Промышленные сети profibus реферат

Обновлено: 05.07.2024

Сеть Profibus (как и другие описанные здесь промышленные сети, кроме Industrial Ethernet) использует только первый и второй уровни модели OSI. Один из вариантов сети, Profibus FMS, использует также уровень 7.

Profibus имеет три модификации: Profibus DP, Profibus FMS и Profibus PA.

Profibus DP (Profibus for Decentralized Peripherals - "Profibus для децентрализованной периферии") использует уровни 1 и 2 модели OSI, а также пользовательский интерфейс, который в модель OSI не входит. Непосредственный доступ из пользовательского приложения к канальному уровню осуществляется с помощью DDLM (Direct Data Link Mapper - "прямой преобразователь для канального уровня"). Пользовательский интерфейс обеспечивает функции, необходимые для связи с устройствами ввода-вывода и контроллерами. Profibus DP в отличие от FMS и PA построен таким образом, чтобы обеспечить наиболее быстрый обмен данными с устройствами, подключенными к сети.

Profibus FMS (Profibus с FMS протоколом) использует уровень 7 модели OSI и применяется для обмена данными с контроллерами и компьютерами на регистровом уровне. Profibus FMS предоставляет большую гибкость при передаче больших объемов данных, но проигрывает протоколу DP в популярности вследствие своей сложности.

Profibus FMS и DP используют один и тот же физический уровень, основанный на интерфейсе RS-485 и могут работать в общей сети.

В последние годы появился стандарт PROFInet, который основан на Industrial Ethernet и технологиях COM, DCOM. Он легко обеспечивает связь промышленной сети Profibus с офисной сетью Ethernet.

Profibus является многомастерной сетью (с несколькими ведущими устройствами). В качестве ведомых устройств выступают обычно устройства ввода-вывода, клапаны, измерительные преобразователи. Они не могут самостоятельно получить доступ к шине и только отвечают на запросы ведущего устройства.

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.

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.

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

· в процессе коммуникации между ведущими устройствами необходимо обеспечить выполнение каждым из них своей задачи в течение заранее определенного интервала времени;

· взаимодействие ведущих устройств (контроллеров) с ведомыми должно происходить максимально быстро.

В сети Profibus для доступа ведущих устройств к сети используется метод передачи маркера. В этом методе сеть имеет логическую топологию кольца (т. е. кольца на уровне адресов устройств) и каждое ведущее устройство получает доступ к сети только при получении маркера. Маркер выполняет роль арбитра, который предоставляет устройству право доступа. По истечении определенного времени это устройство должно передать маркер следующему ведущему устройству, которое получает доступ также на время, пока маркер находится у него. Таким образом, каждому ведущему устройству выделяется точно заданный интервал времени. Этот интервал может быть установлен при конфигурировании системы.

Каждому мастеру в сети назначаются свои ведомые устройства. В методе "ведущий/ведомый" процедуру коммуникации с ведомыми устройствами выполняет мастер, который обладает маркером. На время обладания маркером мастер становится ведущим также по отношению к другим мастерам, т.е. может выполнять с ними коммуникацию типа "мастер-мастер".

В задачи объекта MAC активного устройства (получившего маркер) входит обнаружение наличия или отсутствия маркера сразу после начала работы сети, передача маркера следующему устройству в порядке возрастания адресов, удаление адресов вышедших из строя или выключенных устройств и добавление новых, восстановление потерянного маркера, устранение дубликатов маркеров, устранение дублирования сетевых адресов и обеспечение заданного периода обращения маркера по сети.

CAN (Controller Area Network - "область, охваченная сетью контроллеров") представляет собой комплекс стандартов для построения распределенных промышленных сетей, который использует последовательную передачу данных в реальном времени с очень высокой степенью надежности и защищенности. Центральное место в CAN занимает протокол канального уровня модели OSI. Первоначально CAN был разработан для автомобильной промышленности, но в настоящее время быстро внедряется в область промышленной автоматизации. Это хорошо продуманный, современный и многообещающий сетевой протокол. Начало развития CAN было положено компанией Bosch в 1983 г., первые микросхемы CANконтроллеров были выпущены фирмами Intel и Philipsв 1987 году, в настоящее время контроллеры и трансиверы CAN выпускаются многими фирмами, в том числе Analog Devices, Inc., Atmel Corp. Cast, Dallas Semiconductor, Freescale, Infineon, Inicore Inc., Intel, Linear Technology, Maxim Integrated Products, Melexis, Microchip, National Semiconductor, NXP, OKI, Renesas Technology Corp., STMicroelectronics, Yamar Electronics, Texas Instruments.

В России интерес к CAN за последние годы сильно возрос, однако контроллерного оборудования для CAN в России крайне мало, в десятки или сотни раз меньше, чем для Modbus или Profibus. Среди протоколов прикладного уровня для работы с CAN наибольшее распространение в России получили CANopen и DeviceNet.

