Inleiding tot Profibus-DP

Samenvatting

ProfiBus is in 1989 ontwikkeld door de Duitse overheid in samenwerking met diverse fabrikanten van automatiseringsapparatuur. Het is een berichtenformaat dat speciaal is ontworpen voor snelle seriële I/O in fabrieks- en gebouwautomatiseringstoepassingen. Het is een open standaard en wordt erkend als de snelste FieldBus die momenteel in gebruik is. Het is gebaseerd op RS485 en de Europese EN50170 elektrische specificatie. Het DP-suffix verwijst naar “Decentrale Periferie”, dat wordt gebruikt om gedistribueerde I/O-apparaten aan te duiden die via een snelle seriële dataverbinding zijn verbonden met een centrale controller. Bij een programmeerbare logische controller (PLC) daarentegen zijn de in-/uitgangskanalen gewoonlijk centraal gegroepeerd. Door een netwerkbus te introduceren tussen de hoofdcontroller (master) en zijn I/O-kanalen (slaves), hebben we de I/O gedecentraliseerd.
ProfiBus is gebaseerd op universele internationale normen en georiënteerd op het OSI-referentiemodel (Open System Interconnection) volgens de internationale norm ISO 7498. In dit model voert elke laag nauwkeurig gedefinieerde taken uit. Laag 1 van dit model is de fysieke laag en definieert de fysieke transmissiekarakteristieken. Laag 2 is de datalink-laag en definieert het bus-toegangsprotocol. Laag 7 is de toepassingslaag en definieert de toepassingsfuncties. ProfiBus DP gebruikt alleen laag 1 & 2 van dit model, plus de gebruikersinterface. Lagen 3 tot 7 worden niet gebruikt.
Een ProfiBus-systeem maakt gebruik van een busmaster om slave-apparaten te ondervragen die in multi-drop mode zijn verdeeld over een RS485 seriële bus. Een ProfiBus slave is een perifeer apparaat (I/O transducer, klep, netwerk drive, of ander meetapparaat) dat informatie verwerkt en zijn output naar de master stuurt. De slave vormt een “passief station” op het netwerk, aangezien het geen bus-toegangsrechten heeft, en alleen ontvangen berichten kan bevestigen, of op verzoek antwoordberichten naar de master kan sturen. Het is belangrijk op te merken dat alle ProfiBus slaves dezelfde prioriteit hebben, en dat alle netwerkcommunicatie afkomstig is van de master. Acromag I/O modules vormen intelligente slave apparaten.

Acromag modules implementeren het ProfiBus protocol via een industrie-standaard SPC3 ASIC van Siemens. Deze ASIC fungeert als een RAM of UART chip naar de interne microcontroller en voldoet volledig aan de eisen van de protocol standaard. De ASIC zal netwerkgegevens van en naar de microcontroller overbrengen en automatisch de reactie op de bus verzorgen volgens de ProfiBus specificatie.
Een ProfiBus master vormt een “actief station” op het netwerk. ProfiBus DP definieert twee klassen van masters. Een klasse 1 master verzorgt de normale communicatie of gegevensuitwisseling met de aan hem toegewezen slaves. Een klasse 2-master is een speciaal apparaat dat vooral wordt gebruikt voor de inbedrijfstelling van slaves en voor diagnosedoeleinden. Sommige masters kunnen zowel klasse 1- als klasse 2-functionaliteit ondersteunen. Master-to-master communicatie is in Profibus normaliter niet toegestaan, behalve om een andere master via de uitwisseling van een token bus-toegangsrechten te verlenen. Echter, master-to-master communicatie tussen twee mono-master systemen kan worden gefaciliteerd met behulp van een DP-DP gateway. Merk op dat de uitwisseling van bus-toegangsrechten via deze “token ring” alleen geldt tussen masters op de bus.
Een klasse 1-master is gewoonlijk een centrale programmeerbare besturing (PLC), of een PC met speciale software. De klasse 1 master stelt de baud-rate in en de slave’s detecteren automatisch deze rate. De klasse 1 master zorgt voor de gegevensuitwisseling met de aan hem toegewezen slaves, en fungeert als hoofdbesturing voor de uitwisseling van I/O-informatie met zijn gedistribueerde slaves, waarbij hij cyclisch I/O-gegevens van gebruikers ophaalt volgens een gedefinieerde berichtencyclus. Een master kan actief communiceren met de aan hem toegewezen slaves, maar alleen passief (op verzoek) met een ander klasse 2 master apparaat.
De klasse 2 master is gewoonlijk een configuratie apparaat, misschien een laptop of programmeerconsole, en is bedoeld voor inbedrijfstelling, onderhoud, of diagnostische doeleinden. Hij werkt als een “toezichthoudende” master in die zin dat hij actief kan communiceren met klasse 1 masters en hun slaves, naast zijn eigen slaves, maar gewoonlijk alleen voor configuratie, probleemdiagnose, en gegevens/parameter uitwisseling. Dat wil zeggen, klasse 2 masters mogen slechts kortstondig de controle over een slave overnemen. Alle uitwisselingen tussen een klasse 2 master en klasse 1 master vinden hun oorsprong bij de klasse 2 master.

