книги / Микропроцессорные средства автоматизации энергетических систем. Сети автоматизации

♦во время связи между мастерами необходимо гарантировать, что каждое подчиненное устройство получит необходимое ему время на выполнение коммуникационных задач;

♦циклические задачи, а также передача данных в реальном времени должны организовываться как можно проще и быстрее (с точки зрения программирования).

Технология доступа не зависит от конкретной среды передачи данных. На рис. 5.3 показана гибридная технология доступа с участием активных и пассивных узлов. Все активные узлы (ведущие) формируют логическое маркерное кольцо с адресами входящих

внего станций. В этом кольце в заданной последовательности возрастающих адресов циркулирует маркер-право доступа к передающей среде. При этом каждый активный узел знает другие активные узлы и их порядок в логическом кольце (порядок не зависит от топологии расположения активных узлов на шине).

Рис. 5.3. Протокол доступа Profibus

Если узел получил маркер, адресованный именно ему, он может передавать пакеты. Время, отпущенное ему на передачу паке-

241

тов, определяется временем удержания маркера. Как только оно истекает, узлу разрешается передать только одно сообщение высокого приоритета. Если такое сообщение у узла отсутствует, он передает маркер следующему узлу в логическом кольце. Маркерные таймеры, по которым рассчитывается максимальное время удержания маркера, конфигурируются для всех активных узлов.

Если активный узел обладает маркером и для него сконфигурированы соединения с пассивными узлами (соединения master – slave), производятся опрос пассивных узлов (например, считывание значений) или передача данных на эти устройства (например, передача уставок).

Пассивные узлы никогда не принимают маркер.

Описанная технология доступа поддерживает вход и выход узлов из логического кольца во время работы.

С таким методом доступа можно организовать системы следующей конфигурации:

♦система только «главный – подчиненный»;

♦система только «главный – главный»;

♦комбинация этих двух систем.

Рис. 5.3 демонстрирует конфигурацию системы с тремя активными станциями и семью пассивными. Три ведущих устройства образуют логическое кольцо. Когда у одного из них виртуальный маркер, он может опрашивать все подчиненные устройства. На это ему отводится некоторое время, после которого маркер передается далее.

Ведомая станция может лишь распознавать полученные сообщения или передавать данные после соответствующего запроса.

После того как активная станция получает маркер, ей на определенное время дается разрешение выполнять на шине функции ведущего устройства. Она может взаимодействовать со всеми ведомыми станциями по методу «ведущий – ведомый» и всеми ведущими станциями, участвующими во взаимоотношениях по методу «ведущий – ведущий».

В стартовой фазе такой шинной системы задача управления доступом к передающей среде (MAC), работающая в активных

242

станциях, должна обнаружить это логическое назначение и установить маркерное кольцо. В рабочей фазе неисправные или выключенные (активные) станции должны из кольца удаляться,

ановые активные станции – в него включаться. Кроме того, программа MAC должна распознавать неисправности в передающей среде или передатчиках, выявлять ошибки в адресации станций (например, одновременное обращение к нескольким станциям),

атакже в передаче маркера (например, умножение маркера или его потерю).

Широковещательная связь означает, что активная станция посылает всем другим станциям (ведущим и ведомым) неподтверждаемое сообщение.

Групповая связь означает, что активная станция посылает неподтверждаемое сообщение группе ведущих или ведомых устройств.

Сервисные функции канального уровня Profibus:

♦функция SDA: назначение ациклической команды – послать данные с подтверждением (Send Data with Acknowledge); используется протоколом FMS;

♦функция SRD: назначение ациклической команды – послать и запросить данные с ответом (Send and Request Data with Reply);

используется протоколами FMS и DP;

♦функция SDN: назначение ациклической команды: послать данные без подтверждения (Send Data With No Acknowledge); исполь-

зуетсяпротоколами FMS иDP;

♦функция CSRD: назначение циклической команды – периодически посылать и запрашивать данные с ответом (Cyclic Send and Request Data with Reply); используется протоколом FMS.

Если сеть состоит только из одного маркера, то маркер не передается (в данном случае в чистом виде будет система master – slave). Сеть с минимальной конфигурацией может состоять либо из двух ведущих устройств, либо из одного ведущего и одного подчиненного устройства.

243

5.4. ПРОТОКОЛ PROFIBUS DP

Протокол Profibus DP предназначен для высокоскоростной передачи данных на уровне контроллеров, приводов, датчиков и исполнительных механизмов, выпускаемых различными фирмами, но имеющих опцию Profibus DP. Принципом работы этого протокола является модель циклического опроса каналов. Для дополнительного удобства в конфигурировании, поддержки сигналов и диагностики разработан ряд функций, не подчиняющихся основной модели.

