Wprowadzenie do Profibus-DP

Podsumowanie

ProfiBus został stworzony w 1989 roku przez niemiecki rząd we współpracy z kilkoma producentami sprzętu automatyki. Jest to format komunikatów zaprojektowany specjalnie dla szybkich szeregowych I/O w aplikacjach automatyki fabrycznej i budynkowej. Jest to otwarty standard i jest uznawany za najszybszą obecnie działającą magistralę FieldBus. Jest on oparty na RS485 i europejskiej specyfikacji elektrycznej EN50170. Przyrostek DP oznacza „Decentralized Periphery” (zdecentralizowane urządzenia peryferyjne) i jest używany do opisania rozproszonych urządzeń we/wy połączonych za pomocą szybkiego szeregowego łącza danych z centralnym sterownikiem. Dla porównania, w programowalnym sterowniku logicznym (PLC) kanały wejściowe/wyjściowe są zazwyczaj rozmieszczone centralnie. Poprzez wprowadzenie magistrali sieciowej pomiędzy głównym sterownikiem (master) i jego kanałami I/O (slaves), zdecentralizowaliśmy I/O.
ProfiBus jest oparty na uniwersalnych międzynarodowych standardach i zorientowany na model referencyjny OSI (Open System Interconnection) zgodnie z międzynarodową normą ISO 7498. W modelu tym, każda warstwa realizuje ściśle określone zadania. Warstwa 1 tego modelu jest warstwą fizyczną i definiuje fizyczne właściwości transmisji. Warstwa 2 jest warstwą łącza danych i definiuje protokół dostępu do magistrali. Warstwa 7 jest warstwą aplikacji i definiuje funkcje aplikacji. ProfiBus DP wykorzystuje tylko warstwy 1 & 2 tego modelu, plus interfejs użytkownika. Warstwy od 3 do 7 nie są wykorzystywane.
System ProfiBus wykorzystuje urządzenie nadrzędne (master) do odpytywania urządzeń podrzędnych (slave) rozproszonych w sposób wielopunktowy na magistrali szeregowej RS485. Urządzenie podrzędne ProfiBus to dowolne urządzenie peryferyjne (przetwornik I/O, zawór, napęd sieciowy lub inne urządzenie pomiarowe), które przetwarza informacje i wysyła swoje dane wyjściowe do urządzenia nadrzędnego. Slave tworzy „pasywną stację” w sieci, ponieważ nie ma praw dostępu do magistrali i może jedynie potwierdzać otrzymane wiadomości lub wysyłać odpowiedzi do mastera na żądanie. Należy pamiętać, że wszystkie urządzenia ProfiBus Slave mają ten sam priorytet, a cała komunikacja sieciowa pochodzi od mastera. Moduły I/O firmy Acromag tworzą inteligentne urządzenia podrzędne.