ProfiBus DP werkt normaal gesproken met een cyclische overdracht van gegevens tussen master(s) en slave(s) op een RS485-netwerk. Dat wil zeggen, een toegewezen master verzoekt (polls) periodiek elk knooppunt (slave) op het netwerk. Alle datacommunicatie-uitwisselingen tussen een master en een slave zijn afkomstig van het master-apparaat. Elk slave-apparaat wordt toegewezen aan één master en alleen die master mag uitgangsgegevens naar die slave schrijven. Andere masters mogen informatie lezen van elke slave, maar mogen alleen output data schrijven naar hun eigen toegewezen slaves.
Masters kunnen individuele slaves aanspreken, een gedefinieerde groep van slaves (multi-cast), of kunnen een telegram uitzenden naar alle aangesloten slaves. Slaves zullen een antwoord terugsturen op alle telegrammen die individueel aan hen geadresseerd zijn, maar reageren niet op broadcast of multi-cast telegrammen van een master apparaat. ProfiBus verstuurt Broadcast- en Multi-Cast-berichten als globale stuur-telegrammen met adres 127 en een optioneel groepsnummer voor een gerichte groep slaves.
Omdat ProfiBus een cyclisch (periodiek) polling-mechanisme tussen masters en slaves gebruikt, is het ook deterministisch. Dat wil zeggen dat het gedrag van een ProfiBus systeem betrouwbaar kan worden voorspeld in de tijd. In feite is ProfiBus ontworpen om een deterministische respons te garanderen. CAN en Ethernet daarentegen zijn event-driven bussystemen en vormen derhalve niet-deterministische systemen.
De lengte (en timing) van de I/O data die van een enkele slave naar een master moet worden overgedragen is vooraf gedefinieerd in de device data base of GSD file van de slave. De GSD-bestanden van elk via het netwerk aangesloten apparaat (alleen slaves en masters van klasse 1) worden samengevoegd tot een master-parameterrecord dat parameter- en configuratiegegevens, een adrestoewijzingslijst en de busparameters voor alle aangesloten stations bevat. Een master gebruikt deze informatie om tijdens het opstarten de communicatie met elke slave op te zetten.
Nadat een master zijn masterparameterrecord heeft ontvangen, is hij klaar om te beginnen met het uitwisselen van gegevens met zijn slaves. Tijdens het opstarten, na een systeemreset of bij terugkeer naar de netspanning zal een master proberen opnieuw contact te leggen met alle aan hem toegewezen slaves alvorens over te gaan tot de cyclische uitwisseling van I/O-data. Elke slave moet al een uniek geldig adres hebben van 0-125 om te kunnen communiceren met de master. Elke slave die een standaard adres van 126 heeft zal wachten op het Set_Slave_Address commando van een klasse 2 master voordat deze geparametreerd kan worden. In een poging om communicatie tot stand te brengen, begint de master met de slave met het laagste adres en eindigt met de slave met het hoogste adres. Een master stuurt parameter- en configuratietelegrammen naar alle aan hem toegewezen slaves (een slave heeft alleen schrijftoegang van de aan hem toegewezen master, d.w.z. de master die hem tijdens de inbedrijfstelling geparametreerd en geconfigureerd heeft). De parameter- en configuratietelegrammen zorgen ervoor dat de functionaliteit en configuratie van een slave bij de master bekend zijn. Als een extra slave aan de netwerkbus wordt toegevoegd en deze nog niet in het masterrecord is opgenomen, moet een nieuw masterrecord worden gegenereerd en een nieuwe configuratie worden uitgevoerd, zodat de master op de hoogte is van de status van het nieuwe apparaat.

