Profibus-DP入門

概要

ProfiBus は、1989 年にドイツ政府によって、いくつかのオートメーション機器メーカーと協力して作成されました。 これは、特にファクトリーオートメーションやビルディングオートメーションアプリケーションにおける高速シリアルI/Oのために設計されたメッセージングフォーマットです。 これはオープンスタンダードで、現在運用されているフィールドバスの中で最も高速なものとして認識されています。 RS485とヨーロッパのEN50170電気仕様がベースになっています。 DPは「Decentralized Periphery（分散型周辺機器）」を意味し、中央制御装置と高速シリアルデータリンクで接続された分散型I/Oデバイスを表現するために使用されます。 これに対し、プログラマブルロジックコントローラ（PLC）は、通常、入出力チャンネルが中央に配置されています。
ProfiBusは世界共通の国際規格に基づき、国際規格ISO7498によるOSI（Open System Interconnection）参照モデルを指向しています。 このモデルでは、各レイヤーは正確に定義されたタスクを処理します。 このモデルのレイヤー1は物理層で、物理的な伝送特性を定義しています。 レイヤー2はデータリンク層で、バスアクセスプロトコルを定義しています。 レイヤ7はアプリケーション層で、アプリケーション機能を定義します。 ProfiBus DP は、このモデルのレイヤ 1 & 2 とユーザインタフェースのみを使用します。 レイヤ 3 からレイヤ 7 は使用しません。
ProfiBus システムは、RS485 シリアルバス上にマルチドロップで配置されたスレーブ機器にバスマ スターがポーリングを行います。 ProfiBus のスレーブは周辺機器(I/O トランスデューサ、バルブ、ネットワークドライブ、その他の計測機器)で、情報を処理し、その出力をマスターに送ります。 スレーブはバスへのアクセス権を持たず、受信したメッセージを確認したり、要求に応じてマスターに応答メッセージを送ることができるため、ネットワーク上で “パッシブステーション “を形成しています。 ProfiBus のスレーブの優先順位はすべて同じであり、ネットワーク通信はすべてマスターから発信されることに注意 してください。
アクロマグのI/Oモジュールは、シーメンスの業界標準のSPC3 ASICを介してProfiBusプロトコルを実装しており、インテリジェントなスレーブ機器を形成します。 このASICは、内部マイクロコントローラに対するRAMまたはUARTチップのように動作し、プロトコル規格の要件を完全に処理します。 ASIC はマイクロコントローラとの間でネットワークデータを転送し、ProfiBus 仕様にしたがって自動的にバスに応答します。
ProfiBus マスターはネットワーク上で “アクティブステーション “を形成します。 ProfiBus DP は 2 種類のマスタを定義しています。 クラス 1 マスターは、割り当てられたスレーブとの通常の通信やデータ交換を行います。 クラス 2 マスターは、スレーブのコミッショニングと診断に使用される特別なデバイスです。 マスターによっては、クラス1とクラス2の両方の機能をサポートするものもあります。 Profibusでは、トークンの交換により他のマスタにバス・アクセス権を与える場合を除き、マスタ間の通信は通常許可されていません。 しかし、DP-DPゲートウェイを使用することにより、モノ・マスター間の通信を容易にすることができます。
クラス1マスター・デバイスは、通常、中央プログラマブル・コントローラ（PLC）または特別なソフトウェアを実行するPCです。 クラス1マスタはボーレートを設定し、スレーブはこのボーレートを自動検出します。 クラス1マスターは、割り当てられたスレーブとのデータ交換を処理し、その分散スレーブとのI/O情報の交換のためのメインコントローラとして動作し、定義されたメッセージサイクルに従って周期的にユーザーI/Oデータを取得します。
クラス2マスターは通常、構成デバイス、おそらくラップトップまたはプログラミング・コンソールであり、試運転、保守、または診断の目的で提供されます。 これは、自身のスレーブに加え、クラス 1 マスターおよびそのスレーブと積極的に通信できる点で「監視」マスターのように機能しますが、通常は構成、問題診断、およびデータ/パラメータ交換の目的でのみ使用されます。 つまり、クラス2マスタはスレーブの制御を一時的に引き継ぐことができるだけです。 クラス2マスタとクラス1マスタの間のすべての交換は、クラス2マスタを起点として行われます。
ProfiBus DPは通常、RS485ネットワーク上のマスターとスレーブの間でデータの周期的な転送を使用して動作します。 すなわち、割り当てられたマスターは、ネットワーク上の各ノード（スレーブ）に定期的に要求（ポーリング）します。 マスターとスレーブ間のデータ通信は、すべてマスターデバイスから発信されます。 各スレーブは1つのマスターに割り当てられ、そのマスターだけがそのスレーブに出力データを書き込むことができます。
マスターは、個々のスレーブ、定義されたスレーブのグループ（マルチキャスト）、または接続されているすべてのスレーブにテレグラムをブロードキャストすることができます。 スレーブは、個別にアドレス指定されたすべてのテレグラムに応答を返しますが、マスター・デバイスからのブロードキャストまたはマルチキャスト・テレグラムには応答しません。 ProfiBus はブロードキャストとマルチキャストメッセージを、アドレス 127 とオプションのグループ番号を使って、グローバル制御電文として送信し、対象となるスレーブのグループを指定します。

