Introdução ao Profibus-DP

Sumário

ProfiBus foi criado em 1989 pelo governo Alemão em cooperação com vários fabricantes de equipamentos de automação. É um formato de mensagens especificamente concebido para E/S seriais de alta velocidade em aplicações de automação de fábricas e edifícios. É um padrão aberto e é reconhecido como o FieldBus mais rápido em operação hoje em dia. Ele é baseado no RS485 e na especificação elétrica européia EN50170. O sufixo DP refere-se à “Periferia Descentralizada”, que é utilizada para descrever dispositivos de E/S distribuída ligados através de uma ligação de dados em série rápida com um controlador central. Para contraste, um controlador lógico programável (PLC) normalmente tem seus canais de entrada/saída dispostos de forma centralizada. Ao introduzir um barramento de rede entre o controlador principal (mestre) e seus canais de E/S (escravos), nós descentralizamos a E/S.
ProfiBus é baseado em padrões internacionais universais e orientado ao modelo de referência OSI (Open System Interconnection) de acordo com a norma internacional ISO 7498. Neste modelo, cada camada lida com tarefas definidas com precisão. A camada 1 deste modelo é a camada física e define as características de transmissão física. A Camada 2 é a camada de ligação de dados e define o protocolo de acesso ao bus. A camada 7 é a camada da aplicação e define as funções da aplicação. ProfiBus DP usa apenas as camadas 1 & 2 deste modelo, mais a interface do usuário. As camadas de 3 a 7 não são utilizadas.
Um sistema ProfiBus usa um bus master para pesquisar dispositivos escravos distribuídos de forma multi-drop em um barramento serial RS485. Um escravo ProfiBus é qualquer dispositivo periférico (transdutor de E/S, válvula, drive de rede ou outro dispositivo de medição) que processa informações e envia sua saída para o mestre. O escravo forma uma “estação passiva” na rede, uma vez que não tem direitos de acesso ao bus, e só pode reconhecer mensagens recebidas, ou enviar mensagens de resposta ao mestre mediante solicitação. É importante notar que todos os escravos ProfiBus têm a mesma prioridade, e todas as comunicações da rede são originadas pelo mestre. Os módulos de E/S Acromag formam dispositivos escravos inteligentes.

Os módulos Acromag implementam o protocolo ProfiBus através de um SPC3 ASIC padrão da indústria da Siemens. Este ASIC age como um chip RAM ou UART para o microcontrolador interno e lida completamente com os requisitos do protocolo padrão. O ASIC transferirá dados de rede de e para o microcontrolador e fornecerá automaticamente a resposta ao barramento de acordo com a especificação ProfiBus.
Um mestre ProfiBus forma uma “estação ativa” na rede. ProfiBus DP define duas classes de mestres. Um mestre classe 1 trata da comunicação normal ou troca de dados com os escravos a ele atribuídos. Um mestre classe 2 é um dispositivo especial utilizado principalmente para o comissionamento de escravos e para fins de diagnóstico. Alguns mestres podem suportar tanto a funcionalidade de classe 1 como a de classe 2. A comunicação entre mestres normalmente não é permitida em Profibus, exceto para conceder direitos de acesso de ônibus a outro mestre através da troca de um token. No entanto, a comunicação master-to-master entre dois sistemas mono-master pode ser facilitada através de um gateway DP-DP. Note que a troca de direitos de acesso ao barramento através deste “toque simbólico” só se aplica entre masters no barramento.
A classe 1 dispositivo mestre é normalmente um controlador central programável (PLC), ou um PC executando software especial. O mestre classe 1 define a taxa de bauds e o escravo detecta automaticamente esta taxa. O mestre classe 1 lida com a troca de dados com os escravos a ele atribuídos, e atua como controlador principal para a troca de informações de E/S com seus escravos distribuídos, recuperando ciclicamente os dados de E/S do usuário de acordo com um ciclo de mensagens definido. Um mestre pode se comunicar ativamente com seus escravos atribuídos, mas somente passivamente (a pedido) com outro dispositivo mestre classe 2.
O mestre classe 2 é normalmente um dispositivo de configuração, talvez um laptop ou console de programação, e é fornecido para fins de comissionamento, manutenção, ou diagnóstico. Ele age como um mestre “supervisor”, pois pode se comunicar ativamente com mestres de classe 1 e seus escravos, além de seus próprios escravos, mas normalmente apenas para fins de configuração, diagnóstico de problemas e troca de dados/parâmetros. Ou seja, mestres de classe 2 podem apenas assumir brevemente o controle de um escravo. Todas as trocas entre um mestre de classe 2 e um mestre de classe 1 se originam com o mestre de classe 2.
ProfiBus DP opera normalmente usando uma transferência cíclica de dados entre mestre(s) e escravo(s) em uma rede RS485. Ou seja, um mestre atribuído solicita periodicamente (sondagens) cada nó (escravo) na rede. Todas as trocas de comunicação de dados entre um mestre e um escravo são originadas a partir do dispositivo mestre. Cada dispositivo escravo é atribuído a um mestre e apenas esse mestre pode escrever os dados de saída para esse escravo. Outros mestres podem ler informações de qualquer escravo, mas só podem escrever dados de saída para seus próprios escravos designados.

