PROFIBUS

Самой широко используемой в Европе и США промышленной шиной для систем автоматизации и контроля является PROFIbus (PROcess FIeldbus). Сегодня, говоря о PROFIBUS, необходимо иметь ввиду, что под этим общим названием понимается совокупность трех отдельных протоколов: PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-DPи PROFIBUS-PA. Все три варианта протокола используют общий канальный уровень (уровень 2 OSI-модели). Разработано фирмой Siemens в начале 90-х годов. Это

коммуникационная сеть полевого уровня и уровня отдельных производственных участков, базирующаяся на стандарте EN 50170–1–2 и использующая гибридный метод доступа к шине (маркерное кольцо между активными узлами и "ведущий - ведомый" между активными и пассивными узлами). Средой передачи может являться витая пара, которая может одновременно использоваться и для информационного обмена, и для запитывания устройств. В качестве среды передачи может использоваться волоконно-оптический кабель или беспроводная среда.

На одном физическом канале (RS 485 или оптоволоконном) одновременно могут работать устройства PROFIBUS всех трех типов. Каждый назначается для своей задачи: FMS- для передачи больших объемов информации; DP- для решения задач реального времени; PA - для опасного производства.

Взаимодействие узлов в сети PROFIBUS определяется моделью «Master-slave».Master сегмента последовательно опрашивает подключенные узлы и выдает команды в соответствии с заложенной в него технологической программой. Протокол обмена данными гарантирует определенное время цикла опроса в зависимости от скорости обмена и числа узлов в сегменте, что позволяет применять PROFIBUS в системах реального времени. Он может использоваться в распределенных системах как с одним, так и с несколькими мастер - узлами, допуская подключение к шине до 128устройств.

	Для удовлетворения требования детерминированного метода доступа к среде передачи с гарантированным временем реакции при построении даже простых систем управления в PROFIBUS комбинируется два метода доступа к среде передачи. Децентрализованному методу передачи маркера (принцип Token-Passing) может быть подчинен централизованный метод "Master-Slave". Поэтому в PROFIBUS различается два класса узлов. Активные узлы (Master) находятся в логическом кольце, в котором от узла к узлу циклически передается право доступа к шине маркером (рис. 5.1). Кроме того, каждый активный узел знает своих соседей (предшественника и последователя). Протокол поддерживает автоматическое включение и выключение активных узлов из логического кольца и обрабатывает ситуации ошибок (например: потерю маркера, ошибки передачи маркера и т.д.). Активный узел может обращаться к шине только в том случае, если у него есть маркер. Пассивные узлы не могут самостоятельно обращаться к шине, а только отвечают на запросы активных узлов, которые в данный момент обладают маркером.

Рисунок 5.1. Архитектура PROFIBUS

На нижнем уровне применяется сеть PROFIBUS-DP, обеспечивающая высокоскоростной обмен данными с оконечными устройствами. Это протокол, разработанный специально для поддержания критичного ко времени доставки обмена информацией между распределенными интеллектуальными узлами ввода/вывода на нижних иерархических уровнях системы PROFIbus.

Протокол физического уровня соответствует стандарту RS-485. Скорость обмена прямо зависит от длины сетевого сегмента и варьируется от 100 кбит/с на расстоянии 1200 метров до 12 Мбит/сна дистанции до 100 метров.

Во взрывоопасных зонах используется PROFIBUS-PA, основанная на стандарте физического уровня IEC 61158-2. Сегмент PROFIBUS-PA может иметь длину до 1900 метров со скоростью обмена между узлами 31,25 кбит/с. Применяемый кабель - Belden 3077. PROFIbus-PA обычно применяется в системах автоматизации "влажных" химических и нефтеперерабатывающих отраслей, где из соображений безопасности необходима низковольтная и малоточная логика. Это, по сути, PROFIbus-DP, с теми же протоколами, но в иной физической реализации. Сегменты PROFIBUS-PA подключаются к PROFIBUS-DP через разделительные мосты.

