Profibus PA использует физический уровень, соответствующий стандарту IEC 1158-2. Данные передаются с помощью уровней тока +9 мА и -9 мА ("токовая петля"). Используется манчестерский код (логический ноль соответствует смене отрицательного тока на положительный, а логическая единица - положительного на отрицательный). Скорость передачи составляет 31,25 кбит/с, в качестве линии передачи используется витая пара в экране или без него. Один сегмент сети может содержать до 32 устройств. Максимальная длина кабеля достигает 1,9 км. В каждом сегменте с обеих сторон кабеля подключены RC-цепочки, состоящие из последовательно соединенных конденсатора емкостью 1 мкФ и резистора сопротивлением 100 Ом. Благодаря низкой энергии передаваемого сигнала Profibus PA является искробезопасной электрической цепью и может быть использован во взрывоопасных зонах (при наличии разрешения Ростехнадзора на конкретное оборудование).
Для передачи данных используется NRZ-кодирование и 11-битный формат, идентичный формату HART-протокола, включающему стартовый бит ("0"), 8 бит данных младшими разрядами вперед, бит паритета (четный) и стоп-бит ("1"). Бит паритета равен нулю, если количество бит в слове четное и равен единице в противном случае. В слове "11000011" количество единиц четное, поэтому бит паритета устанавливается равным 0. Такой формат используется для всех без исключения слов, включая заголовки сообщений. При передаче слов длиннее 8 бит старший байт отправляется первым, за ним остальные в порядке старшинства.
Несколько лет назад для Profibus была разработана модификация интерфейса RS-485 для взрывоопасных зон, которая получила название "RS-485-IS" ("Intrinsically Safe" - "внутренне безопасный") [Profibus]. Существенным ее отличием является наличие резисторов, ограничивающих ток в линии до значений, установленных стандартом на искробезопасные электрические цепи.[2]
1.4 Международная стандартизация
Вместе с другими полевыми системами, PROFIBUS занесен в стандарт IEC 61158 с 1999 г. В 2002 г. завершились действия по обновлению IEC 61158. В этом стандарте разработки PROFIBUS и PROFInet объединились.
IEC 61158 носит название «Digital Data Communication for Measurement and Control - Fieldbus for Use in Industrial Control Systems» («Цифровая передача данных в Измерении и Управлении -использование полевой шины в промышленный системах управления») и разделен на 6 частей, названных соответственно 61158-1, 61158-2 и т.д. Часть 1 носит вводный характер, в то время как остальные части ориентированы на сетевую модель OSI (уровни 1, 2 и 7); см. таблицу 1.2.
Таблица 1.2- Схема организации IEC 61158
Разные части IEC 61158 определяют, среди прочего, множество сервисов и протоколов для обмена информацией между станциями, считающимися полным доступным множеством, из которого делаются отдельные выборки (подмножества) для отдельных полевых систем.
Факт наличия на рынке широкого спектра различных полевых систем закреплен в IEC 61158 определением 10 типов полевых протоколов, обозначенных соответственно Тип 1, Тип 2 и т.д.
PROFIBUS является Типом 3, а PROFInet - Типом 10.
IEC 61158 отмечает, что связь через шины (по определению) возможна только между теми устройствами, которые используют протоколы одного и того же типа.
IEC 61784 носит название «Profile Sets for Continuous and Discrete Manufacturing Relative to Fieldbus Use in Industrial Control Systems» («Множества профилей для непрерывных и дискретных производств, относящихся к использованию полевой шины в промышленных системах управления»). Связь со стандартом IEC 61158 устанавливается вводным комментарием: «Этот международный стандарт (т.е. IEC 61784) на базе IEC 61158 определяет множество зависящих от протокола коммуникационных профилей, предназначенных для проектирования устройств, используемых в коммуникациях на заводском производстве и в управлении процессами».
IEC 61784 показывает, какие подмножества общего множества сервисов и протоколов, определенных в IEC 61158 (и других стандартах), какими полевыми системами используются. Определенные таким образом в зависимости от полевой шины «коммуникационные профили» сведены в «Семейства коммуникационных профилей» («Communication Profile Families (CPF)») в соответствии с их реализацией в каждой полевой системе.
Таблица 1.3- Свойства Семейства коммуникационных профилей CPF 3
Множества профилей, реализованных в PROFIBUS, обозначены как «Family 3» и имеют подразделы 3/1, 3/2 и 3/3. Таблица показывает их соответствие в PROFIBUS и PROFInet.