Masters podem endereçar escravos individuais, um grupo definido de escravos (multi-cast), ou podem transmitir um telegrama para todos os escravos conectados. Os escravos retornarão uma resposta a todos os telegramas endereçados a eles individualmente, mas não respondem a telegramas transmitidos ou multi-cast de um dispositivo mestre. ProfiBus envia mensagens Broadcast e Multi-Cast como telegramas de controle global usando o endereço 127 e um número de grupo opcional para um grupo alvo de escravos.
Porque ProfiBus usa um mecanismo de votação cíclico (periódico) entre mestres e escravos, ele também é determinístico. Ou seja, o comportamento de um sistema ProfiBus pode ser previsto de forma confiável ao longo do tempo. Na verdade, ProfiBus foi projetado para garantir uma resposta determinística. Para contrastar, CAN e Ethernet são sistemas de bus acionados por eventos e consequentemente formam sistemas não determinísticos.
O comprimento (e tempo) dos dados I/O a serem transferidos de um único escravo para um mestre é predefinido no banco de dados do dispositivo escravo ou no arquivo GSD. Os arquivos GSD de cada dispositivo conectado através da rede (somente escravos e masters classe 1) são compilados em um registro de parâmetros mestre que contém dados de parametrização e configuração, uma lista de alocação de endereços e os parâmetros de barramento para todas as estações conectadas. Um mestre usa esta informação para configurar a comunicação com cada escravo durante a inicialização.
Após um mestre receber seu registro de parâmetro mestre, ele está pronto para iniciar a troca de dados com seus escravos. Durante a partida, após um reset do sistema, ou ao retornar à energia, um mestre tentará restabelecer contato com todos os escravos a ele atribuídos antes de assumir a troca cíclica de dados de E/S. Cada escravo já deve ter um endereço válido único de 0-125 para poder comunicar-se com o mestre. Qualquer escravo que tenha um endereço padrão de 126 aguardará o comando Set_Slave_Address de um mestre classe 2 antes de poder ser parametrizado. Na tentativa de estabelecer comunicação, o mestre começa com o escravo de endereço mais baixo e termina com o escravo de endereço mais alto. Um mestre enviará telegramas de parametrização e configuração para todos os seus escravos designados (um escravo só pode ser acessado por seu mestre designado, o mestre que o parametrizou e configurou durante a inicialização). Os telegramas de parametrização e configuração garantem que a funcionalidade e configuração de um escravo seja conhecida pelo mestre. Se um escravo adicional é adicionado ao barramento de rede e ainda não está contabilizado no registro mestre, um novo registro mestre deve ser gerado e uma nova configuração deve ser realizada para que o mestre seja informado do status do novo dispositivo.

