Рисунок 3.1- Конфигурация PROFIBUS с активными ведущими и ведомыми устройствами
3.2 PA Devices
Современные обрабатывающие устройства, в сущности, являются интеллектуальными и могут исполнять часть обработки информации или даже брать на себя всю функциональность автоматизированной системы. Профиль PA Devices определяет все функции и параметры для разных классов устройств обработки, типичных для потока сигналов - от сигналов сенсоров до заданных технологических параметров, которые выданы управляющей системе вместе с состоянием измеренных величин..
Профиль PA devices задокументирован в части с общими требованиями, содержащей действительные на данный момент спецификации для всех типов устройств, и в перечне технических характеристик устройств, содержащем согласованные спецификации для определенных классов устройств. Профиль PA device доступен в версии 3.0 и содержит технические характеристики устройств по следующим параметрам:
- давление и перепад давления;
- уровень, температура и скорость потока;
- аналоговые и цифровые входные и выходные сигналы;
- приводы и вентили;
- анализаторы
Блочная модель
В технологической разработке процесса обычно используют блоки для описания характеристик и функций точки замера или точки манипулирования в определенной контрольной точке и для представления автоматизированных приложений в виде комбинации этих типов блоков. Спецификация PA devices использует эту модель функциональных блоков для представления функциональной последовательности, как показано на рис. 3.2.
Рисунок 3.2- Блочная структура полевого многофункционального устройства
коммуникационный полевая шина profibus
Используются следующие три типа блоков:
- физический блок (Phisical Block, PB)PB содержит характерные для устройства данные, такие как имя устройства, производитель, версия и серийный номер и т.п. В ка дом устройстве может присутствовать только один физический блок;
- блок преобразования (Transducer Block, TB) TB содержит все данные, необходимые для обработки сигнала, пришедшего от сенсора для передачи вфункциональный блок. Если обработка не требуется, TB можно опустить;
- многофункциональные устройства с двумя и более сенсорами имеют соответствующее число блоков преобразования;
- блок аналогово ввода (Analog Input Block,AI) AI доставляет данные замера от сенсора или преобразования в управляющую систему;
- блок аналогово вывода (Analog Output Block, AO);
- цифровой ввод (Digital Input, DI) DI доставляет управляющей цифровые данные устройства;
- цифровой вывод (Digital Output,DO) DO предоставляет устройству значения, заданные управляющей системой.
Блоки реализуются производителем как программное обеспечение полевого устройства и в совокупности представляют функциональность устройства. Как правило, в приложении работают вместе несколько блоков на котором изображена упрощенная блочная структура многофункционального устройства.
Конфигурация соответствует разделению цепочки сигналов на два субпроцесса:
а) Функциональность первого субпроцесса «измерение/движение» заключена в блоках преобразования (рис 3.4),
б) Функциональность второго «предварительная обработка данных замера/постобработка параметров настройки» (3.3 рис. - фильтр, контроль предельных значений, безопасное поведение, выбор режима функционирования) заключен в функциональных блоках.
Рисунок 3.3- PROFIdrive, позиционирование с интерполяцией и контролем положения
4. Спецификации профиля PA Devices
Продемонстрировать здесь выбор спецификаций возможно только вкратце. За более подробными деталями обращайтесь к спецификации или соответствующей литературе, например"PROFIBUS PA" (Ch. Diedrich/ Th. Bangemann, Oldenbourg-Industrie-verlag).
Рисунок 4.1-Спецификации функции калибровки
Рисунок 4.2- Специальные функции калибровки и спецификация функции проверки предельных значений
Адресация параметров.
Блок определяется посредством его начального адреса, а параметр - связанным с ним индексом внутри блока; как правило, производитель может свободно их выбирать. Для доступа к параметру (например, с использованием инструментальных средств оператора (operator tool)) структура специфического для устройства блока хранится в каталоге (directory) устройства.
Наборы параметров.
Для полевого устройства в серийном производстве (batch process), профиль позволяет хранить несколько наборов параметров у е во время стадии пусконаладочных работ. Текущий процесс серийного производства (batch process) затем переключается на заданный набор параметров во время функционирования системы.
Модульные устройства
PROFIBUS проводит различие между составным и модульным устройством, в соответствии с чем функциональный блок это «модуль». Профиль PA Device предлагает выбор функциональных блоков. Устройства с сконфигурированной модульностью называются устройствами с переменными параметрами.