В настоящее время CAN поддерживается 11-ю стандартами ISO, в том числе.

CAN охватывает два уровня модели OSI: физический и канальный (табл. 2.7). Стандарт не предусматривает никакого протокола прикладного (7-го) уровня модели OSI. Поэтому для его воплощения в жизнь различные фирмы разработали несколько таких протоколов: CANopen (организации CiA), SDS (фирмы Honeywell Micro Switch Division), CAN Kingdom (фирмы Kvaser), DeviceNet (фирмы Allen-Bradley, ставший Европейским стандартом в 2002 г.) и ряд других.

CAN характеризуется следующими основными свойствами:

· гарантированная величина паузы между двумя актами обмена;

· гибкость конфигурирования и возможность модернизации системы;

· непротиворечивость данных на уровне всей системы;

· допустимость нескольких ведущих устройств в сети ("многомастерная сеть");

· способность к обнаружению ошибок и сигнализации об их наличии;

· автоматическое различение сбоев и отказов с возможностью автоматического отключения отказавших модулей.

К недостаткам можно отнести сравнительно высокую стоимость CAN-устройств, отсутствие единого протокола прикладного уровня, а также чрезмерную сложность и запутанность протоколов канального и прикладного уровня, изложенных в стандартах организации CAN in Automation (CiA).

Физический уровень модели OSI обеспечивает надежную передачу битов, игнорируя содержание передаваемой информации. Основными понятиями физического уровня являются линии передачи (в большинстве случаев это витая пара, хотя допускается использовать плоский кабель или один провод и "корпусную землю", оптоволокно, радиоканал), временные диаграммы, система синхронизации, формат данных, обеспечение достоверности передачи (контрольная сумма, методы кодирования, обнаружение и восстановление ошибок). Характеристики передатчика и приемника стандартом не устанавливаются, поскольку они могут быть выбраны для каждого конкретного случая исходя из требований применения.

Кабель витой пары в сети CAN должен иметь общий (третий) провод; на обоих концах витой пары должны быть согласующие резисторы, сопротивление которых равно волновому сопротивлению кабеля. Максимальная длина кабеля составляет 1 км. Для увеличения длины, количества узлов или гальванической развязки могут быть использованы повторители интерфейса, сетевые мосты и шлюзы.

Витая пара может быть в экране или без, в зависимости от электромагнитной обстановки. Топология сети должна быть шинной, максимальная длина отвода от шины при скорости передачи 1 Мбит/с не должна превышать 30 см. Длину отвода можно рассчитать по формуле

где - длительность переднего фронта передатчика. Основные требования к линии передачи и ее характеристикам близки к RS-485, однако в передатчиках CAN есть режим управления длительностью фронтов импульсов. Управление выполняется путем заряда емкостей затворов выходных транзисторов от источников тока, при этом величина тока задается внешним резистором. Увеличение длительности фронта позволяет снизить требования к согласованию линии на низких частотах, увеличить длину отводов и ослабить излучение электромагнитных помех.

Выводы "земли" всех передатчиков сети должны быть соединены (если интерфейсы гальванически не изолированы). При этом разность потенциалов между выводами заземлений не должна превышать 2 В. Гальваническая изоляция рекомендуется при длине линии более 200 м, но не является обязательным требованием стандарта.

Для электрического соединения устройств с CAN интерфейсом стандарт предусматривает два варианта. Первый вариант состоит в применении Т-образных разветвителей, которые состоят из трех 9-штырьковых разъемов D-sub, расположенных в одном корпусе, одноименные контакты которых соединены между собой. Разветвители имеют один разъем со штырьками и два - с гнездами.

Второй вариант требует наличия в каждом CAN-устройстве двух разъемов. Для включения устройства в сеть кабель разрезают и на его концах устанавливают ответные части разъемов. Устройство включается буквально в разрыв линии передачи. Такой подход позволяет наращивать количество устройств и изменять топологию сети путем добавления в разрыв кабеля новых устройств и кабеля с разъемами на концах. Один из разъемов должен быть со штырьками, второй - с гнездами. Подключение устройств к шине без разъемов не допускается. Согласующий резистор должен располагаться внутри разъема, который подключается к концу кабеля. Для присоединения модулей к CAN-шине должен использоваться 9-штырьковый разъем типа D- Sub. На модуле устанавливается разъем с гнездами, на соединяющем кабеле - со штырьками.

Применение разъемов со штырьками или гнездами определяется следующим правилом: при "горячей" замене модулей питание должно оставаться только на разъемах с гнездами; это позволяет избежать случайного короткого замыкания.

Отметим, что в основанном на CAN стандарте CANopen предусмотрено гораздо большее разнообразие вариантов разъемов, в том числе для плоского кабеля, RJ-10, RJ45, разъемный винтовой клеммник, и еще около десяти вариантов специальной конструкции. Допускается применение и других разъемов.

