 e i loro slave, oltre ai propri slave, ma di solito solo allo scopo di configurazione, diagnosi dei problemi e scambio di dati/parametri. Cioè, i master di classe 2 possono assumere solo brevemente il controllo di uno slave. Tutti gli scambi tra un master di classe 2 e un master di classe 1 hanno origine dal master di classe 2.
ProfiBus DP funziona normalmente con un trasferimento ciclico di dati tra master e slave su una rete RS485. Cioè, un master assegnato richiede periodicamente (polls) ogni nodo (slave) sulla rete. Tutti gli scambi di comunicazione dati tra un master e uno slave hanno origine dal dispositivo master. Ogni dispositivo slave è assegnato a un master e solo quel master può scrivere dati in uscita a quello slave. Gli altri master possono leggere informazioni da qualsiasi slave, ma possono solo scrivere dati in uscita ai propri slave assegnati.

I master possono indirizzare singoli slave, un gruppo definito di slave (multi-cast), o possono trasmettere un telegramma a tutti gli slave collegati. Gli slave restituiranno una risposta a tutti i telegrammi indirizzati a loro individualmente, ma non rispondono ai telegrammi broadcast o multi-cast da un dispositivo master. ProfiBus invia messaggi Broadcast e Multi-Cast come telegrammi di controllo globale utilizzando l’indirizzo 127 e un numero di gruppo opzionale per un gruppo mirato di slave.
Perché ProfiBus utilizza un meccanismo di polling ciclico (periodico) tra master e slave, è anche deterministico. Cioè, il comportamento di un sistema ProfiBus può essere previsto in modo affidabile nel tempo. Infatti, ProfiBus è stato progettato per garantire una risposta deterministica. Al contrario, CAN ed Ethernet sono sistemi bus guidati dagli eventi e di conseguenza formano sistemi non deterministici.
La lunghezza (e la tempistica) dei dati I/O da trasferire da un singolo slave a un master è predefinita nel file GSD o device data base dello slave. I file GSD di ogni dispositivo collegato tramite la rete (solo slave e master di classe 1) sono compilati in un record di parametrizzazione del master che contiene dati di parametrizzazione e configurazione, un elenco di assegnazione degli indirizzi e i parametri del bus per tutte le stazioni collegate. Un master usa queste informazioni per impostare la comunicazione con ogni slave durante l’avvio.
Dopo che un master riceve il suo record di parametri master, è pronto per iniziare lo scambio di dati con i suoi slave. Durante l’avvio, dopo un reset del sistema, o al ritorno all’alimentazione, un master tenterà di ristabilire il contatto con tutti gli slave ad esso assegnati prima di assumere lo scambio ciclico di dati I/O. Ogni slave deve già avere un indirizzo unico valido da 0-125 per poter comunicare con il master. Qualsiasi slave che ha un indirizzo predefinito di 126 attenderà il comando Set_Slave_Address da un master di classe 2 prima di poter essere parametrizzato. Nel tentativo di stabilire la comunicazione, il master inizia con lo slave con l’indirizzo più basso e finisce con lo slave con l’indirizzo più alto. Un master invierà telegrammi di parametrizzazione e configurazione a tutti i suoi slave assegnati (uno slave può essere accessibile in scrittura solo dal suo master assegnato, il master che lo ha parametrizzato e configurato all’avvio). I telegrammi di parametrizzazione e di configurazione assicurano che la funzionalità e la configurazione di uno slave siano note al master. Se uno slave aggiuntivo viene aggiunto al bus di rete e non è già considerato nel record del master, un nuovo record del master deve essere generato e una nuova configurazione eseguita in modo che il master sia informato dello stato del nuovo dispositivo.

