Главная Пресс-центр Статьи и публикации PROFIBUS - открытая шина для открытых технологий, "PCWeek", N 8, 1998

PROFIBUS - открытая шина для открытых технологий, "PCWeek", N 8, 1998

Любашин А. Н., ЗАО «РТСофт», Москва

Стремление к децентрализации в распределенных системах автоматизации оказало сильное влияние на техническое развитие в 90-ых годах. Современная микроэлектроника предлагает разработчикам технических информационных систем возможность добиться высоких характеристик при относительно низкой цене, позволяет реализовать функции автоматики вне блока центрального процессора, например, в станках, агрегатах, датчиках и исполнительных механизмах.

Такое смещение функциональности в сторону периферийного технологического оборудования выявило потребность в новых видах коммуникаций. Прежде передача и обработка сигналов осуществлялась за счет простого включения в автоматизируемый процесс некоторого вычислителя, однако сегодня интеллектуальные компоненты автоматизируемого процесса требуют специально разработанных видов связей, действующих в рамках их собственной функциональности. Появление цифрового интерфейса сделало переход к локальной сети почти неминуемым. Этот вид сети, функционирующей на нижнем уровне системы автоматизации непосредсвенно рядом с технологическим процессом, получил название fieldbus (полевая шина, или промышленная сеть).

К наиболее известным и применяемым в мире открытым промышленным сетям отностятся: CAN, LON, PROFIBUS, Interbus-S, FIP, FF, DeviceNET, SDS, ASI, HART и некоторые другие. Каждая из перечисленных систем имеет свои особенности и области применения. Большие усилия направлены сегодня на разработку аппаратно-программных шлюзов (мостов) из одного протокола в другой. И эти решения составляют отдельный сегмент продуктов в области fieldbus-систем.

Результаты исследований рынка промышленных сетей, предоставленные независимыми маркетинговыми компаниями, убедительно свидетельствуют о постоянном росте fieldbus-систем: около 20% в год. При этом, до сих пор существенную долю рынка занимают частнофирменные закрытые предложения.

Пользователи и системные интеграторы всегда стремились к «унифицированным», стандартным сетевым решениям. МЭК (IEC) уже свыше 10 лет ведет работу по выработке соответствующей спецификации. Окончательного результата до сих пор нет. На этом фоне европейское сообщество потребителей и производителей fieldbus-систем пошло по пути определения общеевропейского стандарта через процедуру всеобщего голосования. По ряду критериев была определена группа «претендентов» и 15 марта 1996 в Брюсселе были подведены итоги голосования по одобрению проекта EN50170 в качестве общеевропейского стандарта промышленной сети (European Fieldbus Standard).

EN50170 включает в себя — без изменений — три национальных стандарта в области промышленных сетей:

PROFIBUS (Германия);
WorldFIP (Франция);
P-NET (Дания).

Цель стандарта EN50170 — защита инвестиций пользователя в новые технологии и обеспечение производителю надежного сбыта продукции в расширяющемся рынке промышленной автоматизации.

Большой спектр предложений fieldbus-систем осложняет проблему выбора. При выявлении предпочтений в качестве критериев могут быть предложены следующие:

детерминированность;
объем передаваемых данных в единицу времени;
время передачи фиксированного объема данных;
максимальная длина физической среды передачи (шины);
допустимое число узлов на шине;
помехозащищенность;
контроль ошибок и восстановление данных.

При этом, иногда улучшение по одному критерию может привести к снижению качества по другому. Следовательно выбирать протокольное решение необходимо по принципу разумной достаточности.

Однако наиболее важным критерием выбора, позволяющим прогнозировать и инвестировать будущее, должно быть соответствие принципам Открытых систем: стандартизация и доступность.

В 1987 году Германское Федеральное Министерство по Исследованиям и Технологии инициировало совместный проект под названием «Field Bus». Группа из 13 компаний и 5 институтов работали над спецификацией открытой промышленной сети, получившей название PROFIBUS (PROcess Field BUS), на основе описательной модели межсетевого взаимодействия ISO/OSI.

В апреле 1991 года PROFIBUS получил статус национального стандарта DIN19245 и был объявлен открытым решением — никто не обладает лицензионным правом на него.

В настоящее время в этой области работают десятки компаний под руководством и контролем Международной организации по поддержке и продвижению PROFIBUS — PNO. В России действует отделение этой организации на базе российской Ассоциации «VERA+».