ProfiBus はマスターとスレーブの間で周期的なポーリングメカニズムを使用していますので、決定論的でもあります。 つまり、ProfiBus システムの動作は、時間の経過とともに確実に予測することができます。 実際、ProfiBus は決定論的な応答を保証するように設計されています。 これに対して、CAN や Ethernet はイベントドリブンなバスシステムであり、結果的に非決定論的な システムを形成します。
1 つのスレーブからマスターに転送される I/O データの長さ（とタイミング）は、スレーブのデバ イスデータベースまたは GSD ファイルであらかじめ定義されています。 ネットワーク経由で接続された各デバイスのGSDファイル（スレーブとクラス1マスターのみ）は、マスター・パラメータ・レコードにコンパイルされ、パラメータ化および構成データ、アドレス割り当てリスト、すべての接続ステーションのバス・パラメータが含まれます。
マスターは、マスター・パラメータ・レコードを受け取ると、スレーブとのデータ交換を開始できるようになります。 起動時、システムリセット後、または電源投入時、マスターはI/Oデータの周期的な交換を開始する前に、割り当てられたすべてのスレーブとの通信を再確立することを試みます。 各スレーブは、マスターと通信するために、既に0-125のユニークで有効なアドレスを持っている必要があります。 デフォルトのアドレスが126のスレーブは、パラメータ化する前にクラス2マスターからのSet_Slave_Addressコマンドを待ちます。 通信を確立するために、マスターは最も低いアドレスのスレーブから始まり、最も高いアドレスのスレーブで終了します。 マスターは、割り当てられたすべてのスレーブにパラメータ化およびコンフィギュレーション・テレグラムを送信します（スレーブは、割り当てられたマスター（スタートアップ中にパラメータ化およびコンフィギュレーションしたマスター）によってのみ書き込みアクセスが可能です）。 パラメータ化および構成テレグラムは、スレーブの機能と構成をマスターに知らせることを保証します。 ネットワーク・バスにスレーブが追加され、マスター・レコードにまだ記録されていない場合、新しいマスター・レコードを生成し、マスターに新しいデバイスの状態を通知するために新しいコンフィギュレーションを実行する必要があります。 しかし、ProfiBus はクラス 2 のマスターとスレーブ間の非周期的な通信も可能で、複数のアクティブなステーションまたはマスターを作ることができます。 クラス 1 マスターは、ネットワークバスに接続された新しいアクティブステーション(クラス 2 マスター)の存在を自動的に検出します。 クラス1マスターがポーリングサイクルを完了すると、クラス2マスターに「トークン」を渡し、バスへの一時的なアクセスを許可します。 クラス2マスタは、指定されたギャップタイムによって割り当てられた時間のみを使用できるため、決定論的な動作が維持されます。 一般に、モノ・マスター動作が推奨されていますが、必須ではありません。 ProfiBus DP システムでは、複数のクラス 1 マスターを持つことができますが、トークン交換によるバスアクセス権の付与を除いて、マスター間の通信は許可されていません。
ProfiBus DP システムでのマスター間の通信を説明すると、クラス 1 マスターはマスターレコードから得た割り当てスレーブリストに従って、割り当てられたすべてのスレーブと一度にデータを交換するサイクルを行います。 このデータサイクルの最後に、クラス 2 マスターと同じスレーブの間で非周期的な通信を行うための追加時間（ギャップタイム）が割り当てられます。 この間、クラス1マスタはクラス2マスタにバスアクセス権を付与するトークンを渡します。 トークンを保持するクラス2マスタは，トークンハーフタイムまたはトークンホールドタイム（TH）と呼ばれる特定の時間内に，すべてのスレーブとデータを交換する機会がある。 クラス2マスタは、その後、スレーブのいずれかからデータまたは診断情報の読み取りに進み、そのサイクルの完了時に、クラス1マスタにトークンを返します。
通常、ギャップ中に完全なデータ交換を完了するには十分な時間がないため、クラス2マスタによるデータ検索プロセスは、数サイクルに渡って継続することができます。 レコード転送が終了すると，クラス2マスタはコネクションをクリアします。
先に述べたように、クラス2マスターはDPスレーブの制御を一時的に引き継ぐことが可能です。 この間、DPスレーブはクラス1マスターとの通常のデータ交換を停止します。 クラス1マスターはこのことを認識し、スレーブに対して周期的に診断を要求し、他の有効なアドレスが存在する限り、マスター・アドレス・フィールドをチェックします。 クラス2マスタは、スレーブとの通信を終了した後、スレーブのマスタアドレスフィールドを無効（255）に設定します。
ProfiBus DP –

• EN 50170に基づくオープン規格。
• 最大12MBまでのデータレートを持つ現在最も高速なフィールドバス規格。
• 1メッセージあたり最大244バイトの入出力データ。
• バスセグメントあたり最大32のステーションに接続可能。

クラス1マスター –

• 接続されたスレーブとI/Oデータを交換する中央コントローラです。
• マスター間のトークン転送を管理します。ギャップタイム中に別のマスターを検出します。
• スレーブへの書き込みアクセスはできません。
• GSDファイルを持ちません。

スレーブ –

• マスター要求と確認メッセージに対してのみ応答可能なパッシブステーションです。

以上、Profibus-DPについて簡単に説明しました。 Profibus技術およびプロトコルに関するより詳細な情報については、この40ページのホワイト・ペーパーをダウンロードしてください。 Acromagは、RS485上のProfibus DPをサポートするI/Oモジュールを製造しています。
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