Стандарт устанавливает следующие скорости обмена: 1 Мбит/с, 800 кбит/с, 500 кбит/с, 250 кбит/с, 125 кбит/с, 50 кбит/с, 20 кбит/с. CAN-модули могут поддерживать не все скорости, но желательно, чтобы их количество было наибольшим.

CAN передатчик имеет очень важное свойство: если один из передатчиков устанавливает в сети логический ноль, а второй - логическую единицу, то это состояние не является аварийным, как в сети на основе интерфейса RS-485, поскольку сквозного тока не возникает. В случае CAN линия остается в состоянии логической единицы. Иначе говоря, логическая единица всегда доминирует над логическим нулем. Поэтому в стандарте CAN используется понятие " доминантное состояние" (доминирующее) состояние линии для обозначения состояния линии с током, и понятие "рецессивное состояние" как противоположное доминантному.

Возможность работы Profibus с оптоволоконным кабелем. Особенность обеспечения связи с устройствами ввода-вывода и контроллерами с помощью пользовательского интерфейса. Анализ принципа работы многомастерной сети. Основное содержание полей телеграммы.

Рубрика	Программирование, компьютеры и кибернетика
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	15.06.2016
Размер файла	21,1 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Слово PROFIBUS получено из сокращений PROcess FIeld BUS, что приблизительно переводится как "промышленная шина для технологических процессов". Стандарт Profibus был первоначально принят в Германии в 1987 году, затем, в 1996 году, он стал международным (EN 50170 и EN 50254). Сеть Profibus (как и другие описанные здесь промышленные сети, кроме Industrial Ethernet) использует только первый и второй уровни модели OSI. Один из вариантов сети, Profibus FMS, Profibus имеет три модификации: Profibus DP, Profibus FMS и Profibus PA . Profibus DP (Profibus for Decentralized Peripherals - "Profibus для децентрализованной периферии") использует уровни 1 и 2 модели OSI, а также пользовательский интерфейс, который в модель OSI не входит. Непосредственный доступ из пользовательского приложения к канальному уровню осуществляется с помощью DDLM (Direct Data Link Mapper - "прямой преобразователь для канального уровня"). Пользовательский интерфейс обеспечивает функции, необходимые для связи с устройствами ввода-вывода и контроллерами. Profibus DP в отличие от FMS и PA построен таким образом, чтобы обеспечить наиболее быстрый обмен данными с устройствами, подключенными к сети.

В последние годы появился стандарт PROFInet, который основан на Industrial Ethernet и технологиях COM, DCOM (см. главу "Программное обеспечение"). Он легко обеспечивает связь промышленной сети Profibus с офисной сетью Ethernet.

Стандартом для шины Profibus рекомендуется разъем D-sub (DB-9) с 9-ю контактами. 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 .

Канальный уровень Profibus DP

Далее мы будем рассматривать только Profibus DP, поскольку он получил несравненно более широкое распространение, чем FMS и PA.

Канальный уровень модели OSI в Profibus называется FDL- уровнем (Fieldbus Data Link - "промышленный канал связи"). Объект MAC (Medium Access Control - "управление доступом к каналу") на канальном уровне определяет процедуру передачи данных устройствами, включая управление правами на передачу данных через сеть. Протокол канального уровня обеспечивает выполнение следующих важных требований: в процессе коммуникации между ведущими устройствами необходимо обеспечить выполнение каждым из них своей задачи в течение заранее определенного интервала времени;

взаимодействие ведущих устройств (контроллеров) с ведомыми должно происходить максимально быстро. В сети Profibus для доступа ведущих устройств к сети используется метод передачи маркера . В этом методе сеть имеет логическую топологию кольца (т. е. кольца на уровне адресов устройств) и каждое ведущее устройство получает доступ к сети только при получении маркера. Маркер выполняет роль арбитра, который предоставляет устройству право доступа. По истечении определенного времени это устройство должно передать маркер следующему ведущему устройству, которое получает доступ также на время, пока маркер находится у него. Таким образом, каждому ведущему устройству выделяется точно заданный интервал времени. Этот интервал может быть установлен при конфигурировании системы.

Каждому мастеру в сети назначаются свои ведомые устройства . В методе "ведущий/ведомый" процедуру коммуникации с ведомыми устройствами выполняет мастер, который обладает маркером. На время обладания маркером мастер становится ведущим также по отношению к другим мастерам, т.е. может выполнять с ними коммуникацию типа "мастер-мастер".

Принцип работы многомастерной сети.

Коммуникационный профиль DP

Основная функция коммуникационного профиля DP состоит в эффективном обмене данными ПЛК или компьютера с датчиками и исполнительными устройствами. Обмен данными с этими устройствами обычно выполняется периодически, но коммуникационный профиль DP представляет также дополнительный сервис апериодического обмена для установки параметров, контроля режимов работы и обработки сигналов тревоги (алармов).