Рисунок 5.2. Возможная схема обмена информацией на разных уровнях

PROFIBUS-FMS.Это универсальное решение для задач взаимодействия на верхнем (цеховом) уровне и промышленном (field) уровне иерархии промышленных связей Для выполнения экстенсивных связных задач с произвольными или периодическими среднескоростными передачами данных службы Спецификаций Сообщений Fieldbus (FMS - Fieldbus Message Specification) предлагают широкий диапазон функциональности и гибкости. С помощью PROFIBUS обмениваться информацией могут компоненты автоматизации любых разновидностей. Через один и тот же интерфейс могут связываться друг с другом Программируемые Логические Контроллеры (PLC), Персональные Компьютеры (PC), панели оператора и наблюдения и даже датчики и силовые приводы. PROFIBUS - это наиболее признанная из открытых шин промышленного применения (Fieldbus), обладающая широким диапазоном приложений (Рис.5.2). ОткрытостьPROFIBUS гарантирует, что устройства, приобретенные от различных поставщиков, могут осуществлять связь друг с другом без необходимости применения интерфейсов-адаптеров. 6. CAN CAN (Сntroller Аrea Network) — сеть промышленных контроллеров, представляющая собой последовательную магистраль, обеспечивающую увязку в сеть "интеллектуальных" устройств ввода/вывода, датчиков и исполнительных устройств некоторого механизма или даже предприятия. Характеризуется протоколом последовательной связи, обеспечивающим возможность нахождения на магистрали нескольких ведущих устройств, осуществляющих передачу данных в реальном масштабе времени с высокой помехоустойчивостью и коррекцию ошибок. Область применения - от высокоскоростных сетей до мультиплексной связи в электронике, машинных блоках управления, датчиках, и т.д., со скоростями передачи данных до 1 Мбод. В основе идеологии CAN лежит семиуровневая модель OSI/ISO. Всякий раз, когда шина свободна, любой узел может начинать передавать сообщение. Если два или больше узлов начали передавать сообщения одновременно, то конфликт доступа к шине решается поразрядным арбитражем, использующим идентификатор. Механизм арбитража гарантирует, что ни информация, ни время не будут потеряны. В CAN в качестве основного критерия для разбора коллизий, для принятия решения, кому отдать эфир, используется приоритет сообщений. Каждому типу сообщения приоритет присваивается во время проектирования системы и динамически изменяться не может. Приоритет выражается двоичным значением идентификатора: чем число меньше, тем выше приоритет. Сеть CAN способна различать сбои и отказы. Если произошел отказ, то отказавшее устройство отключается от сети. Постоянно ведётся работа по созданию и стандартизации спецификаций протоколов верхнего уровня — HLP (Higher Level Protocol) для CAN-сетей. Как правило, большинство существующих на сегодня CAN HLP имеет сжатую трехуровневую архитектуру, включающую два базовых уровня (физический, часто дополненный более конкретными спецификациями, и канальный) CAN-протокола и прикладной. Сервисы промежуточных уровней либо отсутствуют, либо включены в него. К настоящему времени известно уже более четырех десятков CAN HLP. Среди подобного многообразия CAN HLP наибольшее распространение, в особенности в системах промышленной автоматизации, получили четыре. Это CAL/CANopen, CAN Kingdom, Device Net и SDS(Smart Distributed System). Функционально они предлагают принципиально схожие решения, отличающиеся деталями реализации. Принцип передачи данных в CAN часто, но не всегда, называют CSMA/BA (Collision Sense Multiple Access/Bitwise Arbitration). Из первой части названия следует, что он относится к категории CSMA (Carrier Sense, Multiple Access), где предполагается разделение доступа к носителю путем его прослушивания. Успех Ethernet сделал популярным другой вариант CSMA — с обнаружением коллизий CSMA/CD (Collision Detect). Вторую же часть названия CSMA/BA можно перевести как «побитный арбитраж»; в этом красивом способе разрешения коллизий и заключается специфика CAN. Для разделения доступа к носителю в CAN разработан простой и вместе с тем очень надежный механизм доставки сообщений. Следует выделить несколько основополагающих идей этого механизма. • Данные предаются квантованными сообщениями стандартного формата (телеграммами), поэтому исключаются все обычные сложности, присущие пакетной передаче с переменной длиной пакетов. Каждое сообщение включает только одно значение некоторого физического параметра, например, скорость вращения вала или температуру жидкости, назовем это типом сообщения, и идентификатор типа. • Априорно предполагается, что количество станций и количество разных типов сообщений относительно невелики; в конечном счете, они ограничены технологической сложностью объекта управления. При таком допущении можно построить безадресную и абсолютно децентрализованную систему, где ни один передатчик не связан в своей работе с другими. Иными словами, имеет место, на первый взгляд, полная анархия, каждый котроллер пытается передать данные тогда, когда считает это необходимым, заботясь вовсе не о том, кто будет приемником. Его задача — передать. Поэтому все приемники вынуждены принимать все сообщения и отбирать по идентификатору только те, которые соответствуют их функциональной задаче. Скажем, система управления зажиганием принимает сообщения о скорости вращения двигателя и игнорирует данные о работе кондиционера. Оказывается, что для реализации такой дисциплины обмена достаточно иметь всего четыре разных формата сообщений, называемых в данном случае фреймами. На сайте www.kvser.se можно обнаружить удачные метафоры того, что могли бы сказать контроллеры, обращаясь в сеть. Data Frame - фрейм передачи данных: «Привет всем, вот данные с идентификатором Х, получите». Remote Transmission Request Frame или просто Remote Frame - фрейм запроса данных: «Привет всем, а может ли кто-нибудь выслать данные с идентификатором Х?» Error Frame - служебный фрейм ошибки: «Стоп, начнем все с начала». Overload Frame - служебный фрейм перегрузки контроллера: «Я очень занят, подождите чуть-чуть».

