PROFIBUS
PROFIBUS (Process Field Bus) появился на свет благодаря усилиям группы немецких компаний: Bosch, Siemens и Klockner-Moller. В его задачи входит:
организация связи с устройствами, гарантирующими быстрый ответ;
создание простой и экономичной системы передачи данных, основанной на стандартах;
реализация интерфейса между уровнями 2 и 7 OSI-модели.
Стандарт протокола описывает уровни 1, 2 и 7 OSI-модели (физический уровень, уровень передачи данных и прикладной уровень). В PROFIBUS используется гибридный метод доступа в структуре MASTER/SLAVE и децентрализованная процедура передачи маркера. Сеть может состоять из 122 узлов, из которых 32 могут быть MASTER-узлами. Адрес 0 зарезервирован для режима широкого вещания ("broadcast"). Общая схема PROFIBUS-сети представлена на рисунке 8.
Принцип работы сети PROFIBUS
В среде MASTER-узлов по возрастающим номерам узлов передается маркер, который предоставляет право ведения циклов чтения/записи на шине. Все циклы строго регламентированы по времени, организована продуманная система тайм-аутов. Протокол хорошо разрешает разнообразные коллизии на шине. Настройка всех основных временных параметров идет по сценарию пользователя.
Протоколом определены следующие ациклические команды:
- SDN (послать данные без подтверждения);
- SDA (послать данные с подтверждением);
- SRD (послать и запросить данные);
Также реализована циклическая команда:
CSRD (циклическая посылка и запрос данных).
При передаче данных обнаружение и исправление ошибок ведется на основе хеммингова расстояния 4, то есть в любой посылке данных 3 ошибочных бита будет обнаружено, а один бит может быть восстановлен.
Задачи в области промышленной связи часто требуют разных решений. В одном случае необходим обмен комплексными (сложными, длинными) сообщениями со средней скоростью. В другом - требуется быстрый обмен короткими сообщениями с использованием упрощенного протокола обмена, например, с датчиками или исполнительными механизмами. В третьем случае необходима работа в опасных участках производства, например, в газопереработке. Все эти задачи протоколу PROFIBUS под силу. Сегодня, говоря о PROFIBUS, необходимо иметь в виду, что под этим общим названием понимается совокупность трех различных, но совместимых протоколов: PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-DP и PROFIBUS-PA
PROFIBUS-FMS
Протокол предназначен в основном для связи программируемых контроллеров друг с другом и станциями оператора. Он используется в тех областях, где высокая степень функциональности более важна нежели чем быстрое время реакции системы.
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 Сименс — 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
В настоящее время применение протокола PROFIBUS FMS сокращается, в связи с переходом к Промышленный Ethernet и PROFInet.
Однако спецификации FMS стали частью стандарта FOUNDATION Fieldbus и используются в нём.
PROFIBUS-DP
Profibus DP профиль протоколов промышленной сети Profibus
Использует уровни модели OSI:
- 1 -физический уровень- отвечает за характеристики физической передачи
- 2 -канальный уровень- определяет протокол доступа к шине
- 3 -прикладной уровень- отвечает за прикладные функции
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 высокоскоростную последовательную связь. Большинство передач данных осуществляется циклическим способом.
В качестве ведущего устройства могут использоваться контроллеры. Как ведомые устройства, могут использоваться приводы, клапаны или устройства ввода-вывода.
С помощью Profibus DP могут быть реализованы Mono и MultiMaster системы. 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 широкие возможности по диагностике и конфигурированию. Коммуникационные данные отображаются специальными функциями как со стороны ведущего, так и со стороны ведомого устройства.
Диагностические функции Profibus DP позволяют быстро локализовать сбои в системе. Диагностические сообщения передаются по шине мастеру, сообщения делятся на три уровня:
- связанная со станцией диагностика — определяет состояние всего устройства (перегрев, низкое напряжение и т. д.)
- связанная с модулем диагностика — сообщения связанные с ошибками в том или ином входном/выходном модуле
- связанная с каналом диагностика — определяют ошибку конкретного бита входа/выхода.
Поведение системы при использовании протокола DP определяется состоянием ведущего устройства. Существует три основных состояния:
- ОСТАНОВ — в этом состоянии не происходит передачи данных между ведущим устройством и периферией
- ОЧИСТКА — ведущее устройство считывает информацию с ведомых устройств и держит выходы в состоянии защиты от сбоев
- РАБОТА — ведущее устройство находится в состоянии приема или передачи данных с периферии
Ведущее устройство циклически посылает информацию о своем состоянии всем ведомым устройствам присоединенным к нему. Передача данных между ведущим и ведомым устройствами делится на три фазы:
- параметризация
- конфигурирование
- передача данных
На 1 и 2 стадиях ведомое устройство сравнивает свою текущую конфигурацию с конфигурацией ожидаемой ведущим устройством и только если они совпадают, происходит передача данных. В дополнение к обычной передаче пользовательских данных, ведущее устройство 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.
PROFIBUS-PA
Этот протокол используется в устройствах, работающих в опасных производствах. В основе протокола PA (Process Automation) лежит протокол ISP (Interoperable Systems Project). Физический уровень (уровень 1 OSI-модели) реализует стандарт IЕС1158-2 (с внутренней защитой данных). Уровень 2 - это функциональное подмножество стандарта DIN 19245.
Распределенная система может состоять из устройств, реализующих все три типа стандарта, только РА-устройства необходимо подключать через специальные повторители.
В разных странах мира (в том числе и в России) созданы организации по продвижению PROFIBUS-технологий в различные отрасли производства. Организация тематических семинаров, выставок, стандартизации новых изделий, выработка новых спецификаций и многое другое составляет суть работы этих некоммерческих организаций. Известно свыше 500 PROFIBUS-изделий (как аппаратных, так и программных). Число установленных узлов превышает 350 тысяч.