В обычном режиме центральный контроллер (ведущий) периодически считывает информацию, поступающую на входы ведомых устройств и записывает информацию для их выходов. Дополнительно к этому периодическому обмену данными DP обеспечивает мощные средства для диагностики и инсталляции системы, а также для обеспечения устойчивости к внешним дестабилизирующим факторам.

уровень устройства (касающиеся общих признаков работоспособности устройства, таких как перегрев, уход напряжения за допустимые границы и др.);

уровень модуля ввода-вывода, входящего в состав устройства модульной конструкции;

уровень канала модуля (например, "к. з. входа 8").

В сети могут использоваться устройства трех типов:

DP мастер класса 1 (DPM1) - центральный контроллер, который циклически обменивается информацией с ведомыми устройствами с заранее определенным периодом;

DP мастер класса 2 (DPM2) - устройство, предназначенное для конфигурирования системы, наладки, обслуживания или диагностики;

ведомое устройство - устройство, которое выполняет сбор информации или выдачу ее исполнительным устройствам.

Эти устройства могут отсылать или принимать не более 256 байт информации за один цикл обмена.

Коммуникационный профиль DP позволяет сконфигурировать как одномастерную, так и многомастерную сеть. В одномастерной сети ведущее устройство (мастер) может посылать запросы и получать ответы только от ведомых устройств. кабель интерфейс сеть телеграмма

Ведущий контроллер (DPM1) может находиться в одном из трех состояний: Stop - когда не происходит обмена данными; Clear - когда DPM1 может считывать данные, но не может записывать их и выходы всех устройств переводятся в безопасные состояния; Operate - обычное рабочее состояние.

При конфигурировании системы пользователь назначает каждому ведущему свои ведомые устройства и очередность их опроса, а также указывает устройства, которые не надо опрашивать периодически.

Profibus DP имеет режим синхронизации вывода. Для этого посылается широковещательная управляющая команда синхронизации, при получении которой происходит одновременная смена состояний выходов всех устройств вывода. Имеется также команда "замораживание", при поступлении которой входы всех устройств ввода сохраняют свое текущее состояние и перестают реагировать на изменение поступающих на входы сигналов, пока не поступит команда "размораживание". Эти команды используются для синхронизации ввода. Команды синхронизации могут посылаться всем устройствам сети, группе или одному устройству.

Ведомый также выполняет контроль ведущего устройства или линии передачи. Для этого используется сторожевой таймер. Если от ведущего не приходят данные в течение периода сторожевого таймера, ведомый автоматически переводит свои выходы в безопасные состояния. Для большей степени защиты выходов в многомастерной системе только один (уполномоченный) мастер имеет прямой доступ к изменению состояний выходов устройства. Все другие мастера могут считывать только "изображения" сигналов на входах и выходах устройства.

В Profibus имеются также расширенные DP функции, которые позволяют передавать апериодические функции чтения и записи, а также сигналы тревог параллельно и независимо от периодической пересылки данных, установленной пользователем при конфигурировании системы. Это позволяет, например, с помощью DPM2 изменять параметры вновь подсоединенных ведомых устройств или считывать состояние любых устройств сети без остановки системы. Эти служебные функции выполняются апериодически с низким приоритетом, параллельно с рабочим процессом передачи данных в системе. Для обеспечения такой возможности при параметризации всей сети устанавливают увеличенный цикл обращения маркера, чтобы шина на была загружена на 100%.

Структура телеграммы Profibus.

Поля телеграммы имеют следующее содержание:

SD - стартовый разделитель. Используется для указания начала телеграммы и ее формата. Имеется четыре типа разделителей для телеграмм запроса и ответа и один тип для короткого уведомления. Короткое уведомление имеет поле SD, но не в начале телеграммы;

LE - длина передаваемых данных (DA+SA+FC+DSAP+SSAP+DU);

LEr - повторение поля LE с целью его резервирования;

DA - адрес устройства-получателя телеграммы

SA - адрес отправителя;

FC - код типа телеграммы (запрос, уведомление, ответ, диагностические данные, тип устройства - мастер или ведомый, приоритет, уведомление);

DSAP - устройство-получатель использует это поле чтобы определить, какой тип сервиса нужно выполнить;

SSAP - COM порт отправителя;

DU - данные длиной от 1 до 244 байт;

FCS - контрольная сумма телеграммы (сумма значений полей DA+SA+ FC+DU, по модулю 255);

ED - признак конца.

С целью повышения надежности в Profibus предусмотрено резервирование, выполненное следующим образом :

ведомые устройства содержат два различных Profibus-интерфейса, основной и резервный. Они могут быть либо в одном устройстве, либо в двух одинаковых устройствах (основном и резервном);

устройства снабжаются двумя независимыми стеками протоколов со специальным расширением для резервирования;

процесс резервирования стеков протоколов осуществляется путем запуска специального программного объекта резервирования RedCom.

