Интерфейс Profibus

8.4. Интерфейс Profibus. ProfiBus (Process Field Bus — промышленная шина для технологических процессов) - открытая промышленная сеть, прототип которой был разработан компанией Siemens AG для своих промышленных контроллеров Simatic. На основе этого прототипа Организация пользова­телей Profibus разработала международные стандарты, принятые затем некоторыми националь­ными комитетами по стандартизации. Очень широко распространена в Европе, особенно в ма­шиностроении и управлении промышленным оборудованием. Поддержкой, стандартизацией и развитием сетей стандарта Profibus занимается Profibus Network Organization (PNO). Profibus позволяет объединять разрозненные устройства автоматизации в единую систему на уровне датчиков и приводов. Profibus использует обмен данными между ведущим и ведомыми устройствами (протоколы DP и PA) или между несколькими ведущими устройствами (протоколы FDL и FMS). Семейство ProfiBus состоит из 3 совместимых версий: 1. ProfiBus PA (Profibus for Process Automation — "для автоматизации технологических процессов") 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 мА) технологи. ProfiBus PA 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. 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, рис. 8.9). Рис. 8.9. Передача данных в PROFIBUS-PA с помощью модуляции тока (Манчестерский код II). 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, допускается до 126 устройств при использовании до 4 повторителей сигнала. Допускается применение магистраль­ных, древовидных и звездообразных топологий протяженностью до 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 (см. рис. 8.10). Рис. 8.10. Структура шинного сегмента РА. Для передачи данных используется NRZ-кодирование и 11-битный формат, (см. рис. 8.11), вклю­чающий стартовый бит ("0"), 8 бит данных младшими разрядами вперед, бит паритета (четно­сти) 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. Рис. 8.11. Структура слова в протоколе Profibus PA. 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). В качестве шлюза ProfiBus PA к ProfiBus DP используются устройства DP/PA Link. 2. ProfiBus DP (Profibus for Decentralized Peripherals — "Profibus для децентрализованной пери­ферии") служит для высокоскоростной передачи данных между устройствами. В данной сети центральные контроллеры (программируемые логические контроллеры и PC) связаны с их рас­пределёнными полевыми устройствами через высокоскоростную последовательную связь. Большинство передач данных осуществляется циклическим способом. Как ведомые устройства, могут использоваться приводы, клапаны или устройства ввода-вывода. На физическом уровне Profibus DP использует 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. В сети Profibus для доступа ведущих устройств к сети используется метод передачи мар­кера (рис. 8.12). 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. 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". Рис. 8.12. Сеть ProfiBus DP. 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 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. В сети ProfiBus DP 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. 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. Эти служебные функции выполняются апериодически с низким приоритетом, параллельно с рабочим процессом передачи данных в системе. Profibus использует два типа сервисов для передачи сообщений: • SRD (Send and Receive Data with acknowledge - "отправка и прием данных с уведомлени­ем"); • 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. Рис.8.13. Структура телеграммы Profibus DP. Структура телеграммы Profibus DP: SD (Start Delimiter) — стартовый разделитель; LE (Length) — длина передаваемых данных (DA+SA+FC+DSAP+SSAP+DU); LEr - повторение поля LE с целью его резервирования; DA (Destination Address) — адрес устройства-получателя телеграммы; SA (SourceAddress) — адрес отправителя; FC (Frame Control) — код типа телеграммы (запрос, уведомление, ответ, диагностические дан­ные, тип устройства - мастер или ведомый, приоритет, уведомление); DSAP (Destination Service Access Point) — устройство-получатель использует это поле чтобы определить, какой тип сервиса нужно выполнить; SSAP (Source Service Access Point) — COM порт отправителя; DU (Data Unit) — данные длиной от 1 до 244 байт; FCS (Frame Check Sequence) — контрольная сумма телеграммы (сумма значений полей DA+SA+ FC+DU, по модулю 255); ED (End Delimiter) — признак конца. С целью повышения надежности в Profibus предусмотрено резервирование, выполненное следующим образом: • 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. Современные модули ввода-вывода являются интеллектуальными устройствами и выпол­няют многие функции. 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. Описание устройств в формате GSD (General Station Data - "общие данные об устройстве") со­здается их изготовителем и поставляется вместе с устройством. Текстовый файл GSD 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. Profibus предлагает несколько методов и средств для описания устройств, которые обес­печивают унификацию описания: • язык описания электронных устройств — Electronic Device Description Language (EDDL), для простых приложений; • менеджер типов устройств — Device Type Manager (DTM), для приложений средней сложности; • средство для устройств полевого уровня/менеджер типа устройства — FDT/DTM Field Device Tool/Device Type Manager, для очень сложных приложений. 