Tag Archives: PROFIBUS

Fieldbus Data Link PROFIBUS (Layer 2)

Согласно модели OSI на втором уровне реализуются функции управления доступом к шине (раздел 1.2), обеспечение безопасности данных, а также выполнение протокола передачи и формирование телеграмм. Уровень 2 обозначается в PROFIBUS как FDL-уровень (Fieldbus Data Link).

Формат телеграммы уровня 2 (рис.1) способствует большей безопасности передачи. Вызывающая телеграмма имеет расстояние Хемминга HD (Hamming Distance) = 4. При HD = 4 может быть распознано до 3-х одновременных ошибок в фальсифицированных битах телеграммы данных. Это достигается благодаря применению особых стартового и завершающего знаков телеграммы, постоянно скользящей синхронизации, биту четности и контрольному байту.

При этом могут быть распознаны следующие ошибки:

  • Ошибка символьного формата (четность, переполнение, ошибка фрейма)
  • Ошибки протокола
  • Ошибки разделителей начала и окончания
  • Ошибки байта проверки фрейма
  • Ошибки длины телеграммы

Телеграмма, у которой распознана ошибка, повторяется по крайней мере, один раз. Имеется возможность повторять телеграммы, проходящие по уровню 2 до 8 раз (шинный параметр .Retry.). Уровень 2 может осуществлять наряду с передачей данных .точка к точке., также коммуникации во многие точки . Broadcast и Multicast.

При коммуникациях Broadcast активный участник посылает сообщение всем остальным участникам (Master.ам и Slave.ам). Прием данных не квитируется.

При коммуникациях Multicast активный участник посылает сообщение группе участников (Master.ам и Slave.ам). Прием данных не квитируется.

Службы, предлагаемые уровнем 2, приведены в табл. 1.

Табл. 1.5 Службы передачи PROFIBUS

Служба

Функции DP PA FMS 
SDA Посылка данных с квитированием x
SRD Данные посылаются и принимаются с квитированием x x x
SDN Данные посылаются без квитирования x x x
CSRD Циклическая посылка и прием с квитированием x

В PROFIBUS-DP и .PA применяется, соответственно, подмножество служб уровня 2. Так, например, PROFIBUS-DP использует только службы SRD и SDN.

Службы вызываются через точки доступа к службе, SAP (Service Access Point), уровня 2 из выше стоящего уровня. В PROFIBUS-FMS используются эти точки доступа для адресации логических коммуникационных связей. В PROFIBUS-DP и . PA применяемые точки доступа строго упорядочены. У всех активных и пассивных участников можно использовать параллельно несколько точек доступа. Различаются точки доступа источника SSAP (Source Service Access Point) и точки доступа цели DSAP (Destination Service Access Point).

Рисунок 1 Формат PROFIBUS-телеграмм

L — длина информационного поля;

SC (Single Character) отдельный символ, используется только для квитирования (SC=E5h);

SD1-SD4 (Start Delimiter) стартовый байт для отличия различных форматов телеграмм (SD1=10h, SD2=68h, SD3=A2h, SD4=DCh);

LE / LEr  (LEngth) байт длины, указывает длину информационных полей у телеграмм с переменной длиной;

DA (Destination Adress) байт адреса цели, содержит информацию о приемнике;

SA (Source Adress) байт адреса источника, содержит информацию о передатчике;

FC (Frame Control) контрольный байт содержит информацию о службе для данного сообщения и приоритет сообщения;

Data Unit — поле данных, может также содержать возможные расширения адреса телеграммы пользовательских данных;

FCS (Frame Check Sequence) проверочный байт, содержит контрольную сумму телеграммы, которая образуется операцией .И. без бита переполнения ED (End Delimiter) оконечный байт, указывает на конец телеграммы (ED=16h)

Физический уровень (Layer 1) для PROFIBUS PA

В PROFIBUS-PA используется передающая техника по IEC 1158-2. Эта техника позволяет достигнуть электробезопасности и питания полевых приборов прямо через шину. Для передачи данных используется бит-синхронизированный, с манчестерским кодом протокол передачи без постоянной составляющей (обозначается также как H1). При передаче данных с помощью манчестерского кода бинарный .0. передается как смена фронта с 0 на 1, а бинарная .1. . как смена фронта с 1 на 0. Данные передаются с помощью модуляции +/-9mA основного тока шинной системы IB (рис.1).