2. Краткий обзор PROFIBUS
PROFIBUS это открытая цифровая система связи с широкой областью применения, особенно для автоматизации предприятий и технологических процессов. PROFIBUS подходит, как для быстрых, критичных по времени приложений, так и для сложных коммуникационных задач.
PROFIBUS коммуникации закреплены в стандартах IEC 61158 и IEC 61784. Прикладные и инженерные аспекты освещены в общедоступных руководствах PROFIBUS User Organization. PROFIBUS отвечает требованиям открытости и независимости для производителей и гарантирует возможность коммуникаций между устройствами разных производителей.
2.1 История
История PROFIBUS восходит к венчурному общественному проекту, поддерживаемому государством, который был начат в 1987г. в Германии. В рамках этого рискованного предприятия, компании и институты - всего 21 - объединили свои усилия по созданию стратегического полевого проекта. Целью было создание и утверждение полевой шины побитовой передачи, главным требованием к которой была стандартизация интерфейса полевого устройства. С этой целью, важные компании-члены ZVEI (Центральной ассоциации электрической промышленности) согласились поддержать техническую концепцию автоматизации предприятий и технологических процессов.
Первой мир увидел спецификацию сложного коммуникационного протокола PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification - Спецификация полевых сообщений), который был разработан для коммуникационных задач с высокими требованиями. Следующим шагом стало дополнение этой спецификации более простым и быстрым протоколом PROFIBUS DP (Decentralized Periphery -распределенная периферия). Сейчас этот протокол доступен в трех функционально различных версиях DP-V0, DP-V1 и DP-V2.
2.2 Положение на рынке
Взяв за основу эти два протокола, разрабатывая множество прикладных профилей и быстро растущее количество устройств, PROFIBUS начал свое продвижение сперва в автоматизации предприятий, а с 1995г. в автоматизации процессов. Сегодня, PROFIBUS это лидер мирового рынка полевых технологий, владеющий более чем 20% рынка, примерно 500 000 задействованных прикладных систем и более 5 млн. узлов. Сегодня доступны более 2000 продуктов PROFIBUS от разных производителей.
2.3 Организация
Своим успехом PROFIBUS обязан в равных мерах своей прогрессивной технологии и достижениям его некоммерческой пользовательской организации PROFIBUS User Organisation (PNO), профессионального объединения производителей и пользователей, основанного в 1989г. Вместе с 22 региональными ассоциациями PROFIBUS по всему миру и международной головной организацией PROFIBUS International (PI), основанной в 1995г., эта организация сейчас насчитывает более 1 100 членов во всем мире. Цели заключаются в продолжении дальнейшей разработки технологии PROFIBUS и ее всемирном признании.
Наряду с финансированием большого фронта работ по развитию технологии и ее признанию, PI так же оказывает консультивную и информационную поддержку своим членам (пользователям и производителям) по всему мир, проводит процедуры обеспечения качества, а так же занимается закреплением технологии в международных стандартах.
PI составляет крупнейшую в мире пользовательскую ассоциацию полевых технологий. Она в равной мере олицетворяет перспективность и ответственность: перспективы продолжать создание и внедрение ведущих технологий и ответственность за то, что главы пользовательских организаций не отступятся от своей цели достичь открытости системы и защитить инвестиции. Это обязательство (см. вступление) служит главным принципом всех участвующих.[1]
2.4 PROFIBUS "Tool Box"
PROFIBUS имеет модульную структуру и предлагает целый ряд коммуникационных технологий, множество прикладных и системных профилей, а так же инструментарий для управления устройствами. Поэтому PROFIBUS покрывает различные требования из области автоматизации предприятий и процессов в зависимости от специфики приложения. Количество промышленных объектов с PROFIBUS является доказательством высокой степени внедрения этой полевой технологии.
С технологической точки зрения, нижний уровень структуры системы PROFIBUS (коммуникационный) основан на вышеупомянутой сетевой модели ISO/OSI (см. рис. 3). Описание этапов осуществления обмена информацией намеренно сделано абстрактным, без предоставления деталей содержания и практической реализации. На рисунке 3 представлена реализация в PROFIBUS модели OSI (1, 2 и 7 уровней) с деталями имплементации и спецификации каждого уровня.