3. ProfiBus FMS (Fieldbus Message Specification — спецификация сообщений полевого уровня) — протокол передачи данных, предназначенный для обеспечения высокоскоростной связи про­граммируемых контроллеров друг с другом и станциями оператора на верхних уровнях АСУ ТП. Протокол Profibus FMS позволяет достигать скорости обмена до 12 мБит/с (при использова­нии оптоволокна). ProfiBus FMS применяется для обмена данными на уровне ячеек (PLC и PC). ProfiBus DP и ProfiBus FMS применяют одинаковую технику передачи и единый протокол доступа к шине и поэтому могут работать через общий кабель. Сетевое реше­ние поддерживает использование RS485 и оптического волокна. Мощные сервисы протокола Profibus FMS предоставляет большую гибкость при переда­че больших объемов данных, однако он проигрывает протоколу Profibus DP по популярности вследствие своей сложности. Прикладной(пользовательский) уровень Profibus FMS включает в себя FMS (Fieldbus Message Specification) и LLI (Lower Layer Interface). FMS несет в себе пользовательский протокол и предоставляет ряд коммуникационных служб. Он применим для обмена данных между ПК и ПЛК. LLI дает возможность осуществлять связь и отвечает за аппаратно независимый доступ к ка­нальному уровню протокола . Profibus FMS организует отношения типа «клиент-сервер». Клиентом тут является опре­деленный процесс приложения, сервер предоставляет доступ к объектам. Коммуникационные службы, предоставляемые на прикладном уровне, жестко соответствуют функциям необходимо­го устройства. Для каждого устройства прописан необходимый набор функций, записанный в конкретный профиль. Основными элементами протокола являются: • Профиль коммуникации между контроллерами. В этом профиле указано, какие службы применяются для коммуникаций между ПЛК. Типы контроллеров точно определены, а значит, определены и службы, параметры и типы данных, поддерживаемые ПЛК. • Профиль автоматизации зданий. По сути, этот профиль аналогичен предыдущему, лишь более узкоспециализирован под отрасль автоматизации зданий. В нем определено как осуществляется обмен данными, регулирование, обслуживание, обработка и архивирова­ние сигналов. • Профиль коммутационных низковольтных приборов. Аналогичный профиль с опреде­ленными функциями для низковольтных коммутационных приборов. В настоящее время ProfiBus FMS все больше уступает сетям Ethernet и Profinet. 8.5. Интерфейс HART HART-протокол (англ. Highway Addressable Remote Transducer Protocol – "магистральный адре­суемый удаленный преобразователь") - цифровой промышленный протокол передачи данных, попытка внедрить информационные технологии на уровень полевых устройств. HART-протокол является открытым стандартом на метод сетевого обмена, который вклю­чает в себя не только протокол взаимодействия устройств, но и требования к аппаратуре канала связи. Стандарт HART был разработан в 1980 году фирмой Rosemount Inc., которая позже сде­лала его открытым. В настоящее время стандарт поддерживается международной организацией HART Communication Foundation (HCF), насчитывающей 190 членов (на декабрь 2006 г.). HART находит применение для связи контроллера с датчиками и измерительными преобразователями, электромагнитными клапанами, локальными контроллерами, для связи с искробезопасным обо­рудованием. Несмотря на свое низкое быстродействие (1200 бит/с) и ненадежный аналоговый способ передачи данных, а также появление более совершенных сетевых технологий, устройства с HART-протоколом разрабатываются до сих пор и объем этого сегмента рынка продолжает рас­ти. Однако применение HART в России довольно ограничено, поскольку внедрение датчиков с HART-протоколом требует одновременного применения HART-совместимых контроллеров и специализированного программного обеспечения. Типовой областью применение HART являются достаточно дорогие интеллектуальные устройства (электромагнитные клапаны, датчики потока жидкости, радарные уровнемеры и т. п), а также взрывобезопасное оборудование, где низкая мощность HARTсигнала позволяет лег­ко удовлетворить требованиям стандартов на искробезопасные электрические цепи. HARTпротокол основан на методе передачи данных с помощью частотной модуляции (Frequency Shift Keying, FSK), в соответствии с широко распространенным коммуникационным стандартом Bell 202. Цифровая информация передаётся частотами 1200 Гц (логическая 1) и 2200 Гц (логический 0), которые накладываются на аналоговый токовый сигнал (рис. 8.14). Частотномодулированный сигнал является двухполярным и при применении соответствующей фильтрации не влияет на основной аналоговый сигнал 4 — 20 мА. Скорость передачи данных для HART составляет 1,2 кбит/с. Каждый HARTкомпонент требует для цифровой передачи соответствующего модема. Модулированный цифровой сигнал, позволяющий получить информацию о состоянии датчика или осуществить его настройку, накладывается на токовую несущую аналоговой токо­вой петли уровня 4—20 мА. Таким образом, питание датчика, снятие его первичных показаний и вторичной информации осуществляется по двум проводам. К одной паре проводов может быть подключено несколько датчиков. По этим же проводам