Полевая шина на основе Profibus

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство Образования Российской Федерации

Уральский государственный горный университет

Кафедра Автоматики и компьютерных технологий

Курсовая работа

Полевая шина на основе Profibus

Екатеринбург

Оглавление

Введение

1. Коммуникации в автоматике

1.1 Промышленная связь

1.3 Физический уровень

1.4 Международная стандартизация

2. Краткий обзор PROFIBUS

2.1 История

2.2 Положение на рынке

2.3 Организация

2.4 PROFIBUS "Tool Box"

3. Технологии передачи

3.1 Коммуникационные протоколы

3.2 PA Devices

4. Спецификации профиля PA Devices

5. Типы DP-устройств

6. Коммуникационные функции

7. Сеть Profibus-dp

7.1 Технология сетей PROFIBUS

7.2 Инициализация сети

7.3 PROFIBUS-FMS

7.4 PROFIBUS-FMS

Заключение

Введение

С самого начала, полевая автоматизация была предметом постоянных изменений. Не так давно эти изменения касались только производственной области компании. Реализация технологии полевой шины стала важным нововведением в промышленности, позволившим мигрировать с централизованных АС к децентрализованным.

Разработка PROFlBUS продолжается с неугасающими энтузиазмом и энергией. Первоначально, технология коммуникации была центральной. Текущая деятельность концентрируется вокруг системной интеграции, инженерии и, в особенности, прикладных профилей. Эти профили сделали PROFIBUS единственной полевой шиной, предоставляющей всестороннюю автоматизацию как для предприятий, так и для технологических процессов.

Кроме того, информационные технологии (ИТ) все более определяют развитие сегодняшней автоматизации. Современные полевые системы переняли принципы ИТ и достигли большой степени согласованности с корпоративным уровнем управления. В этом отношении, промышленная автоматизация идет по стопам офисной, где ИТ уже давно нало или свой отпечаток, радикально преобразовав инфраструктуру, системы и процессы. Интеграция ИТ в мир автоматики открывает новые возможности для глобального обмена данными между АС. Результатом дальнейшего развития PROFIBUS и интеграции с Ethernet стал стандарт PROFInet.

Использование открытых стандартов вместо проприетарных решений гарантирует совместимость и расширяемость на долгий срок - другими словами - защиту осуществленных инвестиций.

Это ключевой по своей важности момент для Организации Пользователей PROFIBUS. Продолжающаяся разработка технологии PROFIBUS дает пользователям долгосрочные перспективы.

1. Коммуникации в автоматике

Коммуникационные возможности устройств и подсистем, а также полная информационная методология являются непреложными компонентами концепции автоматизации, ориентированной на будущие перспективы. Все больше коммуникации используются горизонтально, на полевом уровне, так же как и вертикально, через несколько иерархических уровней. Многослойные согласованные промышленные системы связи такие, как PROFIBUS с низкоуровневым интерфейсом к AS-Interface и интерфейсом высокого уровня к Ethernet (поверх PROFInet) (см. рис. 1.1), создают идеальные предпосылки для прозрачного сетевого взаимодействия во всех областях промышленного процесса.

Рисунок 1.1 - Коммуникации в технологиях автоматизации

1.1 Промышленная связь

На уровне датчиков и исполнительных устройств сигналы двоичных сенсоров и приводов передаются по шине датчиков и исполнительных устройств. Получается простая и экономически эффективная технология, при которой данные и питание идут в общей среде. AS-Interface предлагает подходящую магистральную систему для этой области применения.

На полевом уровне распределенные устройства, такие как: модули В/В, преобразователи, приводы, анализаторы, клапаны и операторские терминалы, сообщаются с АС посредством мощной системы связи реального времени. Передача данных тех. процесса является циклической, в то время как дополнительные прерывания, конфигурационные и диагностические данные приходят ациклически, по мере необходимости. PROFIBUS удовлетворяет этим критериям и предлагает универсальное решение, как для АСУП, так и для АСУТП.

На секционном уровне программируемые контроллеры (программируемые логические и периферийные контроллеры) обмениваются информацией друг с другом и с информационными офисными системами, используя стандарты Ethernet, TCP/IP, Intranet и Internet. Этот информационный поток требует большого размера пакетов данных и наличия целого ряда мощных коммуникационных функций.

Так же как и PROFIBUS, основанный на Ethernet PROFInet предлагает для этих целей решение, достойное подражания.

Далее будет подробно описан PROFIBUS как центральное связующее звено информационных потоков в индустрии автоматизации. Информацию об AS-Interface смотрите в соответствующей литературе. Затем будет кратко представлен PROFInet.

Полевые шины это промышленные системы связи, использующие для соединения устройств (датчиков, исполнительных устройств, приводов, преобразователей и т.п.) с центральной управляющей системой целый ряд передающих сред, таких как: медный кабель, оптоволокно или беспроводные, с последовательной побитовой передачей. Полевая технология была разработана в 80е годы с целью заменить широко используемое центрально- параллельное соединение (central parallel wiring) и господствующую аналоговую передачу (4-20 мА- или +/- 10V интерфейс) на цифровые технологии. Частично благодаря специфическим требованиям разных отраслей промышленности, а так же предпочтению крупных производителей использовать проприетарные решения, на рынке установились несколько полевых систем с разнообразными свойствами. Ключевые технологии на данный момент закреплены в недавно принятых стандартах IEC 61158 и IEC 61784. PROFIBUS -неотъемлемая часть этих стандартов.

Совсем недавно в промышленной автоматизации появились Ethernet системы связи. Они предлагают широкий диапазон опций для коммуникаций между разными уровнями промышленной автоматики и офисным уровнем. PROFInet это пример Ethernet системы связи.

Необходимость координированной разработки и распространения на рынке этих полевых систем привела к появлению множества Организаций Пользователей, состоящих из производителей, пользователей и учреждений, например Организация Пользователей PROFIBUS (PROFIBUS User Organization, PNO) и ее родительская организация PROFIBUS International (PI) для технологий PROFIBUS и PROFInet.

Выгоды для пользователей являются причиной появления и непрерывного развития полевых технологий. В конечном счете, они проявляются в снижении общей стоимости владения, а так же в повышении производительности и качества во время установки и использования автоматизированного оборудования. Экономическая эффективность достигается на стадиях конфигурации, прокладки кабеля, инженерных работ, документирования, сборки и пусконаладочных работ, так е как и во время собственно производства. Дополнительные выгоды, достигаемые снижением общей стоимости жизненного цикла, принимают форму простоты модификации и непрерывной работоспособности системы за счет регулярной диагностики, превентивного тех.обслуживания, простоты назначения параметров, непрерывности потока данных и управления активами (asset management).

Полевые шины повышают продуктивность и гибкость автоматизированных процессов, по сравнению с традиционными технологиями, и создают базовые предпосылки для конфигурирования распределенных АС.

На сегодняшний день, PROFIBUS используется практически во всех областях автоматизации, в АСУП и АСУТП, а так е в дорожной отрасли, в производстве и распределении энергии.

1.2 Терминология полевой технологии

Сетевая модель ISO/OSI описывает обмен данными между станциями коммуникационной системы. Для эффективной работы комуникационного протокола, необходимо использовать определение правила и интерфейсы передачи. В 1983 г. Международная организация по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO) разработала сетевую модель OSI ("Open Systems Interconnection Reference Model" -базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем). Этот протокол определяет элементы, структуры и задачи, необходимые для обмена информацией, и распределяет их по семи уровням, выстроенным друг над другом (см. рис. 1.2). Каждый уровень должен выполнять определенные функции коммутационного процесса. Если коммутационной системе не требуется какие-то из этих функций, соответствующие уровни можно пропустить. PROFIBUS использует уровни 1, 2 и 7.

Протоколы связи определяют, как две или более станций обмениваются данными, используя фреймы данных. Фрейм данных содержит различные поля для сообщения и управляющей информации. Полю с собственно данными предшествует заголовок (адреса отправителя и получателя, детали последующего сообщения), а за ним идет часть, отвечающая за безопасность данных, содержащая информацию по проверке корректности передачи (идентификация ошибок).

Особенность полевой шины заключается в том, что она позволяет передавать маленькие объемы срочных данных и упрощает процесс передачи.

Управление доступом к шине (MAC, Medium Access Control - управление доступом к среде) это специфическая процедура, которая определяет, в какой момент времени станция может посылать данные. В то время как активные станции могут начинать обмен информацией, пассивные могут выходить на связь только по указанию активной станции.

Рисунок 1.2- Сетевая модель OSI

Различают процедуру управляемого, детерминированного доступа с совместимостью с режимом реального времени (подчиненный-ведущий в PROFIBUS) и процедуру случайного, недетерминированного доступа (CSMA/CD по Ethernet).

Адресация необходима, чтобы уникально и произвольно идентифицировать станцию. Поэтому адреса назначаются либо коммутатором (аппаратные адреса), либо во время назначения параметров в течение пусконаладочных работ (программные адреса).

Коммуникационные сервисы выполняют коммуникационные задания станций во время циклического или ациклического обмена данными. Количество и тип этих сервисов является критерием для области применения того или иного протокола. Различают сервисы с установлением соединения и подтверждениями и без установления соединения. Во вторую группу входят многоадресные и широковещательные сообщения, посылаемые либо определенной группе станций, либо всем станциям одновременно.

Профили используются в технологии автоматизации, чтобы определить специфические свойства и поведение устройств, семейств устройств или целых систем. Только те устройства и системы, что используют вендор-независимые профили, обеспечивают интероперабельность полевой шины, таким образом, используя все преимущества полевой технологии.

Прикладные профили относятся в первую очередь к устройствам (полевым устройствам, элементам управления и средствам интеграции) и включают как согласованный выбор коммуникаций через шины, так и определенное применение устройства. Профили этого типа служат для производителей спецификацией для создания интероперабельных устройств, соответствующих своему профилю. Системные профили описывают классы систем, включая функциональность, программные интерфейсы и средства интеграции.[1]

1.3 Физический уровень

На физическом уровне Profibus DP и FMS используют стандарт RS-485 при скорости передачи до 12 Мбит/с и с размерами сегментов сети до 32 устройств. Количество устройств можно увеличить с помощью повторителей интерфейса.

Особые требования установлены к сетевому кабелю. Он должен иметь волновое сопротивление от 135 до 165 Ом при погонной емкости не более 35 пФ/м, площадь поперечного сечения проводников более 0,34 кв. мм. и погонное сопротивление не более 110 Ом/км. Кабель должен иметь одну или две витые пары с медным экраном в виде оплетки или фольги.

Стандартом для шины Profibus рекомендуется разъем D-sub (DB-9) с 9-ю контактами, цоколевка разъема приведена На устройствах устанавливается разъем с гнездами, на кабеле - со штырьками. При необходимости иметь степень защиты IP65/67 рекомендуется использовать цилиндрический разъем типа M12 (IEC 947-5-2), HAN-BRID или гибридный разъем фирмы Siemens [Profibus].

Таблица 1.1 - Цоколевка разъема DB-9 для Profibus

Контакт	Сигнал	Примечание
1	Shield	Экран
2	M24	-24 В
3	Rx/Tx-DP	Прием/передача данных (положительный вывод, провод B)
4	CNTR-P	Сигнал для управления направлением передачи, положительный вывод
5	DGND	Общий провод данных
6	VP	Напряжение питания, "+"
7	P24	+24 В
8	Rx/Tx-N	Прием/передача данных (отрицательный вывод, провод A)
9	CNTR-N	Сигнал для управления направлением передачи, отрицательный вывод

С обеих сторон линии передачи подключаются согласующие резисторы, которые конструктивно установлены во все сетевые разъемы и подключаются с помощью микропереключателей. При скоростях передачи более 1,5 Мбит/с для согласования линии дополнительно используются плоские (печатные) катушки индуктивности.

Для увеличения дальности передачи в Profibus предусмотрена возможность работы с оптоволоконным кабелем. При использовании стеклянного оптоволокна дальность связи может быть увеличена до 15 км. Оптоволоконные интерфейсы выполняются в виде сменных модулей для контроллеров.

Profibus PA использует физический уровень, соответствующий стандарту IEC 1158-2. Данные передаются с помощью уровней тока +9 мА и -9 мА ("токовая петля"). Используется манчестерский код (логический ноль соответствует смене отрицательного тока на положительный, а логическая единица - положительного на отрицательный). Скорость передачи составляет 31,25 кбит/с, в качестве линии передачи используется витая пара в экране или без него. Один сегмент сети может содержать до 32 устройств. Максимальная длина кабеля достигает 1,9 км. В каждом сегменте с обеих сторон кабеля подключены RC-цепочки, состоящие из последовательно соединенных конденсатора емкостью 1 мкФ и резистора сопротивлением 100 Ом. Благодаря низкой энергии передаваемого сигнала Profibus PA является искробезопасной электрической цепью и может быть использован во взрывоопасных зонах (при наличии разрешения Ростехнадзора на конкретное оборудование).

Для передачи данных используется NRZ-кодирование и 11-битный формат, идентичный формату HART-протокола, включающему стартовый бит ("0"), 8 бит данных младшими разрядами вперед, бит паритета (четный) и стоп-бит ("1"). Бит паритета равен нулю, если количество бит в слове четное и равен единице в противном случае. В слове "11000011" количество единиц четное, поэтому бит паритета устанавливается равным 0. Такой формат используется для всех без исключения слов, включая заголовки сообщений. При передаче слов длиннее 8 бит старший байт отправляется первым, за ним остальные в порядке старшинства.

Несколько лет назад для Profibus была разработана модификация интерфейса RS-485 для взрывоопасных зон, которая получила название "RS-485-IS" ("Intrinsically Safe" - "внутренне безопасный") [Profibus]. Существенным ее отличием является наличие резисторов, ограничивающих ток в линии до значений, установленных стандартом на искробезопасные электрические цепи.[2]

1.4 Международная стандартизация

Вместе с другими полевыми системами, PROFIBUS занесен в стандарт IEC 61158 с 1999 г. В 2002 г. завершились действия по обновлению IEC 61158. В этом стандарте разработки PROFIBUS и PROFInet объединились.

IEC 61158 носит название «Digital Data Communication for Measurement and Control - Fieldbus for Use in Industrial Control Systems» («Цифровая передача данных в Измерении и Управлении -использование полевой шины в промышленный системах управления») и разделен на 6 частей, названных соответственно 61158-1, 61158-2 и т.д. Часть 1 носит вводный характер, в то время как остальные части ориентированы на сетевую модель OSI (уровни 1, 2 и 7); см. таблицу 1.2.

Таблица 1.2- Схема организации IEC 61158

Разные части IEC 61158 определяют, среди прочего, множество сервисов и протоколов для обмена информацией между станциями, считающимися полным доступным множеством, из которого делаются отдельные выборки (подмножества) для отдельных полевых систем.

Факт наличия на рынке широкого спектра различных полевых систем закреплен в IEC 61158 определением 10 типов полевых протоколов, обозначенных соответственно Тип 1, Тип 2 и т.д.

PROFIBUS является Типом 3, а PROFInet - Типом 10.

IEC 61158 отмечает, что связь через шины (по определению) возможна только между теми устройствами, которые используют протоколы одного и того же типа.

IEC 61784 носит название «Profile Sets for Continuous and Discrete Manufacturing Relative to Fieldbus Use in Industrial Control Systems» («Множества профилей для непрерывных и дискретных производств, относящихся к использованию полевой шины в промышленных системах управления»). Связь со стандартом IEC 61158 устанавливается вводным комментарием: «Этот международный стандарт (т.е. IEC 61784) на базе IEC 61158 определяет множество зависящих от протокола коммуникационных профилей, предназначенных для проектирования устройств, используемых в коммуникациях на заводском производстве и в управлении процессами».

IEC 61784 показывает, какие подмножества общего множества сервисов и протоколов, определенных в IEC 61158 (и других стандартах), какими полевыми системами используются. Определенные таким образом в зависимости от полевой шины «коммуникационные профили» сведены в «Семейства коммуникационных профилей» («Communication Profile Families (CPF)») в соответствии с их реализацией в каждой полевой системе.

Таблица 1.3- Свойства Семейства коммуникационных профилей CPF 3

Множества профилей, реализованных в PROFIBUS, обозначены как «Family 3» и имеют подразделы 3/1, 3/2 и 3/3. Таблица показывает их соответствие в PROFIBUS и PROFInet.

2. Краткий обзор PROFIBUS

PROFIBUS это открытая цифровая система связи с широкой областью применения, особенно для автоматизации предприятий и технологических процессов. PROFIBUS подходит, как для быстрых, критичных по времени приложений, так и для сложных коммуникационных задач.

PROFIBUS коммуникации закреплены в стандартах IEC 61158 и IEC 61784. Прикладные и инженерные аспекты освещены в общедоступных руководствах PROFIBUS User Organization. PROFIBUS отвечает требованиям открытости и независимости для производителей и гарантирует возможность коммуникаций между устройствами разных производителей.

2.1 История

История PROFIBUS восходит к венчурному общественному проекту, поддерживаемому государством, который был начат в 1987г. в Германии. В рамках этого рискованного предприятия, компании и институты - всего 21 - объединили свои усилия по созданию стратегического полевого проекта. Целью было создание и утверждение полевой шины побитовой передачи, главным требованием к которой была стандартизация интерфейса полевого устройства. С этой целью, важные компании-члены ZVEI (Центральной ассоциации электрической промышленности) согласились поддержать техническую концепцию автоматизации предприятий и технологических процессов.

Первой мир увидел спецификацию сложного коммуникационного протокола PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification - Спецификация полевых сообщений), который был разработан для коммуникационных задач с высокими требованиями. Следующим шагом стало дополнение этой спецификации более простым и быстрым протоколом PROFIBUS DP (Decentralized Periphery -распределенная периферия). Сейчас этот протокол доступен в трех функционально различных версиях DP-V0, DP-V1 и DP-V2.

2.2 Положение на рынке

Взяв за основу эти два протокола, разрабатывая множество прикладных профилей и быстро растущее количество устройств, PROFIBUS начал свое продвижение сперва в автоматизации предприятий, а с 1995г. в автоматизации процессов. Сегодня, PROFIBUS это лидер мирового рынка полевых технологий, владеющий более чем 20% рынка, примерно 500 000 задействованных прикладных систем и более 5 млн. узлов. Сегодня доступны более 2000 продуктов PROFIBUS от разных производителей.

2.3 Организация

Своим успехом PROFIBUS обязан в равных мерах своей прогрессивной технологии и достижениям его некоммерческой пользовательской организации PROFIBUS User Organisation (PNO), профессионального объединения производителей и пользователей, основанного в 1989г. Вместе с 22 региональными ассоциациями PROFIBUS по всему миру и международной головной организацией PROFIBUS International (PI), основанной в 1995г., эта организация сейчас насчитывает более 1 100 членов во всем мире. Цели заключаются в продолжении дальнейшей разработки технологии PROFIBUS и ее всемирном признании.

Наряду с финансированием большого фронта работ по развитию технологии и ее признанию, PI так же оказывает консультивную и информационную поддержку своим членам (пользователям и производителям) по всему мир, проводит процедуры обеспечения качества, а так же занимается закреплением технологии в международных стандартах.

PI составляет крупнейшую в мире пользовательскую ассоциацию полевых технологий. Она в равной мере олицетворяет перспективность и ответственность: перспективы продолжать создание и внедрение ведущих технологий и ответственность за то, что главы пользовательских организаций не отступятся от своей цели достичь открытости системы и защитить инвестиции. Это обязательство (см. вступление) служит главным принципом всех участвующих.[1]

2.4 PROFIBUS "Tool Box"

PROFIBUS имеет модульную структуру и предлагает целый ряд коммуникационных технологий, множество прикладных и системных профилей, а так же инструментарий для управления устройствами. Поэтому PROFIBUS покрывает различные требования из области автоматизации предприятий и процессов в зависимости от специфики приложения. Количество промышленных объектов с PROFIBUS является доказательством высокой степени внедрения этой полевой технологии.

С технологической точки зрения, нижний уровень структуры системы PROFIBUS (коммуникационный) основан на вышеупомянутой сетевой модели ISO/OSI (см. рис. 3). Описание этапов осуществления обмена информацией намеренно сделано абстрактным, без предоставления деталей содержания и практической реализации. На рисунке 3 представлена реализация в PROFIBUS модели OSI (1, 2 и 7 уровней) с деталями имплементации и спецификации каждого уровня.



Рисунок 2.1-Структура технической системы PROFIBUS

Спецификации по определенным применениям устройств, согласованные между производителями и пользователями, располагаются поверх 7 уровня в прикладных профилях I и II.

Модульная система имеет следующие сквозные черты:\

- функции и инструментальные средства для описания и интеграции устройств;

- ряд стандартов (интерфейсов, главных профилей, системных профилей) которые в первую очередь служат для реализации унифицированных, стандартизированных систем.

С пользовательской точки зрения PROFIBUS представляется в форме компонент различного типичного применения, которые не определены спецификациями, но считаются полезными в силу частого использования. Каждая компонента вытекает из типичной (но не специфически заданной) комбинации модульных элементов и групп технологий передачи данных, коммутируемых протоколов, прикладных профилей. (рис. 4).

PROFIBUS DP это главная компонента автоматизации предприятий; здесь используется технология передачи RS485, один из коммуникационных протоколов DP, один или более прикладных профилей, типичных для автоматизации предприятия, таких как Ident Systems или Robots/NC.

Рисунок 2.2 -Типичные прикладные функциональные возможности PROFIBUS

PROFIBUS PA является главной компонентой автоматизации процессов, обычно с применением технологии передачи MBP-IS, коммуникационного протокола DP-V1 и прикладного профиля PA Devices.

Управление перемещением с PROFI-BUS - главная компонента технологии приводной техники, используется технология передачи RS485, коммуникационный протокол версии DP-V2 и прикладной профиль PROFIdrive.

PROFIsafe используется в приложениях безопасности (одинаково используется практически во всех отраслях промышленности) с технологиями передачи RS485 или MBP-IS, одной из доступных версий протокола DP и прикладным профилем PROFIsafe.

3. Технологии передачи

Для PROFIBUS доступен целый ряд технологий передачи данных.

RS485 - используемая практически повсеместно технология передачи данных. Она использует витую пару и позволяет добиться скорости передачи до 12 Mbit/sec.

Недавно спефицифирована технология RS485-IS с четырех жильным кабелем с категорией взрывозащиты EEx-i для использования на взрывоопасных производствах. Заданные уровни напряжения и тока относятся к максимальным безопасным значениям и не должны превышаться ни в отдельных устройствах, ни во время установления взаимных соединений в системе. В противоположность модели FISCO, в которой, по сути, присутствует только один безопасный источник, в нашем случае все станции являются активными источниками.

Технология передачи MBP (Manchester Coded, Bus Powered, ранее обозначалась "IEC 1158-2 - Physics) используется в автоматизации процессов, требующих питания по шине и искробезопасности устройств. По сравнению с использовавшейся ранее процедурой «Fieldbus Intrinsically Safe Concept» («Концепция искробезопасности полевых устройств», FISCO), которая была разработана специально для соединения искробезопасных полевых устройств, существенно упрощает планирование и установку.

Оптоволоконная передача подходит для использования в районах с высоким уровнем электромагнитных помех, или где требуется сеть на большие расстояния.

3.1 Коммуникационные протоколы

На уровне протокола, PROFIBUS - DP с его версиями с DP-V0 по DP-V2 предлагают широкий спектр опций, позволяющих добиться оптимальных параметров передачи между разными приложениями. Исторически, FMS был первым коммуникационным протоколом PROFIBUS.

FMS (Fieldbus Message Specification - Спецификация сообщений через полевую шину) разработан для связи на уровне секций, где программируемые контроллеры, такие как PLC и PC, сообщаются в основном друг с другом. Он был предшественником PROFIBUS DP.

DP (Decentralized Periphery - Распределенная периферия) это протокол простого, быстрого, циклического и детерминированного обмена данными между ведущим и заданными ведомыми устройствами. Первоначальная версия, обозначенная DP-V0, была расширена до версии DP-V1, включающей ациклический обмен между ведущим (master) и ведомым (slave). Следующая версия DP-V2 обеспечивает связь напрямую между пассивными устройствами с изохронным циклом обмена. Протокол доступа к шине, на 2-м канальном уровне определяет процедуру схемы «главный-подчиненный» и процедуру передачи маркера для координации нескольких главных устройств на шине (рис. 3.1). В задачи 2-го уровня так же входят такие функции, как защита данных и оперирование фреймами данных.

Прикладной уровень, уровень 7 формирует интерфейс к прикладным программам. Он предлагает различные сервисы для циклического и ациклического обмена даными.

Рисунок 3.1- Конфигурация PROFIBUS с активными ведущими и ведомыми устройствами

3.2 PA Devices

Современные обрабатывающие устройства, в сущности, являются интеллектуальными и могут исполнять часть обработки информации или даже брать на себя всю функциональность автоматизированной системы. Профиль PA Devices определяет все функции и параметры для разных классов устройств обработки, типичных для потока сигналов - от сигналов сенсоров до заданных технологических параметров, которые выданы управляющей системе вместе с состоянием измеренных величин..

Профиль PA devices задокументирован в части с общими требованиями, содержащей действительные на данный момент спецификации для всех типов устройств, и в перечне технических характеристик устройств, содержащем согласованные спецификации для определенных классов устройств. Профиль PA device доступен в версии 3.0 и содержит технические характеристики устройств по следующим параметрам:

- давление и перепад давления;

- уровень, температура и скорость потока;

- аналоговые и цифровые входные и выходные сигналы;

- приводы и вентили;

- анализаторы

Блочная модель

В технологической разработке процесса обычно используют блоки для описания характеристик и функций точки замера или точки манипулирования в определенной контрольной точке и для представления автоматизированных приложений в виде комбинации этих типов блоков. Спецификация PA devices использует эту модель функциональных блоков для представления функциональной последовательности, как показано на рис. 3.2.



Рисунок 3.2- Блочная структура полевого многофункционального устройства

коммуникационный полевая шина profibus

Используются следующие три типа блоков:

- физический блок (Phisical Block, PB)PB содержит характерные для устройства данные, такие как имя устройства, производитель, версия и серийный номер и т.п. В ка дом устройстве может присутствовать только один физический блок;

- блок преобразования (Transducer Block, TB) TB содержит все данные, необходимые для обработки сигнала, пришедшего от сенсора для передачи вфункциональный блок. Если обработка не требуется, TB можно опустить;

- многофункциональные устройства с двумя и более сенсорами имеют соответствующее число блоков преобразования;

- блок аналогово ввода (Analog Input Block,AI) AI доставляет данные замера от сенсора или преобразования в управляющую систему;

- блок аналогово вывода (Analog Output Block, AO);

- цифровой ввод (Digital Input, DI) DI доставляет управляющей цифровые данные устройства;

- цифровой вывод (Digital Output,DO) DO предоставляет устройству значения, заданные управляющей системой.

Блоки реализуются производителем как программное обеспечение полевого устройства и в совокупности представляют функциональность устройства. Как правило, в приложении работают вместе несколько блоков на котором изображена упрощенная блочная структура многофункционального устройства.

Конфигурация соответствует разделению цепочки сигналов на два субпроцесса:

а) Функциональность первого субпроцесса «измерение/движение» заключена в блоках преобразования (рис 3.4),

б) Функциональность второго «предварительная обработка данных замера/постобработка параметров настройки» (3.3 рис. - фильтр, контроль предельных значений, безопасное поведение, выбор режима функционирования) заключен в функциональных блоках.

Рисунок 3.3- PROFIdrive, позиционирование с интерполяцией и контролем положения

4. Спецификации профиля PA Devices

Продемонстрировать здесь выбор спецификаций возможно только вкратце. За более подробными деталями обращайтесь к спецификации или соответствующей литературе, например"PROFIBUS PA" (Ch. Diedrich/ Th. Bangemann, Oldenbourg-Industrie-verlag).

Рисунок 4.1-Спецификации функции калибровки

Рисунок 4.2- Специальные функции калибровки и спецификация функции проверки предельных значений

Адресация параметров.

Блок определяется посредством его начального адреса, а параметр - связанным с ним индексом внутри блока; как правило, производитель может свободно их выбирать. Для доступа к параметру (например, с использованием инструментальных средств оператора (operator tool)) структура специфического для устройства блока хранится в каталоге (directory) устройства.

Наборы параметров.

Для полевого устройства в серийном производстве (batch process), профиль позволяет хранить несколько наборов параметров у е во время стадии пусконаладочных работ. Текущий процесс серийного производства (batch process) затем переключается на заданный набор параметров во время функционирования системы.

Модульные устройства

PROFIBUS проводит различие между составным и модульным устройством, в соответствии с чем функциональный блок это «модуль». Профиль PA Device предлагает выбор функциональных блоков. Устройства с сконфигурированной модульностью называются устройствами с переменными параметрами.

Устройства с несколькими переменными процесса.

Все больше устройств обработки предлагают по несколько переменных процесса, например, используя несколько сенсоров или в форме производных переменных. Это учтено в блоке преобразований профиля путем различия между первичной переменной (Primary Value, PV) и вторичной (Secondary Value, SV).

Проверка предельных значений.

Частью обработки информации, перенесенной на устройство, является проверка предельных значений, в связи с чем PA Devices предлагает соответствующий механизм сигнализации, в случаях если пределы значений сигналов или предупредительные установки превышены или, наоборот, занижены.

Состояние значений

К данным замеров добавляется состояние, статус значений, передающий информацию о качестве замеренных величин. Есть три уровня качетва: bad, uncertain и good, с каждым уровнем связана дополнительная информация, поставляемая в субстатусе.

Противоаварийная защита

Профиль PA Device так же предоставляет безопасные характеристики. Если в измерительной цепи происходит отказ, выходы устройства задаются определяемым пользователем значением. Пользователь может выбрать из трех разных типов безопасного поведения. Пожалуйста, обратитесь к соответствующей документации, Руководству PROFIBUS "Profile for Process Control Devices", Order No. 3.042.[3]

Рисунок 4.3 - Цепочка сигналов в профиле PA Device

5. Типы DP-устройств

В зависимости от объема поддерживаемых функций в PROFIBUS DP существует различие между ведущими DP-устройствами различных классов:

а) ведущие DP-устройства класса- 1 Ведущее DP-устройство класса 1 является центральным компонентом PROFIBUS-DP. Оно управляет циклическим обменом данными с ведомыми DP-устройствами;

б) ведущие DP-устройства класса 2 - Приборы этого типа (программаторы, приборы конфигурирования и оперативного управления) используются для запуска, конфигурирования DP-систем и оперативного управления во время нормальной работы системы (например, выполнения диагностики). Ведущие DP-устройства класса 2 способны, например, считывать значения входных и выходных сигналов, диагностических параметров, а также параметры настройки ведомых DP-устройств;

в) ведомые DP-устройства Ведомые DP-устройства производят сбор входной информации, передают эту информацию ведущему DP-устройству, принимают от него значения выходных сигналов и выдают эти сигналы на исполнительные устройства. Объем передаваемой информации зависит от типа ведомого устройства и может достигать 244 байт. Объем функций, поддерживаемых ведущими устройствами классов 1 или 2, а также ведомыми устройствами может быть различным;

г) DP-V0 Ведущее устройство DP-V0 способно поддерживать операции конфигурирования и настройки параметров ведомых DP-устройств, циклически считывать их входные сигналы и записывать в них значения выходных сигналов, производить считывание диагностических данных;

д) ВP- V1 -Ведущие устройства DP-V1 параллельно с циклическим обменом данными способны выполнять асинхронные функции чтения и записи, а также функции подтверждения получения аварийных сообщений. Эти функции позволяют осуществлять асинхронный доступ к параметрам и значениям измеренных параметров ведомых DP-устройств (например, интеллектуальных приборов полевого уровня или устройств человеко-машинного интерфейса). Этот тип ведомых устройств снабжается обширным набором параметров во время запуска и нормальной работы. По сравнению с циклическим обменом данными асинхронный обмен производится гораздо реже и имеет более низкий приоритет. Надежный обмен данными с ведомым DP-устройством по аварийным прерываниям гарантируется использованием механизма подтверждения получения запроса на прерывание;

е) DP-V2 -Ведущие устройства DP-V2 поддерживают функции синхронизации циклов, а также непосредственного обмена данными между ведомыми DP-устройствами.

Синхронизация циклов выполняется с помощью специального синхронизирующего сигнала. Этот циклический сигнал передается через сеть как глобальное сообщение ведущего DP-устройства для всех ведомых устройств. Периоды формирования сигналов синхронизации в различных циклах работы сети могут отличаться друг от друга не более чем на 1 мкс;

Ж) непосредственный обмен данными между ведомыми DP-устройствами Непосредственный обмен данными между ведомыми DP-устройствами базируется на использовании модели издателя/ подписчика. Ведомые устройства-издатели делают свои входные данные (эквивалент фрейма ответа ведущему DP-устройству) доступными для чтения ведомым устройствам-подписчикам. Обмен данными между ведомыми устройствами осуществляется циклически.



Рисунок 5 - Типы DP устройств

6. Коммуникационные функции

Протокол PROFIBUS FMS используется для организации обмена данными между программируемыми контроллерами или между программируемыми контроллерами и промышленными или офисными компьютерами. PROFIBUS FMS обеспечивает поддержку следующих функций связи. PG/OP функции связи

Встроенные коммуникационные функции, обеспечивающие возможность обмена данными между системами автоматизации SIMATIC и приборами человеко-машинного интерфейса (SIMATIC TD/ OP/ TP/ MP), а также программаторами SIMATIC PG (STEP 7).

PG/OP функции связи поддерживаются в сетях MPI, PROFIBUS и Industrial Ethernet.

S7-Routing Процедуры S7-Routing обеспечивают “прозрачность” сети и позволяют использовать PG функции связи для организации связи в пределах взаимосвязанных сетей. S7 функции связи Встроенные коммуникационные функции, используемые для оптимизированного обмена данными между системами автоматизации SIMATIC S7/C7, а также обмена данными с компьютерами и рабочими станциями. Объем передаваемых данных на одну задачу может достигать 64 Кбайт.

S7 функции связи поддерживают мощный набор коммуникационных служб и программируемый интерфейс передачи данных через сети MPI, PROFIBUS и Industrial Ethernet.

Функции S5-совместимой связи (SEND/RECEIVE) Интерфейс SEND/RECEIVE (в случае использования протокола FDL) позволяет организовать обмен данными между программируемыми контроллерами SIMATIC S7 и SIMATIC S7, обеспечивая поэтапный переход к контроллерам SIMATIC S7. Функции S5-совместимой связи поддерживаются в сетях PROFIBUS и Industrial Ethernet.

Стандартные функции связи обеспечивают поддержку стандартных протоколов обмена данными.

Протокол PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification) обеспечивает возможность организации обмена данными между различными системами автоматизации (например, контроллерами, компьютерами) различных производителей. Одна система автоматизации способна поддерживать до 16 логических соединений. Кроме того, обеспечивается возможность обмена данными с приборами полевого уровня, оснащенными интерфейсом FMS. FMS функции READ, WRITE и INFORMATION REPORT позволяют производить из программы пользователя чтение/ запись переменных партнера по связи с использованием индексов или имен переменных, а также передавать собственные переменные партнеру по связи. Обеспечивается поддержка частичного доступа к переменным. Коммуникационные задачи обрабатываются с использованием асинхронных соединений (ведущее/ ведущее устройство, ведущее/ ведомое устройство), асинхронных соединений, инициируемых ведомыми устройствами, а также циклических соединений (ведущее/ ведомое устройство). Функция INFORMATION REPORT может использоваться для передачи широковещательных сообщений, адресованных всем сетевым узлам. Функция IDENTIFY позволяет идентифицировать партнера по связи, а функция STATUS - определить его текущее состояние. OPC сервер Базовым принципом OPC (OLE for Process Control) является организация связи между приложениями, выполняющими функции OPC клиентов, и OPC сервером через стандартный, открытый, не зависящий от производителя интерфейс. Через интерфейс OPC XML DA возможна организация связи через Internet. Соответствующие OPC серверы включаются в комплект поставки коммуникационного программного обеспечения. Подключение к PROFIBUS Подключение систем автоматизации к сети PROFIBUS выполняется через коммуникационные процессоры (CP), обеспечивающие автономное обслуживание коммуникационных задач. [5]

Рисунок 6 - Коммуникационные функции и обмен данными

7. Сеть Profibus-dp

7.1 Технология сетей PROFIBUS

Технологии сетей PROFIBUS (Siemens) подразделяются на 3 протокола: DP, FMS и PA. Profibus-DP оптимизирован для быстрого обмена данными между системами автоматизации и децентрализованной периферией. FMS-сервисы (Fieldbus Message Specification) обеспечивают большую гибкость при передаче больших объемов данных. Profibus-DP и Profibus-FMS (стандарт EN 50170) применяют одинаковую технику передачи и единый протокол доступа к шине и поэтому могут работать через общий кабель. PROFIBUS-PA - специальная концепция, позволяющая подключать датчики и приводы, находящиеся во взрывоопасной зоне.

Физический уровень реализован по протоколу RS485 с соответствующими ограничениями по скорости и расстоянию. (Могут использоваться также волоконно-оптические или беспроводные каналы связи). Физически система PROFIBUS состоит из нагруженной с двух сторон активной линии - шинной структуры, которая обозначается, как сегмент шины RS485. Предельные параметры сети приведены в табл.7. К кабельному сегменту можно по стандарту RS-485 подключить до 32 устройств. Стандартные скорости: 9.6 кбит/с, 19.2 кбит/с, 45.45 кбит/с, 93.75 кбит/с, 187.5 кбит/с, 500 кбит/с, 1.5 Мбит/с, 3 Мбит/с, 6 Мбит/с или 12 Мбит/с.

Таблица 7.1

Топология	Общая шина или древовидная с использованием повторителей
Линия связи	Экранированная витая пара
Длина кабельных сегментов	1000м для скорости 187,5 кбит/с 400 м для скорости 500 кбит/с 200 м для скорости 1,5 Мбит/с 100 м для скорости 3,6 и 12 Мбит/с
Количество последовательно подключенных повторителей	Не более 9
Количество узлов	Не более 32 на кабельном сегменте, не более 127 в сети с повторителями

В сетях PROFIBUS используются методы доступа “Token Bus" (сеть с передачей маркера или маркерное кольцо) для активных станций и “Master-Slave" (Ведущий-Ведомый) - для пассивных. Алгоритм доступа не зависит от конкретной среды передачи данных и реализуется следующим образом:

Все активные узлы (ведущие) формируют логическое маркерное кольцо, имеющее фиксированный порядок, при этом каждый активный узел "знает" другие активные узлы и их порядок в логическом кольце (порядок не зависит от расположения активных узлов на шине).

Право доступа к каналу передачи данных, так называемый “маркер”, передаётся от активного узла к активному узлу в порядке, определяемом логическим кольцом.

Если узел получил маркер (адресованный именно ему), он может передавать пакеты. Время, отпущенное ему на передачу пакетов, определяется временем удержания маркера. Как только это время истекает, узлу разрешается передать только одно сообщение высокого приоритета. Если такое сообщение отсутствует, узел передаёт маркер следующему узлу в логическом кольце. Маркерные таймеры, по которым рассчитывается максимальное время удержания маркера, конфигурируются для всех активных узлов.

Если активный узел обладает маркером и для него сконфигурированы соединения с пассивными узлами (соединения "ведущее устройство - ведомое устройство"), производится опрос пассивных узлов (например, считывание значений) или передача данных на эти устройства (например, передача команд).

Пассивные узлы никогда не принимают маркер.

При инициализации сети каждому узлу назначается адрес в диапазоне 0-126. Активные узлы, подключенные к PROFIBUS, упорядочены по возрастанию их адреса в логическом маркерном кольце. Время одного обращения маркера через всех активных участников называется временем обращения маркера. Устанавливаемое заданное время обращения маркера Ttr (Time target rotation) определяет максимально разрешенное время обращения маркера.

Адреса всех имеющихся на шине активных узлов заносятся в LAS (List of Active Station - список активных станций). Для управления маркером при этом особенно важны адреса предыдущей станции PS (Previous Station), от которой маркер поступает, и следующей станции NS (Next Station), которой маркер передается. LAS также нужен, чтобы при текущей работе исключать из кольца вышедших из строя или дефектных активных участников и, соответственно, принимать вновь появившихся участников без помех текущему обмену данными по шине.

Метод Master-Slave дает возможность мастеру (активному узлу), который имеет право прямой передачи, опрашивать назначенных ему Slaves (пассивных узлов). Мастер при этом имеет возможность передавать и принимать сообщения от Slave. Цикл обмена между DP-Master и одним DP-Slave состоит из кадра запроса (Request Frame), отправляемого DP-Master, и передаваемого DP-Slave ответа или кадра подтверждения (Response Frame).

7.2 Инициализация сети

При инициализации сети должны согласовано задаваться различные временные параметры, необходимые для контроля работы сети по тайм-аутам. При обмене данными DP-Slave реагирует на кадры-запросы Data_Exchange DP-Master (класс 1), который его параметрировал и конфигурировал. Другие сообщения DP-Slave не обрабатывает. Внутри пользовательских данных нет дополнительных управляющих или структурных элементов для описания передаваемых данных, то есть передаются чистые пользовательские данные. С помощью кадров запрос-ответ можно обмениваться данными между DP-Master и DP-Slave в обоих направлениях объемом до 244 байт. Форматы кадров канального уровня:

Кадр с фиксированной длиной

SD1	DA	SA	FC	FCS	ED

Кадр с фиксированной длиной поля данных

SD3	DA	SA	FC	Data unit (l=3 байта)	FCS	ED

Кадр с переменной длиной поля данных

SD3	LE	LEr	DA	SA	FC	Data unit (l=0-244 байта)	FCS	ED

Кадр-token (маркер)

SD4	DA	SA

Здесь:

- SC (Single Character) отдельный символ, используется только для квитирования (SC = E5h);

- SD1-SD4 (Start Delimiter) стартовый байт для отличия различных форматов (SD1 = 10h, SD2 = 68h, SD3 = A2h, SD4 = DCh);

- LE / LEr (LEngth) байт длины, указывает длину информационных полей для кадров с переменной длиной;

- DA (Destination Adress) байт адреса узла - приемника;

- SA (Source Adress) байт адреса узла - источника;

- FC (Frame Control) контрольный байт содержит информацию о службе для данного сообщения и приоритет сообщения;

- Data Unit поле данных, может также содержать возможные расширения адреса;

- FCS (Frame Check Sequence) проверочный байт, содержит контрольную сумму;

- ED (End Delimiter) оконечный байт, указывает на завершение кадра (ED = 16h).

При приеме кадров могут быть распознаны следующие ошибки:

- ошибки символьного формата (четность, переполнение, ошибка кадра);

- ошибки протокола;

- ошибки разделителей начала и окончания;

- ошибки байта проверки кадра;

- ошибки длины кадра.

Кадр, у которого обнаружена ошибка, повторяется, по крайней мере, один раз. Имеется возможность повторять кадры до 8 раз (шинный параметр Retry). Наряду с передачей данных "точка-точка", могут осуществляться также передачи во многие точки Broadcast и Multicast. При коммуникациях Broadcast активный участник посылает сообщение всем остальным участникам (Master и Slave). Прием данных не квитируется. При коммуникациях Multicast активный узел посылает сообщение группе участников (Master и Slave). Прием данных также не квитируется.

В некоторых случаях необходимо, чтобы шинный цикл DP по времени оставался постоянным (рис.7) и, следовательно, обмен данными должен происходить строго периодически. Это находит применение, например, в технике электроприводов для самосинхронизации нескольких приводов. В отличие от нормального DP цикла при постоянном по времени цикле в DP-Master резервируется определенная часть времени для ациклической передачи данных. Постоянный по времени DP-цикл может быть установлен только в системе с одним мастером.



Рисунок 7 - Циклический обмен в PROFIBUS DP

При спроектированной перекрестной связи DP-Slave отвечает не кадром one-to-one (Slave > Master), а специальным кадром one-to-many (Slave > m). Таким образом, входные данные Slave, содержащиеся в ответном кадре, предоставляются не только соответствующему мастеру, но и всем узлам шины.

Интерфейс PROFIBUS DP в функциональных модулях SIMATIC S7 (Siemens) может поддерживаться встроенными интерфейсами модулей, с помощью дополнительных интерфейсных DP-модулей или коммуникационных процессоров.

7.3 PROFIBUS-FMS

Службы с различными алгоритмами обмена данными (вызываются через точки доступа к службе SAP (Service Access Point) из вышестоящего уровня. В PROFIBUS-FMS используются эти точки доступа для адресации логических коммуникационных связей. В PROFIBUS-DP и PA применяемые точки доступа строго упорядочены. У всех активных и пассивных участников можно использовать параллельно несколько точек доступа. Различаются точки доступа источника SSAP (Source Service Access Point) и точки доступа цели DSAP (Destination Service Access Point).

DP-Slave в системе SIMATIC S7 (Siemens) по структуре и функциям подразделяются на 3 группы:

Компактные DP-Slave, модули с фиксированной структурой портов ввода/вывода, доступных для передачи данных.

Модульные DP-Slave,. модули с программируемой структурой портов ввода/вывода, доступных для передачи данных.

Интеллектуальные DP-Slave (I-Slave), как правило, контроллерные модули с передачей данных не из портов ввода/вывода, а из доступного в PROFIBUS адресного пространства ОЗУ.

Для решения типовых коммуникационных задач в PROFIBUS используются профили, объединяющие в единый комплекс необходимый набор сетевых средств. Профили также указывают набор коммуникационных функций, которые должны поддерживать используемые технические средства.

Для PROFIBUS FMS определены следующие профили:

Коммуникации между контроллерами (профиль 3.002). Этот коммуникационный профиль устанавливает, какие FMS-службы применяются для коммуникаций между контроллерами (PLC). Установлены службы, параметры и типы данных, которые каждый PLC должен поддерживать.

Профиль для автоматизации зданий (профиль 3.011). Это отраслевой (специализированный) профиль и основа для многих открытых стандартов в автоматизации зданий. Описывает, как осуществляется обмен, управление, регулирование, обслуживание, обработка и архивирование сигналов в системах автоматизации зданий через FMS.

Коммутационные низковольтные приборы (профиль 3.032) Этот профиль определяет алгоритмы работы низковольтных коммутационных приборов при коммуникациях через FMS.

7.4 PROFIBUS-DP

Установлены следующие профили PROFIBUS-DP:

Профиль NC/RC (профиль 3.052). Профиль описывает управление и обслуживание роботов через PROFIBUS-DP. На основании конкретной блок-схемы алгоритма описывается движение и программное управление роботом.

Профиль Encoder для преобразователя угол-код (профиль 3.062). Профиль описывает подключение Encoder к PROFIBUS-DP. Определены основные и дополнительные функции такие, как масштабирование сигналов и расширенная диагностика.

Профиль для приводов с изменяемым числом оборотов (профиль 3.072). Ведущие производители приводов разработали общий PROFIDRIVE-профиль. Профиль устанавливает, как приводы параметрируются и передают заданные и истинные значения, содержатся необходимые установки для вида работы регуляторов скорости и позиционирования. Профиль устанавливает основные функции приводов и дает свободное пространство для пользовательских расширений. Профиль содержит описание пользовательских функций DP или альтернативных функций FMS.