Рисунок 2.1-Структура технической системы PROFIBUS
Спецификации по определенным применениям устройств, согласованные между производителями и пользователями, располагаются поверх 7 уровня в прикладных профилях I и II.
Модульная система имеет следующие сквозные черты:\
- функции и инструментальные средства для описания и интеграции устройств;
- ряд стандартов (интерфейсов, главных профилей, системных профилей) которые в первую очередь служат для реализации унифицированных, стандартизированных систем.
С пользовательской точки зрения PROFIBUS представляется в форме компонент различного типичного применения, которые не определены спецификациями, но считаются полезными в силу частого использования. Каждая компонента вытекает из типичной (но не специфически заданной) комбинации модульных элементов и групп технологий передачи данных, коммутируемых протоколов, прикладных профилей. (рис. 4).
PROFIBUS DP это главная компонента автоматизации предприятий; здесь используется технология передачи RS485, один из коммуникационных протоколов DP, один или более прикладных профилей, типичных для автоматизации предприятия, таких как Ident Systems или Robots/NC.
Рисунок 2.2 -Типичные прикладные функциональные возможности PROFIBUS
PROFIBUS PA является главной компонентой автоматизации процессов, обычно с применением технологии передачи MBP-IS, коммуникационного протокола DP-V1 и прикладного профиля PA Devices.
Управление перемещением с PROFI-BUS - главная компонента технологии приводной техники, используется технология передачи RS485, коммуникационный протокол версии DP-V2 и прикладной профиль PROFIdrive.
PROFIsafe используется в приложениях безопасности (одинаково используется практически во всех отраслях промышленности) с технологиями передачи RS485 или MBP-IS, одной из доступных версий протокола DP и прикладным профилем PROFIsafe.
3. Технологии передачи
Для PROFIBUS доступен целый ряд технологий передачи данных.
RS485 - используемая практически повсеместно технология передачи данных. Она использует витую пару и позволяет добиться скорости передачи до 12 Mbit/sec.
Недавно спефицифирована технология RS485-IS с четырех жильным кабелем с категорией взрывозащиты EEx-i для использования на взрывоопасных производствах. Заданные уровни напряжения и тока относятся к максимальным безопасным значениям и не должны превышаться ни в отдельных устройствах, ни во время установления взаимных соединений в системе. В противоположность модели FISCO, в которой, по сути, присутствует только один безопасный источник, в нашем случае все станции являются активными источниками.
Технология передачи MBP (Manchester Coded, Bus Powered, ранее обозначалась "IEC 1158-2 - Physics) используется в автоматизации процессов, требующих питания по шине и искробезопасности устройств. По сравнению с использовавшейся ранее процедурой «Fieldbus Intrinsically Safe Concept» («Концепция искробезопасности полевых устройств», FISCO), которая была разработана специально для соединения искробезопасных полевых устройств, существенно упрощает планирование и установку.
Оптоволоконная передача подходит для использования в районах с высоким уровнем электромагнитных помех, или где требуется сеть на большие расстояния.
3.1 Коммуникационные протоколы
На уровне протокола, PROFIBUS - DP с его версиями с DP-V0 по DP-V2 предлагают широкий спектр опций, позволяющих добиться оптимальных параметров передачи между разными приложениями. Исторически, FMS был первым коммуникационным протоколом PROFIBUS.
FMS (Fieldbus Message Specification - Спецификация сообщений через полевую шину) разработан для связи на уровне секций, где программируемые контроллеры, такие как PLC и PC, сообщаются в основном друг с другом. Он был предшественником PROFIBUS DP.
DP (Decentralized Periphery - Распределенная периферия) это протокол простого, быстрого, циклического и детерминированного обмена данными между ведущим и заданными ведомыми устройствами. Первоначальная версия, обозначенная DP-V0, была расширена до версии DP-V1, включающей ациклический обмен между ведущим (master) и ведомым (slave). Следующая версия DP-V2 обеспечивает связь напрямую между пассивными устройствами с изохронным циклом обмена. Протокол доступа к шине, на 2-м канальном уровне определяет процедуру схемы «главный-подчиненный» и процедуру передачи маркера для координации нескольких главных устройств на шине (рис. 3.1). В задачи 2-го уровня так же входят такие функции, как защита данных и оперирование фреймами данных.
Прикладной уровень, уровень 7 формирует интерфейс к прикладным программам. Он предлагает различные сервисы для циклического и ациклического обмена даными.