может передаваться сигнал 4—20 мА. Рис. 8.14. Суммирование аналогового и цифрового сигнала в HART-протоколе. Принцип работы HART-протокола на физическом уровне показан на рис. 8.15. Сопро­тивление RН выбирается так же, как и в токовой петле (стандартом предусмотрена величина 230...1100 Ом) и служит для преобразования тока 4...20 мА в напряжение. Ввзаимодействие устройств инициирует контроллер. Цифровой сигнал D(t)1 от источника напряжения E через конденсатор CВЧ подается в линию передачи и принимается на стороне датчика в форме напря­жения в диапазоне от 400 до 800 мВ. Приемник датчика воспринимает HART-сигналы в диапа­зоне от 120 мВ до 2 В, сигналы от 0 до 80 мВ приемником игнорируются. Получив запрос, датчик формирует ответ, который в общем случае может содержать как анало­говый сигнал A(t)2, так и цифровой D(t)2. Аналоговый сигнал обычно содержит информацию об измеренной величине, а цифровой - информацию о единицах и диапазоне измерения, о выходе величины за границы динамического диапазона, о типе датчика, имени изготовителя и т. п.). Аналоговый и цифровой сигнал суммируются и подаются в линию связи в форме тока. На сто­роне контроллера ток преобразуется в напряжение резистором RН. Полученный сигнал подается на фильтр нижних частот с частотой среза 10 Гц и на фильтр верхних частот с частотой среза 400...800 Гц. На выходе фильтров выделяются цифровой сигнал D(t)2 и аналоговый A(t)2. Как и в обычной "токовой петле", источник тока в HART-устройстве может иметь внеш­ний или встроенный источник питания. Рис. 8.15. Принцип работы HART-протокола на физическом уровне. HART-устройства всегда содержат микроконтроллер (рис. 8.16) с UART и ППЗУ (пере­программируемое постоянное запоминающее устройство). Цифровой сигнал, сформированный микроконтроллером, преобразуется в UART в непрерывную последовательность бит, состоя­щую из двоичных слов длиной 11 бит каждое (рис. 8.17). Каждое слово начинается со стартово­го бита (логический ноль), за которым следует байт передаваемых данных, затем бит паритета и стоповый бит. Сформированная таким образом последовательность нулей и единиц передается в модем, выполняющий частотную модуляцию (ЧМ). Полученный частотно-модулированный сигнал передается в интерфейсный блок для формирования напряжения, подаваемого в линию связи. Рис. 8.16. Прохождение аналоговых и цифровых сигналов через устройства с HART-протоко­лом. Рис. 8.17. Структура слова в HART-протоколе. На стороне датчика сигнал принимается из линии интерфейсным блоком, преобразуется ЧМ модемом в последовательность битов, из которой контроллер выделяет байты данных и биты паритета. Микроконтроллер проверяет соответствие бита паритета переданному байту для каждого переданного слова, пока не обнаружит признак конца сообщения. Получив команду, контроллер приступает к ее выполнению. Если пришла команда запроса изме­ренных данных, контроллер датчика принимает через АЦП сигнал датчика, преобразует его в аналоговую форму с помощью ЦАП, суммирует со служебной информацией на выходе ЧМ мо­дема и передает в линию связи в форме тока 4...20 мА. HART протокол построен по принципу «Ведущий - Ведомый», то есть полевое устрой­ство отвечает по запросу системы. Протокол допускает наличие двух управляющих устройств (управляющая система и коммуникатор). Существует два режима работы датчиков, поддерживаю­щих обмен данными по HART протоколу. 1. Режим передачи цифровой информации одновременно с аналоговым сигналом. Обычно в этом режиме датчик работает в аналоговых АСУ ТП, а обмен по HART-протоколу осуще­ствляется посредством HART-коммуникатора или компьютера. При этом можно удаленно (рас­стояние до 3000 м) осуществлять полную настройку и конфигурирование датчика. Оператору нет необходимости обходить все датчики на предприятии, он может их настроить непосред­ственно со своего рабочего места. 2. В многоточечном режиме - датчик передает и получает информацию только в цифровом виде. Аналоговый выход автоматически фиксируется на минимальном значении (только пита­ние устройства - 4 мА) и не содержит информации об измеряемой величине. Информация о переменных процесса считывается по HART-протоколу. К одной паре проводов может быть под­ключено до 15 датчиков. Их количество определяется длиной и качеством линии, а также мощ­ностью блока питания датчиков. Все датчики в многоточечном режиме имеют свой уникальный адрес от 1 до 15, и обращение к каждому идет по соответствующему адресу. Коммуникатор или система управления определяет все датчики, подключенные к линии, и может работать с любым из них. Каждое HART-устройство должно иметь уникальный адрес. Посылаемые ведущим устройством адреса декодируются одновременно всеми устройствами, находящимися в сети. Однако отвечает только то устройство, чей адрес совпадает с принятым. Сеть на основе HART-протокола может подключаться к другим сетям (Modbus, Profibus, Ethernet) с помощью соответствующих шлюзов. В сети также широко используются мульти­плексоры, позволяющие подключить к одному контроллеру несколько HART-сетей и одновре­менно выполнить роль шлюза. Для подключения сети или HART-устройства к компьютеру необходим специальный HART-интерфейс, который выпускается рядом производителей. Про­граммный доступ SCADA к HART-устройствам выполняется с помощью HART OPC сервера.