2.7. Profibus

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, использует также уровень 7.

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

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.

Profibus PA (Profibus for Process Automation - "для автоматизации технологических процессов") использует физический уровень на основе стандарта IEC 1158-2, который обеспечивает питание сетевых устройств через шину и не совместим с RS-485. Особенностью Profibus PA является возможность работы во взрывоопасной зоне.

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.

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.

2.7.1. 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 в табл. 2.11. 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].

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 (см. рис. 2.18, а), 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.

2.7.2. 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 рис. 2.23. 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 (рис. 2.23) 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".

Profibus имеет также широковещательный режим работы, когда ведущее устройство посылает сообщение "всем", не ожидая уведомления о получении, и многоабонентский режим, когда ведущее устройство посылает одно и то же сообщение сразу нескольким участникам сети.

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.

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.

Средства диагностики DP обеспечивают быстрое обнаружение места появления ошибки и пересылку соответствующего сообщения ведущему устройству. Диагностические сообщения делятся на три уровня:

• 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").

К одной сети могут быть подсоединены до 128 устройств (но не более 32-х в одном сегменте). Спецификация для конфигурирования системы включает количество узлов сети, распределение адресов устройств, формат диагностических сообщений, параметры шины.

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.

В многомастерной сети имеется несколько ведущих устройств, которые имеют свои одномастерные подсети и в пределах подсети являются устройствами класса DPM1. Ведущие устройства в многомастерной сети могут быть также устройствами класса DPM2. Входные и выходные данные подчиненных устройств могут быть прочитаны любым мастером сети. Однако записывать данные в устройства может только один мастер, который при конфигурировании системы был обозначен как DPM1.

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.

Если в системе появляется сообщение об ошибке, то DPM1 устанавливает выходы всех устройств вывода в безопасное состояние, а сам переходит в состояние "Clear". Безопасным считается такое состояние, при котором исполнительные устройства находятся в безопасном (для человека или системы) состоянии. Такое состояние самоконтроля системы может быть установлено или нет при ее конфигурировании. При отключенном состоянии самоконтроля система продолжает работать несмотря на появление ошибок.

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

Передача данных между мастером DPM1 и ведомыми делится на три фазы: параметризация, конфигурирование и передача данных. В фазе параметризации и конфигурирования проверяется, соответствует ли конфигурация и параметры ведомого устройства запланированным в DPM1 установкам. Проверяется тип устройства, формат и длина передаваемых сообщений, количество входов или выходов.

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. 

Для обнаружения ошибок в передающих устройствах предусмотрен механизм временного мониторинга (наблюдения), который действует как в ведомых, так и ведущих устройствах. Интервал мониторинга устанавливается при конфигурировании системы. Ведущий (DPM1) контролирует процесс передачи данных ведомым устройством с помощью таймера. Для каждого подчиненного используется свой таймер. Если в течение интервала наблюдения не приходят корректные данные, выдается диагностическое сообщение для пользователя. Если включен режим автоматической реакции на ошибки, то ведущий устанавливает все выходы в безопасные состояния, а сам переходит в состояние "Clear".

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%.

Передача сообщений

Profibus использует два типа сервисов для передачи сообщений: SRD (Send and Receive Data with acknowledge - "отправка и прием данных с уведомлением") и SND (Send Data with No acknowledge - "отправка данных без уведомления").

Сервис SRD позволяет отправить и получить данные в одном цикле обмена. Этот способ обмена наиболее распространен в Profibus и очень удобен при работе с устройствами ввода-вывода, поскольку в одном цикле можно и отправить, и получить данные.

Сервис SND используется, когда надо отправить данные одновременно группе ведомых устройств (многоабонентский режим) или всем ведомым устройствам (широковещательный режим). При этом ведомые устройства не отправляют свои уведомления мастеру.

Сообщение в Profibus называется телеграммой. Телеграмма может содержать до 256 байт, из них 244 байта данных, плюс 11 служебных байт (заголовок телеграммы). Все телеграммы имеют заголовки одинаковой длины, за исключением телеграммы с названием Data_Exchange. Заметим, что 11 байт служебной информации делают Profibus очень неэффективным при передаче коротких сообщений. Однако при больших объемах данных такой формат телеграммы достаточно эффективен.

Поля телеграммы на рис. 2.24 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.

2.7.3. Резервирование

С целью повышения надежности в Profibus предусмотрено резервирование, выполненное следующим образом (см. также раздел "Аппаратное резервирование"):

• 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.

В нормальном режиме коммуникация выполняется только через основное устройство, которое посылает диагностическую информацию резервному устройству. В случае, когда основное устройство дает сбой, резервное устройство берет на себя его функции. Кроме того, мастер контролирует все ведомые устройства и выдает диагностическое сообщение на верхний уровень АСУ ТП, как только в системе вышло из строя основное устройство и не осталось резервного, или когда вышло из строя резервное. Резервное устройство может работать на основной Profibus линии, или на двух, если имеется резервная.

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.

2.7.4. Описание устройств

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 используется в основном формат GSD (General Station Data - "общие данные об устройстве"). Описание устройств в этом формате создается их изготовителем и поставляется вместе с 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;
• спецификация ведущего устройства - указывает допустимое количество подключаемых ведомых устройств, параметры передачи и приема сообщений;
• спецификация ведомого устройства - указывает количество и тип каналов ввода-вывода, перечень диагностических сообщений и список модулей при модульной конструкции устройства.

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  [Profibus].

• 1 Архитектура системы
• 2 Промышленные сети и интерфейсы
  • 2.1 Общие сведения о промышленных сетях
  • 2.2 Модель OSI
  • 2.3 Интерфейсы RS-485, RS-422 И RS-232
  • 2.4 Интерфейс «токовая петля»
  • 2.5 HART-протокол
  • 2.6 CAN
  • 2.7 PROFIBUS
  • 2.8 MODBUS
  • 2.9 Промышленный ETHERNET
  • 2.10 Протокол DCON
  • 2.11 Беспроводные локальные сети
  • 2.12 Сетевое оборудование
  • 2.13. Заключение
• 3 Защита от помех
• 4 Измерительные каналы
• 5 ПИД-регуляторы
• 6 Контроллеры
• 7 Автоматизация опасных объектов
• 8 Аппаратное резервирование
• 9 Программное обеспечение
• Литература

© НИЛ АП, ООО, 1989-2024