Рис. 1 Передача данных в PROFIBUS-PA с помощью модуляции тока (Манчестерский код II)


Скорость передачи составляет 31,25 кбит/c. В качестве среды передачи используется витой экранированный или неэкранированный провод. Шина  состоит из сегментов, к которым подключены участники, сегменты замкнуты на RC-цепочки. К сегменту шины PA может быть подключено максимум 32 участника. Максимальная длина сегмента сильно зависит от применяемого источника питания, типа провода и потребления тока подключенными участниками.

Шинный провод

В качестве среды передачи для PROFIBUS-PA применяется 2-жильный кабель, технические данные которого не установлены/не нормированы. Свойства типов кабелей определяют максимальную длину шины, число подключаемых участников и чувствительность к электромагнитным шумам. На основании этого установлены для стандартных типов кабелей электрические и механические свойства.

В DIN 61158-2 предложены для применения стандартные кабели для PROFIBUS PA, называемые типами A.D.

Табл. 1. Предлагаемые типы кабеля для PROFIBUS-PA

Тип А (основной) Тип B Тип C Тип D
Структура кабеля Витой, двухжильный, экранированный Одна или несколько витых пар, экранир. Несколько витых пар, неэкранир. Несколько невитых пар, неэкранир.
Площадь сечения (номинальная) 0,8 мм2 (AWG18) 0,32 мм2 (AWG22) 0,13 мм2 (AWG26) 1,26 мм2 (AWG16)
Погонное сопротивление (пост. ток) 44 Ω/km 112 Ω/km 264 Ω/km 40 Ω/km
Волновое сопротивление при 31,25 kHz 100Ω±20% 100Ω±30%
Затухание при 39 kHz 3dB/km 5dB/km 8dB/km 8dB/km
Емкостное рассогласование 2nF/km 2nF/km
Групповое время запаздывания (7,9.39 kHz) 1,7μs/km
Cтепень экранирования 90%
Рекомендуемая длина сети, включая ¼- волновые согласующие шлейфы 1900 m 1200 m 400 m 200 m

 

Физический уровень (Layer 1) для DP/FMS (световоды)

Дальнейшее использование уровня 1 PROFIBUS по норме PNO (Profibus Nutzer Organisation .нем.) .Техника оптической передачи для PROFIBUS., версия 1.1 от 07.1993г. . это передача данных с помощью световодов. Благодаря оптоволокну внутри установки PROFIBUS между участниками может быть достигнуто расстояние до 15 km. Световодная техника устойчива к электромагнитным помехам и устанавливает безопасную разность потенциалов между участниками.

Благодаря простой технике подключения световодов, специальным пластиковым световодам, эта техника пришла на полевой уровень.

Среда передачи

В качестве среды передачи используются световоды со стеклянными или пластиковыми волокнами. В зависимости от используемого типа проводника длина связи может быть до 15 km при стеклянных световодах и до 80 m при пластиковых.

Подключение шины

Для подключения участников к световоду имеется различная техника (различные модули):

  • Модули OLM (Optical Link Module). Похож на репитер RS-485. Имеет два функционально разделенных электрических канала и выходы для одного или двух оптических канолов. Модули OLM соединяются с отдельными участниками или сегментами шины через интерфейс RS-485 (см. рис.1).
  • Модули OLP (Optic Link Plug). С помощью модулей OLP можно соединять друг с другом оптическим волокном пассивных участников (Slave). Модули OLP подключаются прямо на 9-и штырьковый штекер участника. OLP получает энергию от участника и поэтому не нуждается в напряжении питания. Как видно из рис.2, для подключения активных участников шины (Master) к OLP- кольцу всегда используется OLM.
  • Интегрированное LWL-подключение (Licht Wellen Leiter . нем.). Прямое подключение участников PROFIBUS к световоду. Возможно у приборов со встроенным LWL-вводом.