Подход к резервированию в Profibus имеет следующие свойства:

одна и та же модификация устройств используется для реализации различных вариантов резервирования;

ведущее, ведомое устройство и шина могут быть резервированы независимо друг от друга;

не требуется особого дополнительного конфигурирования резервного устройства;

возможен полный мониторинг обоих ведомых устройств.

Резервирование обеспечивает высокий коэффициент готовности*, короткое время восстановления, отсутствие потерь данных и нечувствительность системы к отказам.

Современные модули ввода-вывода являются интеллектуальными устройствами и выполняют многие функции, которые ранее выполнялись только контроллерами. Однако, чтобы выполнить эти функции, устройства требуют сложной настройки при инсталляции системы, при обслуживании и параметризации. Поэтому необходимо иметь точное и полное описание сведений об устройствах, таких как тип выполняемых функций, количество входов/выходов, диапазон изменения переменных, единицы измерения, значения по умолчанию, идентифицирующие параметры устройства и т. д.

Profibus предлагает несколько методов и средств для описания устройств, которые обеспечивают унификацию описания. По историческим причинам в промышленной автоматизации используетсяв основном формат GSD (General Station Data - "общие данные об устройстве"). Описание устройств в этом формате создается их изготовителем и поставляется вместес устройством. Характеристики устройства описываются с помощью языка описания электронных устройств Electronic Device Description Language (EDDL) и поставляются в виде текстового файла EDD (Electronic Device Description - "описание электронного устройства"). Интерпретатор этого описания очень хорошо апробирован для приложений средней сложности. Для сложных приложений Profibus предлагает другой программный компонент - Device Type Manager (DTM).Текстовый файл GSD содержит как общую, так и специфичную для конкретного устройства информацию. С помощью ключевых слов средство конфигурирования может прочесть идентификационные записи, настраиваемые параметры, типы данных, допустимые значения параметров. Некоторые из ключевых слов обязательны (по стандарту), например, имя изготовителя, другие являются опционными. GSD файл делится на три секции:

общие параметры - содержит имя поставщика и имя устройства, версия аппаратуры и программного обеспечения, идентификационный номер, поддерживаемые скорости передачи;

GSD файл загружается в средство конфигурирования системы "Profibus Configurator" и используется при ее инсталляции.

Более мощным средством описания устройств является язык EDD, который является частью международного стандарта IEC 61804-2 и позволяет описывать устройства средней сложности. Еще более мощными являются независимые от конкретной промышленной сети средства описания устройств FDT/DTM Field Device Tool/Device Type Manager - "средство для устройств полевого уровня/менеджер типа устройства"), которые позволяют описывать очень сложные устройства.

Подобные документы

Физический уровень PROFIBUS: электрическая сеть с шинной топологией, оптическая сеть на основе волоконно-оптического кабеля, инфракрасная сеть. Протокол доступа к шине. Прикладной пользовательский сервис. Протоколы Profibus DP, Profibus FMS, Profibus PA.

курсовая работа [33,8 K], добавлен 10.04.2011

Основные характеристики промышленного сетевого стандарта Profibus. Структура и состав разработанного программно-аппаратного комплекса. Структура инфокоммуникационной сети. Конфигурация рабочих и диспетчерских станций, серверов, сетевых устройств.

контрольная работа [1,0 M], добавлен 02.02.2016

Сведения о промышленных сетях, их отличие от офисных. Значение и параметры сетевого интерфейса. Свойства, преимущества и недостатки, принципы работы протоколов Hart, Modbus, Profibus, Can. Отличительные признаки Ethernet. Полевая шина Foundation fieldbus.

реферат [161,7 K], добавлен 23.11.2013

Особенности проектирования локальной сети для учебного учреждения на основе технологии Ethernet, с помощью одного сервера. Описание технологии работы сети и режимов работы оборудования. Этапы монтажа сети, установки и настройки программного обеспечения.

курсовая работа [1,9 M], добавлен 16.02.2010

Использование программой функции ввода-вывода данных для реализации дружественного интерфейса с пользователем. Функции консоли и особенности их применения для обеспечения аккуратного ввода информации и упорядоченного вывода. Обзор стандартных функций.

Сеть Profibus это не зависящий от производителя, открытый стандарт полевой шины, для широкого ранга приложений в производственной автоматизации. Сеть Profibus это комплексное понятие, она основывается на нескольких стандартах и протоколах. Сеть Profibus построена в соответствии с многоуровневой моделью ISO 7498 - OSI (Profibus находится на следующих уровнях: 1- физический уровень, 2- канальный уровень, 7 - уровень приложений). Открытость и не зависимость от производителя гарантирует стандарт EN 50 170, все остальное реализовано в соответствии со стандартом DIN 19245 (это техника передачи данных, методы доступа, протоколы передачи, сервисные интерфейсы для уровня приложений, спецификация протоколов, кодирование, коммуникационная модель и т.д.). С помощью Profibus, устройства разных производителей могут работать друг с другом без каких либо специальных интерфейсов. Семейство Profibus состоит из трех совместимых друг с другом версий - это Profibus-PA, Profibus-DP и Profibus-FMS.

