Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"Уфимский государственный нефтяной технический университет"
Кафедра автоматизации технологических процессов и производств
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
на тему: “Промышленная сеть Profibus”
по дисциплине: “Телеуправление и передача данных”
Выполнил: студент гр. БАГ-09-01 __________________ Шарифисламов А. Б.
(дата, подпись)
Проверил: доцент __________________ Емец С.В.
(дата, подпись)
Уфа - 2013 г
ВВЕДЕНИЕ 3
1. ПРОТОКОЛЫ СЕТИ PROFIBUS 5
2. УРОВНИ СЕТЕВОЙ МОДЕЛИ OSI 10
3. КАНАЛЬНЫЙ УРОВЕНЬ PROFIBUS DP 14
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 22
PROFIBUS (Process Field Bus) — открытая промышленная сеть, прототип которой был разработан компанией Siemens AG для своих промышленных контроллеров SIMATIC, на основе этого прототипа Организация пользователей PROFIBUS разработала международные стандарты, принятые затем некоторыми национальными комитетами по стандартизации. Очень широко распространена в Европе, особенно в машиностроении и управлении промышленным оборудованием. Сеть PROFIBUS — это комплексное понятие, она основывается на нескольких стандартах и протоколах. Сеть отвечает требованиям международных стандартов IEC 61158 и EN 50170. Поддержкой, стандартизацией и развитием сетей стандарта PROFIBUS занимается PROFIBUS NETWORK ORGANISATION (PNO).
PROFIBUS объединяет технологические и функциональные особенности последовательной связи полевого уровня. Она позволяет объединять разрозненные устройства автоматизации в единую систему на уровне датчиков и приводов.
PROFIBUS использует обмен данными между ведущим и ведомыми устройствами (протоколы DP и PA) или между несколькими ведущими устройствами (протоколы FDL и FMS). Требования пользователей к получению открытой, независимой от производителя системе связи, базируется на использовании стандартных протоколов PROFIBUS.
Сеть PROFIBUS построена в соответствии с многоуровневой сетевой моделью ISO 7498. PROFIBUS определяет следующие уровни:
шина протокол
1.2 Profibus DP
Profibus DP (Decentralized Peripherals) - профиль протоколов промышленной сети Profibus.
Использует уровни модели OSI:
Данная сеть была спроектирована для высокоскоростной передачи данных между устройствами. В данной сети центральные контроллеры (программируемые логические контроллеры и PC) связаны с их распределёнными полевыми устройствами через высокоскоростную последовательную связь. Большинство передач данных осуществляется циклическим способом.
В качестве ведущего устройства могут использоваться контроллеры. Как ведомые устройства, могут использоваться приводы, клапаны или устройства ввода-вывода.
С помощью Profibus DP могут быть реализованы Mono и MultiMaster системы. Основной принцип работы заключается в следующем: центральный контроллер (ведущее устройство) циклически считывает входную информацию с ведомых устройств и циклически записывает на них выходную информацию. При этом время цикла шины должно быть короче, чем время цикла программы контроллера, которое для большинства приложений составляет приблизительно 10 мсек. В дополнение к циклической передаче пользовательских данных Profibus DP предоставляет широкие возможности по диагностике и конфигурированию. Коммуникационные данные отображаются специальными функциями как со стороны ведущего, так и со стороны ведомого устройства.
Диагностические функции Profibus DP позволяют быстро локализовать сбои в системе. Диагностические сообщения передаются по шине мастеру, сообщения делятся на три уровня:
Поведение системы при использовании протокола DP определяется состоянием ведущего устройства. Существует три основных состояния:
Ведущее устройство циклически посылает информацию о своём состоянии всем ведомым устройствам присоединённым к нему. Передача данных между ведущим и ведомым устройствами делится на три фазы:
На 1 и 2 стадиях ведомое устройство сравнивает свою текущую конфигурацию с конфигурацией ожидаемой ведущим устройством и только если они совпадают, происходит передача данных. В дополнение к обычной передаче пользовательских данных, ведущее устройство может посылать управляющие команды одному, группе или всем своим ведомым устройствам. Существует две таких команды. Одна переводит ведомые устройства в режим sync (все выходы блокируются в текущем состоянии), другая — переводит в режим freeze (все входы блокируются в текущем состоянии). Вывод из этих режимов происходит с помощью команд unsync и unfreeze соответственно.
