TEMA: INDUSTRIJSKA RAČURSKA MREŽA
PROFIBUS DP
DIPLOMSKI RAD ppaallee@hotmail.com
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
Sadržaj: 1. Uvod
4
1.1 Komunikacije u automatizaciji
5
1.2 Industrijske komunikacije
6
1.2.1 ISO/OSI model komunikacijskih standarda
7
1.3 Arhitektura i verzije mrežnih protokola profibusa
7
1.3.1 Profibus DP protokol
8
1.3.2 Profibus FMS protokol
9
1.3.3 Profibus PA protokol
9
1.4 Fizicki sloj (Komunikacijski mediji)
10
1.4.1 Fizicki sloj za DP/FMS protokol (RS-485)
10
1.4.2 Fizicki sloj za DP/FMS protokol (Opticka veza)
12
1.4.2.1 Tehnike spajanja opti kom vezom
12
1.5 Sloj veze
13
1.6 Aplikacijski sloj
13
1.7 Pristup sabirnici (mediju) u profibus mreži
14
1.7.1 Token procedura („predaja kljuca izmedu aktivnih stanica“)
14
1.7.2 Procedura nadređeni – podređeni (eng. master-slave)
15
1.7.3 Parametriranje sabirnice (eng. bus parameters)
16
2. Struktura Profibus DP-V0 komunikacijskog protokola 17 2.1 Tipovi stanica na sabirnici
18
2.1.1 DP Nadređeni (Tip 1)
18
2.1.2 DP Nadređeni (Tip 2)
19
2.1.3 Kombinacija DP nadređenih
19
2.1.4 Podređeni uredaj (eng. slave)
20
3. Profibus DP ciklus
21
3.1 Postavljanje konstantnog Profibus DP ciklusa 21 3.2 Cikli ka komunikacija izmedu DP nadređenog tipa 1 i podređenih (master-slave) 4. Struktura Profibus DP-V1 komunikacijskog protokola 23 Stranica 2
stanica 22
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
4.1 DP-V1 Dijagnosti ka proširenja
24
4.2 DP-V2 Dijagnosti ka proširenja
25
4.3 Ukratko o verzijama DP protokola
26
5. Razmjena poruka izmedu 2 plc-a pomocu profibus DP protokola 27 5.1 Hardverska konfiguracija Profibus mreže
27
5.2 Postavljanje Profibus parametara za razmjenu podataka
31
5.3 Unos konfigurirane stanice na profibus mrežu
32
5.4 Organizacijski blokovi potrebni za komunikaciju
34
6. Zaklju ak 7. Literatura
Stranica 3
35 36
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
1.
Uvod
Industrijska racunalna mreža Profibus najrasprostranjenija je mreža u sistemima automatizacije. Zadatak ovog završnog rada razraditi je i prakti no prikazati funkcionalnost Profibus mreže DP načinom prijenosa podataka. Kao praktican primjer u laboatorijskim uvjetima bit e prikazana komunikacija izmedu dva plc-a nadređeni-podređeni računar (eng. masterslave) načinom rada gdje e master stanica upravljati slave stanicom. Drugi primjer biti ce upravljanje i kontrola Profibus-om pretvara a napona i frekvencije serije Micromaster. U okviru ovog završnog rada potrebno je opisati funkcijske specifikacije te strukturu i načine implementacije industrijske računarske mreže Profibus DP u sistemima automatizacije. Na najnižoj razini cilj Profibus mreže osigurati je direktan prijenos analognih i digitalnih signala sa senzora prema izvršnim elementima pouzdanijom digitalnom komunikacijom, a na višim razinama omogu iti komunikaciju među procesnim jedinicama i sa nadređenim jedinicama. Profibus podržava povezivanje nadređenih i podre đenih stanica jednim kablom kao što su plc uređaji, kompleksni inteligentni uređaji, senzorski i pneumatski blokovi i razne upravljačke interfejse. To je otvoren, proizvođa ki neovisan standard koji se oslanja na ISO-OSI model i osigurava da razni uređaji razli itih proizvođa a mogu međusobno komunicirati. Standard podržava proizvođa ki neovisna organizacija ProfiBus Trade Organization.
Stranica 4
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
1.1
Komunikacije u automatizaciji
Mogu nost komunikacije uređaja i podsistema neophodna je komponenta kako današnjih tako i budu ih sistema automatizacije. Komunikacije se istodobno proširuju gledaju ći vertikalno u komunikacijskom smislu kao i gledajući horizontalno u fizi kom smislu. Koordinirani industrijski komunikacijski sistemi kao što je na nižem nivou Profibus povezan sa AS-interface te na višem nivou Ethernet preko PROFINet-a nude transparentno umrežavanje u svim podru jima proizvodnog procesa! PROFINet : Komunikacijski standard na kojem se bazira Ethernet. To je koncept koji je proizašao iz komunikacijskih trendova koji su doveli do inteligentnih sistema automatizacije. Profibus je nadogra đena verzija profinet-a. AS Interface : Protokol za umrežavanje senzora i aktuatora u sistemima automatizacije. Uz ethernet i profibus nudi preduvjete za transparentno umrežavanje u svim podrucjima i razinama automatizacijskih procesa.
Stranica 5
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
Slika 1.1. Mrežni sistemi u automatizaciji
1.2
Industrijske komunikacije
Komunikacija na senzor/aktuator razini: binarni signali sa senzora i aktuatora prenose se preko sabirnice u nadređeni sistem. To omogu ava da na jednostavan način i uz manje troškova jednim medijem prenosimo napajanje i podatke. Podaci se prenose isključivo kružno, a AS-interface je pogodna sabirnica za takvo polje aplikacija. Komunikacija na razini polja: Distribuirane jedninice kao što su ulazno/izlazni moduli, pretvara i napona i frekvencije, uređaji za analizu, mjerni sistemi, nadzorni terminali i ventili mogu komunicirati sa sistemom automatizacije u realnom vremenu. Prijenos podataka je cikli ke prirode gdje se interrupti i konfiguracijski podaci prenose acikli čki prema potrebi. To je tipi Stranica 6
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
no Profibus mreža. Komunikacija na razini ćelije: To podržavaju programirljivi logički kontroleri kada međusobno komuniciraju ili sa inteligentnim sistemom preko dobro poznatih mrežnih sistema kao Ethernet ili Internet TCP/IP. Za takav protok informacija potrebne su velike brzine i velik broj razlicitih funkcija. Bitni zahtjev je laka integracija u komunikacijski sistem poduzeća, kao što je Intranet te Internet preko Ethernet TCP/IP-a.