Moduły firmy Acromag implementują protokół ProfiBus za pomocą standardowego układu SPC3 ASIC firmy Siemens. Ten ASIC działa jak układ RAM lub UART wewnętrznego mikrokontrolera i całkowicie spełnia wymagania standardu protokołu. ASIC przesyła dane sieciowe do i z mikrokontrolera i automatycznie dostarcza odpowiedzi do magistrali zgodnie ze specyfikacją ProfiBus.
Master ProfiBus tworzy „aktywną stację” w sieci. ProfiBus DP definiuje dwie klasy masterów. Master klasy 1 obsługuje normalną komunikację lub wymianę danych z przypisanymi do niego urządzeniami Slave. Master klasy 2 jest specjalnym urządzeniem używanym głównie do uruchamiania urządzeń Slave i do celów diagnostycznych. Niektóre urządzenia master mogą obsługiwać zarówno funkcjonalność klasy 1 jak i klasy 2. Komunikacja master-to-master jest w Profibusie normalnie niedozwolona, z wyjątkiem sytuacji, w której inny master otrzymuje prawa dostępu do magistrali poprzez wymianę tokena. Komunikacja master-to-master pomiędzy dwoma systemami mono-master może być jednak ułatwiona dzięki zastosowaniu bramki DP-DP. Należy pamiętać, że wymiana praw dostępu do magistrali za pomocą tego „pierścienia tokenów” odbywa się tylko pomiędzy Masterami na magistrali.
Urządzenie Master klasy 1 jest z reguły centralnym sterownikiem programowalnym (PLC) lub komputerem PC z uruchomionym specjalnym oprogramowaniem. Urządzenie nadrzędne klasy 1 ustawia szybkość transmisji, a urządzenia podrzędne automatycznie wykrywają tę szybkość. Urządzenie nadrzędne klasy 1 obsługuje wymianę danych z przypisanymi do niego urządzeniami podrzędnymi i działa jako główny sterownik wymiany informacji we/wy ze swoimi rozproszonymi urządzeniami podrzędnymi, cyklicznie pobierając dane we/wy użytkownika zgodnie ze zdefiniowanym cyklem komunikatów. Urządzenie nadrzędne może komunikować się aktywnie z przypisanymi mu urządzeniami podrzędnymi, ale tylko pasywnie (na żądanie) z innym urządzeniem nadrzędnym klasy 2.
Urządzenie nadrzędne klasy 2 jest zazwyczaj urządzeniem konfiguracyjnym, być może laptopem lub konsolą programującą, i jest przeznaczone do uruchamiania, konserwacji lub celów diagnostycznych. Działa on jak urządzenie „nadzorcze” typu master, ponieważ może aktywnie komunikować się z urządzeniami nadrzędnymi klasy 1 i ich urządzeniami podrzędnymi, oprócz swoich własnych urządzeń podrzędnych, ale zazwyczaj tylko w celu konfigurowania, diagnozowania problemów i wymiany danych/parametrów. Oznacza to, że urządzenia nadrzędne klasy 2 mogą tylko na krótko przejąć kontrolę nad urządzeniem podrzędnym. Wszystkie wymiany pomiędzy masterem klasy 2 a masterem klasy 1 rozpoczynają się od mastera klasy 2.

ProfiBus DP normalnie działa wykorzystując cykliczny transfer danych pomiędzy master(ami) i slave(ami) w sieci RS485. Oznacza to, że przypisany master okresowo odpytywał (polls) każdy węzeł (slave) w sieci. Wszystkie wymiany danych pomiędzy urządzeniem Master i Slave pochodzą z urządzenia Master. Każde urządzenie Slave jest przypisane do jednego urządzenia Master i tylko ten Master może zapisywać dane wyjściowe do tego urządzenia Slave. Inne urządzenia master mogą odczytywać informacje z dowolnego urządzenia slave, ale mogą zapisywać dane wyjściowe tylko do swoich własnych, przypisanych urządzeń slave.
Master może adresować pojedyncze urządzenia slave, określoną grupę urządzeń slave (multi-cast) lub może nadawać telegram do wszystkich podłączonych urządzeń slave. Urządzenia Slave odpowiadają na wszystkie telegramy adresowane do nich indywidualnie, ale nie odpowiadają na telegramy typu Broadcast lub Multi-cast z urządzenia Master. ProfiBus wysyła wiadomości Broadcast i Multi-Cast jako globalne telegramy kontrolne, używając adresu 127 i opcjonalnego numeru grupy dla wybranej grupy urządzeń Slave.
Ponieważ ProfiBus wykorzystuje cykliczny (okresowy) mechanizm pollingu pomiędzy urządzeniami master i slave, jest również deterministyczny. Oznacza to, że zachowanie systemu ProfiBus może być wiarygodnie przewidywane w czasie. W rzeczywistości ProfiBus został zaprojektowany, aby zagwarantować deterministyczną odpowiedź. Dla porównania, CAN i Ethernet są systemami magistralowymi sterowanymi zdarzeniami i w konsekwencji tworzą systemy niedeterministyczne.
Długość (i czas) danych I/O, które mają być przesyłane z pojedynczego urządzenia Slave do Mastera jest predefiniowana w bazie danych urządzenia Slave lub pliku GSD. Pliki GSD każdego urządzenia podłączonego przez sieć (tylko Slave i Mastera Class 1) są kompilowane w jeden Master Parameter Record, który zawiera dane parametryzacyjne i konfiguracyjne, listę przydziału adresów oraz parametry magistrali dla wszystkich podłączonych urządzeń abonenckich. Za pomocą tych informacji urządzenie Master nawiązuje podczas uruchamiania komunikację z każdym urządzeniem Slave.
Po otrzymaniu przez urządzenie Master swojego Master Parameter Record, jest ono gotowe do rozpoczęcia wymiany danych ze swoimi urządzeniami Slave. Podczas uruchamiania, po resecie systemu lub po przywróceniu zasilania, urządzenie master będzie próbowało ponownie nawiązać kontakt ze wszystkimi przypisanymi do niego urządzeniami slave, zanim rozpocznie cykliczną wymianę danych we/wy. Każdy slave musi już posiadać unikalny, poprawny adres z zakresu 0-125, aby mógł komunikować się z masterem. Każdy Slave, który posiada domyślny adres 126, będzie oczekiwał na polecenie Set_Slave_Address od Mastera klasy 2, zanim będzie mógł zostać sparametryzowany. Przy próbie nawiązania komunikacji, Master zaczyna od Slave o najniższym adresie i kończy na Slave o najwyższym adresie. Master wysyła telegramy parametryzacji i konfiguracji do wszystkich przyporządkowanych mu urządzeń Slave (dostęp do danych Slave może mieć tylko przyporządkowany mu Master, czyli ten, który sparametryzował i skonfigurował go podczas uruchamiania). Telegramy parametryzacyjne i konfiguracyjne zapewniają, że funkcjonalność i konfiguracja urządzenia Slave znana jest urządzeniu Master. Jeśli do magistrali sieciowej zostanie dodany dodatkowy slave, który nie jest jeszcze uwzględniony w rekordzie master, należy wygenerować nowy rekord master i przeprowadzić nową konfigurację, tak aby master był poinformowany o statusie nowego urządzenia.

ProfiBus DP najczęściej wykorzystuje pojedyncze urządzenie master klasy 1 (mono-master), cyklicznie pollingujące wiele rozproszonych slave’ów. Jednak ProfiBus pozwala również na acykliczną komunikację pomiędzy urządzeniami master i slave klasy 2, dzięki czemu możliwa jest więcej niż jedna aktywna stacja lub urządzenie master. Master klasy 1 automatycznie wykryje obecność nowej aktywnej stacji podłączonej do magistrali sieciowej (master klasy 2). Kiedy master klasy 1 zakończy swój cykl pollingu, przekaże „token” do mastera klasy 2, przyznając mu tymczasowy dostęp do magistrali. Deterministyczne zachowanie jest zachowane, ponieważ urządzenie master klasy 2 może wykorzystać tylko czas przydzielony mu przez określony czas przerwy. Chociaż praca w trybie mono-master jest ogólnie zalecana, nie jest obowiązkowa. Oznacza to, że system ProfiBus może mieć więcej niż jednego Mastera klasy 1, ale komunikacja Master-Master nie jest dozwolona, z wyjątkiem przyznawania praw dostępu do magistrali poprzez wymianę tokenów.
Aby zilustrować ideę komunikacji pomiędzy Masterami w systemie ProfiBus DP, Master klasy 1 cyklicznie wymienia dane ze wszystkimi przypisanymi do niego urządzeniami Slave, po jednym na raz, zgodnie z listą przypisanych mu urządzeń Slave, pobraną z rejestru Master. Na zakończenie tego cyklu danych przydzielany jest dodatkowy czas (czas przerwy), aby umożliwić acykliczną komunikację pomiędzy urządzeniem Master klasy 2 a tymi samymi urządzeniami Slave. W tym czasie urządzenie master klasy 1 przekazuje token do urządzenia master klasy 2, przyznając mu prawo dostępu do magistrali. Urządzenie nadrzędne klasy 2, które aktualnie posiada token, ma możliwość wymiany danych ze wszystkimi urządzeniami podrzędnymi w określonym czasie, zwanym czasem połowicznego zatrzymania tokena lub czasem zatrzymania tokena (TH). Urządzenie nadrzędne klasy 2 może następnie przystąpić do odczytu danych lub informacji diagnostycznych z dowolnego urządzenia podrzędnego, a po zakończeniu swojego cyklu przekaże token z powrotem do urządzenia nadrzędnego klasy 1.
Ponieważ w czasie przerwy zwykle nie ma wystarczająco dużo czasu na pełną wymianę danych, ten proces pobierania danych przez urządzenie nadrzędne klasy 2 może trwać przez kilka cykli. Na koniec przesyłania rekordu urządzenie nadrzędne klasy 2 kasuje połączenie. Należy jednak pamiętać, że Class 2-Master może nawiązać komunikację ze Slave tylko w czasie przerwy.
Jak już wcześniej wspomniano, możliwe jest, aby Class 2-Master przejął tymczasowo kontrolę nad DP-Slave. W tym czasie DP-Slave zatrzymuje swoją normalną wymianę danych ze swoim Class 1-Master. Class 1-Master rozpoznaje to i żąda cyklicznie diagnostyki od urządzenia Slave, sprawdzając pole Master Address tak długo, jak długo obecny jest inny ważny adres. Po tym jak urządzenie master klasy 2 zakończy swoją komunikację z urządzeniem slave, ustawia ono pole Master Address urządzenia slave na invalid (255). Powoduje to, że master klasy 1 próbuje odzyskać kontrolę nad slave’em i dokona reparametryzacji i rekonfiguracji slave’a przed wznowieniem wymiany danych z nim.
ProfiBus DP –

• Otwarty standard oparty na EN 50170.
• Najszybszy dotychczas standard Fieldbus z szybkością transmisji danych do 12MB.
• Plug &operacja play.
• Do 244 bajtów danych wejściowych/wyjściowych na komunikat.
• Do 126 stacji może być podłączonych do magistrali.
• Do 32 stacji na segment magistrali.

Class 1 Master –

• Centralny sterownik, który wymienia dane I/O z podłączonymi stacjami slave.
• Determinuje szybkość transmisji (stacje slave automatycznie wykrywają tę szybkość).
• Zarządza transferem tokenów pomiędzy masterami. Wykrywa inny master w czasie przerwy.

Class 2 Master –

• Narzędzie diagnostyczne, konfiguracyjne lub startowe.
• Może kontrolować tylko jeden slave w tym samym czasie.
• Nie ma dostępu do zapisu do urządzenia podrzędnego.
• Nie ma pliku GSD.

Slave –

• Stacja pasywna, która może odpowiadać tylko na żądania mastera i komunikaty potwierdzające. Slave nie ma praw do sterowania magistralą.
• Plik GSD definiuje Slave dla Mastera.

To jest krótki przegląd Profibus-DP. W celu uzyskania bardziej szczegółowych informacji na temat technologii i protokołu Profibus można pobrać ten kompletny, 40-stronicowy dokument.
Ta biała księga została napisana i dostarczona przez firmę Acromag. Acromag produkuje linię modułów I/O, które obsługują Profibus DP przez RS485. Zapraszamy do odwiedzenia ich strony internetowej www.acromag.com w celu uzyskania najnowszych informacji na temat tych i innych produktów Acromag.
Click Here for More Information

.