Устройства с несколькими переменными процесса.
Все больше устройств обработки предлагают по несколько переменных процесса, например, используя несколько сенсоров или в форме производных переменных. Это учтено в блоке преобразований профиля путем различия между первичной переменной (Primary Value, PV) и вторичной (Secondary Value, SV).
Проверка предельных значений.
Частью обработки информации, перенесенной на устройство, является проверка предельных значений, в связи с чем PA Devices предлагает соответствующий механизм сигнализации, в случаях если пределы значений сигналов или предупредительные установки превышены или, наоборот, занижены.
Состояние значений
К данным замеров добавляется состояние, статус значений, передающий информацию о качестве замеренных величин. Есть три уровня качетва: bad, uncertain и good, с каждым уровнем связана дополнительная информация, поставляемая в субстатусе.
Противоаварийная защита
Профиль PA Device так же предоставляет безопасные характеристики. Если в измерительной цепи происходит отказ, выходы устройства задаются определяемым пользователем значением. Пользователь может выбрать из трех разных типов безопасного поведения. Пожалуйста, обратитесь к соответствующей документации, Руководству PROFIBUS "Profile for Process Control Devices", Order No. 3.042.[3]
Рисунок 4.3 - Цепочка сигналов в профиле PA Device
5. Типы DP-устройств
В зависимости от объема поддерживаемых функций в PROFIBUS DP существует различие между ведущими DP-устройствами различных классов:
а) ведущие DP-устройства класса- 1 Ведущее DP-устройство класса 1 является центральным компонентом PROFIBUS-DP. Оно управляет циклическим обменом данными с ведомыми DP-устройствами;
б) ведущие DP-устройства класса 2 - Приборы этого типа (программаторы, приборы конфигурирования и оперативного управления) используются для запуска, конфигурирования DP-систем и оперативного управления во время нормальной работы системы (например, выполнения диагностики). Ведущие DP-устройства класса 2 способны, например, считывать значения входных и выходных сигналов, диагностических параметров, а также параметры настройки ведомых DP-устройств;
в) ведомые DP-устройства Ведомые DP-устройства производят сбор входной информации, передают эту информацию ведущему DP-устройству, принимают от него значения выходных сигналов и выдают эти сигналы на исполнительные устройства. Объем передаваемой информации зависит от типа ведомого устройства и может достигать 244 байт. Объем функций, поддерживаемых ведущими устройствами классов 1 или 2, а также ведомыми устройствами может быть различным;
г) DP-V0 Ведущее устройство DP-V0 способно поддерживать операции конфигурирования и настройки параметров ведомых DP-устройств, циклически считывать их входные сигналы и записывать в них значения выходных сигналов, производить считывание диагностических данных;
д) ВP- V1 -Ведущие устройства DP-V1 параллельно с циклическим обменом данными способны выполнять асинхронные функции чтения и записи, а также функции подтверждения получения аварийных сообщений. Эти функции позволяют осуществлять асинхронный доступ к параметрам и значениям измеренных параметров ведомых DP-устройств (например, интеллектуальных приборов полевого уровня или устройств человеко-машинного интерфейса). Этот тип ведомых устройств снабжается обширным набором параметров во время запуска и нормальной работы. По сравнению с циклическим обменом данными асинхронный обмен производится гораздо реже и имеет более низкий приоритет. Надежный обмен данными с ведомым DP-устройством по аварийным прерываниям гарантируется использованием механизма подтверждения получения запроса на прерывание;
е) DP-V2 -Ведущие устройства DP-V2 поддерживают функции синхронизации циклов, а также непосредственного обмена данными между ведомыми DP-устройствами.
Синхронизация циклов выполняется с помощью специального синхронизирующего сигнала. Этот циклический сигнал передается через сеть как глобальное сообщение ведущего DP-устройства для всех ведомых устройств. Периоды формирования сигналов синхронизации в различных циклах работы сети могут отличаться друг от друга не более чем на 1 мкс;
Ж) непосредственный обмен данными между ведомыми DP-устройствами Непосредственный обмен данными между ведомыми DP-устройствами базируется на использовании модели издателя/ подписчика. Ведомые устройства-издатели делают свои входные данные (эквивалент фрейма ответа ведущему DP-устройству) доступными для чтения ведомым устройствам-подписчикам. Обмен данными между ведомыми устройствами осуществляется циклически.
