Курсовая работа: Полевая шина на основе Profibus

Министерство Образования Российской Федерации

Уральский государственный горный университет

Кафедра Автоматики и компьютерных технологий

Курсовая работа

Полевая шина на основе Profibus

Екатеринбург

Оглавление

Введение

1. Коммуникации в автоматике

1.1 Промышленная связь

1.3 Физический уровень

1.4 Международная стандартизация

2. Краткий обзор PROFIBUS

2.1 История

2.2 Положение на рынке

2.3 Организация

2.4 PROFIBUS "Tool Box"

3. Технологии передачи

3.1 Коммуникационные протоколы

3.2 PA Devices

4. Спецификации профиля PA Devices

5. Типы DP-устройств

6. Коммуникационные функции

7. Сеть Profibus-dp

7.1 Технология сетей PROFIBUS

7.2 Инициализация сети

7.3 PROFIBUS-FMS

7.4 PROFIBUS-FMS

Заключение

Введение

С самого начала, полевая автоматизация была предметом постоянных изменений. Не так давно эти изменения касались только производственной области компании. Реализация технологии полевой шины стала важным нововведением в промышленности, позволившим мигрировать с централизованных АС к децентрализованным.

Разработка PROFlBUS продолжается с неугасающими энтузиазмом и энергией. Первоначально, технология коммуникации была центральной. Текущая деятельность концентрируется вокруг системной интеграции, инженерии и, в особенности, прикладных профилей. Эти профили сделали PROFIBUS единственной полевой шиной, предоставляющей всестороннюю автоматизацию как для предприятий, так и для технологических процессов.

Кроме того, информационные технологии (ИТ) все более определяют развитие сегодняшней автоматизации. Современные полевые системы переняли принципы ИТ и достигли большой степени согласованности с корпоративным уровнем управления. В этом отношении, промышленная автоматизация идет по стопам офисной, где ИТ уже давно нало или свой отпечаток, радикально преобразовав инфраструктуру, системы и процессы. Интеграция ИТ в мир автоматики открывает новые возможности для глобального обмена данными между АС. Результатом дальнейшего развития PROFIBUS и интеграции с Ethernet стал стандарт PROFInet.

Использование открытых стандартов вместо проприетарных решений гарантирует совместимость и расширяемость на долгий срок - другими словами - защиту осуществленных инвестиций.

Это ключевой по своей важности момент для Организации Пользователей PROFIBUS. Продолжающаяся разработка технологии PROFIBUS дает пользователям долгосрочные перспективы.

1. Коммуникации в автоматике

Коммуникационные возможности устройств и подсистем, а также полная информационная методология являются непреложными компонентами концепции автоматизации, ориентированной на будущие перспективы. Все больше коммуникации используются горизонтально, на полевом уровне, так же как и вертикально, через несколько иерархических уровней. Многослойные согласованные промышленные системы связи такие, как PROFIBUS с низкоуровневым интерфейсом к AS-Interface и интерфейсом высокого уровня к Ethernet (поверх PROFInet) (см. рис. 1.1), создают идеальные предпосылки для прозрачного сетевого взаимодействия во всех областях промышленного процесса.

Рисунок 1.1 - Коммуникации в технологиях автоматизации

1.1 Промышленная связь

На уровне датчиков и исполнительных устройств сигналы двоичных сенсоров и приводов передаются по шине датчиков и исполнительных устройств. Получается простая и экономически эффективная технология, при которой данные и питание идут в общей среде. AS-Interface предлагает подходящую магистральную систему для этой области применения.

На полевом уровне распределенные устройства, такие как: модули В/В, преобразователи, приводы, анализаторы, клапаны и операторские терминалы, сообщаются с АС посредством мощной системы связи реального времени. Передача данных тех. процесса является циклической, в то время как дополнительные прерывания, конфигурационные и диагностические данные приходят ациклически, по мере необходимости. PROFIBUS удовлетворяет этим критериям и предлагает универсальное решение, как для АСУП, так и для АСУТП.

На секционном уровне программируемые контроллеры (программируемые логические и периферийные контроллеры) обмениваются информацией друг с другом и с информационными офисными системами, используя стандарты Ethernet, TCP/IP, Intranet и Internet. Этот информационный поток требует большого размера пакетов данных и наличия целого ряда мощных коммуникационных функций.

Так же как и PROFIBUS, основанный на Ethernet PROFInet предлагает для этих целей решение, достойное подражания.

Далее будет подробно описан PROFIBUS как центральное связующее звено информационных потоков в индустрии автоматизации. Информацию об AS-Interface смотрите в соответствующей литературе. Затем будет кратко представлен PROFInet.

Полевые шины это промышленные системы связи, использующие для соединения устройств (датчиков, исполнительных устройств, приводов, преобразователей и т.п.) с центральной управляющей системой целый ряд передающих сред, таких как: медный кабель, оптоволокно или беспроводные, с последовательной побитовой передачей. Полевая технология была разработана в 80е годы с целью заменить широко используемое центрально- параллельное соединение (central parallel wiring) и господствующую аналоговую передачу (4-20 мА- или +/- 10V интерфейс) на цифровые технологии. Частично благодаря специфическим требованиям разных отраслей промышленности, а так же предпочтению крупных производителей использовать проприетарные решения, на рынке установились несколько полевых систем с разнообразными свойствами. Ключевые технологии на данный момент закреплены в недавно принятых стандартах IEC 61158 и IEC 61784. PROFIBUS -неотъемлемая часть этих стандартов.