Slika 1.2. Komunikacija u tehnologiji automatizacije
1.2.1
ISO/OSI model komunikacijskih standarda
Profibus koristi već postoje e internacionalne standarde. Protokol je baziran na OSI referentnom modelu (eng. Open system interconnection) skladan sa ISO (eng. International standard organization) standardima.
Stranica 7
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
Slika 1.3. ISO/OSI referentni model (žuto=Profibus)
ISO/OSI model za komunikacijske standarde sastoji se od 7 slojeva i podijeljen je u dvije grupe. Jedna grupa sastoji se od korisnički orijentiranih slojeva, slojevi 5-7, dok se druga skupina sastoji od mrežno orijentiranih slojeva 1-4. Prva četiri sloja opisuju prijenos podataka s jedne na drugu lokaciju, dok preostala 3 sloja omogu uju pristup mreži i podacima do odredene razine.
1.3
Arhitektura i verzije mrežnih protokola profibusa
Slika 1.3 prikazuje koji su slojevi ISO/OSI modela implementirani u PROFIBUS protokol. Kao što se vidi iz slike profibus koristi Sloj 1, Sloj 2 te ako je potrebno Sloj 7. Slojevi 1 i 2 slažu se sa američkim standardom EIA RS-485, internacionalnim standardom IEC 870-51 te europskim standardom EN 60-870-5-1. Gledano sa stajališta korisnika profibus razlikuje 3 verzije komunikacijskog protokola: DP, FMS i PA. Sve tri varijacije FMS,DP i PA koriste isti protokol sloja veze (sloj 2). DP i PA koriste istu implementaciju fizi čkog sloja (sloj 1) EIA RS-485, dok PA koristi njenu varijaciju EIA RS-485 IS da bi udovoljio zahtjevima intrinsicne sigurnosti.
Stranica 8
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
Slika 1.4. IEC
1.3.1
(eng. International Electrotechnical Commission)
Profibus DP protokol
Profibus DP (Distribuirana periferija) koristi dva sloja (sloj 1 i sloj 2) te korisni čko interface. To je najčešći protokol za automatizaciju industrijskih postrojenja te koristi RS485 tehnologiju prijenosa podataka. Optimiziran je za brzi prijenos podataka i namijenjen prvenstveno za komunikaciju između programirljivih logičkih kontrolera i distribuiranih ulazno izlaznih uređaja na visini polja. Razvijene su tri verzije protokola DP-V0, DP-V1, DP-V2. Izvorna verzija DP-V0 proširena je na DP-V1 kod koje je omogu en aciklički prijenos podataka između nadređenog i podređenog. Kod DP-V2 omogu ena je komunikacija između dva podređena. Profibus DP omogu uje korištenje više nadređenih uređaja, u tom slu aju svaki podređeni uređaj dodijeljen je jednom nadređenom. Treba spomenuti da više nadređenih može itati s izlaza uređaja, ali samo jedan nadređeni može slati naredbe na izlaze. Izmjena podataka kod profibus DP uglavnom je cikli ke prirode. Centralni kontroler koji radi kao nadređeni , ita ulazne podatke s podređenog te šalje izlazne podatke nazad ka podređenom. Vrijeme ciklusa profibus sabirnice zavisi o broju vorova na mreži, ali mora biti puno kra Stranica 9
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
e od vremena ciklusa programa plc-a što je i neophodno za kontinuiran prijenos podataka.
1.3.2
Profibus FMS protokol
Profibus FMS (eng. Fieldbus Message Specification) (Fieldbus specifikacija poruka) je dizajniran za rad na visini elije gdje PLC i osobni računari primarno komuniciraju me đusobno. On je prethodnik Profibus DP protokola. Koristi se kod mnogo aplikacija i nudi veliku fleksibilnost kod rješavanja složenih komunikacijskih zadataka. Uz prva dva sloja ima impelmentiran i aplikacijski sloj 7. To je peer-to-peer format prijenosa poruka koji dozvoljava nadređenom ra unaru komunikaciju s drugim nadređenim. Kod FMS protokola više master stanica može kontrolirati jedan slave. Kao i kod profibus DP-a dostupno je 126 vorova na mreži i svi mogu biti nadređeni, ako to želimo. Profibus DP i Profibus FMS koriste istu tehnologiju prijenosa podataka i pristupa sabirnici. Zbog toga mogu raditi zajedno na istoj mreži. To je tzv. “Combi mode” tj. istovremeno korištenje FMS i DP poruka. To se esto koristi u situacijama gdje se PLC koristi zajedno s osobnim ra čunarom. 1.3.3
Profibus PA protokol
Profibus PA je procesno automatizacijska verzija Profibus-a. Protokol je isti kao u Profibus DP s V1 dijagnostičkim proširenjima (acikli cki prijenos poruka između nadređenog i podređenog), osim što su naponski i strujni nivoi reducirani kako bi se postigla intrinsicna sigurnost za procesnu industriju. PA uređaji obično su napajani s mrežnom sabirnicom RS-485-IS na sigurnoj voltaži (U=4.2V) i strujnom nivou (Imax=0.15A). Profibus PA dizajniran je za brzi prijenos i pouzdanu vezu kod automatiziranih procesa. Njime možemo povezati senzore i aktuatore na zajednicku sabirnicu ak i u potencijalno eksplozivnim podru jima. Brzina prijenosa podataka limitirana je na 31.25Kbit/s i koristi MBP (eng. Manchester Coding Buss Powered). tehnologiju kodiranja podataka.