ProfiBus DP utilizza più spesso un singolo dispositivo master di classe 1 (mono-master), interrogando ciclicamente molti slave distribuiti. Tuttavia, ProfiBus permette anche la comunicazione aciclica tra master di classe 2 e slave, rendendo possibile più di una stazione attiva o master. Un master di classe 1 rileverà automaticamente la presenza di una nuova stazione attiva collegata al bus di rete (un master di classe 2). Quando il master di classe 1 completa il suo ciclo di polling, passerà un “token” al master di classe 2 garantendogli un accesso temporaneo al bus. Il comportamento deterministico è mantenuto perché il master di classe 2 può utilizzare solo il tempo che gli è stato assegnato attraverso il gap time specificato. Anche se il funzionamento mono-master è generalmente raccomandato, non è obbligatorio. Cioè, un sistema ProfiBus può avere più di un master di classe 1, ma la comunicazione da master a master non è consentita, tranne che per la concessione dei diritti di accesso al bus tramite lo scambio di token.
Per illustrare l’idea di comunicazione tra master in un sistema ProfiBus DP, un master di classe 1 scambia ciclicamente dati con tutti gli slave ad esso assegnati, uno alla volta, secondo la sua lista di slave assegnati presa dal master record. Alla fine di questo ciclo di dati, viene assegnato un tempo supplementare (gap time) per fornire una comunicazione aciclica tra un master di classe 2 e gli stessi slave. Durante questo tempo, il master di classe 1 passerà un token al master di classe 2 concedendogli i diritti di accesso al bus. Il master di classe 2 che attualmente detiene il token ha l’opportunità di scambiare dati con tutti gli slave entro un determinato periodo di tempo chiamato “token half-time” o “token hold-time” (TH). Il master di classe 2 può quindi procedere a leggere dati o informazioni diagnostiche da uno qualsiasi degli slave, e poi al completamento del suo ciclo, passerà il token di nuovo al master di classe 1.
Siccome di solito non c’è abbastanza tempo durante il gap per completare uno scambio di dati completo, questo processo di recupero dati da parte del master di classe 2 può continuare per diversi cicli. Alla fine del trasferimento dei record, il master di classe 2 cancellerà la connessione. Si noti tuttavia che il master di classe 2 può stabilire la comunicazione con gli slave solo durante il tempo di interruzione.
Come detto in precedenza, è possibile per un master di classe 2 prendere temporaneamente il controllo di uno slave DP. Durante questo tempo, lo slave DP interrompe il suo normale scambio di dati con il suo master di classe 1. Il master di classe 1 riconosce questo fatto e procederà a richiedere ciclicamente la diagnostica allo slave, controllando il campo Master Address fino a quando è presente un altro indirizzo valido. Dopo che il master di classe 2 termina la sua comunicazione con lo slave, imposta il campo Master Address dello slave su non valido (255). Questo fa sì che il master di classe 1 tenti di riprendere il controllo dello slave e riparametrizzi e riconfiguri lo slave prima di riprendere lo scambio di dati con esso.
ProfiBus DP –

• Standard aperto basato su EN 50170.
• Lo standard Fieldbus più veloce ad oggi con velocità di dati fino a 12MB.
• Plug & funzionamento play.
• Fino a 244 byte di dati di ingresso/uscita per messaggio.
• Fino a 126 stazioni possono collegarsi al bus.
• Fino a 32 stazioni per segmento di bus.

Classe 1 Master –

• Controllore centrale che scambia dati I/O con gli slave collegati.
• Determina il baud rate (gli slave rilevano automaticamente questo rate).
• Gestisce il trasferimento di token tra master. Rileva un altro master durante il gap time.

Class 2 Master –

• Strumento di diagnostica, configurazione o startup.
• Può controllare solo uno slave alla volta.
• Non ha accesso in scrittura allo slave.
• Non ha un file GSD.

Slave –

• Una stazione passiva che può solo rispondere ad una richiesta del master e confermare i messaggi. Uno slave non ha diritti di controllo del bus.
• Il file GSD definisce lo slave per il master.

Questa è una breve panoramica del Profibus-DP. Per informazioni più dettagliate sulla tecnologia e il protocollo Profibus si può scaricare questo documento completo di 40 pagine.
Questo libro bianco è stato scritto e fornito da Acromag. Acromag produce una linea di moduli I/O che supportano Profibus DP su RS485. Sentitevi liberi di visitare il loro sito web all’indirizzo www.acromag.com per ottenere le ultime informazioni su questi e altri prodotti Acromag.
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