Каждая система Profibus DP содержит устройства различных типов. В зависимости от конкретного приложения они подразделяются на три основных типа:

1.Ведущее DP-устройство 2-го класса (DPM2). Устройства этого типа предназначены для программирования, конфигурирования или диагностики, используются в период подготовки системы

изадания ее конфигурации.

2.Ведущее DP-устройство 1-го класса (DPM1). Это цен-

тральный контроллер, который обменивается информацией с децентрализованными станциями (ведомыми DP-устройствами) в некотором определенном цикле сообщений. Типичными ведущими устройствами этого типа являются программируемые логические контроллеры (PLC), системы числового программного управления (CNC) или системы управления роботами (RC).

3.Ведомое DP-устройство А. Это периферийное устройство (датчик/привод), которое собирает входную информацию и выдает на периферийное устройство выходные данные. Возможны также такие устройства, которые работают только с входными или только

свыходными данными. Типичными ведомыми DP-устройствами являются устройства с двоичным вводом или выводом 24 или 230 В, аналоговым вводом, аналоговым выводом, счетчики и т.п. Количество входных и выходных данных не зависит от устройства

иограничивается 246 байтами. Многие доступные в настоящее время ведомые DP-устройства имеют только 32 входных и 32 выход-

244

ных байта данных. В большинстве случаев этот предел определяется задачами конкретной реализации.

DP-протокол позволяет организовать конфигурацию monomaster (одно устройство Class 1 Master и до 126 DP-slave) и конфи-

гурацию multimaster, в которой присутствует несколько Class 1 Master

иDP-slave. В последнем случае на шине находятся несколько не зависящих друг от друга подсистем.

Обмен данными с распределенными устройствами происходит в основном циклически. Центральный контроллер (ведущее устройство) циклически считывает входные данные с ведомого устройства и циклическипосылаетобратноведомомуустройствувыходные данные.

Время цикла шины должно быть короче, чем время цикла программы контроллера, которое для большинства приложений составляет приблизительно 10 мс. Используют уровни 1, 2 и пользовательский интерфейс. Необходимые для этого функции определены стандартом EN 50170. Кроме циклических функций, для опроса требуются ацикличные функции (например, для конфигурации, диагностики и обработки сигналов). Такая архитектура дает быструю и эф-

фективную передачу данных. Direct Data Link Mapper (DDLM) обес-

печивает простой пользовательский интерфейс ко второму уровню. Функции приложения настолько доступны, насколько поведение устройств определено в пользовательском интерфейсе.

Вдополнение к циклической передаче пользовательских данных Profibus DP предоставляет мощные функции по диагностике

иконфигурированию. Коммуникационные данные отображаются специальными функциями как со стороны ведущего, так и со стороны ведомого устройства.

Ведущее устройство циклически посылает информацию о своем состоянии всем ведомым устройствам, присоединенным к нему. Передача данных между главным и подчиненным устройствами делится на три фазы:

– параметризация;

– конфигурирование;

– передача данных.

245

На первой и второй стадиях ведомое устройство сравнивает свою текущую конфигурацию с конфигурацией, ожидаемой ведущим устройством и только; если они совпадают, происходит передача данных. В дополнение к обычной передаче пользовательских данных главное устройство может посылать управляющие команды одному, группе или всем своим ведомым устройствам. Существуют две таких команды. Одна переводит ведомые устройства в режим Sync (все выходы блокируются в текущем состоянии), другая– врежим Freeze (все входы блокируются в текущем состоянии). Вывод из этих режимов происходит спомощьюкомандUnsync иUnfreeze соответственно.

Ниже приведены технические характеристики протокола

Profibus DP:

1. Взаимодействие:

♦точка-точка (передача пользовательских данных) или многопунктовые (синхронизация);

♦периодическая передача пользовательских данных между ведущим и ведомым устройствами и непериодическая передача данных между ведущими устройствами.

2. Синхронизация:

♦синхронизация вводных и/или выводных данных всех ведомых DP-устройств;

♦Sync-режим: синхронизируются все выводные данные;

♦Freeze-режим: синхронизируются все вводные данные.

3. Функциональные возможности:

♦циклические передачи пользовательских данных между ведущими и ведомыми DP-устройствами, одно устройство за один цикл опроса может передавать до 244 байт полезной информации; каждое сообщение содержит 12 дополнительных байт, вследствие чего максимальная длина кадра составляет 256 байт, для малого объема данных (обычнодо32 байт) времяответа– 2–5 мс;

♦проверка конфигурации ведомых DP-устройств;

♦диагностические возможности – три иерархических уровня диагностических сообщений;

♦присвоение адресов через шину ведомым DP-устройствам.

246

4.Установка и соединение кабелем: подключение или отсоединение станций без влияния на другие станции.

5.Надежность и простота управления двухпроводной техникой передачи. Для успешного использования шинной системы одной высокой пропускной способности недостаточно. Для удовлетворения потребностей пользователей необходимы простая установка и обслуживание, хорошие возможности диагностики и безошибочная передача данных, что Profibus DP реализует.