Stranica 10
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
Fizicki sloj (Komunikacijski mediji)
1.4
1.4.1 Fizicki sloj za DP/FMS protokol (RS-485)
Prema ISO/OSI referentnom modelu sloj 1 definira fizi ki prijenos podataka ( elektri no – mehani ki). To uklju uje na ine prijenosa podataka preko EIA RS-485. Postoje dvije verzije RS-485 prijenosa podataka: a) Standardni RS-485 sa dvije žice (upletena parica) b) Prošireni RS-485-IS sa 4 žice (za intrinsicnu sigurnost u potencijalno explozivnim podru jima, struje i naponi u sustavu strogo su ograni eni.)
EIA RS-485 ima slijede e: • Mrežna
topologija je linearna sabirnica, terminirana na krajevima
• Mogu
nost ogranaka sabirnice • Medij
je upletena parica, s uvjetno izostavljenim oklopom ovisno o primjeni.
Postoje dva tipa kabela za prijenos podataka: • Tip
A kabela koristi se za brzine prijenosa vece od 500 kbps.
• Tip
B kabela koristi se za vrlo male brzine prijenosa i kratke udaljenosti.
Kabeli su specijalno oklopljeni i moraju biti odredene boje. Stranica 11
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
Slika 1.5. Oži enje i terminologija sabirnice kod RS-485 tehnologije prijenosa
Kod korištenja 9 –pinskih D-Sub konektora koristi se IP20 sustav zaštite. Prema tome definiran je tip konektora koji se koristi na kabelu i koji se nalazi na ure đaju. Konektor na uredaju mora biti ženski 9 pinski D-sub konektor. Konektor na kabelu mora biti muški 9 pinski D-sub konektor.
Profibus koristi 9 pinske D-tip konektore (impedancijski terminirane) ili 12 mm brzorastavne konektore. Broj cvorova limitiran je na 126. Podržava udaljenosti do 90km (s obnavljacima signala i prijenosom optičkim vlaknima), s brzinama koje variraju od 9600 bps do 12 Mbps. Veličina poruke može biti do 244 bajta podataka po čvoru i po poruci (12 bajta zaglavlje za maksimalnu dužinu od 256 bajta). Svaki konektor može biti kraj mreže jer ima mogu nost zaustavljanja signala na sebi (završni otpornik) ili propuštanja signala dalje pomo u vanjske preklopke. Neovisno je da li kablove spajamo na lijevu ili desnu stranu (kao na slici 1.6). Početak i kraj mreže mora imati aktivni sabirni čki terminator (slika 1.5). Oba terminatora imaju vlastito napajanje kako bi se osigurao prijenos bez pogreške.
Stranica 12
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
Slika 1.6. Prolazni profibus RS-485 D-tip konektori (Siemens)
1.4.2 Fizicki sloj za DP/FMS protokol (Opticka veza) Drugi tip fizi kog povezivanja Profibus mreže je opti kim vlaknima. Pokrenuto je još 1993 od strane profibus organizacije kao verzija 1.1. U razvoju je posebice bilo od iznimne važnosti povezati opti ki prijenos sa vec postoje im RS-485 kako bi bili interkompatibilni i zadržao se isti protokol. Opti ki kablovi dozvoljavaju prijenos podataka na daljinu i do 15km između dvije stanice. Nisu osjetljivi na magnetska polja i uvijek osiguravaju galvansku izolaciju između pojedinih sabirnica. Tehnologija spajanja opti kih vlakana u posljednjih je godina znatno je pojednostavljena i time je zauzela velik utjecaj na tržištu. Opti ka mreža spaja se na profibus sistem RS-485 preko opti ko/elektri nih pretvara a. Stranica 13
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
Opti ki kablovi koriste se kao prijenosni medij podataka, a mogu biti plasti ni i stakleni. Plasti ni podržavaju udaljenosti do 80m dok stakleni mogu prenositi na udaljenosti i do 15km bez obnavlja a signala. Brzina prijenosa podataka ista je kao i kod bakrenih vodova (9.6 – 12000Kbit/s), ali ne ovisi znatno o daljini.
1.4.2.1 Tehnike spajanja optickom vezom OLM tehnologija (Opticki moduli za povezivanje) OLM (eng. Optical link module) su vrlo sli ni RS-485 obnavljačima signala. Imaju dva izolirana elektri čna kanala, te zavisno o modelu jedan ili dva optička kanala. OLM-ovi su spojeni sa radnim stanicama (PLC) preko RS485 , a međusobno su povezani optikom.
Slika 1.7. Primjer povezivanja OLM modula
OLP tehnologija (Optički konektori [Optika/RS485]) OPL (eng. Optical Link Plug) se koristi za jednostavno spajanje pasivnih (podredenih) stanica u obliku prstena. OLP-ovi se spajaju direktno na 9-pinski Dsub konektor radne stanice. Ne trebaju zasebno napajanje već koriste napajanje sa radne stanice. Važno je napomenuti da +5V napajanje sa RS-485 mora davati konstantnu jakost struje od 80mA za normalan rad. Spajanje aktivne radne stanice (Nadredeni PLC) na OLP prsten zahtjeva opti Stranica 14
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
ki modul povezivanja OLM.
