Использование в системах автоматизации производства сетей Profibus Содержание
| Вид материала | Реферат |
- Д. В. Гуцко Московский инженерно-физический институт (государственный университет), 34.47kb.
- 02 02 02 отдел автоматизации и механизации производства, 74.5kb.
- Рабочая программа по дисциплине сд. 01 Технические средства автоматизации и управления, 315.88kb.
- Методические указания к курсовому проекту по автоматизации и управлению в системах, 156.79kb.
- Всвязи с бурным ростом глобальных информационных сетей, вопросы защиты информации, 74.71kb.
- Основы промышленной автоматизации, 22.02kb.
- Информационно-консультационный центр, 361.44kb.
- Рабочей программы дисциплины Технические средства автоматизации и управления по направлению, 31.14kb.
- Рабочая программа учебной дисциплины " технические средства автоматизации и управления", 221.12kb.
- Ей и обеспечивает выполнение аппаратурой определенных функций в условиях воздействия, 26.8kb.
Использование в системах автоматизации производства сетей Profibus
Содержание
1. Введение
2. Описание международного стандарта Profibus
2.1 Физический уровень
2.2 Протоколы доступа к шине
2.3 Протокольная архитектура
2.3.1 Profibus-DP
2.3.2 Profibus-FMS
2.3.3 Profibus-PA
2.4 Технология передачи данных
2.4.1 Интерфейс передачи RS 485
2.4.2 Технология передачи IEC 1158-2
2.4.3 Передача по оптоволокну
3. Программные средства конфигурирования Profibus
1. Введение
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-PA - спроектирована специально для автоматизации процессов. Она позволяет подключать датчики и приводы на одну линейную шину, причем даже во взрывоопасных средах. Основана на двухжильной технологии по стандарту IEC 1158-2.
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
Для всех версий Profibus существует единый протокол доступа к шине. Этот протокол реализуется на 2 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. Ведущая станция может контролировать шину, то есть может передавать сообщения (без удаленных запросов), когда она имеет право на это (то есть когда у нее есть маркер). Ведомая станция может лишь распознавать полученные сообщения или передавать данные после соответствующего запроса. Маркер вращается в логическом кольце состоящем из ведущих устройств (см рис.1):
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.
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 (перенагрев, низкое напряжение и т.д.)
- с модулем
сообщения связанные с ошибками в том или ином вх./вых. модуле
- с каналом
определяют ошибку конкретного бита вх./вых.
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
b. IEC 1158-2 для PA
c .Оптоволокно
2.4.1 RS 485
Наиболее часто используемая в сетях Profibus технология передачи. Используется в областях, где нужна большая скорость и простая, не дорогая установка.
| Сетевая топология | Линейная шина, активные шинные терминаторы с обоих концов |
| Физика | Кабель экранированной витой пары |
| Количество станций | 32 станции в каждом сегменте без репитеров, до 127 с репитерами |
| Соединители | 9 пиновый D sub коннектор |
2.4.2 IEC 1158-2
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.
| Передача данных | Цифровая, бит синхронизации, манчестерский код |
| Скорость передачи | 31.25 кбит/сек |
| Безопасность данных | Предусмотрен анализ ошибок |
| Кабель | Двухжильная витая пара |
| Удаленное питание | Через линии данных |
| Взрывозащита | Может быть как с ней так и без |
| Топология | Линия, дерево, комбинация |
| Количество станций | До 32 на сегмент, макс. 126 |
| Повторителя | До 4 |
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.