Profibus-DP - оптимизирована для высокоскоростных и недорогих систем. Эта версия сети была спроектирована специально для связи между автоматизированными системами управления и распределенной периферией

Profibus-FMS это обще целевое решение, используется для широкого ранга приложений.

2. Описание международного стандарта Profibus

2.1 Физический уровень

Физически Profibus это электрическая сеть в основе своей использующая экранированную витую пару или оптическая сеть на основе оптоволоконного кабеля. Скорость передачи по ней может варьироваться от 9,6 кбит/сек до 12 мбит/сек.

2.2 Протокол доступа к шине

1 - передача маркера между мастерами
2 - между ведомыми устройствами

Если сеть состоит только из одного, то маркер не передается (в данном случае в чистом виде будет система master - slave). Сеть с минимальной конфигурацией может состоять либо из двух мастеров, либо из одного мастера и одного ведомого устройства.

2.3 Протокольная архитектура

Profibus базируется на международных стандартах. Протокольная архитектура ориентирована на международную модель ISO 7498. Уровень 1 отвечает за характеристики физической передачи. Уровень 2 определяет протокол доступа к шине. Уровень 7 отвечает за прикладные функции.

2.3.1 Profibus-DP

Использует уровни 1, 2 и пользовательский интерфейс. Данная сеть была спроектирована для высокоскоростной передачи данных между устройствами. В данной сети центральные контроллеры (программируемые логические контроллеры и PC) связаны с их распределенными полевыми устройствами через высоко скоростную последовательную связь. Большинство передач данных осуществляется циклическим способом. Сеть на основе протокола DP будет выглядеть приблизительно таким образом:

В качестве ведущего устройства могут использоваться контроллеры фирмы Siemens серии S7-300, S7-400 такие, как 315-2DP или 414-2DP и т.д. Как ведомые устройства, могут использоваться различные приводы, клапаны, из оборудования фирмы Siemens это, например, устройства серии Simatic ET-200.

С помощью Profibus-DP могут быть реализованы Mono и MultiMaster системы (системы с одним или несколькими ведущими устройствами, в последнем случае на шине находятся несколько не зависящих друг от друга подсистем). Основной принцип работы заключается в следующем: центральный контроллер (ведущее устройство) циклически считывает входную информацию с ведомых устройств и циклически записывает на них выходную информацию. При этом время цикла шины должно быть короче, чем время цикла программы контроллера, которое для большинства приложений составляет приблизительно 10 мсек. В дополнение к циклической передаче пользовательских данных Profibus-DP предоставляет мощные функции по диагностике и конфигурированию. Коммуникационные данные отображаются специальными функциями как со стороны ведущего, так и со стороны ведомого устройства. Скорость передачи является важным параметром характеризующем работу сети, для Profibus-DP показатели приблизительно следующие:

Условия в которых проходил тест: одномастерная система, у каждого ведомого устройства было по 2 байта входных и выходных данных.

Поведение системы при использовании протокола DP определяется состоянием мастера. Существует три основных состояния:

стоп в этом состоянии не происходит передачи данных между мастером и периферией
очистка мастер читает входную информацию с ведомых устройств и держит выходы в состоянии защиты от сбоев
операция мастер находится в состоянии передачи данных, входы ведомых устройств считываются и записывается информация на выходы

Мастер циклически посылает информацию о своем состоянии всем ведомым устройствам присоединенным к нему. Передача данных между мастером и ведомым устройством делится на три фазы:

параметризация
конфигурирование
передача данных

На первой и второй стадиях ведомое устройство сравнивает свою текущую конфигурацию с конфигурацией ожидаемой мастером и только если они совпадают происходит передача данных. В дополнение к обычной передаче пользовательских данных, мастер может посылать управляющие команды одному, группе или всем своим ведомым устройствам. Существует две таких команды. Одна переводит ведомые устройства в режим sync (все выходы блокируются в текущем состоянии), другая - переводит в режим freeze (все входы блокируются в текущем состоянии). Вывод из этих режимов происходит с помощью команд unsync и unfreeze соответственно.

В дополнение к данной системе передачи, существуют расширенные DP функции, которые позволяют производить ациклическое чтение и запись параллельно циклической передаче данных.

