ÚJ IRÁNYZATOK A MŰSZER ÉS MÉRÉSTECHNIKÁBAN
 

A PROFIBUS szabvány II. rész

A cikksorozat első részében (MM Közlemények 64 sz. 29-36 p.) áttekintést adtunk az ipari folyamatirányítás és -méréstechnika területén használt PROFIBUS családról, ismertettük a használt eszközöket, a protokol szerkezet és az átviteli technológiát. Jelen részben a PROFI-BUS-DP rendszerrel foglalkozunk.

A PROFIBUS-DP rendszert nagysebességű eszközszintű átvitelre fejlesztették ki. Az ilyen átvitelnél a központi vezérlők (pl. programozható logikai vezérlők vagy személyi számítógépek) nagysebességű soros vonalon tartják a kapcsolatot az elosztott terepi eszközökkel (I/O, meghajtók, szelepek stb.). Az elosztott eszközökkel a kapcsolattartás legnagyobb része sorrendi lekérdezésekkel (ciklikusan) történik. A központi vezérlő (master) ciklikusan olvassa a passziv állomásoktól (slave-ektől) jövő bemeneti adatokat és sorban egymás után írja ki a slave-eknek a kimeneti adatokat. A busz ciklusidejének kisebbnek kell lennie a központi vezérlő programjának ciklusidejénél, ami a legtöbb alkalmazás esetében 10 ms körül van. Ebben a kommunikációban az EN 50 170 szabvánnyal összhangban levő PROFIBUS-DP funkciók használhatók fel. Ezen ciklikus funkciók végrehajtása mellett a terepi eszközök konfigurálására, diagnosztizálására és hibakezelésére a ciklikus kommunikációs funkciók használata is szükséges. Ehhez a PROFIBUS-DP hatékony ellenőrzési és beállítási lehetőségeket is kínál.

A PROFIBUS-DP jellemzői:

Átviteli technológia

Buszhozzáférés

Kommunikáció

Működési módok

Szinkronizáció

Működés

Biztonsági és védelmi funkciók

Eszköztípusok

Alapvető jellemzők

Egy buszrendszer sikeres alkalmazásához a nagy adatátbocsátó képesség önmagában, egyedül még nem elegendő. A felhasználó számára az egyszerű telepítés/üzembehelyezés (installáció) és javítás, a jó diagnosztikai képesség és a bizonyítottan hibamentes átvitel is szintén fontos tényezőnek számít. A PROFI-BUS-DP-t ezek a tulajdonságok jellemzik.

Sebesség

A PROFIBUS-DP 12 Mbit/s-on kb. 1 ms alatt továbbít 512 bit bemenő és 512 bit kimenő adatot 32 állomásra elosztva. Az 1. ábra a jellemző PROFIBUS-DP adatátviteli időnek az állomások számától és az átviteli sebességtől való függését mutatja. A PRO-FIBUS-FMS-hez képest jelentős sebességnövekedés elsősorban a 2. réteg SRD szolgáltatásának (Send and Receive Data service) köszönhető, mely a bemeneti és kimeneti adatok egy üzenetciklusban való továbbítását valósítja meg.


1. ábra. Egy mono-master PROFIBUS-DP rendszer busz ciklusideje
Tesztelési feltételek: minden slave-nek 2-2 bájt bemeneti< és kimeneti adata van.
A legkisebb slave intervallum ideje 200μs.
A TSDI=37 bitidő és a TSDR=11 bitidő.
Ellenőrző funkciók

A PROFIBUS-DP kibővített ellenőrző (diagnosztikai) funkciói lehetővé teszik a hibák gyors behatárolását. A diagnosztikai üzeneteket a busz továbbítja és a master gyűjti össze. Ezeknek az üzeneteknek három szintje van:

Rendszer-konfiguráció és eszköztípusok

A PROFIBUS-DP mono-master és multi-master rendszerek kiépítését egyaránt lehetővé teszi. Ez a rendszer-elrendezés nagyfokú rugalmasságát jelenti. Egy buszra legfeljebb 126 eszköz (master vagy slave) csatlakoztatható. Egy rendszer konfigurációja leírható az állomások számának, az állomások és az I/O címek egymáshoz rendelésének, az adatformátumnak, a diagnosztikai üzenetek formátumának és a használt busz paramétereinek megadásával. A PROFIBUS-DP rendszerek három eszköztípusa:

1. osztályú DP master (DPM1)

Az 1. osztályú DP master egy központi vezérlő, mely egy meghatározott üzenetciklus során adatokat cserél az elosztott állomásokkal (DP slave-ek). Ez utóbbiak közé tartoznak például a programozható vezérlők (PLC-k), a PC-k és a VME rendszerek.

