Introduktion till Profibus-DP

Sammanfattning

ProfiBus skapades 1989 av den tyska regeringen i samarbete med flera tillverkare av automationsutrustning. Det är ett meddelandeformat som är särskilt utformat för seriell I/O med hög hastighet i fabriks- och byggnadsautomationstillämpningar. Det är en öppen standard och erkänns som den snabbaste FieldBus som finns i drift idag. Den är baserad på RS485 och den europeiska elektriska specifikationen EN50170. DP-suffixet hänvisar till ”Decentralized Periphery”, som används för att beskriva distribuerade I/O-enheter som är anslutna via en snabb seriell datalänk till en central styrenhet. Som kontrast till detta har en programmerbar logikstyrning (PLC) normalt sina ingångs-/utgångskanaler placerade centralt. Genom att införa en nätverksbuss mellan huvudstyrenheten (master) och dess I/O-kanaler (slavar) har vi decentraliserat I/O.
ProfiBus bygger på universella internationella standarder och är orienterad mot OSI-referensmodellen (Open System Interconnection) enligt den internationella standarden ISO 7498. I denna modell hanterar varje lager exakt definierade uppgifter. Lager 1 i denna modell är det fysiska lagret och definierar de fysiska överföringsegenskaperna. Lager 2 är datalänkskiktet och definierar protokollet för bussåtkomst. Lager 7 är tillämpningsskiktet och definierar tillämpningsfunktionerna. ProfiBus DP använder endast lager 1 & 2 i denna modell, plus användargränssnittet. Lagren 3 till 7 används inte.
I ett ProfiBus-system används en busmaster för att fråga av slavenheter som är fördelade i flera led på en seriell RS485-buss. En ProfiBus-slav är en periferienhet (I/O-givare, ventil, nätverksenhet eller annan mätanordning) som bearbetar information och skickar sitt resultat till masteren. Slaven utgör en ”passiv station” i nätverket, eftersom den inte har någon åtkomsträtt till bussen och endast kan bekräfta mottagna meddelanden eller skicka svarsmeddelanden till huvudmannen på begäran. Det är viktigt att notera att alla ProfiBus-slavar har samma prioritet och att all nätverkskommunikation kommer från masteren. Acromag I/O-moduler utgör intelligenta slavenheter.
Acromag-moduler implementerar ProfiBus-protokollet via en industristandard SPC3 ASIC från Siemens. Denna ASIC fungerar som ett RAM- eller UART-chip till den interna mikrokontrollern och hanterar fullständigt kraven i protokollstandarden. ASIC:n överför nätverksdata till och från mikrokontrollern och ger automatiskt svar till bussen i enlighet med ProfiBus-specifikationen.

En ProfiBus-master utgör en ”aktiv station” i nätverket. ProfiBus DP definierar två klasser av masters. En master av klass 1 sköter den normala kommunikationen eller utbytet av data med de slavar som tilldelats den. En master av klass 2 är en speciell enhet som i första hand används för driftsättning av slavar och för diagnostiska ändamål. Vissa masters kan stödja både klass 1- och klass 2-funktionalitet. Kommunikation från master till master är normalt inte tillåten i Profibus, utom för att ge en annan master tillgång till bussen genom utbyte av en token. Master-to-master-kommunikation mellan två mono-master-system kan dock underlättas med hjälp av en DP-DP-gateway. Observera att utbytet av busstillträdesrättigheter via denna ”tokenring” endast gäller mellan masters på bussen.
En master-enhet av klass 1 är normalt en central programmerbar styrenhet (PLC) eller en dator som kör särskild programvara. Klass 1-mästaren ställer in byggnadsfrekvensen och slavarna känner automatiskt av denna frekvens. Klass 1-mastern sköter datautbytet med de slavar som tilldelats den och fungerar som huvudkontrollant för utbyte av I/O-information med sina distribuerade slavar, genom att cykliskt hämta I/O-användardata i enlighet med en definierad meddelandecykel. En master kan kommunicera aktivt med sina tilldelade slavar, men endast passivt (på begäran) med en annan master-enhet av klass 2.
Master-enheten av klass 2 är vanligtvis en konfigurationsenhet, kanske en bärbar dator eller programmeringskonsol, och tillhandahålls för driftsättning, underhåll eller diagnostik. Den fungerar som en ”övervakande” master i det avseendet att den aktivt kan kommunicera med klass 1-masters och deras slavar, utöver sina egna slavar, men vanligen endast i syfte att konfigurera, diagnostisera problem och utbyta data/parametrar. Det vill säga, klass 2-mästare kan endast kortvarigt ta över kontrollen över en slav. Alla utbyten mellan en klass 2-mästare och en klass 1-mästare har sitt ursprung i klass 2-mästaren.
ProfiBus DP fungerar normalt med hjälp av en cyklisk överföring av data mellan master(s) och slav(er) i ett RS485-nät. Det vill säga, en tilldelad master begär (polls) regelbundet varje nod (slav) i nätverket. Alla datakommunikationsutbyten mellan en master och en slav har sitt ursprung i master-enheten. Varje slavenhet är tilldelad en master och endast denna master kan skriva utdata till slaven. Andra huvudmän kan läsa information från vilken slav som helst, men kan endast skriva utdata till sina egna tilldelade slavar.

