Федеральноеагентство по образованию
Государственноеобразовательное учреждение
высшегопрофессионального образования
Уфимскийгосударственный нефтяной технический университет
Курсоваяработа
тема: Основныехарактеристики многоуровневой сетевой модели Process Field Bus
Уфа 2010
Введение
PROFIBUS (Process Field Bus) — открытая промышленнаясеть, прототип которой был разработан компанией Siemens AG для своихпромышленных контроллеров SIMATIC, на основе этого прототипа Организацияпользователей PROFIBUS разработала международные стандарты, принятые затемнекоторыми национальными комитетами по стандартизации. Очень широкораспространена в Европе, особенно в машиностроении и управлении промышленнымоборудованием. Сеть PROFIBUS — это комплексное понятие, она основывается нанескольких стандартах и протоколах. Сеть отвечает требованиям международныхстандартов IEC 61158 и EN 50170. Поддержкой, стандартизацией и развитием сетейстандарта PROFIBUS занимается PROFIBUS NETWORK ORGANISATION (PNO).
PROFIBUSобъединяет технологические и функциональные особенности последовательной связиполевого уровня. Она позволяет объединять разрозненные устройства автоматизациив единую систему на уровне датчиков и приводов.
PROFIBUSиспользует обмен данными между ведущим и ведомыми устройствами (протоколы DP и PA)или между несколькими ведущими устройствами (протоколы FDL и FMS). Требованияпользователей к получению открытой, независимой от производителя системе связи,базируется на использовании стандартных протоколов PROFIBUS.
Сеть PROFIBUSпостроена в соответствии с многоуровневой сетевой моделью ISO 7498. PROFIBUSопределяет следующие уровни:
· 1 — физическийуровень — отвечает за характеристики физической передачи;
· 2 — канальныйуровень — определяет протокол доступа к шине;
· 7 — уровеньприложений — отвечает за прикладные функции.Основные характеристики: Интерфейсыреализованы в виде специализированных микросхем (ASIC), которые выпускаютсямножеством поставщиков. Основывается на спецификации интерфейса RS485 иевропейской электрической спецификации EN50170. Разновидности: Profibus DP(главный/подчиненный), Profibus FMS (несколько главных устройств/одноранговыеустройства), Profibus PA (внутренне безопасная шина). Максимальное число узлов:127. Длина соединения: от 100 м до 24 км (с ретрансляторами и оптоволоконными кабелями). Скорость передачи: 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). Поддерживаемые стандартыОткрытость и независимость от производителя гарантируетстандарт EN 50170, всё остальное реализовано в соответствии со стандартом DIN 19245(а именно: техника передачи данных, методы доступа, протоколы передачи,сервисные интерфейсы для уровня приложений, спецификация протоколов,кодирование, коммуникационная модель и т. д.). С помощью PROFIBUS, устройстваразных производителей могут работать друг с другом без каких-либо специальныхинтерфейсов. Семейство PROFIBUS состоит из трех совместимых друг с другомверсий: PROFIBUS PA, PROFIBUS DP и PROFIBUS FMS.