В дополнение к данной системе передачи, существуют расширенные DP функции, которые позволяют производить ациклическое чтение и запись параллельно циклической передаче данных.
1.2 Profibus FMS
PROFIBUS FMS — протокол предназначен в основном для связи программируемых контроллеров друг с другом и станциями оператора. Он используется в тех областях, где высокая степень функциональности более важна нежели чем быстрое время реакции системы.
При связи через FMS используются отношения типа клиент-сервер. Клиент является процессом приложения, который в качестве заказчика услуги обращается к объектам. Сервер является исполнителем услуги «Объекты».
В распоряжение клиенту предоставляются объекты связи. В качестве примера устройств, соединенных по FMS протоколу можно взять из оборудования фирмы Сименс — SIMATIC S7 c FMS-CP или, например, SIMATIC S5 c CP 5431FMS. Очень часто используется комбинированный режим работы устройств PROFIBUS FMS и PROFIBUS DP, в этом случае между мастерами и ведомыми устройствами используется протокол DP, а между самими мастерами протокол FMS:
Основная нагрузка в протоколе FMS приходится на уровень приложений. Им предоставляются коммуникационные службы, которые могут использоваться непосредственно пользователем, которые отвечают за выполнение запросов в системе клиент-сервер . Коммуникационная модель PROFIBUS FMS допускает объединение распределенных процессов приложений в общий процесс с использованием коммуникационных связей. Часть процесса приложения в полевом устройстве, которая может быть достигнута через коммуникацию называется виртуальным полевым устройством VFD. В нем находится словарь так называемых коммуникационных объектов, через которые и происходит связь между устройствами с помощью служб. Словарь содержит описание, структуру и типы данных, а также связи между адресами внутреннего устройства коммуникационных объектов и их назначение на шине (индекс/имя).
Более подробно, словарь состоит из следующих объектов:
В настоящее время применение протокола PROFIBUS FMS сокращается, в связи с переходом к Промышленный Ethernet и PROFInet.
Однако спецификации FMS стали частью стандарта FOUNDATION Fieldbus и используются в нём.
1.3 Profibus PA
PROFIBUS PA (Process Automation) — промышленная сеть, служит для соединения систем автоматизации и систем управления процессами с полевыми устройствами (например, датчиками давления, температуры и уровня). Может использоваться для аналоговой (от 4 до 20 мА) технологии. Profibus PA использует основные Profibus DP функции передачи измеренных величин и состояния контроллера, а также расширенные функции PROFIBUS DP для параметризации и операций с полевыми устройствами.
2.1 Основные положения
№ |
Название уровня |
Profibus DP |
Profibus FMS |
Profibus PA |
7 |
Прикладной |
нет |
Fieldbus Message Specification (FMS) |
нет |
6 |
Представления |
нет |
||
5 |
Сеансовый |
|||
4 |
Транспортный |
|||
3 |
Сетевой |
|||
2 |
Канальный (Передачи данных) |
FDL |
FDL |
IEC 1158- 2 |
1 |
Физический |
RS- 485, оптоволоконный интерфейс |
RS- 485, оптоволоконный интерфейс |
Интерфейс IEC 1158- 2 |
2.2 Физический уровень PROFIBUS
Физически PROFIBUS может представлять из себя:
Интерфейс RS-485 (другое название - EIA/TIA-485) - один из наиболее распространенных стандартов физического уровня связи. Физический уровень - это канал связи и способ передачи сигнала (1 уровень модели взаимосвязи открытых систем OSI).Сеть, построенная на интерфейсе RS-485, представляет собой приемопередатчики, соединенные при помощи витой пары.