Рис 1 Пример шинной конфигурации с OLM-техникой

Рис 2 Оптическое однопроводное кольцо с OLM-техникой

 

Физический уровень (Layer 1) для DP/FMS (RS485)

В основной версии для экранированной витой пары уровеню 1 PROFIBUS соответствует симметричная передача данных по стандарту EIA RS485 (также обозначается H2). Проводники шинных сегментов замкнуты с обеих сторон, скручены и экранированы (см. рис. 1)

Способ передачи

Для PROFIBUS назначен способ передачи RS485, базирующийся на полудуплексной, асинхронной синхронизации. Данные передаются внутри 11- разрядного кадра (рис. 2) в NRZ-коде (Non Return to Zero). Значения сигнала (биты) не изменяются во время передачи сигнала.

В то время, как передача бинарного значения .1. соответствует положительному значению на проводнике RxD/TxD-P (Receive/Transmit-Data-P), напротив, на проводнике RxD/TxD-N (Receive/Transmit-Data-N) присутствует .0.. Состоянию покоя между отдельными телеграммами соответствует двоичный сигнал .1 (рис.3).

Рис. 1. Структура шинного сегмента RS485


Рис. 2 PROFIBUS UART-кадр

В литературе часто также оба проводника PROFIBUS обозначают как А-проводник и В-проводник. При этом А-проводник соответствует RxD/TxD-N, а В-проводник — RxD/TxD-P.

Рис. 3 Структура сигнала при передаче NRZ- кодом


Шина

В табл. 1 приведена максимально допустимая длина провода (длина сегмента) системы PROFIBUS. Эта длина зависит от скорости передачи. Внутри сегмента может быть до 32 участников.

Табл. 1.1. Максимальная длина сегмента в зависимости от скорости

Скорость передачи (kBit/s) 9,6-187,5 500 1500 12000
Длина сегмента (m) 1000 400 200 100

Данные о максимальной длине сегмента в табл.1.1 взяты из норм PROFIBUS. В табл.2 приведены параметры кабеля типа А.

Табл.2. Спецификации PROFIBUS-кабеля типа А

Волновое сопротивление От 135 до 165 Оm при частотах измерения от 3 до 20 MHz
Погонная емкость < 30pF/m
Площадь сечения > 0,34 mm2, соотв. AWG22
Тип кабеля Витая пара, 1×2 или 2×2 или 1×4 провода
Погонное сопротивление < 110 Om/km
Затухание сигнала Max 9dB на всей длине отрезка провода
Экранирование Медная оплетка или оплетка и экран из фольги

Подключение шины

В качестве стандарта для подключения участников к шине в нормах PROFIBUS EN 50170 рекомендуется 9-и штырьковый штекер, который изображен в табл.3. У каждого участника есть такой разъем с бухтовыми контактами, шинный кабель имеет разъем со штырьковыми контактами

.

Табл.1.3  Расположение контактов

Окончание шины

Шинные провода данных с обеих сторон замкнуты на согласованные нагрузки (см. рис.1). Благодаря этим сопротивлениям устанавливается безопасный потенциал покоя на проводах шины, когда участники не обмениваются сообщениями (потенциал покоя между телеграммами). Шинные нагрузки имеются почти во всех стандартных разъемах PROFIBUS и могут быть активизированы с помощью переключателей.

Если используется шина со скоростью передачи более 1500 kBit/s, то нужно на основании потребляемой мощности подключенных участников и отраженной мощности использовать шинный штекер с дополнительной индуктивностью.

