Первоисточник: http://www.mka.ru/?p=40754#

 

PROFIBUS - открытая шина промышленного применения

М. ВОЛЬЦ, Организация пользователей PROFIBUS, ГЕРМАНИЯ

PROFIBUS - это наиболее успешно развивающаяся открытая шина промышленного применения (Fieldbus), обладающая широким диапазоном приложений. PROFIBUS - это признанная технология в совокупности с хорошо развитой организационной и промышленной базой.

Интересы всех сторон представляет Организация Пользователей PROFIBUS (The PROFIBUS User Organization) и ее национальные филиалы.

Ниже описываются рабочие характеристики PROFIBUS.

Введение

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 (bit serial Fieldbus). В настоящее время в области шин промышленного назначения (Fieldbus) 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 (Fieldbus) 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 (The PROFIBUS User Organization - PNO) 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.

1. Независимые от поставщика взаимодействия между промышленными объектами (Fieldbus Communication)

С помощью PROFIBUS обмениваться информацией могут компоненты автоматизации любых разновидностей. Через один и тот же интерфейс могут связываться друг с другом Программируемые Логические Контроллеры (PLC), Персональные Компьютеры (PC), панели оператора и наблюдения и даже датчики и силовые приводы. PROFIBUS - это наиболее признанная из открытых шин промышленного применения (Fieldbus), обладающая широким диапазоном приложений (см. рис. 1).

∙ Открытость

PROFIBUS гарантирует, что устройства, приобретенные от различных поставщиков, могут осуществлять связь друг с другом без необходимости применения интерфейсов-адаптеров. PROFIBUS стандартизирован Германским Национальным стандартом DIN 19245.

∙ Независимость от поставщика

Устройства PROFIBUS предлагаются широким спектром квалифицированных поставщиков. Это позволяет пользователю выбирать наиболее подходящего поставщика и наилучшие изделия.

∙ Признанность

PROFIBUS - это признанная технология, имеющая большое число приложений в автоматизации строительства, управлении производством, технологическими процессами и приводами. В настоящее время более 150 поставщиков уже открыли этот стремительно растущий рынок и предлагают большое количество PROFIBUS-продукции.

∙ Сертифицируемость

Тестирование устройств PROFIBUS на соответствие стандарту и совместимость для совместной работы, осуществляемое уполномоченными тестовыми лабораториями, и сертифицирование PNO дают пользователям гарантию качественной работы в сетях, построенных на изделиях разных поставщиков.

∙ Ориентация на будущее

Признанными на рынке автоматизации лидерами поддерживается целый спектр новейших изделий PROFIBUS. Целью PNO является поддержка стандарта PROFIBUS и координация дальнейшего его развития между пользователями и производителями. Ваш выбор PROFIBUS - это гарантия того, что вы работаете с промышленной шиной будущего.

2. Семейство PROFIBUS

PROFIBUS состоит из некоторого ассортимента совместимых продуктов. В зависимости от приложения существует три основных варианта PROFIBUS:

PROFIBUS-FMS

Это универсальное решение для задач взаимодействия на верхнем (цеховом) уровне и промышленном (field) уровне иерархии промышленных связей (рис. 1). Для выполнения экстенсивных связных задач с произвольными или периодическими среднескоростными передачами данных службы Спецификаций Сообщений Fieldbus (FMS - Fieldbus Message Specification) предлагают широкий диапазон функциональности и гибкости. С 1990 года PROFIBUS-FMS является Германским Национальным Стандартом DIN 19245, Части 1 и 2.

PROFIBUS-DP

Это оптимизированная по производительности версия PROFIBUS, предназначенная специально для критичных ко времени взаимодействий между системами автоматизации и распределенным периферийным оборудованием. PROFIBUS-DP базируется на Части 1 стандарта DIN 19245, которая дополняется функциями эффективной связи специального назначения. С 1993 года версия PROFIBUS-DP доступна как проект Германского стандарта DIN 19243, Часть 3.