2.3.2 Profibus-FMS

Данный протокол предназначен по большей части для связи программируемый контроллеров друг с другом. Он используется в тех областях, где высокая степень функциональности более важна нежели чем быстрое время реакции системы. Сеть на основе протокола FMS будет выглядеть, например, таким образом:

При связи через FMS используются отношения типа клиент-сервер. Клиент является процессом приложения, который в качестве заказчика услуги обращается к объектам. Сервер является исполнителем услуги. Объекты. В распоряжение клиенту предоставляются объекты связи. В качестве примера устройств, соединенных по FMS протоколу можно взять из оборудования фирмы Siemens - Simatic S7 c FMS-CP или, например, Simatic S5 c CP 5431FMS. Очень часто используется комбинированный режим работы устройств Profibus - FMS и Profibus - DP, в этом случае между мастерами и ведомыми устройствами используется протокол DP, а между самими мастерами протокол FMS:

Основная нагрузка в протоколе FMS приходится на уровень приложений. Им предоставляются коммуникационные службы, которые могут использоваться непосредственно пользователем, которые отвечают за выполнение запросов в системе клиент-сервер . Коммуникационная модель Profibus-FMS допускает объединение распределенных процессов приложений в общий процесс с использованием коммуникационных связей. Часть процесса приложения в полевом устройстве, которая может быть достигнута через коммуникацию называется виртуальным полевым устройством (VFD). В нем находится словарь так называемых коммуникационных объектов, через которые и происходит связь между устройствами с помощью служб. Словарь содержит описание, структуру и типы данных, а также связи между адресами внутреннего устройства коммуникационных объектов и их назначение на шине (индекс/имя). Более подробно, словарь состоит из следующих объектов:

заголовок информация по структуре словаря
список статических типов данных список поддерживаемых статических типов данных
словарь статических объектов в нем все статические коммуникационные объекты
динамический список списка переменных список всех списков переменных
динамический список программ список всех программ

2.3.3 Profibus-PA

Служит для соединения систем автоматизации и систем управления процессами с полевыми устройствами (например датчиками давления, температуры и уровня). Может использоваться для аналоговой (от 4 до 20 mA) технологии. Profibus - PA использует основные Profibus - DP функции передачи измеренных величин и состояния контроллера, а также расширенные функции Profibus - DP для параметризации и операций с полевыми устройствами.

2.4 Технология передачи данных

Profibus предоставляет три возможных варианта передачи:

a. RS 485 передача для DP и FMS

Наиболее часто используемая в сетях Profibus технология передачи. Используется в областях, где нужна большая скорость и простая, не дорогая установка.

Линейная шина, активные шинные терминаторы с обоих концов

Кабель экранированной витой пары

32 станции в каждом сегменте без репитеров, до 127 с репитерами

9 пиновый D sub коннектор

Технология передачи ориентированная на нужды химической промышленности. Предоставляет взрывозащищенность и питание устройств через шину. Она базируется на следующих основных принципах:

у каждого сегмента только один источник питания
при передачи данных, питания не происходит
пассивная терминация линии с обоих концов основной шины и т.д.

Цифровая, бит синхронизации, манчестерский код

Предусмотрен анализ ошибок

Двухжильная витая пара

Через линии данных

Может быть как с ней так и без

Линия, дерево, комбинация

До 32 на сегмент, макс. 126

2.4.3 Передача по опто-волокну

Используется в средах с большими электромагнитными возмущениями. В приложениях где необходима передача данных с большой скоростью на большие расстояния.

3. Программные средства конфигурирования сети Profibus

Многие из программных средств конфигурирования сети Profibus ориентировано непосредственно на того или иного производителя и часто содержит помимо средств конфигурирования сети много другого, например, средства для программирования контроллеров и т.д. Среди таких программ это Step 7 (пакет программирования контроллеров S7-300 и S7-400 фирмы Siemens) . Но есть много программ, работающих с оборудованием разных фирм. Таких как ComProfibus - для конфигурирования сети Profibus, или Sinec Scope L2 - средство для пассивного (то есть без какого либо влияния на сеть ) наблюдения за обменом данными в сети Profibus.

PROFIBUS ((PROcess FIeld BUS)) (читается — Профи бас) — открытая промышленная сеть, прототип которой был разработан компанией Siemens AG для своих промышленных контроллеров SIMATIC, на основе этого прототипа Организация пользователей Profibus разработала международные стандарты, принятые затем некоторыми национальными комитетами по стандартизации. Очень широко распространена в Европе, особенно в машиностроении и управлении промышленным оборудованием. Сеть PROFIBUS это комплексное понятие, она основывается на нескольких стандартах и протоколах. Сеть отвечает требованиям международных стандартов IEC 61158 и EN 50170. Поддержкой, стандартизацией и развитием сетей стандарта PROFIBUS занимается PROFIBUS NETWORK ORGANISATION (PNO)[1].

PROFIBUS объединяет технологические и функциональные особенности последовательной связи полевого уровня. Она позволяет объединять разрозненные устройства автоматизации в единую систему на уровне датчиков и приводов.

PROFIBUS использует обмен данными между ведущим и ведомыми устройствами (протоколы DP и PA) или между несколькими ведущими устройствами (протоколы FDL и FMS). Требования пользователей к получению открытой, независимой от производителя системе связи, базируется на использовании стандартных протоколов PROFIBUS.