1. Уровнисетевой модели OSI 1.1 Физический уровень PROFIBUS
ФизическиPROFIBUS может представлять из себя:
· электрическуюсеть с шинной топологией, использующую экранированную витую пару,соответствующую стандарту RS-485;
· оптическую сетьна основе волоконно-оптического кабеля;
· инфракраснуюсеть.Скорость передачи может варьироваться от 9,6 Кбит/сек до 12 Мбит/сек. 2.1.1 RS-485
ИнтерфейсRS-485 (другое название — EIA/TIA-485) — один из наиболее распространенныхстандартов физического уровня связи. Физический уровень — это канал связи испособ передачи сигнала (1 уровень модели взаимосвязи открытых системOSI).Сеть, построенная на интерфейсе RS-485, представляет собойприемопередатчики, соединенные при помощи витой пары. Стандартные параметры интерфейсов RS-485 Допустимое число передатчиков / приемников 32 / 32 Максимальная длина кабеля 1200 м Максимальная скорость связи 10 Мбит/с Диапазон напряжений «1» передатчика +1.5...+6 В Диапазон напряжений «0» передатчика -1.5...-6 В Диапазон синфазного напряжения передатчика -1...+3 В Допустимый диапазон напряжений приемника -7...+12 В Пороговый диапазон чувствительности приемника ±200 мВ Максимальный ток короткого замыкания драйвера 250 мА Допустимое сопротивление нагрузки передатчика 54 Ом Входное сопротивление приемника 12 кОм Максимальное время нарастания сигнала передатчика 30% бита
Преимущества:• Гибкая шинная или древовидная топология с повторителями,шинными терминалами и шинными штекерами для подключения узлов PROFIBUS • Исключительно пассивная передача сигналов, котораяобеспечивает отключение узлов без оказания влияния на сеть (за исключениемузлов, питающих нагрузочные сопротивления) • Простота прокладки и подключения шинного кабеля, нетребующая специального опыта. Ограничения: • Охватываемое расстояние снижается при увеличении скоростипередачи • При наружной установке требуются дополнительные меры помолниезащите 1.2 Волоконно-оптический канал Топология сети Шинная топология при искользовании встроенных оптических портов и OBT; Шинная топология, топология типа «звезда» или «кольцо» при использовании OLM Среда передачи Волоконно-оптические кабели с волокнами из стекла, с пластиковым покрытием или с пластиковыми волокнами Возможные длины сегментов До 15 км Количество узлов Не более 127 в сети Скорость передачи 9,6 кбит/с 19,2 кбит/с 45,45 кбит/с 93,75 кбит/с 187,5 кбит/с 500 кбит/с 1,5 Мбит/с 3 Мбит/с 6 Мбит/с 12 Мбит/с Схема приемо-передающей аппаратуры ВОЛС выглядитследующим образом:Преимущества: • Независимо от скорости передачи, достигаются большиерасстояния между двумя терминалами передачи данных (ТПД) (расстояния междудвумя модулями OLM достигают до 15 км) • Узлы и среда передачи данных электрически развязаны междусобой• При соединении компонентов, имеющих разные потенциалыотносительно земли, отсутствуют токи экрана • Отсутствие электромагнитных помех • Не требуются дополнительные средства молниезащиты • Простота прокладки волоконно-оптических кабелей • Высокая надёжность ЛВС благодаря использованию кольцевойтопологии • Чрезвычайно простая техника подключения при использованиипластиковых волоконно- оптических кабелей на коротких дистанциях. Ограничения: • Общее время передачи пакета увеличено по сравнению ссетями на витой паре • Для монтажа стеклянных волоконно-оптических кабелей кштекерам требуется специальный опыт и инструменты • Отсутствие питания в точках сочленения (в приспособленияхдля подключения узлов, в OLM, или в OBT) приводит к прерыванию передачи сигнала1.3 Инфракраснаясеть Топология сети Точка-точка Точка-многоточка Среда передачи Открытое пространство с прямой видимостью Возможные длины сегментов До 15 м Количество узлов Не более 127 в сети Скорость передачи 9,6 кбит/с 19,2 кбит/с 45,45 кбит/с 93,75 кбит/с 187,5 кбит/с 500 кбит/с 1,5 Мбит/с 3 Мбит/с 6 Мбит/с 12 Мбит/с
Преимущества: • Высокая мобильность подключенных компонентовпроизводственного участка (например, тележек) • Отсутствие износа при подключении и отключении в сетях сфиксированными компонентами • Объединение узлов без монтажа кабеля (временноеподключение, подключение к труднодоступным участкам) • Не зависит от протокола • Электрическая развязка между узлами и проводной сетью Ограничения: • Скорость передачи
2. Канальный уровень 2.1 Протокол доступа к шинеДля всех версий PROFIBUS существует единый протокол доступак шине. Этот протокол реализуется на 2 уровне модели OSI (который называется в PROFIBUS-FDL).Данный протокол реализует процедуру доступа с помощью маркера (token). СетьPROFIBUS состоит из ведущих (master) и ведомых (slave) станций. Ведущая станцияможет контролировать шину, то есть может передавать сообщения (без удалённыхзапросов), когда она имеет право на это (то есть когда у неё есть маркер).Ведомая станция может лишь распознавать полученные сообщения или передаватьданные после соответствующего запроса. Маркер циркулирует в логическом кольце,состоящем из ведущих устройств. Если сеть состоит только из одного ведущего, томаркер не передаётся (в таком случае в чистом виде реализуется системаmaster-slave). Сеть в минимальной конфигурации может состоять либо из двухведущих, либо из одного ведущего и одного ведомого устройства.