Slika 1.8. Primjer spajanja podredenih stanica OLP tehnologijom
1.5
Sloj veze
Drugi sloj ISO/OSI modela implementira funkcije upravljanja pristupa mediju (eng. bus access control) kao i upravljanje logi kom vezom (prijenos, prijem telegrama). Upravljanje pristupa mediju određuje kada stanica može slati na sabirnicu. Profibus podržava dva mehanizma, prozivanje i token dodavanje. Token dodavanje se koristi za komunikaciju izmedu više nadređenih na sabirnici. Profibus može biti složen kao isti
nadređeno/nadređeno
sistem
(token
dodavanje)
ili
kao
prozivni
sistem
(nadređeno/podređeno), ili kao hibridni sistem koji koristi obje tehnike. Telegrami unutar sloja 2 osiguravaju visok stepen sigurnosti podataka. Formati telegrama su u skladu s IEC 870-5-1 i konstruirani su s Hammingovom distancom 4 (HD4). To zna i da bez obzira što su četiri uzastopna bita pogrešna, neispravna poruka biti e detektirana. Profibusov sloj 2 radi na na in veza bez spajanja (npr. predaje telegram bez prethodne provjere da li je primatelj u mogućnosti ili da li ga želi prihvatiti). U ve ini slučajeva telegrami su _unicast_ npr., namijenjeni su za jedan uređaj, ali je mogu a i _broadcast_ i _multicast_ komunikacija. Broadcast komunikacija zna i da aktivne stanice šalju poruke bez potvrde svim Stranica 15
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
drugim stanicama (nadređenima i podređenima). Multicast komunikacija zna i da uredaj šalje poruke bez potvrde grupi stanica (nadređenima i podređenima). Svim uslugama sloja 2, sloj 7 pristupa u softveru kroz tzv. tačke pristupa uslugama (eng. Service access points „SAP“). Na aktivnim i na pasivnim stanicama višestruki SAP-ovi su dozvoljeni istovremeno. • 32 stanice su mogu e bez obnavlja a signala, ali s njima taj broj je mogu e povećati na 126 • Maksimalna daljina sabirnice je 1200 metara, ali i ona može biti pove ana s obnavljačima signala na 4800 metara • Prijenos podataka je polu dupleks, korištenjem NRZ (eng. non-return to zero) kodiranja • Brzina prijenosa podataka varira između 9.6 kbps i 12 Mbps
Aplikacijski sloj
1.6
Sloj 7 ISO OSI modela pruža aplikacijske usluge korisniku . Te usluge omogu uju efikasan i otvoren (proizvođa ki
neovisan)
prijenos
podataka
između
aplikacijskih
programa
Profibus aplikacijski sloj specificiran je u DIN 19 245 dio 2 i sadrži: - Fieldbus specifikaciju poruke (FMS) - Sistem nižeg sloja (LLI) - Fieldbus menadment usluga – sloj 7 (FMA)
1.7 Stranica 16
Pristup sabirnici (mediju) u profibus mreži
i
sloja
2.
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
Prijenos podataka između PLC-a i distribuiranih ulazno izlaznih jedinica treba biti brz i nesmije stvarati optere enje na mreži. Unutar Profibusa to se postiže pomo u hibridnog sistema kontrole. Postoje dvije strukture za takvu kontrolu. Prva je decentralizirana tokenpassing struktura koja se koristi za komunikaciju izme đu nadređenih stanica i
centralizirana master-slave ( Master=nadredeni,Slave=podredeni)
struktura koja se koristi za komunikaciju izmedu nadređenih i podređenih stanica. Kada aktivna stanica u token strukturi dobiva ključ preuzima ulogu nadređenog na sabirnici te komunicira s ostalim aktivnim i pasivnim stanicama. Na jednu sabirnicu mogu e je spojiti do 126 radnih stanica. Takva konfiguracija omogu ava tri moguće kombinacije sistema: Nadre đeni -nadređeni (Token passing), Nadređeni – podređeni i kombinacija obje strukture. Pristup sabirnici i kontrola op ćenito ne ovisi o prijenosnom mediju (bilo da je opti ki ili bakrenim vodovima).
1.7.1 Token procedura („predaja kljuca izmedu aktivnih stanica“) Aktivne stanice na mreži formiraju logički token prsten prema svojim adresama. Klju č (eng. token) se uvijek prenosi sa jedne na drugu stanicu. Ključ osigurava pristup prijenosnom mediju i putuje između aktivnih stanica pomo u posebnog token telegrama. Aktivna stanica s najvišom adresom na mreži predaje ključ onoj s najnižom kako bi se zadržao logi ki slijed. Vrijeme potrebno za rotaciju ključa izme đu aktivnih stanica ručno se namješta te ima definirani maksimum. Za vrijeme instalacije, sistem uspostavlja logi ki prsten prepoznavajući aktivne stanice te otklanja stanice koje su srušene ili greškom uključene.
Stranica 17
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
Slika 1.9. Token razmjena ključa među aktivnim stanicama
1.7.2 Procedura nadredeni – podredeni (eng. master-slave) To je najjednostavnija procedura za razmjenu podataka unutar Profibus mreže. Sastoji se od određenog broja pasivnih stanica i čiji se token prsten sastoji samo od jedne radne stanice. Nadređeni - podređeni procedura, dozvoljava nadređenoj stanici da adresira podređene stanice na koje je spojena. Nadređeni može slati i primati poruke s podređenog. Na tom principu baziran je tipičan Profibus DP standard. Aktivna stanica (nadređeni) cikli ki izmjenjuje podatke s podređenim stanicama.
Stranica 18
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
Slika 1.10. Procedura razmjene podataka nadređeni – podređeni
1.7.3 Parametriranje sabirnice (eng. bus parameters) Kako bi profibus mreža funkcionirala besprijekorno parametri među svim stanicama moraju biti koordinirani. Parametri uglavnom ovise o odabranoj brzini prijenosa podataka koja može biti (9Kbit/s – 12000Kbit/s). Evo nekoliko važnijih parametara: TTR (eng. token rotation time) : maksimalno vrijeme koje ključ ima na raspolaganju da prođe kroz sve aktivne stanice. Tim ključem osigurana je dozvola prijenosa podataka unutar profibus mreže. GAP faktor: definira broj rotacija klju a nakon kojeg se nova stanica pokušava uključiti u logički token prsten. TSLOT (eng. Slot time): maksimalno dozvoljeno vrijeme za odgovor na poruku onome ko je šalje. TID1 (eng. Idle time 1): najkra e vrijeme nakon kojeg stanica može ponovno slati poruku nakon što je primila odgovor. Svi parametri opisuju vrijeme koje mora biti koordinirano medu svim stanicama. To vijeme opisano je sa formulom: tBIT = 1 / bit/s (tBIT : eng. Time bit)
Stranica 19
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
2.