Mästare kan adressera enskilda slavar, en definierad grupp av slavar (multi-cast) eller sända ett telegram till alla anslutna slavar. Slavarna returnerar ett svar på alla telegram som riktas till dem individuellt, men svarar inte på sändnings- eller multi-cast-telegram från en master-enhet. ProfiBus skickar Broadcast- och Multi-Cast-meddelanden som globala styrtelegram med hjälp av adress 127 och ett valfritt gruppnummer för en målgrupp av slavar.
Eftersom ProfiBus använder en cyklisk (periodisk) pollingmekanism mellan masters och slavar är den också deterministisk. Det vill säga, beteendet hos ett ProfiBus-system kan förutsägas på ett tillförlitligt sätt över tiden. ProfiBus har faktiskt utformats för att garantera ett deterministiskt svar. CAN och Ethernet är däremot händelsestyrda bussystem och utgör följaktligen icke-deterministiska system.
Längden (och tidpunkten) för de I/O-data som ska överföras från en enskild slav till en master är fördefinierad i slavens enhetsdatabas eller GSD-fil. GSD-filerna för varje enhet som är ansluten via nätverket (endast slavar och masters av klass 1) sammanställs till en masterparameterpost som innehåller parameter- och konfigurationsdata, en adresstilldelningslista och bussparametrarna för alla anslutna stationer. En master använder denna information för att upprätta kommunikation med varje slav under uppstarten.
När en master har fått sin masterparameterpost är den redo att börja utbyta data med sina slavar. Under uppstart, efter en systemåterställning eller vid återkomst till strömmen försöker en master att återupprätta kontakten med alla slavar som tilldelats den innan den påbörjar det cykliska utbytet av I/O-data. Varje slav måste redan ha en unik giltig adress från 0-125 för att kunna kommunicera med huvudmannen. Varje slav som har en standardadress på 126 kommer att invänta kommandot Set_Slave_Address från en klass 2-huvudman innan den kan parametreras. Vid försök att upprätta kommunikation börjar masteren med slaven med lägst adress och slutar med slaven med högst adress. En master kommer att skicka parametriserings- och konfigurationstelegram till alla sina tilldelade slavar (en slav kan endast skrivas av sin tilldelade master, den master som parametriserade och konfigurerade den under uppstarten). Parametriserings- och konfigurationstelegrammen säkerställer att en slavs funktionalitet och konfiguration är känd för masteren. Om ytterligare en slav läggs till på nätverksbussen och inte redan finns med i masterregistret, måste ett nytt masterregister skapas och en ny konfiguration utföras så att mastern informeras om den nya enhetens status.