ProfiBus DP usa na maioria das vezes um único dispositivo mestre classe 1 (mono-master), pesquisando ciclicamente muitos escravos distribuídos. No entanto, o ProfiBus também permite a comunicação acíclica entre mestres e escravos de classe 2, tornando possível mais de uma estação ativa ou mestre. Um mestre classe 1 detectará automaticamente a presença de uma nova estação ativa conectada ao barramento de rede (um mestre classe 2). Quando o mestre classe 1 completar seu ciclo de sondagem, ele passará um “token” para o mestre classe 2 concedendo-lhe acesso temporário ao barramento. O comportamento determinístico é mantido porque o master classe 2 só pode usar o tempo alocado a ele através do tempo de intervalo especificado. Embora a operação mono-master seja geralmente recomendada, ela não é obrigatória. Ou seja, um sistema ProfiBus pode ter mais de um mestre classe 1, mas a comunicação de mestre para mestre não é permitida, exceto para a concessão de direitos de acesso ao barramento via troca de fichas.
Para ilustrar a idéia de comunicação entre mestres em um sistema ProfiBus DP, um mestre classe 1 troca ciclicamente dados com todos os escravos a ele atribuídos, um de cada vez, de acordo com sua lista de escravos atribuídos tirada do registro mestre. No final deste ciclo de dados, um tempo adicional (gap time) é alocado para prover comunicação acíclica entre um mestre de classe 2 e os mesmos escravos. Durante este tempo, o mestre de classe 1 passará um token para o mestre de classe 2 concedendo-lhe direitos de acesso ao ônibus. O mestre de classe 2 que atualmente detém o token tem a oportunidade de trocar dados com todos os escravos dentro de um período específico de tempo chamado de meio tempo token ou tempo de permanência token (TH). O mestre da classe 2 pode então proceder à leitura de dados ou informações de diagnóstico de qualquer um dos escravos, e então na conclusão do seu ciclo, ele irá passar o token de volta para o mestre da classe 1.
Desde que normalmente não há tempo suficiente durante o intervalo para completar uma troca de dados completa, este processo de recuperação de dados pelo mestre da classe 2 pode continuar durante vários ciclos. No final da transferência de registro, o mestre da classe 2 irá limpar a conexão. Note, no entanto, que o mestre classe 2 só pode estabelecer comunicação com os escravos durante o intervalo de tempo.
Como mencionado anteriormente, é possível que um mestre classe 2 assuma temporariamente o controle de um escravo DP. Durante este tempo, o escravo DP irá parar a sua troca normal de dados com o seu mestre de classe 1. O mestre da classe 1 reconhece isso e irá solicitar ciclicamente o diagnóstico do escravo, verificando o campo Endereço Mestre enquanto outro endereço válido estiver presente. Após o mestre da classe 2 terminar sua comunicação com o escravo, ele define o campo Endereço Mestre do escravo como inválido (255). Isto faz com que o mestre da classe 1 tente recuperar o controle do escravo e ele irá reparametrizar e reconfigurar o escravo antes de retomar a troca de dados com ele.
ProfiBus DP –

• Padrão aberto baseado na EN 50170.
• Padrão Fieldbus mais rápido até a data com taxas de dados de até 12MB.
• Plug &Operação play.
• Subir para 244 bytes de dados de entrada/saída por mensagem.
• Subir para 126 estações pode ligar ao bus.
• Subir para 32 estações por segmento de bus.

Classe 1 Mestre –

• Controlador central que troca dados de E/S com escravos conectados.
• Determina a taxa de bauds (escravos auto-detectam esta taxa).
• Gerencia a transferência de tokens entre mestres. Detecta outro mestre durante o tempo de intervalo.

Classe 2 Mestre –

• Diagnóstico, configuração ou ferramenta de inicialização.
• Can só pode controlar um escravo de cada vez.
• Não tem acesso de escrita ao escravo.
• Não tem um arquivo GSD.

Escravo –

• Uma estação passiva que só pode responder por um pedido do mestre e reconhecer mensagens. Um escravo não tem direitos de controle do bus.
• O arquivo GSD define o escravo para o master.

Esta é uma breve visão geral do Profibus-DP. Para informações mais detalhadas sobre a tecnologia e protocolo Profibus você pode baixar este documento completo de 40 páginas.
Este documento branco foi escrito e fornecido pela Acromag. A Acromag fabrica uma linha de módulos de E/S que suportam o Profibus DP sobre RS485. Sinta-se livre para visitar seu site em www.acromag.com para obter as últimas informações sobre estes e outros produtos Acromag.
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