5.3.2. Физический Уровень (1) протокола profibus

На область применения системы Fieldbus в значительной степени влияет выбор передающей среды и интерфейс с физической шиной. Решающими факторами, помимо требования сохранения целостности информации, являются прогнозируемая стоимость и используемый кабель. Поэтому для разных технологий передачи в стандарте PROFIBUS определяются уникальные протоколы доступа к передающей среде:

Медный провод. В соответствии с американским стандартом EIA RS-485 этот вариант является базовым в технике передачи данных для приложений промышленности, автоматизации строительства и управления приводами. В нем используется двухпроводная витая пара с экранированием или без. Возможны двухпроводные варианты с различными максимальными расстояниями. Назначение контактов разъема и проводка витой пары показаны на рис. 5.4.

Рис. 5.4 Кабель шины PROFIBUS-DP и PROFIBUS-FMS

Оптоволоконный кабель. В цепях увеличения длины шины при высокоскоростных передачах и реализации приложений, работающих в средах с большими помехами, PNO в настоящее время разрабатывает спецификацию на технику оптоволоконной передачи. Эта спецификация есть в PNO как предложение в рамках общего курса деятельности PNO.

Внутренняя защита. В опасных местах PNO рекомендует использовать технику передачи PROFIBUS-ISP. В ISP используется международный стандарт Уровня (1) IEC 1158-2.

Основные характеристики техники передачи RS-485

Топология сети. Линейная шина с оконечными нагрузками на обоих концах. Возможны заглушки.

Передающая среда. Экранированная витая пара (STP-Shielded Twisted Pair). В зависимости от окружающей среды экранирование может отсутствовать (UTP-Unshielded Twisted Pair).

Количество станций. 32 станции в каждом сегменте без повторителей. С повторителями есть возможность расширения до 127.

Максимальная длина шины (без повторителя). Кабель А: 200 м при 1500 Кбит/с, до 1,2 км при 93,75 Кбит/с. Кабель В: 200 м при 500 Кбит/с, до 1,2 км при 93,75 Кбит/с.

Максимальная длина шины (3 последовательных повторителя). Кабель А: 800 м при 1500 Кбит/с, до 4,8 км при 93,75 Кбит/с. Кабель В: 800 м при 500 Кбит/с, до 4,8 км при 93,75 Кбит/с.

Скорость передачи. Выбирается из ряда: 9,6; 19,2; 93,75; 187,5; 500; 1500 Кбит/с.

Соединитель. 9-контактный разъем D-Sub.

Канальный Уровень (2) протокола PROFIBUS

Второй уровень эталонной модели OSI обеспечивает функции Управления Доступом к Передающей Среде (Medium Access Control) и поддержания целостности информации, а также выполнение протоколов передачи и сообщений. В протоколе PROFIBUS Уровень 2 обозначается как Канал Данных Fieldbus – FDL (Fieldbus Data Link). Функция Управления Доступом к Передающей Среде – MAC (Medium Access Control) определяет, когда станция может передавать данные. Функция MAC должна гарантировать, что в любой момент времени право передачи информации принадлежит только одной станции.

Для Управления Доступом к Передающей Среде в протоколе PROFIBUS учтено два важных требования.

В случае взаимодействия между сложными компонентами автоматизации с равными правами доступа к шине (ведущими устройствами) должна быть гарантия того, что каждая из этих станций для выполнения своих задач взаимодействия получает необходимый доступ к шине в течение точно заданного временного интервала.

В случае взаимодействия между сложными устройствами автоматизации и простыми периферийными устройствами (ведомыми) периодический обмен информацией, осуществляемый в реальном масштабе времени, достигается как можно проще и быстрее.

Для взаимодействия между сложными станциями (ведущими) протокол Доступа к Передающей Среде PROFIBUS включает метод передачи маркера, а для взаимодействия между сложными станциями и простыми периферийными устройствами (ведомыми) – метод ведущий-ведомый. Этот комбинированный метод называется гибридным доступом к передающей среде (рис. 5.5).

Рис. 6.5 Гибридный метод управления доступом

Посредством маркера, метод передачи маркера обеспечивает присвоение права доступа к шине в пределах точно определенного временного интервала. Маркер – это специальное сообщение, которое передает права на осуществление передачи информации от одного ведущего устройства к другому. Он циркулирует между всеми ведущими устройствами в пределах (регулируемого) максимального времени оборота маркера. Метод передачи маркера используется в PROFIBUS только для сложных станций (ведущих устройств).

Метод ведущий-ведомый позволяет ведущему устройству (активной станции), которому в настоящий момент принадлежит право передачи информации, взаимодействовать с ведомыми устройствами (пассивными станциями). Каждое ведущее устройство имеет возможность получать данные от ведомых устройств и передавать данные ведомым устройствам.

Используемый в PROFIBUS гибридный метод доступа в передающей среде дает возможность реализовать:

– систему, в которой везде применяется метод ведущий-ведомый;

– систему, в которой везде применяется метод ведущий-ведущий (с передачей маркера);

– систему, в которой применяется комбинация этих методов.

На рис. 5.5 показана структура PROFIBUS с тремя активными станциями (ведущими устройствами) и семью пассивными станциями (ведомыми устройствами). Три ведущих устройства образуют логическое маркерное кольцо.

После того как активная станция получает маркер, ей на определенное время дается разрешение выполнять на шине функции ведущего устройства. Она может взаимодействовать со всеми ведомыми станциями по методу ведущий-ведомый и со всеми ведущими станциями, участвующими во взаимоотношениях по методу ведущий-ведущий.

Маркерное кольцо представляет собой организационную цепь активных станций, образующую некоторое логическое кольцо с адресами входящих в него станций. В этом кольце в заданной последовательности возрастающих адресов циркулирует маркер – право доступа к передающей среде.

В стартовой фазе такой шинной системы задача управления доступом к передающей среде (MAC), работающая в активных станциях, должна обнаружить это логическое назначение и установить маркерное кольцо. В рабочей фазе неисправные или выключенные (активные) станции должны из кольца удаляться, а новые активные станции – в него включаться. Кроме того, программа Управления Доступом к Передающей Среде PROFIBUS (MAC) должна: распознавать неисправности в передающей среде или передатчиках; выявлять ошибки в адресации станций (например, одновременное обращение к нескольким станциям); выявлять ошибки в передаче маркера (например, умножение маркера или его потерю).

Еще одна важная задача Уровня 2 – сохранение целостности информации. Кадры Уровня 2 протокола PROFIBUS обеспечивают целостность информации с высокой надежностью. Все кадры имеют хэммингово расстояние = 4. Для этого, в соответствии с международным стандартом IЕС 870-5-1, используются специальные начальные и конечные разделители, жесткая синхронизация и бит контроля четности для каждого октета.

Уровень 2 PROFIBUS работает в режиме без процедуры установления связи. Он предлагает как передачу точка-точка, так и многопунктовую связь (широковещательную и групповую).

Широковещательная связь означает, что активная станция посылает всем другим станциям (ведущим и ведомым) неподтверждаемое сообщение.

Групповая связь означает, что активная станция посылает неподтверждаемое сообщение группе ведущих или ведомых устройств.

Сервисные функции Канального Уровня (2) 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 with Reply). 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 Send and Request Data with Reply). Используется протоколом FMS

5.4. PROFIBUS-FMS

PROFIBUS-FMS предназначен для взаимодействия между интеллектуальными field-устройствами и контроллерами и для обмена информацией между контроллерами. Поэтому функциональные возможности важнее времени реакции. Как правило, обмен информацией осуществляется по запросу прикладного процесса и не является циклическим.