PROFIBUS-ISP

Проект Взаимодействующих Систем (ISP - InterOperable Systems Project) базируется на технологии PROFIBUS и дополняет ее возможностями управления процессами, включая внутреннюю защиту. ISP обеспечивает полное взаимодействие технологии Языка Описания Устройств (DDL - Device Description Language) и Функциональных Блоков (Function Blocks). На физическом уровне ISP на 100% совместим с Международным стандартом на промышленные шины Fieldbus (IEC 1158-2).

Компоненты PROFIBUS с помощью простого повторителя могут соединяться с ISP-сетями. Организации PNO и ISPF (ISP Foundation - фонд ISP) работают совместно в рамках соглашения о сотрудничестве.

3. Основные характеристики PROFIBUS-FMS и PROFIBUS-DP

В стандарте PROFIBUS определяются технические и функциональные характеристики последовательной промышленной шины Fielbus, которая связывает распределенные цифровые field-устройства ближнего (уровень датчиков/исполнительных устройств) и среднего (цеховой уровень) радиуса действия. Система включает ведущие (master) и ведомые (slave) устройства.

Ведущие устройства могут управлять шиной. Когда у ведущего (master) устройства есть право доступа к шине, оно может передавать сообщения без удаленного запроса. В протоколе PROFIBUS ведущие устройства называются "активными станциями" (active stations).

Ведомые устройства - это обычные периферийные устройства. Типичными ведомыми устройствами являются датчики, исполнительные устройства и передаточные механизмы. У них нет прав доступа к шине - то есть они могут только подтверждать принимаемые сообщения или передавать сообщения ведущему устройству по его запросу. Ведомые устройства называются также "пассивными станциями" (passive stations). В ведомых устройствах используется только небольшая часть протокола, и, следовательно, разработка их очень проста.

3.1. Архитектура протокола PROFIBUS

Стандарт PROFIBUS базируется на множестве существующих национальных и международных стандартов. В основе архитектуры этого протокола лежит эталонная модель соединения открытых систем OSI (Open Systems Interconnection) в соответствии с международным стандартом ISO 7498. Архитектура протокола PROFIBUS-FMS и PROFIBUS-DP показана на рис. З.

В обоих вариантах используется один и тот же протокол доступа к передающей среде (Уровень 2) и одна и та же техника передачи (Уровень 1).

В PROFIBUS-FMS уровни 3 и 6 явно не выражены. Функции этих уровней, необходимые для конкретного приложения, объединяются в Интерфейсе Нижнего Уровня LLI (Lower Layer Interface), который является частью Уровня 7. Спецификация Сообщений Fieldbus - FMS (Fieldbus Message Specification) содержит прикладной протокол и предлагает множество разнообразных служб связи. FMS обеспечивает интерфейс с пользователем.

FMS-Службы определяются как подмножество MMS-функций (MMS, Manufacturing Message Specification - Спецификация Производственных Сообщений, ISO 9506) Протокола MAP. Эти сложные MMS-функции оптимизируются в зависимости от требований Fieldbus. Кроме того, определяются специфические для Fieldbus функции управления объектами связи и управления сетью.

В PROFIBUS-DP уровни с 3 по 7 не используются. Прикладной Уровень (7) в целях достижения нужной производительности опускается. Удобное отображение функций Уровня 2 на Пользовательский Интерфейс предоставляет Прямой Преобразователь Канальных Данных DDLM (Direct Data Link Mapper). В Пользовательском Интерфейсе есть доступные пользователю прикладные функции. Кроме того, Пользовательский Интерфейс задает режимы работы различных типов PROFIBUS-DP-устройств и их взаимодействие с системой.

