Introducere în Profibus-DP

Sumar

ProfiBus a fost creat în 1989 de guvernul german în cooperare cu mai mulți producători de echipamente de automatizare. Este un format de mesagerie special conceput pentru I/O seriale de mare viteză în aplicațiile de automatizare a fabricilor și clădirilor. Este un standard deschis și este recunoscut ca fiind cel mai rapid FieldBus în funcțiune în prezent. Se bazează pe RS485 și pe specificația electrică europeană EN50170. Sufixul DP se referă la „Periferia descentralizată”, care este utilizat pentru a descrie dispozitivele I/O distribuite conectate prin intermediul unei legături de date seriale rapide cu un controler central. Prin contrast, un controler logic programabil (PLC) are, în mod normal, canalele de intrare/ieșire dispuse la nivel central. Prin introducerea unei magistrale de rețea între controlerul principal (master) și canalele sale I/O (slave), am descentralizat I/O.
ProfiBus se bazează pe standarde internaționale universale și este orientat către modelul de referință OSI (Open System Interconnection) conform standardului internațional ISO 7498. În acest model, fiecare strat se ocupă de sarcini precis definite. Stratul 1 al acestui model este stratul fizic și definește caracteristicile fizice de transmisie. Stratul 2 este stratul de legătură de date și definește protocolul de acces la bus. Stratul 7 este stratul de aplicație și definește funcțiile aplicației. ProfiBus DP utilizează numai straturile 1 & 2 ale acestui model, plus interfața cu utilizatorul. Straturile de la 3 la 7 nu sunt utilizate.
Un sistem ProfiBus utilizează un maestru de magistrală pentru a interoga dispozitivele slave distribuite în mod multi-drop pe o magistrală serială RS485. Un sclav ProfiBus este orice dispozitiv periferic (traductor de intrare/ieșire, supapă, unitate de rețea sau alt dispozitiv de măsurare) care procesează informații și își trimite ieșirea către maestru. Sclavul formează o „stație pasivă” în rețea, deoarece nu are drepturi de acces la magistrală și poate doar să confirme mesajele primite sau să trimită mesaje de răspuns către maestru la cerere. Este important de reținut că toți sclavii ProfiBus au aceeași prioritate, iar toate comunicațiile din rețea provin de la maestru. Modulele de I/O Acromag formează dispozitive slave inteligente.

Modulurile Acromag implementează protocolul ProfiBus prin intermediul unui ASIC SPC3 standard din industrie de la Siemens. Acest ASIC acționează ca un chip RAM sau UART pentru microcontrolerul intern și gestionează complet cerințele standardului de protocol. ASIC-ul va transfera datele de rețea către și de la microcontroler și va furniza automat răspunsul la bus în conformitate cu specificația ProfiBus.
Un master ProfiBus formează o „stație activă” în rețea. ProfiBus DP definește două clase de maeștri. Un master de clasa 1 se ocupă de comunicarea normală sau de schimbul de date cu sclavii care îi sunt atribuiți. Un master de clasa 2 este un dispozitiv special utilizat în principal pentru punerea în funcțiune a sclavilor și în scopuri de diagnosticare. Unii maeștri pot suporta atât funcționalitatea de clasă 1, cât și cea de clasă 2. În mod normal, comunicarea de la maestru la maestru nu este permisă în Profibus, cu excepția cazului în care se acordă drepturi de acces la magistrală unui alt maestru prin schimbul unui token. Cu toate acestea, comunicarea de la maestru la maestru între două sisteme mono-master poate fi facilitată cu ajutorul unui gateway DP-DP. Rețineți că schimbul de drepturi de acces la magistrală prin intermediul acestui „inel de jetoane” se aplică numai între magistralele de pe magistrală.
Un dispozitiv magistral de clasa 1 este, în mod normal, un controler programabil central (PLC) sau un PC care rulează un software special. Maestrul de clasă 1 stabilește viteza de transmisie, iar sclavii detectează automat această viteză. Magistrala de clasă 1 se ocupă de schimbul de date cu sclavii care îi sunt atribuiți și acționează ca un controler principal pentru schimbul de informații I/O cu sclavii săi distribuiți, recuperând ciclic datele I/O ale utilizatorului în conformitate cu un ciclu de mesaje definit. Un maestru poate comunica în mod activ cu sclavii care îi sunt atribuiți, dar numai în mod pasiv (la cerere) cu un alt dispozitiv maestru de clasă 2.
Maestrul de clasă 2 este de obicei un dispozitiv de configurare, poate un laptop sau o consolă de programare, și este prevăzut pentru punerea în funcțiune, întreținere sau diagnosticare. Acesta acționează ca un maestru „supraveghetor” în sensul că poate comunica în mod activ cu maeștrii de clasă 1 și cu sclavii acestora, în plus față de propriii săi sclavi, dar, de obicei, numai în scopul configurării, al diagnosticării problemelor și al schimbului de date/parametri. Altfel spus, maeștrii de clasă 2 pot prelua controlul unui sclav doar pentru scurt timp. Toate schimburile dintre un maestru de clasă 2 și un maestru de clasă 1 provin de la maestrul de clasă 2.