Совсем недавно в промышленной автоматизации появились Ethernet системы связи. Они предлагают широкий диапазон опций для коммуникаций между разными уровнями промышленной автоматики и офисным уровнем. PROFInet это пример Ethernet системы связи.

Необходимость координированной разработки и распространения на рынке этих полевых систем привела к появлению множества Организаций Пользователей, состоящих из производителей, пользователей и учреждений, например Организация Пользователей PROFIBUS (PROFIBUS User Organization, PNO) и ее родительская организация PROFIBUS International (PI) для технологий PROFIBUS и PROFInet.

Выгоды для пользователей являются причиной появления и непрерывного развития полевых технологий. В конечном счете, они проявляются в снижении общей стоимости владения, а так же в повышении производительности и качества во время установки и использования автоматизированного оборудования. Экономическая эффективность достигается на стадиях конфигурации, прокладки кабеля, инженерных работ, документирования, сборки и пусконаладочных работ, так е как и во время собственно производства. Дополнительные выгоды, достигаемые снижением общей стоимости жизненного цикла, принимают форму простоты модификации и непрерывной работоспособности системы за счет регулярной диагностики, превентивного тех.обслуживания, простоты назначения параметров, непрерывности потока данных и управления активами (asset management).

Полевые шины повышают продуктивность и гибкость автоматизированных процессов, по сравнению с традиционными технологиями, и создают базовые предпосылки для конфигурирования распределенных АС.

На сегодняшний день, PROFIBUS используется практически во всех областях автоматизации, в АСУП и АСУТП, а так е в дорожной отрасли, в производстве и распределении энергии.

1.2 Терминология полевой технологии

Сетевая модель ISO/OSI описывает обмен данными между станциями коммуникационной системы. Для эффективной работы комуникационного протокола, необходимо использовать определение правила и интерфейсы передачи. В 1983 г. Международная организация по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO) разработала сетевую модель OSI ("Open Systems Interconnection Reference Model" -базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем). Этот протокол определяет элементы, структуры и задачи, необходимые для обмена информацией, и распределяет их по семи уровням, выстроенным друг над другом (см. рис. 1.2). Каждый уровень должен выполнять определенные функции коммутационного процесса. Если коммутационной системе не требуется какие-то из этих функций, соответствующие уровни можно пропустить. PROFIBUS использует уровни 1, 2 и 7.

Протоколы связи определяют, как две или более станций обмениваются данными, используя фреймы данных. Фрейм данных содержит различные поля для сообщения и управляющей информации. Полю с собственно данными предшествует заголовок (адреса отправителя и получателя, детали последующего сообщения), а за ним идет часть, отвечающая за безопасность данных, содержащая информацию по проверке корректности передачи (идентификация ошибок).

Особенность полевой шины заключается в том, что она позволяет передавать маленькие объемы срочных данных и упрощает процесс передачи.

Управление доступом к шине (MAC, Medium Access Control - управление доступом к среде) это специфическая процедура, которая определяет, в какой момент времени станция может посылать данные. В то время как активные станции могут начинать обмен информацией, пассивные могут выходить на связь только по указанию активной станции.

Рисунок 1.2- Сетевая модель OSI

Различают процедуру управляемого, детерминированного доступа с совместимостью с режимом реального времени (подчиненный-ведущий в PROFIBUS) и процедуру случайного, недетерминированного доступа (CSMA/CD по Ethernet).

Адресация необходима, чтобы уникально и произвольно идентифицировать станцию. Поэтому адреса назначаются либо коммутатором (аппаратные адреса), либо во время назначения параметров в течение пусконаладочных работ (программные адреса).

Коммуникационные сервисы выполняют коммуникационные задания станций во время циклического или ациклического обмена данными. Количество и тип этих сервисов является критерием для области применения того или иного протокола. Различают сервисы с установлением соединения и подтверждениями и без установления соединения. Во вторую группу входят многоадресные и широковещательные сообщения, посылаемые либо определенной группе станций, либо всем станциям одновременно.

Профили используются в технологии автоматизации, чтобы определить специфические свойства и поведение устройств, семейств устройств или целых систем. Только те устройства и системы, что используют вендор-независимые профили, обеспечивают интероперабельность полевой шины, таким образом, используя все преимущества полевой технологии.

Прикладные профили относятся в первую очередь к устройствам (полевым устройствам, элементам управления и средствам интеграции) и включают как согласованный выбор коммуникаций через шины, так и определенное применение устройства. Профили этого типа служат для производителей спецификацией для создания интероперабельных устройств, соответствующих своему профилю. Системные профили описывают классы систем, включая функциональность, программные интерфейсы и средства интеграции.[1]

1.3 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 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 [Profibus].

Таблица 1.1 - Цоколевка разъема DB-9 для Profibus

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.