3.2. Физический Уровень (1) протокола PROFIBUS

На область применения системы Fieldbus в значительной степени влияет выбор передающей среды и интерфейс с физической шиной. Решающими факторами, помимо требования сохранения целостности информации, являются прогнозируемая стоимость и используемый кабель. Поэтому для разных технологий передачи в стандарте PROFIBUS определяются уникальные протоколы доступа к передающей среде:

Медный провод. В соответствии с американским стандартом EIA RS-485 этот вариант является базовым в технике передачи данных для приложений промышленности, автоматизации строительства и управления приводами. В нем используется двухпроводная витая пара с экранированием или без. Возможны двухпроводные варианты с различными максимальными расстояниями. Назначение контактов разъема и проводка витой пары показаны на рис. 4.

Оптоволоконный кабель. В цепях увеличения длины шины при высокоскоростных передачах и реализации приложений, работающих в средах с большими помехами, PNO в настоящее время разрабатывает спецификацию на технику оптоволоконной передачи. Эта спецификация есть в PNO как предложение в рамках общего курса деятельности PNO.

Внутренняя защита. В опасных местах PNO рекомендует использовать технику передачи PROFIBUS-ISP. В ISP используется международный стандарт Уровня (1) IEC 1158-2.

Основные характеристики техники передачи RS-485

3.3. Канальный Уровень (2) протокола PROFIBUS

Второй уровень эталонной модели OSI обеспечивает функции Управления Доступом к Передающей Среде (Medium Access Control) и поддержания целостности информации, а также выполнение протоколов передачи и сообщений. В протоколе PROFIBUS Уровень 2 обозначается как Канал Данных Fieldbus - FDL (Fieldbus Data Link). Функция Управления Доступом к Передающей Среде - MAC (Medium Access Control) определяет, когда станция может передавать данные. Функция MAC должна гарантировать, что в любой момент времени право передачи информации принадлежит только одной станции.

Для Управления Доступом к Передающей Среде в протоколе PROFIBUS учтено два важных требования.

В случае взаимодействия между сложными компонентами автоматизации с равными правами доступа к шине (ведущими устройствами) должна быть гарантия того, что каждая из этих станций для выполнения своих задач взаимодействия получает необходимый доступ к шине в течение точно заданного временного интервала.

В случае взаимодействия между сложными устройствами автоматизации и простыми периферийными устройствами (ведомыми) периодический обмен информацией, осуществляемый в реальном масштабе времени, достигается как можно проще и быстрее.

Для взаимодействия между сложными станциями (ведущими) протокол Доступа к Передающей Среде PROFIBUS включает метод передачи маркера, а для взаимодействия между сложными станциями и простыми периферийными устройствами (ведомыми) - метод ведущий-ведомый. Этот комбинированный метод называется гибридным доступом к передающей среде (рис. 5).

Посредством маркера, метод передачи маркера обеспечивает присвоение права доступа к шине в пределах точно определенного временного интервала. Маркер - это специальное сообщение, которое передает права на осуществление передачи информации от одного ведущего устройства к другому. Он циркулирует между всеми ведущими устройствами в пределах (регулируемого) максимального времени оборота маркера. Метод передачи маркера используется в PROFIBUS только для сложных станций (ведущих устройств).

Метод ведущий-ведомый позволяет ведущему устройству (активной станции), которому в настоящий момент принадлежит право передачи информации, взаимодействовать с ведомыми устройствами (пассивными станциями). Каждое ведущее устройство имеет возможность получать данные от ведомых устройств и передавать данные ведомым устройствам.

Используемый в PROFIBUS гибридный метод доступа в передающей среде дает возможность реализовать:

  • систему, в которой везде применяется метод ведущий-ведомый;

  • систему, в которой везде применяется метод ведущий-ведущий (с передачей маркера);

  • систему, в которой применяется комбинация этих методов.

На рис. 5 показана структура PROFIBUS с тремя активными станциями (ведущими устройствами) и семью пассивными станциями (ведомыми устройствами). Три ведущих устройства образуют логическое маркерное кольцо.

По