ProfiBus DP använder oftast en enda master-enhet av klass 1 (mono-master), som cykliskt frågar många distribuerade slavar. ProfiBus tillåter dock även acyklisk kommunikation mellan klass 2-mästare och slavar, vilket gör det möjligt att ha mer än en aktiv station eller mästare. En klass 1-mästare kommer automatiskt att upptäcka närvaron av en ny aktiv station som är ansluten till nätverksbussen (en klass 2-mästare). När klass 1-mästaren har avslutat sin avfrågningscykel skickar den en ”token” till klass 2-mästaren som ger den tillfällig tillgång till bussen. Deterministiskt beteende bibehålls eftersom klass 2-huvudmannen endast kan använda den tid som tilldelats den via den angivna mellanrumstiden. Även om mono-master-drift i allmänhet rekommenderas, är det inte obligatoriskt. Det vill säga, ett ProfiBus-system kan ha mer än en klass 1-mästare, men kommunikation mellan mästare är inte tillåten, med undantag för beviljande av busstillträdesrättigheter via tokenutbyte.
För att illustrera idén om kommunikation mellan mästare i ett ProfiBus DP-system utbyter en klass 1-mästare cykliskt data med alla slavar som tilldelats den, en i taget, i enlighet med listan över tilldelade slavar som hämtas från huvudregistret. I slutet av denna datacykel avsätts ytterligare tid (gap time) för att möjliggöra acyklisk kommunikation mellan en klass 2-mästare och samma slavar. Under denna tid kommer klass 1-mästaren att skicka en token till klass 2-mästaren för att ge denne tillgång till bussen. Den klass 2-huvudman som för närvarande innehar tokenet har möjlighet att utbyta data med alla slavar inom en viss tidsperiod som kallas tokenhalvtid eller tokenhållningstid (TH). Klass 2-huvudmannen kan sedan fortsätta att läsa data eller diagnostisk information från någon av slavarna, och när cykeln är avslutad överlämnar han eller hon tokenet tillbaka till klass 1-huvudmannen.
Då det vanligtvis inte finns tillräckligt med tid under luckan för att slutföra ett fullständigt datautbyte, kan denna process av datahämtning av klass 2-huvudmannen fortsätta under flera cykler. I slutet av dataöverföringen kommer klass 2-huvudmannen att rensa anslutningen. Observera dock att klass 2-mästaren endast kan upprätta kommunikation med slavarna under luckan.
Som tidigare nämnts är det möjligt för en klass 2-mästare att tillfälligt ta över kontrollen över en DP-slav. Under denna tid kommer DP-slaven att avbryta sitt normala datautbyte med sin klass 1-mästare. Klass 1-mästaren känner igen detta och kommer att fortsätta att cykliskt begära diagnostik från slaven, genom att kontrollera Master Address-fältet så länge som en annan giltig adress finns. När klass 2-huvudmannen har avslutat sin kommunikation med slaven, ställer den in slavens fält Master Address till ogiltig (255). Detta leder till att klass 1-mastern försöker återta kontrollen över slaven och den kommer att omparametrisera och omkonfigurera slaven innan den återupptar datautbytet med den.
ProfiBus DP –

• Öppen standard baserad på EN 50170.
• Snabbaste fältbussstandarden hittills med datahastigheter på upp till 12 MB.
• Plug & play-operation.
• Upp till 244 bytes in/utdata per meddelande.
• Upp till 126 stationer kan anslutas till bussen.
• Upp till 32 stationer per bussegment.

Klass 1 Master –

• Central styrenhet som utbyter I/O-data med anslutna slavar.
• Bestämmer byggnadsfrekvensen (slavarna känner automatiskt av denna frekvens).
• Hanterar tokenöverföringen mellan masterna. Upptäcker en annan master under mellantiden.

Class 2 Master –

• Diagnostik-, konfigurations- eller startverktyg.
• Kan endast styra en slav åt gången.
• Har ingen skrivåtkomst till slaven.
• Har ingen GSD-fil.

Slav –

• En passiv station som endast kan svara per en masterförfrågan och bekräfta meddelanden. En slav har inga busskontrollrättigheter.
• GSD-filen definierar slaven för mastern.

Detta är en kort översikt över Profibus-DP. För mer detaljerad information om Profibus-tekniken och protokollet kan du ladda ner detta kompletta 40-sidiga dokument.
Detta vitboksdokument skrevs och tillhandahölls av Acromag. Acromag tillverkar en serie I/O-moduler som stöder Profibus DP över RS485. Besök gärna deras webbplats på www.acromag.com för att få den senaste informationen om dessa och andra Acromag-produkter.
Klicka här för mer information