6.Производительность. Передача 512 бит входных и выход-

ных данных, распределенных между 32 станциями, занимает в шине Profibus DP приблизительно 6 мс. Этого достаточно для удовлетворения требования небольшого времени реакции системы. На рис. 5.4 показано время передачи по шине Profibus DP в зависимости от количества станций и скорости передачи.

Рис. 5.4. Время передачи по шине Profibus DP в зависимости от количества станций и скорости передачи

Значительное увеличение скорости, по сравнению с шиной Profibus FMS, происходит в основном благодаря использованию функции SRD (Send and Receive Data – послать и получить данные) уровня 2. Эта функция позволяет передавать входные и выходные данные в одном цикле сообщений. Кроме того, производительность повышается благодаря увеличению скорости передачи до 1,5 Мбит/с и специфицированию установленных требований к новым разработкам по производительности.

247

7.Установка и обслуживание. Техника передачи через RS-485 проста. Установка витой пары не требует квалификации. Структура шины позволяет подключать или отсоединять станции без влияния на другие станции. Кроме того, можно наращивать систему постепенно. Дальнейшее развитие системы не влияет на конфигурацию ранее установленных станций.

8.Конфигурации системы и типы устройств. DP-протокол позволяет организовать конфигурации monomaster и multimaster. Это

дает гибкость при конфигурировании систем. Описание конфигурации системы состоит из количества станций, соответствия между адресом станции и адресом В/В, последовательности данных, формата диагностических сообщений и параметров шины.

В системах с одним ведущим устройством в течение рабочей фазы активно только одно ведущее устройство.

На рис. 5.5 показана структура системы Profibus DP с одним ведущим устройством.

Рис. 5.5. Структура системы Profibus DP с одним ведущим устройством

Ведущим устройством процесса является PLC, который соединяется через шину с распределенными ведомыми DP-устройст- вами. Эта конфигурация дает самый короткий цикл шины.

248

Всистемах с несколькими ведущими устройствами на шине активны несколько ведущих DP-устройств. Они работают либо как независимые подсистемы, каждая из которых состоит из одного ведущего и относящихся к нему ведомых устройств, либо как дополнительные конфигурирующие или диагностические устройства (рис. 5.6). Каждое ведущее устройство может читать входные или выходные образы. Записывать данные в ведомое DP-устройство может только одно ведущее устройство (которое задается при конфигурировании). Цикл шины в системах с несколькими ведущими устройствами длиннее, чем в системах с одним ведущим устройством.

Вспецификацию Profibus DP включается подробное описание работы системы. При этом основное внимание уделяется взаимодействию устройств. Основное влияние на работу системы оказывает состояние DPM1. Этим состоянием можно управлять локально или удаленно с помощью конфигурирующего устройства.

Рис. 5.6. Структура системы Profibus DP с несколькими ведущими устройствами

249

Состояния обычно бывают следующими:

1.Останов (стоп): в этом состоянии между DPM1 и ведомыми DP-устройствами никаких данных не передается.

2.Сброс (очистка): DPM1 считывает входную информацию из ведомого DP-устройства и поддерживает свои выходы в состоянии защиты от сбоев.

3.Работа (операция): DPM1 находится в состоянии передачи данных. В последовательности циклических сообщений из ведомых DP-устройств считывается входная информация, а выходная в них записывается. Устройство типа DPM1 в течение настраиваемого интервала времени передает свой локальный статус всем предназначенным для работы с ним ведомым DP-ycтройствам. Для этого оно использует групповую команду.

Реакция системы на неисправность, возникшую во время фазы передачи данных, например сбой ведомого DP-устройства, определяется конфигурационным параметром DPM1-устройства «Автосброс» (Auto-Clear). Если параметр «Автосброс» находится в состоянии

«Истина», DPM1 переключает выходы всех предназначенных для работы с ним ведомых DP-устройств в состояние защиты от сбоев, что означает, что они не могут передавать недостоверные данные. После этого DPM1 переходит в состояние «Сброс» (Clear). Если параметр «Автосброс» находится в состоянии «Ложь», DPM1 в случае неисправности ведомого DP-устройства остается в состоянии «Работа» (Operate). Пользователь может задавать реакцию системы.

Передача пользовательских данных между DPM1 и предназначенными для работы с ним ведомыми DP-устройствами выполняется устройством DPM1 автоматически в определенном, повторяющемся время от времени порядке. Во время конфигурирования шинной системы пользователь назначает ведомые DP-устройства, работающие с некоторым DPM1, и ведомые DP-устройства, участвующие или не участвующие в цикле сообщений. Взаимодействия между этим DPM1 и ведомыми DP-устройствами структурируются в фазах параметризации, конфигурирования и передачи данных. В фазах параметризации и конфигурирования каждое ведомое DP-устройство сравнивает свою реальную конфигурацию с данными, полученными

250