ProfiBus DP maakt meestal gebruik van een enkel klasse 1 masterapparaat (mono-master), waarbij cyclisch vele gedistribueerde slaves worden bevraagd. ProfiBus staat echter ook acyclische communicatie toe tussen klasse 2 masters en slaves, waardoor meer dan één actief station of master mogelijk is. Een klasse 1 master herkent automatisch de aanwezigheid van een nieuw actief station dat op de netwerkbus is aangesloten (een klasse 2 master). Wanneer de klasse 1 master klaar is met zijn polling cyclus, zal hij een “token” doorgeven aan de klasse 2 master die hem tijdelijk toegang tot de bus verleent. Deterministisch gedrag wordt gehandhaafd omdat de klasse 2 master alleen de tijd kan gebruiken die hem is toegewezen via de gespecificeerde “gap time”. Hoewel mono-master bedrijf over het algemeen wordt aanbevolen, is het niet verplicht. Dat wil zeggen, een ProfiBus systeem kan meer dan één klasse 1 master hebben, maar master to master communicatie is niet toegestaan, behalve voor de toekenning van bus toegangsrechten via token uitwisseling.
Om het idee van communicatie tussen masters in een ProfiBus DP systeem te illustreren, wisselt een klasse 1 master cyclisch data uit met alle aan hem toegewezen slaves, één voor één, volgens de lijst van aan hem toegewezen slaves uit het master record. Aan het einde van deze data-cyclus wordt extra tijd (gap time) uitgetrokken voor de acyclische communicatie tussen een klasse 2-master en dezelfde slaves. Gedurende deze tijd zal de klasse 1 master een token doorgeven aan de klasse 2 master die hem bus-toegangsrechten verleent. De klasse 2 master die op dat moment het token heeft, heeft de gelegenheid om met alle slaves gegevens uit te wisselen binnen een bepaalde periode die de token halftijd of token hold-tijd (TH) wordt genoemd. De klasse 2 master kan dan verder gaan met het lezen van data of diagnostische informatie van een van de slaves, en zal dan aan het einde van zijn cyclus het token teruggeven aan de klasse 1 master.
Omdat er meestal niet genoeg tijd is tijdens de tussenperiode om een volledige data uitwisseling te voltooien, kan dit proces van data ophalen door de klasse 2 master over meerdere cycli doorgaan. Aan het einde van de recordoverdracht zal de klasse 2 master de verbinding verbreken. Merk echter op dat de klasse 2-master alleen tijdens de tussenperiode communicatie met de slaves tot stand kan brengen.
Zoals eerder vermeld, is het mogelijk dat een klasse 2-master tijdelijk de besturing van een DP-slave overneemt. Gedurende deze tijd stopt de DP-slave zijn normale data-uitwisseling met zijn klasse 1-master. De klasse 1-master herkent dit en zal de slave cyclisch om een diagnose vragen, waarbij het veld Masteradres wordt gecontroleerd zolang er nog een geldig adres aanwezig is. Nadat de klasse 2 master klaar is met zijn communicatie met de slave, zet hij het Master Address veld van de slave op invalid (255). Dit zorgt ervoor dat de klasse 1 master probeert de controle over de slave terug te krijgen en deze zal de slave opnieuw parametreren en configureren alvorens de data-uitwisseling met de slave te hervatten.
ProfiBus DP –

• Open standaard gebaseerd op EN 50170.
• Snelste Fieldbus standaard tot op heden met datasnelheden tot 12MB.
• Plug & play werking.
• Tot 244 bytes input/output data per bericht.
• Tot 126 stations kunnen op de bus worden aangesloten.
• Tot 32 stations per bussegment.

Klasse 1 Master –

• Centrale controller die I/O-data uitwisselt met aangesloten slaves.
• Bepaalt de baudrate (slaves detecteren deze snelheid automatisch).
• Beheert de tokenoverdracht tussen masters.

Klasse 2 Master –

• Diagnose-, configuratie-, of opstart-tool.
• Kan slechts één slave tegelijk aansturen.
• heeft geen schrijftoegang tot de slave.
• heeft geen GSD-bestand.

Slave –

• Een passief station dat alleen kan reageren op een verzoek van de master en berichten kan bevestigen. Een slave heeft geen bus control rechten.
• Het GSD bestand definieert de slave voor de master.

Dit is een kort overzicht van Profibus-DP. Voor meer gedetailleerde informatie over de Profibus technologie en het protocol kunt u deze complete 40 pagina’s tellende paper downloaden.
Deze white paper is geschreven en beschikbaar gesteld door Acromag. Acromag fabriceert een lijn van I/O modules die Profibus DP over RS485 ondersteunen. Bezoek gerust hun website op www.acromag.com voor de laatste informatie over deze en andere Acromag producten.
Klik hier voor meer informatie