Уровни PROFIBUS

Любое предприятие, имеющее распределенную сетевую архитектуру, сталкивается с проблемой организации сложных информационных потоков. Тогда вся сетевая структура условно делится на несколько уровней, где на каждом решаются свои задачи и обеспечиваются каналы взаимодействия одного уровня сети с другим.

Сетевая структура, представляющая в общем виде место существующих классов сетей на всех уровнях промышленного предприятия, показана на рис. 1.

Для промышленных сетей (fieldbuses) предъявляются жесткие требования по модульности, надежности, защите от внешних помех, простоте в построении, монтаже и программировании логики работы. Универсальная промышленная сеть должна решать следующие прикладные задачи:

автоматизация на уровне периферийного оборудования — высокая скорость передачи, короткое время реакции на события, длина линий связи до 300 метров.
автоматизация на уровне управления технологическими процессами (уровень производства) среднее время опроса датчиков до 100мс, длина линий связи до 1500м, с возможностью работы устройств во взрывоопасных средах.

В связи с требованиями стандартности все современные коммуникационные системы построены в соответствии ISO/OSI моделью (ISO 7498), которая структурирует сетевые функции по 7 уровням. Внутри модели каждый уровень «общается» только с соседним. Выше 7-го уровня модели находятся прикладные задачи пользователя. В PROFIBUS реализованы функции 1, 2 и 7-го уровней.

Архитектура составляющих частей протокола PROFIBUS приведена на рис.2.

Все три типа протокола используют общий канальный уровень (протокол доступа к передающей среде).

PROFIBUS-FMS протокол появился первым и считается универсальным с высокой степенью функциональности. FMS-протокол допускает гибридную архитектуру взаимодействия узлов, основанную на таких понятиях, как виртуальное устройство сети, объектный словарь устройства (переменная, массив, запись, область памяти, событие и др.), логическая адресация и т.д.

PROFIBUS-FMS определяет уровни 1, 2 и 7 и предоставляет пользователю широкий выбор коммуникационных функций. Подуровень 7-го уровня LLI (Lower Layer Interface) реализует часть функций отсутствующих 3-6 уровней и делает возможным доступ к уровню 2 различных FMS-устройств различных производителей.

PROFIBUS-DP. В DP-протоколе существуют три типа устройств:

Мастер Класса-2 (DPM2) — может выполнять функции конфигурирования и диагностики устройств сети;
Мастер Класса-1 (DPM1) — программируемые контроллеры (PLC, PC), в оперативном режиме выполняющие функции ведущего узла в сети;

Ведомые устройства (DP Slave) — пассивные устройства с аналоговым/дискретным вводом/выводом.

PROFIBUS-DP использует 1-й и 2-й уровни и реализует набор функций, обеспечивающих интерфейс к прикладной задаче пользователя. Отсутствие уровня 7 обеcпечивает быструю и эффективную технологию передачи за счет прямого доступа к функциям канального уровня.

PROFIBUS-PA представляет собой расширение DP-протокола в части физической среды передачи, основанной на реализации IEC1158-2 стандарта для организации передачи во взрывоопасных средах. Он может быть использован как замена старой 4-20mA технологии связи. Переход на PA позволяет сократить расходы на организацию сети примерно на 40% (для коммутации датчиков требуется всего одна витая пара с возможностью запитки устройств по этому же каналу).

На одном физическом канале одновременно могут работать устройства всех трех типов PROFIBUS. Переход из одной физической среды в другую реализуется на основе соответствующих трансиверов.

Техника передачи

Передающая Среда в PROFIBUS, как правило, строится на основе RS485 интерфейса. Эта технология передачи имеет еще название H2. Сетевые решения на этой основе позволяют строить системы с небольшими затратами на организацию среды передачи, с одной стороны, и обеспечивать передачу данных на больших скоростях, с другой стороны.

В таблице 1 приведены основные характеристики H2-технологии.

Технология передачи в соответствии со стандартом IEC1158-2 используется, прежде всего, в химической и нефтехимической индустрии и обеспечивает использование устройств во взрывоопасных средах с возможностью запитки этих устройств непосредственно по коммуникационной шине. Эта технология имеет еще название H1 и используется в PROFIBUS-PA (Process Automation). Посылаемые по шине сигналы модулируются током +/-9mA от базового тока в 10mA. В таблице 2 приведены основные характеристики H1-технологии.

Помимо перечисленных H2 и H1 технологий передачи существует возможность использования оптического кабеля в качестве физической среды. Эта технология находит применение в задачах, где присутствует сильное электромагнитное влияние или есть необходимость в высокой скорости передачи на большие расстояния по сравнению с RS485.