Struktura Profibus DP-V0 komunikacijskog protokola
Optimiziran je za brzi prijenos podataka i namijenjen prvenstveno za komunikaciju između programirljivih logi kih kontrolera i distribuiranih ulazno izlaznih jedinica kao što su pretvara či napona i frekvencije, ventili, senzori, pretvornici te ostali ure đaji na bazi polja (postrojenja) u sistemima automatizacije. Komunikacija se odvija preko serijske mreže. Najjednostavnija takva komunikacija je master-slave (nadređenipodređeni) Tj. kada postoji jedno nadređeno ra unalo koje upravlja ostalim podređenima na mreži. DP podređeni uređaj postaje aktivan kada dobije zahtjev od nadređenog. Korisni ki podatci između nadređenog i podređenog prenose se cikli ki. Ciklus poruke izmedu nadređenog i podređenog odvija se tako da prvo nadređeni šalje zahtjev (telegram) a zatim podređeni odgovara. Zbog karakteristika koje pružaju sloj 1 i sloj 2 prema EN 50 170 standardu, DP sistem može raditi i kao (multi master) više nadređenih stanica odjednom. To u praksi zna i da nekoliko nadređenih može biti spojeno na jednu sabirnicu.
Stranica 20
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
Slika 2.1. Profibus DP sustav s jednom nadredenom stanicom
2.1
Tipovi stanica na sabirnici
2.1.1
DP Nadredeni (Tip 1)
Ovaj tip nadređenog ciklički izmjenjuje poruke sa svojim podređenim (distribuiranom periferijom) u za to specificiranim ciklusima. To su primarno PLC uređaji koji su nadređeni ra unaru na mreži. Evo nekih tipičnih funkcija koje koristi DP Nadređeni Tip 1: SET_PRM i CHK_CFG : za parametriranje i konfiguriranje cijele mreže DATA_EXCHANGE : održava cikli ki prijenos podataka između podređenog i nadređenog. SLAVE_DIAG: ita podatke sa podređenog za vrijeme podizanja sistema ili cikli ke izmjene podataka.
Stranica 21
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
GLOBAL_CONTROL: nadređeni informira svog podređenog o njegovom statusu. Te kontrolne naredbe mogu se slati na pojedinog podređenog ili na grupu podređenih da se sinkroniziraju ulazni i izlazni podaci. (Sync i Freeze naredbe).
Slika 2.2. Prijenos podataka između DP nadređenog tipa 1 i DP podređenog
Sinkronizacija i freeze mod Kao dodatak standardnim cikli kim mehanizmima prijenosa podataka koje automatski izvršava DP nadređeni Tip 1 mogu e je poslati upravlja ke naredbe s nadređenog, pojedinom ili grupi podređenih. U _sync_ naredbi podređenog, zamrzavaju se izlazni podaci te se spremaju tijekom slijede e ciklicke izmjene podataka. Kada prime slijedeću _sync_ naredbu spremljeni podaci šalju se prema vanjskim uređajima. A ako je prenesena _freeze_ naredba, podređenom se ulazi zamrzavaju u sadašnjem stanju, a ulazni podaci biti ce obnovljeni prilikom primanja slijedece _freeze_ naredbe.
Sigurnost i zaštita stanica Na DP nadredenoj stanici tipa 1 svi prijenosi podataka prema podređenim stanicama prate se s _watchdog_ timerom. Ako istekne vrijeme na timeru pokazujuci da prijenos nije bio uspješan, DP nadređeni Tip 1 napušta radno stanje i prebacuje svojim podre đenim stanicama izlaze u sigurnosno stanje i prelazi u stanje mirovanja. Nadređeni ignorira timer samo ako je uklju ena automatska reakcija na greške. Na podređenim ure đajima _watchdog_ timer se koristi za pračenje stanja nadređenih uređaja ili sabirnice. Detekcijom pogreške podređeni uredaj automatski prebacuje svoje izlaze u sigurnosno stanje. Stranica 22
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
2.1.2
DP Nadredeni (Tip 2)
Nadređeni uređaji tipa 2 su obi no programatori (PC) , i dijagnosticki uređaji. Takvi uređaji koriste se za vrijeme puštanja u pogon , za održavanje i dijagnosticiranje kvarova, prikupljanje i analizu podataka te itanje stanja uređaja. Koriste mnogo funkcija za komunikaciju s nadre đenim tipa 1. Evo nekih primjera funkcija: RD_INP i RD_OUTP : ta funkcija omogućuje čitanje podataka s podređenog u isto vrijeme dok se odvija komunikacija izme đu podre đenog i nadređenog tipa 1. SET_SLAVE_ADD : funkcija koja dozvoljava nadređenom tipa 2 da postavi novu DP adresu podređenom, no samo, ako to podređeni podržava. 2.1.3
Kombinacija DP nadređenih.
Mogu a je kombinacija DP nadređenog tipa 1 i 2 sa DP podređenima na istoj mreži. Ovdje je jedino važno napomenuti da u takvom multi - master na činu rada svi nadre đeni mogu čitati ulazne i izlazne podatke ali samo jedan nadređeni može ispisivati izlaze.
Slika 2.3. Profibus DP sistem sa više nadređenih stanica
2.1.4
Stranica 23
Podređeni uredaj (eng. slave)
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
Slave su periferni uređaji (ventili, uređaji za mjerenja…) koji mjere procesne informacije i koriste izlazne podatke da interveniraju u proces. Što se komunikacije ti e, slave uređaji su pasivni uredaji koji reagiraju jedino na „upit“. U slu aju mono-master sistema, samo jedan master je aktivan na sabirnici i jedino on može komunicirati sa slave uređajem. U multi-master sistemima nekoliko master uređaja je spojeno na sabirnicu. Svi master uređaji mogu itati ulaze/izlaze slave uređaja, dok pisati u slave uređaj može samo DP master dodijeljen tom slave uređaju pri konfiguraciji sistema.
3.