Еще одна важная задачаканального уровня — сохранение целостности информации. Кадры Уровня 2 протоколаPROFIBUS обеспечивают целостность информации с высокой надежностью. Все кадрыимеют хэммингово расстояние равно 4. Для этого, в соответствии с международнымстандартом IЕС 870-5-1, используются специальные начальные и конечныеразделители, жесткая синхронизация и бит контроля четности для каждого октета. Канальныйуровень PROFIBUS работает в режиме без процедуры установления связи. Онпредлагает как передачу точка-точка, так и многопунктовую связь (широковещательнуюи групповую). Широковещательная связь означает, что активная станция посылаетвсем другим станциям (ведущим и ведомым) неподтверждаемое сообщение. Групповаясвязь означает, что активная станция посылает неподтверждаемое сообщение группеведущих или ведомых устройств. Сервисные функции канального уровня PROFIBUS:
· Функция SDA.Назначение: Послать Данные с Подтверждением (Send Data with Acknowledge).Используется протоколом FMS.
· Функция 3RD.Назначение: Послать и Запросить Данные с Ответом (Send and Request Data withReply). Используется протоколом FMS и DP.
· Функция SON.Назначение: Послать Данные без Подтверждения (Send Data With No Acknowledge).Используется протоколом FMS и DP.
· Функция CSRD.Назначение: Периодически Посылать и Запрашивать Данные с Ответом (Cyclic Sendand Request Data with Reply). Используется протоколом FMS.2.2 Прикладной уровень
Прикладнойпользовательский сервис обеспечивается уровнем 7 эталонной модели ISO/OSI.Благодаря этому сервису возможен эффективный и расширяемый обмен данными междуприкладными процессами. Прикладной уровень протокола PROFIBUS-FMS определяетсяв стандарте DIN 19245, Часть 2 и состоит из Спецификации Сообщений Fieldbus — FMS (Fieldbus Message Specification) и Интерфейса Нижнего Уровня — LLI (LowerLayer Interface). В спецификации FMS описываются объекты взаимодействия,прикладной сервис и результирующие модели с точки зрения взаимодействующегопартнера. Интерфейс LLI служит для адаптации прикладных функций к разнымхарактеристикам Уровня2.
3. Протоколы сети PROFIBUS
profibusэлектрический шина протокол
3.1 ProfibusDP
Profibus DP (Decentralized Peripherals) — профиль протоколов промышленнойсети Profibus.
Используетуровни модели OSI:
· 1 — физическийуровень — отвечает за характеристики физической передачи
· 2 — Канальныйуровень — определяет протокол доступа к шине
· 7 — Прикладнойуровень — отвечает за прикладные функции
Данная сетьбыла спроектирована для высокоскоростной передачи данных между устройствами. Вданной сети центральные контроллеры (программируемые логические контроллеры иPC) связаны с их распределёнными полевыми устройствами через высокоскоростнуюпоследовательную связь. Большинство передач данных осуществляется циклическимспособом.
В качествеведущего устройства могут использоваться контроллеры. Как ведомые устройства,могут использоваться приводы, клапаны или устройства ввода-вывода.