Рисунок 5 - Типы DP устройств
6. Коммуникационные функции
Протокол PROFIBUS FMS используется для организации обмена данными между программируемыми контроллерами или между программируемыми контроллерами и промышленными или офисными компьютерами. PROFIBUS FMS обеспечивает поддержку следующих функций связи. PG/OP функции связи
Встроенные коммуникационные функции, обеспечивающие возможность обмена данными между системами автоматизации SIMATIC и приборами человеко-машинного интерфейса (SIMATIC TD/ OP/ TP/ MP), а также программаторами SIMATIC PG (STEP 7).
PG/OP функции связи поддерживаются в сетях MPI, PROFIBUS и Industrial Ethernet.
S7-Routing Процедуры S7-Routing обеспечивают “прозрачность” сети и позволяют использовать PG функции связи для организации связи в пределах взаимосвязанных сетей. S7 функции связи Встроенные коммуникационные функции, используемые для оптимизированного обмена данными между системами автоматизации SIMATIC S7/C7, а также обмена данными с компьютерами и рабочими станциями. Объем передаваемых данных на одну задачу может достигать 64 Кбайт.
S7 функции связи поддерживают мощный набор коммуникационных служб и программируемый интерфейс передачи данных через сети MPI, PROFIBUS и Industrial Ethernet.
Функции S5-совместимой связи (SEND/RECEIVE) Интерфейс SEND/RECEIVE (в случае использования протокола FDL) позволяет организовать обмен данными между программируемыми контроллерами SIMATIC S7 и SIMATIC S7, обеспечивая поэтапный переход к контроллерам SIMATIC S7. Функции S5-совместимой связи поддерживаются в сетях PROFIBUS и Industrial Ethernet.
Стандартные функции связи обеспечивают поддержку стандартных протоколов обмена данными.
Протокол PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification) обеспечивает возможность организации обмена данными между различными системами автоматизации (например, контроллерами, компьютерами) различных производителей. Одна система автоматизации способна поддерживать до 16 логических соединений. Кроме того, обеспечивается возможность обмена данными с приборами полевого уровня, оснащенными интерфейсом FMS. FMS функции READ, WRITE и INFORMATION REPORT позволяют производить из программы пользователя чтение/ запись переменных партнера по связи с использованием индексов или имен переменных, а также передавать собственные переменные партнеру по связи. Обеспечивается поддержка частичного доступа к переменным. Коммуникационные задачи обрабатываются с использованием асинхронных соединений (ведущее/ ведущее устройство, ведущее/ ведомое устройство), асинхронных соединений, инициируемых ведомыми устройствами, а также циклических соединений (ведущее/ ведомое устройство). Функция INFORMATION REPORT может использоваться для передачи широковещательных сообщений, адресованных всем сетевым узлам. Функция IDENTIFY позволяет идентифицировать партнера по связи, а функция STATUS - определить его текущее состояние. OPC сервер Базовым принципом OPC (OLE for Process Control) является организация связи между приложениями, выполняющими функции OPC клиентов, и OPC сервером через стандартный, открытый, не зависящий от производителя интерфейс. Через интерфейс OPC XML DA возможна организация связи через Internet. Соответствующие OPC серверы включаются в комплект поставки коммуникационного программного обеспечения. Подключение к PROFIBUS Подключение систем автоматизации к сети PROFIBUS выполняется через коммуникационные процессоры (CP), обеспечивающие автономное обслуживание коммуникационных задач. [5]
Рисунок 6 - Коммуникационные функции и обмен данными
7. Сеть Profibus-dp
7.1 Технология сетей PROFIBUS
Технологии сетей PROFIBUS (Siemens) подразделяются на 3 протокола: DP, FMS и PA. Profibus-DP оптимизирован для быстрого обмена данными между системами автоматизации и децентрализованной периферией. FMS-сервисы (Fieldbus Message Specification) обеспечивают большую гибкость при передаче больших объемов данных. Profibus-DP и Profibus-FMS (стандарт EN 50170) применяют одинаковую технику передачи и единый протокол доступа к шине и поэтому могут работать через общий кабель. PROFIBUS-PA - специальная концепция, позволяющая подключать датчики и приводы, находящиеся во взрывоопасной зоне.