Profibus DP ciklus
DP ciklus sastoji se od fiksnog i promjenjivog dijela. Fiksni dio sastoji se od cikli kih telegrama u kojima je sadržana kontrola pristupa (upravljanje klju evima i status stanica) te ulazno-izlazna komunikacija sa DP podređenima. Promjenjivi dio DP ciklusa sastoji se od neckli kih telegrama kao što su: - komunikacija tijekom instalacije podređenih - dijagnosticke funkcije DP podredenih - komunikacija s nadređenim tipa 2 - necikli ke komunikacije (tipi no za DP-V1 verziju protokola)
Stranica 24
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
Slika 3.1. Profibus DP ciklus
3.1
Postavljanje konstantnog Profibus DP ciklusa
Neki vanjski uređaji zahtijevaju konstantan ciklus a time dobivaju konstantnu razmjenu informacija sa ulaza i izlaza. To se uglavnom odnosi na pretvara če napona i frekvencije. Konstantan DP ciklus ostvaruje se umetanjem pauze unutar ciklusa i to tako da nadređeni sam sebi šalje telegrame kako bi produžio varijabilno vrijeme ciklusa i osigurao fiksno vrijeme cijelog ciklusa.
Stranica 25
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
Slika 3.2. Postavljanje konstantnog profibus DP ciklusa
3.2 Ciklička komunikacija izmedu DP nadređenog tipa 1 i podređenih stanica (master-slave)
Prilikom konfiguriranja sistema korisnik pridružuje podređene stanice na glavnu nadređenu. Korisnik također definira koje ce podređene stanice biti uklju ene u cikli ki proces komunikacije. Komunikacija između nadređenih i podređenih stanica dijeli se u 3 faze: - parametriranje - konfiguracija - prijenos podataka Prije nego što nadređena stanica u proces komunikacije uključi podre đenu izvrši se provjera parametara konfiguracije da li odgovaraju stvarnoj postavljenoj. Tokom te provjere svi parametri moraju se slagati (npr vrsta uređaja, dužina informacije, broj ulaza i izlaza itd.) Time je osigurana zaštita od krivog parametriranja.
Stranica 26
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP 4.
Struktura Profibus DP-V1 komunikacijskog protokola
Sve kompleksniji zahtjevi DP podređenih uređaja zahtijevaju funkcionalna proširenja Profibus
DP protokola.
Povodom toga razvijena je proširena
verzija DP-V0
komunikacijskog protokola. U DP-V1 dodana je mogu nost acikli kog prijenosa podataka i interupt funkcija. Prijenos acikli kih podataka odvija se paralelno sa cikli kim podacima ali sa nižim prioritetom. Korisniku je omogu en pristup uređajima i tokom samog rada.
Slika 4.1. Ciklicka i aciklicka komunikacija u DP-V1 verziji protokola
Nadređena stanica tipa 1 drži ključ (token) i ima mogu nost slanja i primanja poruka sa podređenih stanica i to sekvencijalno dok ne pošalje podatke do zadnje podređene i tada predaje ključ drugoj nadređenoj tipa 2. Drugi master tada koristi preostalo vrijeme ciklusa da izvrši acikli čku izmjenu podataka sa bilo kojim
Stranica 27
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
podređenim. Nakon završetka ciklusa druga nadre đena stanica vra ća klju č prvoj i ponovno se pokre e ciklus. Nadređena stanica tipa 1 također može aciklički izmjenjivati podatke sa svojm podređenima.
DP-V1 Dijagnosticka proširenja
4.1
DP-V1 funkcionalna proširenja podijeljena su u dvije kategorije: a) Alarmi b) Statusne poruke Proširenja se odnose na oba tipa uređaja, nadređeni i podređeni. Ta proširenja kompatibilna su sa standardnim DP-V0 protokolom te se zato ure đaji sa DP-V1 proširenjima mogu raditi zajedno sa DP-V0. Ovdje važe sljedeca pravila: - DP podredeni sa DP-V1 proširenjima može raditi s DP nadređenim bez proširenja ali se pri tome proširenja podređenog ne mogu koristiti. - DP podređeni bez DP-V1 proširenja može raditi bez ograni cenja na nadređenom s proširenjima . Razlike izmedu DP-V0 i DP-V1 podređenih modula. Standardni DP podređeni sadrže samo osnovne funkcije opisane sa EN 50 170 standardom, nemaju DP-V1 proširenja i ne podržavaju acikli ku izmjenu podataka. Dijagnosticki interupt podržan je kod interupt modela. Konfiguriraju se preko GSD datoteke sa specijaliziranim alatima. GSD (eng. General Station Description) je ASCII tekst datoteka koja sadrži karakteristike ure đaja i opisuje koje komunikacijske standarde podržava.
Stranica 28
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
Slika 4.2. Konfiguracija dijagnostickih poruka unutar DP-V0 i DP-V1
4.2
DP-V2 Dijagnosticka proširenja
Ova verzija protokola podržava komunikaciju između podređenih stanica. Omogu uje vremenski štedljivu komunikaciju između podređenih stanica bez sudjelovanja nadređenog. Podređene stanice ponašaju se kao izdava ci i pretplatnici (eng. Publisher & Subscriber ). Odgovor sa podređenog šalje se nadređenom, ali drugi podre đeni presreće tu poruku (pretplatnik). To omogu ava podređenima izravno čitanje podataka sa ostalih podređenih. Takav na in komunikacije osigurava vremenski prostor za druge aplikacije i smanjuje vrijeme odziva na sabirnici do 90% (ubrzava reakciju senzor-aktuator).
Stranica 29
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
Slika 4.3. Komunikacija između podređenih stanica (slave to slave)
4.3
Ukratko o verzijama DP protokola
Kroz zadnjih dvadesetak godina razvijene su 3 verzije Profibus DP protokola za komunikaciju među podređenim i nadređenim stanicama unutar sistema automatizacije. Sve kompleksniji zahtjevi u industriji neposredno utiću na razvoj komunikacijskog softvera u industrijskim mrežama. Realno je o ekivati još nekoliko verzija DP protokola i pove anje brzine prijenosa podataka no sve u ovisnosti o potrebi. Osnovne razlike u funkcionalnosti i brzini medu DP protokolima prikazuje sljede a slika:
Stranica 30
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
Slika 4.4. Funkcionalnost Profibus DP verzija protokola
PROFIsafe: samosigurna komunikacija sa uređajima bazirana na programskom rješenju. Intrinsicna sigurnost glavni joj je zadatak. Implementirana je kao dodatni sloj iznad sloja 7. Nekoliko važnijih sigurnosnih mjera Profisafe komunikacije su: Slanje sigurnosnih telegrama, identifikacija između pošiljatelja i primatelja (lozinka), zabranjeno je kašnjenje kod slanja i primanja poruka, dodatna sigurnost podataka CRC. (eng. Cyclic Redundancy Check).