Некоторые характеристики производительности протоколов приведены в табл.3 и на рисунке 3. При этом основным режимом для этого протокола является режим циклического опроса одним MASTER-узлом N SLAVE узлов. Поэтому основной характеристикой производительности DP протокола является число опрашиваемых ведомых (SLAVE) узлов в единицу времени.

Взаимодействие между ведущими узлами осуществляется на основе передачи Права доступа к среде передачи (телеграмма-маркер). Т.е., в PROFIBUS реализуется схема ведущий/ведомый с переменным ведущим (гибридный метод). Маркер циркулирует между всеми ведущими устройствами в рамках предопределенного времени оборота маркера от узла с меньшим адресом к узлу с большим. После того, как активная станция получает маркер, ей на определенное время дается право выполнять на шине функции ведущего устройства.

Протокол может работать как в режиме точка-точка, так и в режиме широкого вещания (broadcast). При широковещательной посылке ведущий узел не получает никакого квитирования.

Реализации протокола PROFIBUS

Изделия для PROFIBUS можно построить как на универсальных микропроцессорах, так и на целой серии специализированных. Все определяется заданными параметрами по поддерживаемому уровню протокола, набору функций, предельной рабочей частоте и допустимому уровню цены изделия.

Спецкристаллы рекомендуется использовать, когда возникает потребность в скоростях передачи выше 500кбит/сек или при реализации изделий для работы в PROFIBUS-PA.

Равноправным участником сети в распределенной конфигурации может быть обычный PC-совместимый компьютер. Для этого различными фирмами разработаны коммуникационные контроллеры. Наиболее популярны среди них контроллеры компании Siemens:

многофункциональный контроллер CP5412 (A2). Шина ISA. Построен на основе V53A процессоре и интерфейсном кристалле ASPC2. Основной процессор PC полностью освобожден от коммуникационных функций.
группа контроллеров на основе ASIC ASPC2: CP5411 (ISA), CP5611 (PCI), CP5511 (PCMCIA). Эти контроллеры не имеют выделенного CPU, следовательно часть коммуникационных функций возлагается на основной процессор PC.

На основе этих коммуникационных контроллеров разработан целый спектр программных продуктов для работы с PROFIBUS из MS-DOS и Windows: шинные мониторы, конфигураторы сети, DDE-серверы для связи с Windows-приложениями (базы данных, SCADA системы).

PROFIBUS в энергетике

Универсальность любого сетевого решения определяется его областью применения. Трудно назвать отрасль промышленности где сегодня не используется тот или иной протокол PROFIBUS. Известная на российском рынке устройств телемеханики технология SMART-КП ( «Энергетик»,N1,1997) активно использует этот протокол и позволяет решать две архитектурные задачи на базе этого изделия:

Если контроллер SMART-КП строится на основе нескольких процессорных модулей, где каждый обслуживает свой набор каналов ввода/вывода, то на основе PROFIBUS организуется общая база данных с информацией о состоянии всех входящих в контроллер каналов УСО, обслуживаемых контроллером (рис.4). При этом любой процессорный модуль может выступать источником канала телемеханики для всего контроллера.

Автоматизируемый объект может обслуживаться несколькими контроллерами SMART-КП (рис.5). В этом случае сеть PROFIBUS позволяет связать в одно информационное пространство все контроллеры, а при необходимости в эту же сеть можно подключать персональный компьютер с реализацией пульта диспетчера (например, на основе пакета InTouch).

Итак, на основе PROFIBUS возможно построение локальной сети как на уровне SMART-КП, так и на уровне нескольких контроллеров с добавлением локального пульта оператора с организацией распределенной базы данных и синхронизацией событий.

Заключение

1. Наиболее важное преимущество PROFIBUS в сравнении с другими представителями fieldbus-семейства — провозглашение PROFIBUS как международного европейского стандарта EN50170.

В мире работают свыше 100тыс. систем на основе этой технологии, а число работающих узлов перевалило за 1,5 миллиона. Растет число применений этой технологии и России.

2. Исследования, проведенные независимыми западными маркетинговыми компаниями, свидетельствуют о том, что PROFIBUS покрывает свыше 40% рынка открытых промышленных сетей в Германии и Европе. Идет стремительный процесс завоевания и американского рынка. Но самое главное это то, что PROFIBUS рассматривается сегодня как кандидат на обретение международного IEC-стандарта, что само по себе говорит о многом.

20.04.2014