ProfiBus DP funcționează în mod normal folosind un transfer ciclic de date între master(i) și slave(i) pe o rețea RS485. Adică, un maestru atribuit solicită (interoghează) periodic fiecare nod (sclav) din rețea. Toate schimburile de comunicare de date între un maestru și un sclav provin de la dispozitivul maestru. Fiecare dispozitiv sclav este atribuit unui singur maestru și numai acel maestru poate scrie date de ieșire către acel sclav. Ceilalți maeștri pot citi informații de la orice sclav, dar nu pot scrie date de ieșire decât către sclavii care le-au fost atribuiți.
Maștrii se pot adresa unor sclavi individuali, unui grup definit de sclavi (multi-cast) sau pot difuza o telegramă către toți sclavii conectați. Sclavii vor returna un răspuns la toate telegramele care le sunt adresate individual, dar nu răspund la telegramele difuzate sau multi-cast de la un dispozitiv maestru. ProfiBus trimite mesaje Broadcast și Multi-Cast ca telegrame de control global folosind adresa 127 și un număr de grup opțional pentru un grup de sclavi vizat.
Pentru că ProfiBus folosește un mecanism de interogare ciclică (periodică) între maeștri și sclavi, acesta este, de asemenea, determinist. Adică, comportamentul unui sistem ProfiBus poate fi prezis în mod fiabil în timp. De fapt, ProfiBus a fost conceput pentru a garanta un răspuns determinist. Spre deosebire de acestea, CAN și Ethernet sunt sisteme de magistrale bazate pe evenimente și, în consecință, formează sisteme nedeterministe.
Lungimea (și sincronizarea) datelor de intrare/ieșire/ieșire care urmează să fie transferate de la un singur sclav la un maestru este predefinită în baza de date a dispozitivului sclavului sau în fișierul GSD al acestuia. Fișierele GSD ale fiecărui dispozitiv conectat prin rețea (numai pentru sclavi și maeștri de clasa 1) sunt compilate într-o înregistrare de parametri master care conține date de parametrizare și configurare, o listă de alocare a adreselor și parametrii de bus pentru toate stațiile conectate. Un maestru utilizează aceste informații pentru a stabili comunicarea cu fiecare sclav în timpul pornirii.
După ce un maestru primește înregistrarea parametrilor maestrului, acesta este gata să înceapă schimbul de date cu sclavii săi. În timpul pornirii, după o resetare a sistemului sau la revenirea sub tensiune, un maestru va încerca să restabilească contactul cu toți sclavii care i-au fost atribuiți înainte de a-și asuma schimbul ciclic de date I/O. Fiecare sclav trebuie să aibă deja o adresă unică valabilă de la 0-125 pentru a putea comunica cu maestrul. Orice sclav care are o adresă implicită de 126 va aștepta comanda Set_Slave_Address de la un maestru de clasă 2 înainte de a putea fi parametrizat. În încercarea de a stabili comunicarea, comandantul începe cu sclavul cu cea mai mică adresă și termină cu sclavul cu cea mai mare adresă. Un maestru va trimite telegrame de parametrizare și configurare tuturor sclavilor care i-au fost atribuiți (un sclav nu poate fi accesat în scris decât de către maestrul care i-a fost atribuit, adică de către maestrul care l-a parametrizat și configurat la pornire). Telegramele de parametrizare și configurare asigură cunoașterea de către maestru a funcționalității și configurației unui sclav. În cazul în care un sclav suplimentar este adăugat la magistrala de rețea și nu este deja contabilizat în fișa maestrului, trebuie generată o nouă fișă a maestrului și efectuată o nouă configurare, astfel încât maestrul să fie informat cu privire la starea noului dispozitiv.