5. Razmjena poruka izmedu 2 plc-a pomocu profibus DP protokola Kao prakti an primjer profibusa prikazana je razmjena podataka između dva PLC-a master-slave na inom rada. Primjer sadržava minimalan ladder dijagram koji upravlja izlazima podređenog plc-a. To je ujedno i najčešci na in korištenja Profibus protokola kada jedan (nadređeni) plc upravlja sa odre đenim brojem podređenih stanica prema napisanom programu. Konfiguracija takvog sistema vrlo je Stranica 31
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
jednostavna i sastoji se uglavnom od postavka adresa za razmjenu podataka i definiranja načina rada stanica (master ili slave).
Slika 5.1. Konfigurirana stanica za razmjenu podataka izmedu 2 plc-a u Simatic NetPro programskom paketu
5.1 Hardverska konfiguracija Profibus mreže Kada imamo kreiran novi projekt potrebno je ubaciti simatic stanicu. Postoji nekoliko serija simatic stanica. U našem slucaju posjedujemo stanicu serije 300 pa čemo na njoj prikazati hardversku konfiguraciju. Nakon što smo unijeli stanicu slijedi hardverska konfiguracija. To se mora izvršiti kod svakog novokreiranog projekta. Klikom na hardware unutar stanice otvara nam se novi prozor (Hw Config) u kojem moramo iz hardverskog kataloga ubaciti komponente PLC-a koje posjedujemo i to prema naru đbenim brojevima. Prvo ubacujemo šinu, zatim napajanje te redom sve module. Prilikom ubacivanja procesorskog modula program nam odmah nudi dodjeljivanje Profibus DP adrese. Kako bi ostvarili komunikaciju izmedu 2 plc-a potrebno je u projekt ubaciti još jednu Simatic 300 stanicu. Nakon što smo unijeli obje stanice jednoj čemo dodijeliti ime master, a drugoj slave.
Stranica 32
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
Slika 9.2. Kreiranje simatic 300 stanica
Sljede i korak je konfiguracija hardvera za master-slave na in rada. Prvo emo opisati konfiguraciju za master plc. Nakon odabira hardverske konfiguracije master plc-a prvo moramo stvoriti novu profibus mrežu. Klikom na DP otvara nam se izbornik glavnih Profibus postavki. Odabirom svojstva (eng. Properties ) pod General izbornikom Profibus-a otvara nam se prozor za upis Profibus DP adrese i kreiranje nove podmreže na koju e se spajati ostale stanice. Odaberemo adresu dva i stvorimo novu profibus mrežu. Za ostale detaljnije postavke mreže ne moramo se brinuti jer nam profibus automatski nudi DP na in rada i standardnu brzinu prijenosa od 1.5Mbit/s.
Stranica 33
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
Slika 9.3. Prvi korak u kreiranju nove Profibus mreže
Slika
5.4.
Određivanje
DP
adrese
i
stvaranje
Nakon što smo kreirali mrežu još nam je jedino preostalo odabrati na in rada stanice. Kao na Stranica 34
nove
mreže
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
in rada pod Operating Mode izbornikom profibus DP postavaka odaberemo master.
Slika 5.5. Odabir na ina rada stanice
Nakon konfiguriranja mreže i odabira na ina rada spremamo projekt i vra amo se u simatic manager gdje odabiremo hardversku konfiguraciju Slave plc-a. Kre emo istim postupkom. Klikom na DP otvara nam se izbornik glavnih Profibus postavki. Odabiremo adresu slave stanice i priključujemo je na postoje u profibus mrežu. Odaberemo adresu 3 i priklju imo se na profibus mrežu koja je ve kreirana od strane mastera. Za ostale detaljnije postavke mreže ne moramo se brinuti jer nam profibus automatski nudi DP nacin rada i standardnu brzinu prijenosa od 1.5Mbit/s.
Slika 5.6. Adresiranje slave stanice
Nakon što smo kreirali mrežu još nam je jedino preostalo odabrati na in rada stanice. Kao na Stranica 35
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
in rada pod Operating Mode izbornikom profibus DP postavaka odaberemo slave.
Slika 5.7. Postavljanje nacina rada slave stanice
Sada je završena konfiguracija mreže na fizickoj razini. Slijedi konfiguracija na aplikacijskoj razini.
5.2 Postavljanje Profibus parametara za razmjenu podataka Kako bi uop e bilo mogu e završiti konfiguraciju podređene (slave) stanice potrebno je odrediti koje e se adrese koristiti za razmjenu podataka. Pod configuration izbornikom dostupno nam je nekoliko parametara. Prvo trebamo odrediti tip adrese koju emo koristiti (input ili output) zatim broj adrese te dužinu rije i i jedinicu. Odaberemo tip adrese input, broj adrese 10 , dužinu rije i uzmemo 1 i jedinicu byte.
Stranica 36
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
Slika 5.8. Konfiguriranje ulaznih adresa slave stanice
5.3 Unos konfigurirane stanice na profibus mrežu Nakon što smo završili konfiguraciju slave stanice moramo unijeti tu stanicu na postoje u profibus mrežu. Da bi to ostvarili moramo se vratiti u simatic manager i otvoriti hardversku konfiguraciju master stanice. U katalogu hardvera pronađemo konfiguriranu stanicu CPU -31x pod (eng. configured stations ) i odvu emo je mišem na postoje u profibus mrežu. Nakon što smo konfiguriranu stanicu odvukli na mrežu otvara nam se prozor za konfiguraciju (DP slave properties). Kako bi povezali master stanicu sa slave stanicom potrebno je pritisnuti connect.