Таблица – 2. Параметры физического уровня Profibus.
|
Стандартные параметры интерфейсов |
RS-485 |
|
Допустимое число передатчиков / приемников |
32 / 32 |
|
Максимальная длина кабеля |
1200 м |
|
Максимальная скорость связи |
10 Мбит/с |
|
Диапазон напряжений "1" передатчика |
+1.5...+6 В |
|
Диапазон напряжений "0" передатчика |
-1.5...-6 В |
|
Диапазон синфазного напряжения передатчика |
-1...+3 В |
|
Допустимый диапазон напряжений приемника |
-7...+12 В |
|
Пороговый диапазон чувствительности приемника |
±200 мВ |
|
Максимальный ток короткого замыкания драйвера |
250 мА |
|
Допустимое сопротивление нагрузки передатчика |
54 Ом |
|
Входное сопротивление приемника |
12 кОм |
|
Максимальное время нарастания сигнала передатчика |
30% бита |
Топология сети |
Шинная топология при искользовании встроенных оптических портов и OBT; Шинная топология, топология типа «звезда» или «кольцо» при использовании OLM |
Среда передачи |
Волоконно-оптические кабели с волокнами из стекла, с пластиковым покрытием или с пластиковыми волокнами |
Возможные длины сегментов |
До 15 км |
Количество узлов |
Не более 127 в сети |
Скорость передачи |
9,6 кбит/с 19,2 кбит/с 45,45 кбит/с 93,75 кбит/с 187,5 кбит/с 500 кбит/с 1,5 Мбит/с 3 Мбит/с 6 Мбит/с 12 Мбит/с |
3.1 Основные положения
Далее мы будем рассматривать только Profibus DP, поскольку он получил несравненно более широкое распространение, чем FMS и PA.
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:
В сети Profibus для доступа ведущих устройств к сети используется метод передачи маркера (рисунок – 1). 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.
Рисунок – 1. Принцип работы многомастерной сети.
Каждому мастеру в сети назначаются свои ведомые устройства (рисунок - 1). 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.
3.2 Коммуникационный профиль DP
Основная функция коммуникационного профиля DP состоит в эффективном обмене данными ПЛК или компьютера с датчиками и исполнительными устройствами. Обмен данными с этими устройствами обычно выполняется периодически, но коммуникационный профиль DP представляет также дополнительный сервис апериодического обмена для установки параметров, контроля режимов работы и обработки сигналов тревоги (алармов).
В обычном режиме центральный контроллер (ведущий) периодически считывает информацию, поступающую на входы ведомых устройств и записывает информацию для их выходов.
Дополнительно к этому периодическому обмену данными DP обеспечивает мощные средства для диагностики и инсталляции системы, а также для обеспечения устойчивости к внешним дестабилизирующим факторам.
Средства диагностики DP обеспечивают быстрое обнаружение места появления ошибки и пересылку соответствующего сообщения ведущему устройству. Диагностические сообщения делятся на три уровня:
К одной сети могут быть подсоединены до 128 устройств (но не более 32-х в одном сегменте).Спецификация для конфигурирования системы включает количество узлов сети, распределение адресов устройств, формат диагностических сообщений, параметры шины.
В сети могут использоваться устройства трех типов:
Эти устройства могут отсылать или принимать не более 256 байт информации за один цикл обмена. Коммуникационный профиль DP позволяет сконфигурировать как одномастерную, так и многомастерную сеть. В одномастерной сети ведущее устройство (мастер) может посылать запросы и получать ответы только от ведомых устройств.
В многомастерной сети имеется несколько ведущих устройств, которые имеют одномастерные подсети и в пределах подсети являются устройствами класса DPM 1. Ведущие устройства в многомастерной сети могут быть также устройствами класса DPM2. Входные и выходные данные подчиненных устройств могут быть прочитаны любым мастером сети. Однако записывать данные в устройства может только один мастер, который при конфигурировании системы был обозначен как DPM 1.
Ведущий контроллер (DPM 1) может находиться в одном из трех состояний : Stop - когда не происходит обмена данными; Clear - когда DPM 1 может считывать данные, но не может записывать их и выходы всех устройств переводятся в безопасные состояния; Operate - обычное
рабочее состояние.
Если в системе появляется сообщение об ошибке, то DPM 1 устанавливает выходы всех устройств вывода в безопасное состояние, а сам переходит в состояние "Clear". Безопасным считается такое состояние, при котором исполнительные устройства находятся в безопасном (для человека или системы) состоянии. Такое состояние самоконтроля системы может быть установлено или нет при ее конфигурировании. При отключенном состоянии самоконтроля система продолжает работать несмотря на появление ошибок.
При конфигурировании системы пользователь назначает каждому ведущему свои ведомые устройства и очередность их опроса, а также указывает устройства, которые не надо опрашивать периодически.
