Канальный уровень Profibus DP

Лекция 7. Profibus

Слово PROFIBUS получено из сокращений PROcess FIeld BUS, что приблизительно переводится как "промышленная шина для технологических процессов". Стандарт Profibus был первоначально принят в Германии в 1987 году, затем, в 1996 году, он стал международным (EN 50170 и EN 50254).

Сеть Profibus использует только первый и второй уровни модели OSI. Один из вариантов сети, Profibus FMS, использует также уровень 7.

Profibus имеет три модификации: Profibus DP, Profibus FMS и Profibus PA.

Profibus DP (Profibus for Decentralized Peripherals - "Profibus для децентрализованной периферии") использует уровни 1 и 2 модели OSI, а также пользовательский интерфейс, который в модель OSI не входит. Непосредственный доступ из пользовательского приложения к канальному уровню осуществляется с помощью DDLM (Direct Data Link Mapper - "прямой преобразователь для канального уровня"). Пользовательский интерфейс обеспечивает функции, необходимые для связи с устройствами ввода-вывода и контроллерами. Profibus DP в отличие от FMS и PA построен таким образом, чтобы обеспечить наиболее быстрый обмен данными с устройствами, подключенными к сети.

Profibus FMS (Profibus с FMS протоколом) использует уровень 7 модели OSI и применяется для обмена данными с контроллерами и компьютерами на регистровом уровне. Profibus FMS предоставляет большую гибкость при передаче больших объемов данных, но проигрывает протоколу DP в популярности вследствие своей сложности.

Profibus FMS и DP используют один и тот же физический уровень, основанный на интерфейсе RS-485 и могут работать в общей сети.

Profibus PA (Profibus for Process Automation - "для автоматизации технологических процессов") 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.

В последние годы появился стандарт PROFInet, который основан на Industrial Ethernet и технологиях COM, DCOM. Он легко обеспечивает связь промышленной сети Profibus с офисной сетью Ethernet.

Profibus является многомастерной сетью (с несколькими ведущими устройствами). В качестве ведомых устройств выступают обычно устройства ввода-вывода, клапаны, измерительные преобразователи. Они не могут самостоятельно получить доступ к шине и только отвечают на запросы ведущего устройства.

Физический уровень

На физическом уровне Profibus DP и FMS используют 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.

Стандартом для шины Profibus рекомендуется разъем D-sub (DB-9) с 9-ю контактами, цоколевка разъема приведена в табл. 2.11. На устройствах устанавливается разъем с гнездами, на кабеле - со штырьками. При необходимости иметь степень защиты IP65/67 рекомендуется использовать цилиндрический разъем типа M12 (IEC 947-5-2), HAN-BRID или гибридный разъем фирмы Siemens.

С обеих сторон линии передачи подключаются согласующие резисторы, которые конструктивно установлены во все сетевые разъемы и подключаются с помощью микропереключателей. При скоростях передачи более 1,5 Мбит/с для согласования линии дополнительно используются плоские (печатные) катушки индуктивности.

Для увеличения дальности передачи в Profibus предусмотрена возможность работы с оптоволоконным кабелем. При использовании стеклянного оптоволокна дальность связи может быть увеличена до 15 км. Оптоволоконные интерфейсы выполняются в виде сменных модулей для контроллеров.

Profibus PA использует физический уровень, соответствующий стандарту IEC 1158-2. 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). 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. Максимальная длина кабеля достигает 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. 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).

Для передачи данных используется NRZ-кодирование и 11-битный формат, идентичный формату HART-протокола, включающему стартовый бит ("0"), 8 бит данных младшими разрядами вперед, бит паритета (четный) 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. Такой формат используется для всех без исключения слов, включая заголовки сообщений. При передаче слов длиннее 8 бит старший байт отправляется первым, за ним остальные в порядке старшинства.

Несколько лет назад для Profibus была разработана модификация интерфейса RS-485 для взрывоопасных зон, которая получила название "RS-485-IS" ("Intrinsically Safe" - "внутренне безопасный"). Существенным ее отличием является наличие резисторов, ограничивающих ток в линии до значений, установленных стандартом на искробезопасные электрические цепи.

Канальный уровень Profibus DP

Канальный уровень модели OSI в Profibus называется FDL- уровнем (Fieldbus Data Link - "промышленный канал связи"). Объект MAC (Medium Access Control - "управление доступом к каналу") на канальном уровне определяет процедуру передачи данных устройствами, включая управление правами на передачу данных через сеть. Протокол канального уровня обеспечивает выполнение следующих важных требований:

o в процессе коммуникации между ведущими устройствами необходимо обеспечить выполнение каждым из них своей задачи в течение заранее определенного интервала времени;

o взаимодействие ведущих устройств (контроллеров) с ведомыми должно происходить максимально быстро.

В сети Profibus для доступа ведущих устройств к сети используется метод передачи маркера. 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.

Рис. 2.23. Принцип работы многомастерной сети

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".

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 MAC 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.