Stranica 37
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
Slika 5.9. Spajanje nadređene i podređene stanice
Slika 5.10. Poruka nakon uspješnog spajanja
Na samom kraju konfiguracije ostalo je još podesiti adrese nadre đene (master) stanice kako bi preko njih oba plc-a mogla međusobno komunicirati. Klikom na configuration otvara nam se prozor u kojem možemo podesiti te adrese preko editora. Kako smo na slave stanici namjestili ulazne adrese preko kojih e plc primati poruke, logi no je da na masteru moraju biti odabrane izlazne adrese. Mogu e je koristiti i ulazne i izlazne adrese na obje stanice. Kao što smo podesili adrese slave stanice, skladno tome namjestimo i adrese master stanice.
Stranica 38
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
Slika 5.11. Konfiguriranje izlaznih adresa master stanice
Nakon ovih postavki u potpunosti je završena konfiguracija na aplikacijskoj razini i stanice su spremne za razmjenu podataka.
5.4 Organizacijski blokovi potrebni za komunikaciju Da bi komunikacija koju smo postavili imala smisla potrebno je napraviti program u ladder dijagramu ili statement listi koji e slati poruke s master stanice na slave stanicu i potom nešto izvršavati na digitalnim ili analognim izlazima slave stanice. Za izradu programa koriste se organizacijski blokovi Stranica 39
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
OB1 do OB10 no da bi komunikacija između master i slave stanice ispravno radila potrebno je ubaciti još dva organizacijska bloka koji se koriste za kompenzaciju grešaka. Funkcija organizacijskog bloka određena je njegovim rednim brojem. To su blokovi OB82 i OB86. Organizacijski blokovi (OB80 – OB88) predviđeni su za asinkronu obradu grešaka u PLC-u. Na primjer, kod uklju ivanja oba PLC-a može se dogoditi greška u sinkronizaciji zbog razli itih vremena inicijalnog pokretanja. Kod pojave ovakve greške PLC pokrece OB82 (dijagnosticki alarm). Ukoliko taj blok nije definiran PLC prelazi u STOP režim rada (SF eng. System fault) indikator je upaljen). Ukoliko slave PLC pređe u STOP, master PLC ne e detektirati slave PLC na mreži, te e pozvati vlastiti blok za obradu grešaka OB86. Ukoliko taj blok nije definiran i master PLC prelazi u STOP režim rada. Definiranjem organizacijskih blokova OB82 i OB86 izbjegavaju se greške ovakvog tipa, te ih je potrebno definirati za svaki PLC.
Slika 5.12. Organizacijski blokovi potrebni za komunikaciju između dva plc-a master-slave na inom rada
6. Zakljucak Profibus mreža najtraženija je mreža u sistemima automatizacije. Jednostavnost za podešavanje i funkcionalnost jedna su od njezinih najvažnijih svojstava. Upletena parica kao prijenosni medij minimalizira probleme sa spajanjem, a uz pomo Stranica 40
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
originalnih konektora to postaje još jednostavnije. Iznimno velik raspon brzina prijenosa podataka i kvalitetan prijenosni medij omogu uju komunikaciju među radnim stanicama na raznim udaljenostima. Svega 3 vrste protokola za razmjenu informacija uveliko olakšavaju softversko podešavanje. Profibus DP kao jedan od 3 protokola naj eš e je korišten u sistemima automatizacije, a njegove 3 podverzije ispunjavaju i najve e zahtjeve komunikacija. Na profibus mrežu mogu e je spojiti do 126 radnih stanica. Maksimalno je dozvoljeno spajati do 32 stanice po segmentu nakon ega zbog pada napona i mogu ih neželjenih smetnji treba koristiti obnavlja e signala. Tri procedure za razmjenu poruka među stanicama (master-slave ,token passing i slave-to-slave) nude velik broj kombinacija za korištenje mreže. Profibus mreža nezaobilazna je kod povezivanja industrijskih ra unara u velikim postrojenjima procesne industrije gdje je potrebna velika sigurnost i pouzdanost u radu. Međunarodno je prihva ena u ve ini zemalja Europe, popularna je u sjevernoj Americi, a velikim se koracima širi i u Azijske zemlje. Razvoj kompleksnih inteligentnih uređaja i senzora zahtjeva kvalitetno povezivanje sa nadređenim ra unarima i siguran prijenos informacija ak i u potencijalno eksplozivnim podru jima. Uz tu injenicu bilo je neophodno na initi mrežu koja može savladati i najekstremnije uvjete u proizvodnji. Profibus mreža kao takva, razvijana još od 1987. g. pa sve do danas ispunjava gotovo sve navedene zahtjeve i realno je za o ekivati njezin razvoj paralelno sa razvojem industrijske elektronike u budu nosti.
Stranica 41
Industrijska računarska mreža PROFIBUS DP
7. Popis literature 1. Decentralization with Profibus DP/DP-V1, Josef Weigmann, Gerhard Kilian 2. Automating with STEP 7 in LAD and FBD, Hans Berger 3. Profibus Basics PDF 4. Profibus Workshop PDF 5. (www.profibus.com) 6. Profibus - Technology and application PDF 7. Profibus - Installation Guideline for Cabling and Assembling PDF 8. Profibus RS 485-IS User and Installation Guideline PDF 9. (www.automation.siemens.com) 10. Siemens – Simatic Net – Profibus Networks Manual PDF 11. Micromaster 420 - Compact Operation Manual PDF 12. Micromaster 420 Parameter List PDF 13. Micromaster Profibus Optional Board (Operating Instructions) PDF 14. How to Read-Write parameters over Profibus on Micromaster PDF 15. (www.asinterface.com) 16. (www.plctalk.net/forum) 17. Industrijske racunalne mreže – dipl.ing.Goran Malcic 18. (www.etfos.hr) 19. Komunikacije u racunalnim sustavima PDF 20. (www.fer.hr) 21. Komunikacijske mreže u sustavima automatizacije PDF 22. Google internet pretraživac
Stranica 42