С помощьюProfibus DP могут быть реализованы Mono и MultiMaster системы. Основной принципработы заключается в следующем: центральный контроллер (ведущее устройство)циклически считывает входную информацию с ведомых устройств и циклическизаписывает на них выходную информацию. При этом время цикла шины должно бытькороче, чем время цикла программы контроллера, которое для большинстваприложений составляет приблизительно 10 мсек. В дополнение к циклическойпередаче пользовательских данных Profibus DP предоставляет широкие возможностипо диагностике и конфигурированию. Коммуникационные данные отображаютсяспециальными функциями как со стороны ведущего, так и со стороны ведомогоустройства.
Диагностическиефункции Profibus DP позволяют быстро локализовать сбои в системе.Диагностические сообщения передаются по шине мастеру, сообщения делятся на триуровня:
· связанная состанцией диагностика — определяет состояние всего устройства (перегрев,низкое напряжение и т. д.)
· связанная смодулем диагностика — сообщения связанные с ошибками в том или иномвходном/выходном модуле
· связанная сканалом диагностика — определяют ошибку конкретного бита входа/выхода.
Поведение системыпри использовании протокола DP определяется состоянием ведущего устройства.Существует три основных состояния:
· ОСТАНОВ — в этом состоянии непроисходит передачи данных между ведущим устройством и периферией
· ОЧИСТКА — ведущее устройство считываетинформацию с ведомых устройств и держит выходы в состоянии защиты от сбоев
· РАБОТА — ведущее устройство находитсяв состоянии приёма или передачи данных с периферии
Ведущееустройство циклически посылает информацию о своём состоянии всем ведомымустройствам присоединённым к нему. Передача данных между ведущим и ведомымустройствами делится на три фазы:
· параметризация
· конфигурирование
· передача данных
На 1 и 2стадиях ведомое устройство сравнивает свою текущую конфигурацию с конфигурациейожидаемой ведущим устройством и только если они совпадают, происходит передачаданных. В дополнение к обычной передаче пользовательских данных, ведущееустройство может посылать управляющие команды одному, группе или всем своимведомым устройствам. Существует две таких команды. Одна переводит ведомыеустройства в режим sync (все выходы блокируются в текущем состоянии),другая — переводит в режим freeze (все входы блокируются в текущемсостоянии). Вывод из этих режимов происходит с помощью команд unsync и unfreezeсоответственно.
В дополнениек данной системе передачи, существуют расширенные DP функции, которые позволяютпроизводить ациклическое чтение и запись параллельно циклической передачеданных.
3.2 ProfibusFMS
PROFIBUS FMS — протокол предназначен в основномдля связи программируемых контроллеров друг с другом и станциями оператора. Ониспользуется в тех областях, где высокая степень функциональности более важнанежели чем быстрое время реакции системы.
При связичерез FMS используются отношения типа клиент-сервер. Клиент является процессомприложения, который в качестве заказчика услуги обращается к объектам. Серверявляется исполнителем услуги «Объекты».
Враспоряжение клиенту предоставляются объекты связи. В качестве примераустройств, соединенных по FMS протоколу можно взять из оборудования фирмыСименс — SIMATIC S7 c FMS-CP или, например, SIMATIC S5 c CP 5431FMS. Оченьчасто используется комбинированный режим работы устройств PROFIBUS FMS и PROFIBUSDP, в этом случае между мастерами и ведомыми устройствами используется протоколDP, а между самими мастерами протокол FMS:
Основнаянагрузка в протоколе FMS приходится на уровень приложений. Им предоставляютсякоммуникационные службы, которые могут использоваться непосредственнопользователем, которые отвечают за выполнение запросов в системе клиент-сервер. Коммуникационная модель PROFIBUS FMS допускает объединение распределенныхпроцессов приложений в общий процесс с использованием коммуникационных связей.Часть процесса приложения в полевом устройстве, которая может быть достигнутачерез коммуникацию называется виртуальным полевым устройством VFD. В немнаходится словарь так называемых коммуникационных объектов, через которые ипроисходит связь между устройствами с помощью служб. Словарь содержит описание,структуру и типы данных, а также связи между адресами внутреннего устройствакоммуникационных объектов и их назначение на шине (индекс/имя).