ProfiBus DP utilizează cel mai adesea un singur dispozitiv maestru de clasa 1 (mono-master), care interoghează ciclic mai mulți sclavi distribuiți. Cu toate acestea, ProfiBus permite, de asemenea, comunicarea aciclică între maeștri și sclavi de clasa 2, făcând posibilă existența mai multor stații sau maeștri activi. Un maestru de clasă 1 va detecta automat prezența unei noi stații active conectate la magistrala de rețea (un maestru de clasă 2). Atunci când maestrul de clasă 1 își termină ciclul de interogare, acesta va transmite un „jeton” maestrului de clasă 2, acordându-i acestuia acces temporar la magistrală. Comportamentul determinist este menținut, deoarece maestrul de clasă 2 poate utiliza numai timpul care i-a fost alocat prin intermediul timpului de decalaj specificat. Cu toate că, în general, se recomandă funcționarea cu un singur maestru, aceasta nu este obligatorie. Adică, un sistem ProfiBus poate avea mai mulți maeștri de clasă 1, dar nu este permisă comunicarea între maeștri, cu excepția acordării drepturilor de acces la magistrală prin schimb de jetoane.
Pentru a ilustra ideea de comunicare între maeștri într-un sistem ProfiBus DP, un maistru de clasă 1 schimbă ciclic date cu toți sclavii care îi sunt atribuiți, unul câte unul, în conformitate cu lista de sclavi care i-au fost atribuiți, preluată din fișa maistrului. La sfârșitul acestui ciclu de date, se alocă un timp suplimentar (gap time) pentru a asigura comunicarea aciclică între un maestru de clasă 2 și aceiași sclavi. În acest interval de timp, comandantul de clasă 1 va transmite un jeton comandantului de clasă 2, acordându-i acestuia drepturi de acces la autobuz. Stăpânul de clasă 2 care deține în acel moment jetonul are posibilitatea de a face schimb de date cu toți sclavii într-o anumită perioadă de timp numită jumătatea de timp a jetonului sau timpul de păstrare a jetonului (TH). Stăpânul de clasă 2 poate apoi să citească date sau informații de diagnosticare de la oricare dintre sclavi, iar apoi, la încheierea ciclului său, va transmite înapoi jetonul către stăpânul de clasă 1.
Din moment ce, de obicei, nu există suficient timp în timpul intervalului pentru a finaliza un schimb complet de date, acest proces de recuperare a datelor de către stăpânul de clasă 2 poate continua pe parcursul mai multor cicluri. La sfârșitul transferului de înregistrări, masterul de clasă 2 va șterge conexiunea. Cu toate acestea, rețineți că maestrul de clasă 2 poate stabili comunicarea cu sclavii numai în timpul intervalului de întrerupere.
După cum s-a menționat anterior, este posibil ca un maestru de clasă 2 să preia temporar controlul unui sclav DP. În acest timp, sclavul DP își va întrerupe schimbul normal de date cu maestrul său de clasă 1. Stăpânul de clasă 1 recunoaște acest lucru și va proceda la solicitarea ciclică de diagnostice de la sclav, verificând câmpul „Master Address” atâta timp cât este prezentă o altă adresă validă. După ce maestrul de clasă 2 își termină comunicarea cu sclavul, acesta setează câmpul Master Address al sclavului la invalid (255). Acest lucru face ca maestrul de clasă 1 să încerce să recâștige controlul sclavului și va reparametriza și reconfigura sclavul înainte de a relua schimbul de date cu acesta.
ProfiBus DP –

• Standard deschis bazat pe EN 50170.
• Cel mai rapid standard Fieldbus de până acum, cu viteze de transfer de date de până la 12MB.
• Funcționare de tip „plug & play”.
• Până la 244 octeți de date de intrare/ieșire pe mesaj.
• Până la 126 de stații se pot conecta la bus.
• Până la 32 de stații pe segment de bus.

Clasa 1 Master –

• Controler central care face schimb de date I/O cu sclavii conectați.
• Determină viteza de transmisie (sclavii detectează automat această viteză).
• Gestionează transferul de jetoane între maeștri. Detectează un alt maestru în timpul intervalului de timp.

Clasa 2 Maestru –

• Strument de diagnoză, configurare sau pornire.
• Poate controla doar un singur sclav la un moment dat.
• Nu are acces de scriere la sclav.
• Nu are un fișier GSD.

Sclav –

• O stație pasivă care poate răspunde doar prin mesaje de solicitare și confirmare de primire ale unui maestru. Un sclav nu are drepturi de control al magistralei.
• Fisierul GSD definește sclavul pentru maestru.

Aceasta este o scurtă prezentare generală a Profibus-DP. Pentru informații mai detaliate despre tehnologia și protocolul Profibus, puteți descărca această lucrare completă de 40 de pagini.
Această lucrare albă a fost scrisă și furnizată de Acromag. Acromag produce o linie de module I/O care suportă Profibus DP prin RS485. Nu ezitați să vizitați site-ul lor la www.acromag.com pentru a obține cele mai recente informații despre acestea și alte produse Acromag.
Click aici pentru mai multe informații

.