2. osztályú DP master (DPM2)

A 2. osztályú DP masterek programozók, rendszerbeállító (konfigurációs) eszközök vagy vezérlő panelek. A DP rendszer beállítására, valamint vezérlési és ellenőrzési célokra használhatók fel. A DP slave-ek perifériák (I/O eszközök, meghajtók, szelepek stb.) melyek begyűjtik a bemenő információt és a kimenő információt a vezérlőnek továbbítják. Vannak csak bemeneti vagy csak kimeneti eszközök is. A bemenő és kimenő információ mennyisége az eszköz típusától függ. Legfeljebb 246 bájt megengedett mind bemenő, mind kimenő adatra.

A mono-master buszrendszerek működésekor mindig csak egy master aktív. A 2 ábrán egy mono-master rendszer elrendezése látható. A központi vezérlő elem a programozható vezérlő. Az elosztott DP slave-ek a buszon keresztül kapcsolódnak a PLC-hez. A mono-master rendszerekkel érhető el a legkisebb busz-ciklusidő.


2. ábra. PROFIBUS-DP mono-master rendszer

A multi-master konfigurációkban több master kapcsolódik a buszhoz. Ezek a masterek vagy saját DPM1 masterrel és a hozzárendelt DP slave-ekkel rendelkező független alrendszerek, vagy kiegészítő beállító és ellenőrző eszközök (3. ábra). A DP slave-ek bemenetének és kimenetének másolatát (image) az összes DP master olvashatja, de csak egy DP masternek van írási joga a kimenetekre (a DPM1 hozzárendelése a konfiguráció alatt történik). A multi-master rendszerek busz-ciklusideje nagyobb a mono-master rendszerekénél.


3. ábra. PROFIBUS-DP multi-master rendszer

A PROFIBUS-DP rendszer működése

A PROFIBUS-DP szabvány a rendszer működésének részletes leírását tartalmazza. A rendszer működését elsősorban a DPM1 működési állapota határozza meg. A DPM1 előlapról vagy a buszon keresztül vezérelhető. Három fő állapota van:

A DPM1 a rendszer beállításkor meghatározott időnként egy multicast paranccsal ciklikusan elküldi állapotát a hozzárendelt DP slave-eknek.

A DPM1 adatátviteli fázisában történő hibákra a rendszer az „auto-clear” konfigurációs jellemző (paraméter) beállításától függően különbözőképpen válaszolhat. Ha a jellemző értéke igaz (true), a DPM1 az összes hozzárendelt DP slave kimenetét hibamentes állapotba kapcsolja amint egy DP slave nem képes a felhasználói adatátvitelre. A DPM1 ezután a Clear állapotba vált. Ha a jellemző értéke hamis (false), a DPM1 hiba esetén is Operate állapotban marad, és a felhasználó határozza meg a rendszer teendőit.

Ciklikus adatátvitel a DPM1 és a DP slave-ek között

A DPM1 és a hozzárendelt DP slave-ek közötti adatátvitel meghatározott ciklusban történik (4. ábra). A felhasználó a buszrendszer konfigurációjakor rendeli a DP slave-eket a DMP1-hez és ekkor adja meg, hogy mely DP slave-ek legyenek benne az adatátviteli ciklusban. A DPM1 és a DP slave-ek közötti adatátvitelnek három fázisa van:

A paraméterezési és konfigurációs fázisban minden DP slave összehasonlítja saját konfigurációját a DPM1-ben beállított, elvárt konfigurációval. Az eszköztípusnak, az információ formátumának és hosszának, valamint a bemenetek és kimenetek számának meg kell egyeznie az aktuális konfiguráció beállításaival. Csak ezek egyezése esetén lesz benne a DP slave az adatátviteli fázisban. Ezek a tesztek megbízható védelmet nyújtanak a kezelői hibák ellen. A felhasználói adatok automatikus átvitele mellett felhasználói kérésre új paraméterezési adatok is küldhetők a slave-eknek.


4. ábra. Felhasználói adatátvitel PROFIBUS-DP-vel

Ciklikus adatátvitel a DPM1 és a konfigurációs eszközök között

A master-master adatátviteli funkciókkal a konfigurációs és diagnosztikai eszközök a buszon keresztül konfigurálják a rendszert. Emellett lehetővé teszik a DPM1 és a különböző DP slave-ek közötti adatátvitel dinamikus engedélyezését, illetve tiltását. A DPM1 működési állapota szintén megváltoztatható.

Védelmi mechanizmusok

Védelmi és megbízhatósági szempontok szükségessé teszik a PROFIBUS-DP hatékony védelmi funkciókkal való ellátását a beállítási és az átviteli hibák ellen. Mind a DP master, mind a slave-ek támogatják a periodikus ellenőrzést, melynek ideje a konfiguráció alatt állítható be.

Funkció neve Jelentés DPM1 DPM2
Get_Master_diag Beolvassa a DPM1 vagy a DP slave-ek
diagnosztikai adatait.
K O
Download/Upload Group
(Start_Seq, Down-/Upload
End_Seq)
A DPM1 összes konfigurációs adatát a
hozzárendelt DP slave-ekbe írja,
vagy onnan beolvassa.
O O
Act_Para_Brct Az összes megcímzett DPM1 eszközre egy-
szerre érvényesíti a busz paramétereket
O O
Act_Param Az összes megcímzett DPM1 eszközre egy-
szerre érvényesíti a paramétereket vagy a
működési állapot változását.
O O

Kibővített DP funkciók

A kibővített DP funkciók lehetővé teszik a ciklikus adatátvitel mellett aciklikus írási/olvasási funkciók, illetve a megszakítás nyugtázás párhuzamos használatát. Emellett a slave-ek paraméterei és mérési eredményei is elérhetők ilyen módon több diagnosztikai és vezérlő állomás (2. osztályú master, DPM2) számára. Ezekkel a kibővített funkciókkal a PROFIBUS-DP az összetett eszközök működés közbeni beállításra vonatkozó követelményét is kielégíti. Ilyen eszközök például a folyamat automatizálásban használatos terepi eszközök, az intelligens vezérlő és ellenőrző berendezések és a frekvencia konverterek. A ciklikus mérési eredményekhez képest ezek beállítási jellemzői ritkábban változnak, ezért az aciklikus átvitel a nagysebességű ciklikus felhasználói adatátvitelhez képest kisebb jelentőségű.

A nyílt konfigurációt támogató eszköz adatbázis (GSD) fájlok

A PROFIBUS eszközök az elérhető funkciók (az I/O jelek és a diagnosztikai üzenetek száma) és a busz paraméterek (baud rate és időzítések) tekintetében különböznek. Ezek a paraméterek eszközönként és gyártónként változnak. Dokumentációjuk megtalálható az eszköz kézikönyvében. A PROFIBUS egyszerű „kapcsold össze és használd” (plug and play) konfigu-rálásának támogatására ezek a jellemzők elektronikus adatlap formájában is meg vannak adva, ezeket Device Data Base vagy, a német név rövidítéséből GSD fájl-nak nevezik. A GSD adatok szabványosítása a nyílt kommunikációt egészen a vezérlési szintig terjeszti ki. A GSD fájlokon alapuló konfigurációs eszközök használata a különböző gyártók eszközeinek egy rendszerbe való integrálását egyszerűvé és felhasználóbaráttá teszi (5. ábra).


5. ábra. A nyílt konfigurációt GSD fájlok is támogatják

Az eszköz adatbázis fájlok az eszköztípusok jellemzőit jól meghatározott formátumban írják le. A GSD fájlokat a gyártók minden eszközhöz egyedileg készítik el és a felhasználók számára adatlap vagy fájl formájában teszik elérhetővé. A jól meghatározott fájl formátum a konfigurációs rendszer számára lehetővé teszi, hogy a buszrendszer konfigurálásakor automatikusan felhasználja ezeket az információkat.
A eszköz adatbázis fájloknak három része van:

A fájl egyes részeiben a különböző adatrészeket (paramétereket) kulcsszavak választják el. Vannak kötelezően használandó paraméterek (pl. Vendor_Name) és választhatók (opcio-nálisak) is (pl. Sync_Mode_supported). A különböző lehetőségek választására paraméter csoportok alakíthatók ki. Az eszköz jelképét tartalmazó grafikus (bitmap) fájl is csatolható. A GSD fájl formátuma rugalmas. Egyaránt tartalmaz listákat (pl. lehetséges baud rate-ek felsorolását) és üres helyet a moduláris eszközök moduljainak leírásához. A diagnosztikai üzenetekhez egyszerű szövegek is rendelhetők.

GSD könyvtár a Web-en

Az összes tesztelt, a PROFIBUS szabványnak megfelelő PROFIBUS-DP eszköz GSD fájlja letölthető a PROFIBUS User Organization web szerverén levő GDS könyvtárból. A könyvtár legegyszerűbben a http://www.profibus.com Web címen érhető el. Ezen a hivatalos PROFIBUS honlapon nemcsak meglévő GSD fájlokhoz lehet hozzáférni, hanem letölthető innen ingyen a PROFIBUS GSD Editor szoftver-csomag, amely egy 32-bites MS Windows alkalmazás. Ezzel GSD fájlok létrehozását, szerkesztését és ellenőrzését lehet elvégezni. Az Editor a PROFIBUS-DP / GSD Revision 2 előíráson alapul.

Új fájlok GSD könyvtárba történő felvételhez a könyvtárat kezelő szervezethez kell fordulni, ennek adatai a cikk írásának idején: PROFIBUS International – Technical Support Centre – Haid-und-Neu-Str. 7, D-76131 Karlsruhe/Germany, Tel: ++ 49 721 9658 590, Fax: ++ 49 721 9658 589, E-mail: Thomas_Mader@compuserve.com.

Azonosító szám

Minden DP slave-nek és 1. osztályú DP masternek rendelkeznie kell egy azonosító számmal. A masterek ezzel a számmal azonosítják azokat az eszköztípusokat, melyek egyszerűen (jelentős protokoll overhead nélkül) csatlakoztathatók. A master a csatlakoztatott DP eszközök azonosító számát összehasonlítja a rendszerbeállító eszköz által meghatározott számmal. A felhasználói adatok átvitele addig nem kezdődhet meg, míg a megfelelő eszköztípusok a megfelelő állomáscímekkel nem csatlakoznak a buszra. Ez nagy biztonságot jelent a konfigurációs hibák ellen.

A gyártóknak minden DP slave és 1. osztályú DP master típus esetében a PROFIBUS User Organization-tól kell azonosító számot kérnie. Ez a szervezet végzi az azonosítók adminisztrációját.

PROFIBUS-DP alkalmazási profilok

A PROFIBUS-DP protokoll határozza meg, hogy a felhasználói adatok továbbítása hogyan történjen a buszra csatlakoztatott állomások között. A PROFIBUS-DP átviteli protokoll nem értékeli ki a felhasználói adatokat, az átvitel módját az un. profilok írják le, emellett meghatározzák a PROFIBUS-DP alkalmazási területeit is. A profilok az operátorok és végfelhasználók számára lehetővé teszik különböző gyártók eszközeinek használatát. A profilok egyúttal jelentősen csökkentik a tervezési költségeket is, hiszen pontosan meghatározzák az alkalmazási paramétereket. Jelenleg a következő PROFIBUS-DP profilok érhetők el: (zárójelben a dokumentáció száma)

NC/RC profil (3.052)

Ez a profil írja le, hogyan vezérelhetők PROFIBUS-DP buszon keresztül robotok. A robotok mozgás- és programvezérlésének leírása magas szintű automatizálási szempontok szerint történik.

Kódoló profil (3.062)

Ez a PROFIBUS-DP és a pozíció kódolók, szög-, illetve lineáris kódolók összekapcsolását írja le. A két eszköztípus alapvető és kiegészítő feladatokat határoz meg (pl. skálázás, megszakítás-feldolgozás, kibővített diagnosztika stb.).

Változtatható sebességű meghajtó profil (3.071)

A vezető gyártók együttesen írták elő a PROFIDRIVE profilt. Ez meghatározza a meghajtók adatmegadását (paraméterezését), a beállítási pontok (setpoint-ok) és az aktuális értékek átvitelét. Lehetővé teszi a különböző gyártók meghajtóinak kicserélését az egyes rendszerekben. A profil tartalmazza a sebesség-szabályozáshoz és a helyzetbeállításhoz (pozícionáláshoz) szükséges adatokat is. Meghatározza az alapvető funkciókat, lehetőséget adva az alkalmazás-függő kiterjesztésre, illetve a későbbi továbbfejlesztésekre. Leírja az alkalmazási funkciók illesztését PROFIBUS-DP-re vagy FMS-re.

Vezérlési és folyamatellenőrzési profil (HMI)

Az egyszerű vezérlési és folyamatellenőrzési eszközök profilja leírja ezen eszközök és a magas szintű automatizálási rendszerelemek PROFI-BUS-DP buszrendszeren keresztüli összekapcsolását. A profil a kibővített PROFI-BUS-DP funkciókat használja a kommunikációra.

Busz kábelezés

A PROFIBUS szabvány kétfajta busz kábelt ír elő a PROFIBUS-DP-hez. Az A típusú kábel, amely különösen ajánlott magas átviteli sebességek esetén (> 500 kBaud) a B típusú kábelhez képest nagyobb hálózathosszat enged meg. A B típusú kábelt csak kis átviteli sebesség és és kisebb távolságok esetében szabad használni.

A PROFIBUS-DP A típusú kábelének jellemzői:

Impedancia: 135...165 Ohm, a 3-tól 20 MHz-ig terjedő frekvenciákon
Kábel kapacitás: < 30 pF/m
A mag átmérője: > 0,34 mm, az AWG 22-vel összhangban
A kábel típusa: sodrott érpár, 1x2 vagy 2x2 vagy 1x4 érrel
Ellenállás: < 110 Ohm/km
Jel csillapítás: legfeljebb 9 dB a vonal teljes hosszán
Árnyékolás: réz árnyékoló harisnya vagy árnyékoló harisnya és fólia

A PROFIBUS-DP B típusú kábelének jellemzői:

Impedancia: 135...165 Ohm, 100 kHz-nél nagyobb frekvenciákra
Kábel kapacitás: jellemzően < 60 pF/m
A mag átmérője: > 0,22 mm, az AWG 24-gyel összhangban
A kábel típusa: sodrott érpár, 1x2 vagy 2x2 vagy 1x4 érrel
Jel csillapítás: legfeljebb 9 dB a vonal teljes hosszán
Árnyékolás: réz árnyékoló harisnya vagy árnyékoló harisnya és fólia

Árnyékolási szabályok

Ha árnyékolt busz kábelt használunk, ajánlott az árnyékolást a kábel mindkét végén minimális induktivitással a védőföldeléshez csatolni, hogy az elekromágneses zavarás szempontjából a lehető legjobb megoldást biztosítsuk. Abban az esetben, ha az árnyékolt kábellel összekötött egységek különböző feszültségen vannak, az árnyékolást csak az egyik oldalon kell a védőföldeléshez csatlakoztatni.

Előnyös, ha az árnyékolás és a védőföld közötti összeköttetést a fémtokozás és a D-sub csatlakozó tetején lévő csavarral valósítjuk meg. Ha nincs lehetőség erre, akkor az összeköttetést a D-sub csatlakozó 1-es tűjén keresztül hozhatjuk létre. Meg kell említeni, hogy ez nem a legjobb megoldás. Ilyen esetben jobb, ha lecsupaszoljuk a kábel árnyékolását egy megfelelő pontban, és leföldeljük egy minél rövidebb kábellel a doboz fémszerkezetéhez. Ezt egy, a busz csatlakozó előtti buszföldelő fémrúddal érhetjük el.

Árnyékolás használata

Az EN 50170 szabvány a felhasználóra bízza, hogy árnyékolt, vagy árnyékolatlan kábelt használ-e. Zavarmentes területeken árnyékolatlan kábelek is használhatóak. A következő szigorú szabályok azonban megfontolandóvá teszik az árnyékolt kábelek használatát.

  1. Zavarmentes tér csak egy árnyékolt doboz belsejében létezhet. Amint a doboz belsejében megjelenik egy sugárzó, az interferenciamentesség a továbbiakban már nem garantált.
  2. Az árnyékolatlan kábelek használata további védőmechanizmusok bevetését teszi szükségessé, hogy megakadályozzuk a buszjel bemeneteken a feszültséghatár-túllépést.

Ez az ajánlás felhasználható a külső áramforrásokat a PROFIBUS berendezésekkel ösz-szekötő tápkábelekre is (például a jelismétlők (repeater-ek) esetében). A duplán árnyékolt vonalak különösen alkalmasak olyan környezetben, ahol erős az elektromágneses zavarás. A leghatásosabb védelemhez a külső árnyékolást (árnyékoló harisnya) és a belső árnyékolást (árnyékoló fólia) is le kell földelni a kábel mindkét végén egy földelő kábelsaruval.

Függelék: Rövidítések és jelentésük

ASIC

Application Specific Integrated Circuit Felhasználás specifikus integrált áramkör

CREF

Communication REFerence Kommunikációs referencia: a kommunikációs viszony helyi rövid megnevezése.

CRL

Communication Reference List Kommunikációs referencia lista: a CRL az állomás összes kommunikációs viszonyának listáját tartalmazza.

DP

Decentralized periphery (Distributed Control) 1) Decentralizált periféria 2) Elosztott vezérlés

DPM1

DP Master (class 1) A DPM1 a PROFIBUS-DP központi programozható vezérlője.

DPM2

DP Master (class 2) A DPM2 a PROFIBUS-DP konfigurációs berendezése.

FDL

Fieldbus Data Link Az FDL (field-busz adat kapcsolat) a PROFIBUS adatbiztonsági rétege (2).

FMS

Fieldbus Message Specification FMS (field-busz üzenetspecifikáció) a PROFIBUS-FMS-ben definiálja a felhasználás szolgáltatásait.

GSD

Device Data Base Fájl Eszköz adatbázis fájl: elektronikus adatlap a berendezésekhez.

HMI

Human-Machine Interface Ember-gép interfész: az operátor irányító és megfigyelő berendezései.

LLI

Lower Layer Interface A LLI (alsó réteg interfész) a PROFIBUS-FMS-ben a felhasználói réteg (7) része.

MAC

Medium Access Control Közeghozzáférés-vezérlés: a MAC dönti el, hogy egy berendezés mikor kap jogot az adatküldésre.

OD

Object Dictionary Az OD (objektum szótár) a berendezés kommunikációs objektumainak leírását tartalmazza.

PA

Process Automation A PA (folyamat automatizálás) a PROFIBUS megoldása a folyamat automatizálásra.

PNO

PROFIBUS User Organization in Germany PROFIBUS Felhasználói Szervezet Németországban: a PNO a német megnevezés rövidítése.

SAP

Service Access Point Szolgálat elérési pont a PROFIBUS 2. rétegben.

TSDI

Station Delay Time Initiator A kezdeményező kérési (Request) késleltetési ideje.

TSDR

Station Delay Time Responder A válaszoló válaszadási késleltetése.

VFD

Virtual Field Device A VFD (virtuális terepi berendezés) a valós berendezés kommunikációval elérhető része.

Felhívjuk az olvasó figyelmét arra, hogy a témával kapcsolatban részletes elméleti és gyakorlati leírások találhatók az Internet-en:

Angol nyelven a PROFIBUS honlapján (http://www.profibus.com) vagy magyarul a Magyarországi Terepbusz Tudásközpont címén (http://www.fsz.bme.hu/traficc). Ez utóbbi a Budapesti Műszaki Egyetem Irányítástechnika és Informatika Tanszékén (korábban: Folyamatszabályozási Tanszék) működik. A Tanszék a 80-as évek végén aktívan részt vett a Profibus alapjainak kifejlesztésében, és amely ma az Európai Unió által kezdeményezett INCO-Copernicus 960161 sz. csomagterv (TRAFICC) keretében létrehozott nem nyereségérdekelt (non-profit) tudásközpont.


RADNAI RUDOLF

A laprendszer készítője: UFE Bt.