Характеристики шины

В области автоматизации технологических процессов большее применение находит цифровая микроэлектроника. Для связи промышленных цифровых устройств с более высокоуровневыми компонентами автоматизации все чаще применяются бит-последовательные промышленные шины (bit serial Fieldbus) реализованные на спецификации интерфейса RS-485 и европейской электрической спецификации EN50170. Шина PROFIBUS имеет следующие физические характеристики:

· коннекторы – 9-штырьковый разъем типа D-Shell (с оконечной нагрузкой импеданса) или 12-миллиметровый быстроразборный разъём IP67;

· максимальное число узлов – 127;

· длина шины – от 100 м до 24 км (с ретрансляторами и оптоволоконными кабелями);

· скорость передачи данных – от 9600 бит/с до 12 Мбит/с;

· размер сообщения – до 244 байт на сообщение для одного узла;

· методы обмена сообщениями – опрос (DP/PA) и одноранговый (FMS).

Протокол доступа к шине

Для всех версий Profibus существует единый протокол доступа к шине.

Этот протокол реализуется на канальном уровне модели ISO (который называется в Profibus – FDL). Данный протокол реализует процедуру доступа с помощью маркера (token).

Сеть Profibus состоит из ведущих (master - мастера) и ведомых (slave) станций.

Все ведущие станции постоянно контролируют шину и могут передавать сообщения (без удаленных запросов), когда они получают право на это (то есть когда у нее есть маркер). Маркер вращается в логическом кольце состоящем из ведущих устройств.

Ведомая станция может лишь распознавать полученные сообщения или передавать данные после соответствующего запроса.

Если сеть состоит только из одного masterа, 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.

Profibus-DP

Profibus-DP — быстрый (до 12 Мбит/с) одномастерный протокол. Хорошо подходит для построения быстрых детерминированных промышленных систем сбора данных и управления с одним ведущим узлом.

Физическая среда передачи – экранированная витая пара стандарта RS-485. Типы отечественных кабелей для PROFIBUS-DP приведены в таблице 3.6.

Протокол PROFIBUS-DP предназначен для высокоскоростной передачи данных. На этом уровне контроллеры, например программируемые логические контроллеры (PLC), обмениваются данными со своими периферийными устройствами через быструю последовательную связь. Обмен данными с этими информационными устройствами происходит в основном циклически.

Таблица 3.6 – Кабели для промышленных сетей Profibus- DP

Центральный контроллер (ведущее устройство) считывает входные данные из известного устройства и посылает назад известному устройству исходные данные. Важно то, что цикл шины короче программного цикла контроллера, который в большинстве прибавлений равняется приблизительно 10 мс. Структура кадра Profibus-DP представлена на рисунке 3.26.

Profibus-DP реализует следующие режимы роботы:

· работа – периодическая передача входных и выходных данных;

· сбрасывание – входные данные считываются, а исходные сбрасываются;

· останов – возможны только функции главный-ведущий;

· Sync-Режим – синхронизируются все выходные данные;

· Freeze-Режим – синхронизируются все входные данные.

Рисунок 3.26 – Структура кадра протокола Profibus: Tbit – 1/частоту; SD – начальный ограничитель; LE – длина данных процесса; DA – адреса назначения; SA – адрес источника; FC – тип данных; Data Unit – процессные данные; FCS – контрольная сумма; ED –конечный ограничитель.

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.

Мастер циклически посылает информацию о своем состоянии всем присоединенным к нему ведомым устройствам. 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.

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.

Функциональные возможности:

· циклические передачи пользовательских данных между ведущими DP-устройствами или ведомыми DP-устройствами;

· циклические передачи пользовательских данных между ведущими DP-устройствами или ведомыми DP-устройствами;

· проверка конфигурации известных DP-устройств;

· синхронизация входных данных;

· присвоение адресов через шину ведомыми DP-устройствами;

· подключение отсоединение станций без влияния на другие станции;

· надежность и простота управления двухпроводной техникой передачи;

Типы устройств:

· ведущее DP-устройство класса 2 (DPM2), например прибор программирующий/конфигурирующее устройство;

· ведущее DP-устройство класса 1 (DPM1), например центральный контроллер, такой, как PLC, CNC, RC;

· известное DP-устройство, например устройство двоичного или аналогового вывода.

Производительность

Пересылка 512 входных и выходных промышленных бит, между 32 станциями, занимает в шине PROFIBUS-DP приблизительно 6 мс.

Увеличение скорости в сравнении с шиной PROFIBUS-FMS происходит благодаря использовании функции SRD (Send and Receive Data - Послать и Получить Данные) с канального уровня.

Эта функция позволяет передавать входные и выходные данные в одном цикле сообщений.

Кроме того, производительность повышается благодаря увеличению скорости передачи до 1,5 Мбит/с и установленные требования специфицируются для новых разработок по производительности.