Сеть PROFIBUS построена в соответствии с многоуровневой моделью ISO 7498 — OSI. PROFIBUS определяет следующие уровни:

1 — физический уровень — отвечает за характеристики физической передачи
2 — канальный уровень — определяет протокол доступа к шине
7 — уровень приложений — отвечает за прикладные функции

Поддерживаемые стандарты

Открытость и независимость от производителя гарантирует стандарт EN 50170, все остальное реализовано в соответствии со стандартом DIN 19245 (а именно: техника передачи данных, методы доступа, протоколы передачи, сервисные интерфейсы для уровня приложений, спецификация протоколов, кодирование, коммуникационная модель и т. д. ). С помощью PROFIBUS, устройства разных производителей могут работать друг с другом без каких-либо специальных интерфейсов. Семейство PROFIBUS состоит из трех совместимых друг с другом версий: PROFIBUS PA, PROFIBUS DP и PROFIBUS FMS.

Описание

Физический уровень PROFIBUS

Физически PROFIBUS может представлять из себя:

электрическая сеть c шинной топологией, использующая экранированную витую пару, соответствующая стандарту RS-485.
оптическая сеть на основе оптоволоконного кабеля.
инфракрасная сеть.

Скорость передачи по ней может варьироваться от 9,6 Кбит/сек до 12 Мбит/сек.

Протокол доступа к шине

Конфигурирование PROFIBUS

Многие из программных средств конфигурирования сети PROFIBUS ориентированы непосредственно на того или иного производителя и часто содержат помимо средств конфигурирования сети дополнительные средства, например, средства для программирования контроллеров и т. д. Среди таких программ это STEP 7 (пакет программирования контроллеров SIMATIC S7-300 и SIMATIC S7-400 фирмы Siemens AG) . Но есть много программ, работающих с оборудованием разных фирм. Таких как Com PROFIBUS — для конфигурирования сети PROFIBUS, или SINEC Scope L2 — средство для пассивного (то есть без какого-либо влияния на сеть) наблюдения за обменом данными в сети PROFIBUS.

Протоколы сети PROFIBUS

Одни и те же каналы связи сети PROFIBUS допускают одновременное использование нескольких протоколов передачи данных:

системами автоматизации (ведущими DP-устройствами)
устройствами распределённого ввода-вывода (ведомыми DP-устройствами).

Протокол характеризуется минимальным временем реакции и высокой стойкостью к воздействию внешних электромагнитных полей. Оптимизирован для высокоскоростных и недорогих систем. Эта версия сети была спроектирована специально для связи между автоматизированными системами управления и распределенной периферией. Электрически близка к RS-485, но сетевые карты используют 2-х портовую рефлективную память, что позволяет устройствам обмениваться данными без загрузки процессора контроллера.

Все протоколы используют одинаковые технологии передачи данных и общий метод доступа к шине, поэтому они могут функционировать на одной шине. Дополнительно к перечисленным протоколам, поддерживаются следующие возможности обмена данными:

В оборудовании, используемом в области автоматизации технологических процессов, таком как датчики, исполнительные механизмы, передаточные устройства, приводы и программируемые логические контроллеры, все большее применение находит цифровая микроэлектроника. Для связи этих цифровых устройств промышленного назначения с более высокоуровневыми компонентами автоматизации все чаще применяются бит-последовательные промышленные шины. В настоящее время в области шин промышленного назначения используются разнообразные сети частного применения. Зачастую это приводит к изолированным несовместимым решениям.

Необходимость в открытой, независимой от поставщика системе связи привела к разработке и стандартизации PROFIBUS.

В любом стандарте на промышленную шину для полного и ясного описания протокола необходимо множество определений. В результате появляется стандарт, который, на первый взгляд, кажется сложным. Здесь приводится краткий обзор технических возможностей и основных характеристик PROFIBUS. Для получения подробной технической информации следует обратиться к германскому национальному стандарту PROFIBUS, DIN 19245.

В Организации Пользователей PROFIBUS и 11 ее национальных филиалах представляются интересы всех сторон, имеющих отношение к PROFIBUS, - пользователей, производителей, консультантов и проектных организаций. Совместными усилиями они способствуют рыночному продвижению PROFIBUS и предоставляют заинтересованным сторонам возможность сотрудничества и обмена опытом.

Целью данного реферата является: выявить предназначение и особенности промышленных сетей, в частности PROFIBUS, и их применение.

Найти и проанализировать литературу по данной теме.

Рассмотреть аспекты исторического развития PROFIBUS.

Ознакомиться с принципом работы, а также проанализировать преимущества и недостатки PROFIBUS.

Описание Profibus

Сеть Profibus использует только первый и второй уровни модели OSI. Один из вариантов сети, Profibus FMS, использует также уровень 7.

Название уровня

Profibus DP

Profibus FMS

Profibus PA

Fieldbus Message Specification (FMS)

Канальный (передачи данных)

RS-485, оптоволоконный интерфейс

Табл. 1. Profibus в соответствии с моделью OSI

Profibus имеет три модификации: Profibus DP, Profibus FMS и Profibus PA [Profibus].

Читайте также: