Profibus w sieciach przemysłowych

Profibus jest jednym z najpopularniejszych standardów sieci przemysłowych czasu rzeczywistego. Komunikacja odbywa się na zasadzie master/slave lub master/master i może obejmować do 127 urządzeń na jednej magistrali.

Profibus został opracowany przez firmę SIEMENS z przeznaczeniem do wykorzystania w rozproszonych systemach sterowania oraz nadzoru. Jej elastyczność pozwala połączyć odmienne pod względem funkcjonalności i architektury urządzenia różnych producentów. Węzłami sieci mogą być zarówno proste urządzenia wejścia/wyjścia analogowe i cyfrowe, czujniki lub elementy wykonawcze, jak i komputery, sterowniki swobodnie programowalne, falowniki, czy też terminale operatorskie. Zadaniem sieci jest efektywne przekazywanie dużej ilości krótkich informacji, przy zachowaniu deterministycznego czasu przesyłania danych.

Protokół komunikacyjny w sieci Profibus 

Protokół komunikacyjny sieci Profibus definiuje norma DIN 19 245, która opisuje warstwę fizyczną, liniową i aplikacyjną (opcjonalnie)  siedmiowarstwowego modelu ISO/OSI. Użytkownicy (wykonywane programy) korzystają z sieci wywołując usługi warstwy aplikacyjnej lub liniowej. Warstwa liniowa odpowiada za niezawodne przekazywanie komunikatu z odpowiedzią lub potwierdzeniem odbioru oraz przekazywanie komunikatu bez potwierdzenia, w tym rozgłaszanie (ang. broadcast). Usługi warstwy aplikacyjnej udostępniają obiekty programowe zdefiniowane w innych węzłach sieci (zmienne, zdarzenia, programy) oraz umożliwiają bezpołączeniowe przekazywanie wartości zmiennych i zdarzeń do odbiorców wykonywanych w wielu węzłach.

Rys.1 Model sieci Profibus DP i FMS z uwzględnieniem warstw wg. standardu ISO/OSI.

W standardzie Profibus zdefiniowano trzy profile komunikacyjne:

• FMS 
• DP
• PA 

Określają one mechanizmy współpracy protokołu komunikacyjnego z medium transmisyjnym, co zapewnia niezależność pracy aplikacji od zastosowanych w systemie urządzeń. Pełna kompatybilność urządzeń pochodzących od różnych producentów wymaga określenia ich struktury w każdym profilu aplikacyjnym. Twórcy standardu opracowali uniwersalny opis urządzeń,
wykorzystywanych w zarządzanym poprzez Profibus systemie sterowania, oparty na elektronicznych notach katalogowych. Wszystkie informacje na temat wbudowanego interfejsu Profibus, adresy wewnętrznych portów dostępnych poprzez Profibus, relacje pomiędzy urządzeniami, a także numer identyfikacyjny zapisane są w pliku z rozszerzeniem GSD, opisującym dane urządzenie.

Poniżej skrótowo przedstawione zostaną poszczególne profile komunikacyjne sieci Profibus i ich zastosowania.

Profibus DP 

Profibus DP wykorzystywany jest do bardzo szybkiej obsługi zdecentralizowanych urządzeń we/wy z krótkimi paczkami danych (np. sterowanie wieloma serwonapędami).

Struktura sieci Profibus DP może zawierać wiele węzłów nadrzędnych pierwszego rodzaju (ang. DP-Master Class 1) oraz opcjonalnie węzeł nadrzędny drugiego rodzaju (ang. DPMaster Class 2), pracujący jako programator sieci lub stacja konfiguracyjno-diagnostyczna. Prawo nadawania i odbierania komunikatów przez określony czas posiada węzeł nadrzędny, który w danej chwili przejął umowny znacznik (ang. token). Wymagania odnośnie szybkości transmisji ograniczają do trzech liczbę węzłów nadrzędnych DP (podsieci DP), pracujących na wspólnym kablu.

Każdy węzeł podrzędny może być jednak odpytywany tylko przez jeden węzeł nadrzędny DP. Fizyczna konfiguracja sieci obok węzłów nadrzędnych Profibus DP może zawierać również węzły Profibus FMS, wykorzystujące ten sam kabel zgodnie ze znacznikowym protokołem dostępu. Podsieci DP podporządkowane różnym węzłom nadrzędnym muszą być logicznie rozłączne wzajemnie oraz względem podsieci FMS. Jedynie węzeł nadrzędny DP drugiego rodzaju może być użyty do konfigurowania wszystkich węzłów DP w sieci. Węzły sieci Profibus dzielące ten sam kabel objęte są spójnym systemem adresowania. Łączna liczba węzłów dołączonych do wspólnego kabla nie może przekraczać 126.

Warstwa fizyczna w sieci Profibus DP - RS485

Warstwa fizyczna sieci Profibus DP oparta jest o interfejs szeregowy RS-485. Podstawową strukturę magistrali tworzy liniowy segment kabla w postaci skrętki, która może być dodatkowo ekranowana dla zwiększenia odporności na zakłócenia elektromagnetyczne. Dopasowanie impedancyjne toru transmisyjnego zapewniają rezystory dopasowujące linii (ang. terminator).

Prędkość transmisji w sieci Profibus DP zależy od dlugości linii oraz jakości zastosowanego przewodu. Przykładowo dla ekranowanej skrętki o przekroju przewodu 0,34mm^2 zależność ta wygląda następująco:

Tab.1 Zależność prędkości transmisji od długości linii.

W danym przedziale czasu prawo nadawania posiada tylko jeden węzeł nadrzędny, zaś pozostałe znajdują się w stanie wysokiej impedancji. Układy nadajników powinny być zabezpieczone przed uszkodzeniem w przypadku kolizji (jednoczesne nadawanie przez wiele węzłów). Dodatkowe, opcjonalne zabezpieczenie nadajników i odbiorników zapewnia izolacja galwaniczna węzłów i kabla.

Specyfikacja sprzęgu RS-485 pozwala zastosować w pojedynczym segmencie sieci do 32 standardowych węzłów, wnoszących maksymalne obciążenie określone przez pojedynczy nadajnik  0,1 mA, oraz 1 mA  odbiornik. Zastosowanie układów wnoszących mniejsze obciążenie, pozwala na zwiększenie do 128 liczby węzłów w pojedynczym segmencie sieci.

Sieć może być zbudowana z wielu segmentów, połączonych ze sobą wzmacniaczami linii (ang. repeater). Pomiędzy dwoma dowolnymi węzłami nie może znajdować się jednak więcej niż trzy standardowe wzmacniacze linii. Stąd maksymalny rozmiar sieci o topologii magistralowej zgodnej z RS-485 nie przekracza czterech segmentów. Sieć może być budowana według topologi magistralowej, drzewiastej lub gwiazdowej.

Typy złącz i pinologia w sieci Profibus 

W standardzie RS-485 obowiązują złącza przyłączeniowe typu DB-9, przy czym gniazda powinny być instalowane w węzłach, a wtyki na przewodach doprowadzających. Występują złącza przyłączeniowe pojedyncze (np. dla urządzenia DCE końcowego) i rozgałęzione, przesyłające dane do dalszych urządzeń.

 Rys.2 Przykładowe złącza w sieci Profibus (rozgałęzione i pojedyńcze).

Minimalne okablowanie sieci składa się z pary przewodów przenoszących sygnały RxD/TxD (Tab.2 linie nr 3 i 8). Pozostałe sygnały są opcjonalne. Przykładowo wyprowadzenie VP służy do zasilania rezystorów dopasowujących linii i powinno zostać zastosowane w złączach skrajnych węzłów segmentu. 

Tab.2 Rozkład sygnałów na złączu typu DB-9 w sieci PROFIBUS.

Kabel sieciowy nie musi być koniecznie ekranowany. W przypadku gdy jest to wymagane, ekran kabla powinien być połączony z metalową obudową każdego węzła poprzez przewodzącą obudowę wtyku. Jeśeli obudowa złącza nie zapewnia galwanicznego połączenia, to ekran kabla może być połączony z obudową węzła poprzez styk nr 1 złącza. Bity danych  są przesyłane w sieci napięciem różnicowym występującym między liniami RxD/TxD-P i RxD/TxD-N.
Dodatnie napięcie stałe, występujące między tymi liniami przez czas nadawania jednego bitu, interpretowane jest jako 1 logiczna. Napięcie ujemne utożsamiane jest z 0 logicznym. 1 logiczna jest stanem spoczynkowym linii, który muszą zapewnić rezystory dopasowujące linii.

Profibus FMS 

Standard FMS (ang. Fieldbus Message Specification) służy do przesyłania większej liczby danych procesowych pomiędzy stacjami takimi jak sterowniki PLC, stacje operatorskie, programatory, urządzenia zabezpieczające oraz komputery PC.

Opiera się na strukturze Client-Server (Token passing), co powoduje, że w jednej sieci może komunikować się większa ilość stacji (struktura multimaster). Profibus FMS definiuje warstwę aplikacyjną modelu ISO/OSI. Usługi tej warstwy umożliwiają użytkownikowi dostęp do obiektów programowych istniejących w innych węzłach sieci, takich jak zmienne, tablice i rekordy.

Profibus PA

Standard PA wykorzystywany jest w automatyce procesowej, często uwzględniającej większe wymogi bezpieczeństwa. Połączenia zrealizowane są zgodnie ze standardem IEC 1158–2, który pozwala na zastosowanie sieci w środowisku niebezpiecznym (np. zagrożonym wybuchem). Do transmisji danych oraz zasilania czujników i układów wykonawczych wykorzystywane są te same przewody. Szybkość transmisji ograniczona została do 31,25 kbit/s. Do pojedynczego segmentu kabla dołączyć moŜna do 32 urządzeń. W aplikacjach opartych na profilu PA najczęściej stosowany jest profil komunikacyjny DP. Poprzez odpowiednie sprzęgi możliwe jest również połączenie sieci Profibus PA z siecią Profibus FMS.

Pełną specyfikację i opis standardu Profbus można pobrać stąd:  PROFIBUS - specyfikacja (PL) (1.93 MB)

Żródła:

www.profibus.com

www.profibus.org.pl