Передача данных между мастером DPM 1 и ведомыми делится на три фазы: параметризация, конфигурирование и передача данных. В фазе параметризации и конфигурирования проверяется, соответствует ли конфигурация и параметры ведомого устройства запланированным в DPM 1 установкам. Проверяется тип устройства, формат и длина передаваемых сообщений, количество входов или выходов.
Profibus DP имеет режим синхронизации вывода. Для этого посылается широковещательная управляющая команда синхронизации, при получении которой происходит одновременная смена состояний выходов всех устройств вывода. Имеется также команда "замораживание", при поступлении которой входы всех устройств ввода сохраняют свое текущее состояние и перестают реагировать на изменение поступающих на входы сигналов, пока не поступит команда "размораживание". Эти команды используются для синхронизации ввода. Команды синхронизации могут посылаться всем устройствам сети, группе или одному устройству.
Для обнаружения ошибок в передающих устройствах предусмотрен механизм временного мониторинга (наблюдения), который действует как в ведомых, так и ведущих устройствах. Интервал мониторинга устанавливается при конфигурировании системы. Ведущий (DPM 1) ведомым устройством с помощью таймера. Для каждого подчиненного используется свой таймер. Если в течение интервала наблюдения не приходят корректные данные, выдается диагностическое сообщение для пользователя. Если включен режим автоматической реакции на ошибки, то ведущий устанавливает все выходы в безопасные состояния, а сам переходит в состояние "Clear".
Ведомый также выполняет контроль ведущего устройства или линии передачи. Для этого используется сторожевой таймер. Если от ведущего не приходят данные в течение периода сторожевого таймера, ведомый автоматически переводит свои выходы в безопасные состояния.
Для большей степени защиты выходов в многомастерной системе только один (уполномоченный) мастер имеет прямой доступ к изменению состояний выходов устройства. Все другие мастера могут считывать только "изображения" сигналов на входах и выходах устройства.
В Profibus имеются также расширенные DP функции, которые позволяют передавать апериодические функции чтения и записи, а также сигналы тревог параллельно и независимо от периодической пересылки данных, установленной пользователем при конфигурировании системы. Это позволяет, например, с помощью DPM2 изменять параметры вновь подсоединенных ведомых устройств или считывать состояние любых устройств сети без остановки системы. Эти служебные функции выполняются апериодически с низким
приоритетом, параллельно с рабочим процессом передачи данных в системе. Для обеспечения такой возможности при параметризации всей сети устанавливают увеличенный цикл обращения маркера, чтобы шина на была загружена на 100%.
3.3 Передача сообщений
Profibus использует два типа сервисов для передачи сообщений : SRD (Send and Receive Data with acknowledge -"отправка и прием данных с уведомлением") и SND (Send Data with No acknowledge - "отправка данных без уведомления").
Сервис SRD позволяет отправить и получить данные в одном цикле обмена. Этот способ обмена наиболее распространен в Profibus и очень удобен при работе с устройствами ввода-вывода, поскольку в одном цикле можно и отправить, и получить данные.
Сервис SND используется, когда надо отправить данные одновременно группе ведомыхустройств (многоабонентский режим) или всем ведомым устройствам (широковещательный режим). При этом ведомые устройства не отправляют свои уведомления мастеру.
Сообщение в Profibus называется телеграммой. Телеграмма может содержать до 256 байт, из них 244 байта данных, плюс 11 служебных байт (заголовок телеграммы). Все телеграммы имеют заголовки одинаковой длины, за исключением телеграммы с названием Data_Exchange. Заметим, что 11 байт служебной информации делают Profibus очень неэффективным при передаче коротких сообщений. Однако при больших объемах данных такой формат телеграммы достаточно
эффективен.
Рисунок – 2. Структура телеграммы Profibus.
Поля телеграммы на рисунке – 2 имеют следующее содержание:
1. Википедия (http://ru.wikipedia.org/wiki/PROFIBUS )
2. Энциклопедия АСУТП (http://bookasutp.ru/Chapter2_7.aspx)
3. Profibus. Краткий обзор (http://plc4good.org.ua/view_post.php?id=39 )
4.Протокол передачи данных Profibus (http://profibus-dp.ru/)
5. PROFIBUS в соответствии с IEC 61158/ EN50170 (http://www.sinetic.ru/files/catalog/siemens/controllers/IKPI/03_PB_2008_r.pdf)