Начав передачу, станция не прерывает слушание эфира, в частности она отслеживает и контролирует процесс передачи текущей предаваемой телеграммы, посланной ей самой.

Interbus спецификация занимает прочные позиции в сфере распределенных АСУ ТП благодаря целому ряду интересных структурных решений. Доступ к среде передачи данных в Interbus организован по принципу суммирующего фрейма и обеспечивает гарантированное время передачи информации. Interbusявляется хорошим решением для унифицированной автоматизации производства, компоненты которого территориально разнесены на большое расстояние.

PROFIBUS - семейство ЦПС, обеспечивающее комплексное решение коммуникационных проблем предприятия. На нижнем уровне применяется сеть PROFIBUS - DP, обеспечивающая высокоскоростной обмен данными с оконечными устройствами. Протокол обмена данными гарантирует определенное время цикла опроса в зависимости от скорости обмена и числа узлов в сегменте что позволяет применять PROFIBUS в системах реального времени. На более высоком уровне применяется сеть PROFIBUS-FMS, ориентированная на обеспечение информационного обмена одноранговых устройств. Во взрывоопасных зонах используется сеть PROFIBUS-PA, основанная на стандарте физического уровня IEC 61158-2.

Foundation Fieldbus ориентирована на обеспечение одноранговой связи между узлами без центрального ведущего устройства. Этот подход даёт возможность реализовать системы управления, распределенные не только физически, но и логически, что во многих случаях позволяет повысить надежность и живучесть АСУ ТП. По многим параметрам эта система схожа с PROFIBUS-PA.

Многих специалистов по автоматизации широта выбора в этой области несколько смущает. Промышленных шин сейчас существует не менее десятка, и потому у пользователей невольно возникает вопрос: какая сеть лучше? когда же эта неразбериха, наконец, закончится?

На самом деле, какая-то единственная шина лучшей никогда не будет, поскольку невозможно удерживать первенство абсолютно во всех областях. Всегда будет существовать множество решений, каждое со своими достоинствами и недостатками. Однако если вам будут хорошо известны все особенности каждого из этих решений, все его "за" и "против", у вас будет возможность сделать обоснованный вывод. Иными словами, вы сможете выбрать одну или две шины, которые окажутся лучшими для вашего конкретного случая.