Болееподробно, словарь состоит из следующих объектов:
· заголовок — информация по структуре словаря
· списокстатических типов данных — список поддерживаемых статических типов данных
· словарьстатических объектов в нем — все статические коммуникационные объекты
· динамическийсписок списка переменных — список всех списков переменных
· динамическийсписок программ — список всех программ
В настоящеевремя применение протокола PROFIBUS FMS сокращается, в связи с переходом к ПромышленныйEthernet и PROFInet.
Однакоспецификации FMS стали частью стандарта FOUNDATION Fieldbus и используются внём.
3.3 ProfibusPA
PROFIBUS PA (Process Automation) — промышленнаясеть, служит для соединения систем автоматизации и систем управления процессамис полевыми устройствами (например, датчиками давления, температуры и уровня).Может использоваться для аналоговой (от 4 до 20 мА) технологии. Profibus PAиспользует основные Profibus DP функции передачи измеренных величин и состоянияконтроллера, а также расширенные функции PROFIBUS DP для параметризации иопераций с полевыми устройствами.
4. Примеры использования
4.1 Примерыэлектрической сети PROFIBUS
Характеристики:
· Высококачественныйсетевой кабель.
· Передача данныхпо RS 485 в соответствии с EIA.
· Магистральнаятопология с подключением станций через сетевые терминалы и сетевые соединители.
· Метод передачиданных IEC 61158-2 в зонах повышенной опасности.
· Согласование DP(кодирование с использованием дифференциальных сигналов напряжения RS 485) и PA(кодирование с использованием сигналов силы тока) каналов связи с помощьюсоответствующей аппаратуры (модулей и соединителей DP/PA связи).
· Концепцияоднородных способов монтажа и заземления.
· Простота монтажа.
4.2 Пример оптическойсети PROFIBUS
Оптические каналы связи обладают целым рядом преимуществ по сравнению сэлектрическими каналами:
· Нечувствительностьк воздействию электромагнитных помех.
· Широкий спектрвозможных применений.
· Гальваническаяизоляция.
· Возможностьприменения пластиковых, PCF и стеклянных оптоволоконных кабелей.
4.3 Примербеспроводного решения для PROFIBUS
Инфракрасные каналы используются для организации беспроводной связи ипозволяют передавать данные на расстояние до 15м. Такие каналы являютсянаиболее эффективным решением для обмена данными с аппаратурой, расположеннойна подвижных частях технологического оборудования. Скорость передачи данныхможет достигать 1.5Мбит/с. Для передачи данных по инфракрасным каналамприменяются модули ILM (Infrared Link Module – инфракрасный модуль связи).
4.4 Пример доступ ксетям PROFIBUS по Ethernet
Преимущества:
-Одновременныйдоступ нескольких приложений к сети PROFIBUS
-Фактическийстандарт для параметризации устройств независимо от производителя или классаустройства
-Возможностьвыбора необходимого количества каналов PROFIBUS
-Одновременныйдоступ к данным уже функционирующих систем
управления
-Быстраяинтеграция в систему благодаря открытому
пользовательскомуинтерфейсу и OPC-серверу
-Многочисленныепримеры использования для различных сред
разработкии языков программирования
-Возможностьадаптации для оптимальной интеграции в конкретную среду
Списокиспользованных источников
1. Мир компьютерной автоматизации.Журнал ( www.mka.ru/?p=40754)
2. Каталог продуктов Siemens (http://siemens.el-complex.com)
3. Средства и системы компьютернойавтоматизации (http://www.asutp.ru/?p=600012)
4. Википедия (http://ru.wikipedia.org/wiki/PROFIBUS)
5. Profibus. Краткий обзор (http://plc4good.org.ua/view_post.php?id=39 )