Рис. 4. Схема шинного штекера для скорости передачи более 1500 кБит/c

Основы PROFIBUS (PROcess FIeld BUS)

Введение

По сравнению с обычной реализацией структур автоматизации, уже на первый взгляд видны преимущества применения последовательной полевой шины.

Экономия средств здесь образуется благодаря меньшей стоимости кабеля (кабель имеет меньшую длину) и применению полевых приборов. Это возможно, однако, только при стандартизованной и открытой полевой шине.

В 1987 году для немецкой промышленности был разработан и принят стандарт DIN E 19245 PROFIBUS. В 1996 году этот стандарт стал международной нормой EN 50170.

Модель ISO/OSI

Архитектура протоколов PROFIBUS ориентирована на уже установленные национальные и международные нормы. Так, архитектура протоколов базируется на модели OSI (Open System Interconnection).

На рис.1 изображена модель ISO/OSI для коммуникационных стандартов, состоящая из 7 уровней, подразделяющихся на два класса:

— ориентированных на пользователя с уровня 5 по уровень 7;

— ориентированных на сеть (уровни 1-4).

Уровни с 1 по 4 описывают пересылку передаваемых данных из одного пункта в другой, в то время как уровни с 5 по 7 предоставляют в распоряжение пользователя доступ к сети в соответствующей форме.

Рис.1 Модель ISO/OSI для стандартов


Архитектура протоколов и профили

Из рис.2, представляющего архитектуру протоколов PROFIBUS, можно видеть, что в ней реализованы уровни 1,2 и 7. Для уровней 1 и 2 принят стандарт США EIA (Electronic Industries Association) RS485, международные нормы IEC 870-5-1 (Telecontrol Equipment and System) и EN 60870-5-1. Метод доступа к сети, службы передачи и управления данными ориентируются на DIN 19241, части 1-3 и нормы IEC 955 Process Data Highway/Typ C. Функции управления (FMA7) ориентированы на ISO DIS 7498-4 (Management Framework). С точки зрения пользователя PROFIBUS подразделяется на 3 профиля протокола: DP, FMS и PA.

PPOFIBUS-DP

PROFIBUS-DP применяет уровни 1 и 2, а также пользовательский интерфейс. Уровни с 3 по 7 не используются. Благодаря такой архитектуре достигается быстрая передача данных. Direct Data Link Mapper (DDLM) организует доступ к уровню 2. В основу пользовательского интерфейса положены необходимые пользовательские функции, а также системные и аппаратно-зависимые функции различных типов PROFIBUS-DP-приборов.

Этот профиль протокола PROFIBUS оптимизирован для быстрого обмена данными специально для коммуникаций между системами автоматизации и децентрализованной периферией на полевом уровне.

Рис. 2 Архитектура протоколов PROFIBUS


PROFIBUS-FMS

В PROFIBUS-FMS применяются уровни 1,2 и 7. Пользовательский уровень состоит из FMS (Fieldbus Message Specification) и LLI (Lower Layer Interface).

FMS содержит пользовательский протокол и предоставляет в распоряжение коммуникационные службы. LLI реализует различные коммуникационные связи и создает для FMS аппаратно- независимый доступ к уровню 2. FMS применяется для обмена данными на уровне ячеек (PLC и PC). Мощные FMS-сервисы открывают широкие области использования и большую гибкость при передаче больших объемов данных. PROFIBUS-DP и PROFIBUS-FMS применяют одинаковую технику передачи и единый протокол доступа к шине и поэтому могут работать через общий кабель.

PROFIBUS-PA

PROFIBUS-PA применяет расширенный PROFIBUS-DP-протокол передачи данных. Техника передачи согласно IEC 1158-2 обеспечивает надежность и питание полевых приборов через шину. Приборы PROFIBUS-PA могут благодаря применению специальных устройств (PROFIBUS-PA-Links) в простейшем случае интегрироваться в PROFIBUS-DP-сеть. PROFIBUS-PA . специальная концепция, позволяющая подключать к общей шине датчики и приводы, находящиеся во взрывоопасной зоне.