2.1.4 Коммуникационные связи и обмен данными СУМиУ

Промышленная шина для технологических процессов PROFIBUS

В рассматриваемом стенде «Преобразователь Частоты - Асинхронный Двигатель» (ПЧ-АД) связь с распределенной периферией осуществляется посредством сети PROFIBUS, при этом используется соответствующая служба обмена PROFIBUS-DP.

Международный стандарт PROFIBUS является промышленной шиной для технологических процессов. Сеть PROFIBUS использует первый и второй уровни модели OSI. PROFIBUS технология, стандартизованная в соответствии с IEC 61158 и IEC 61784, основана на двухпроводной системе RS-485 полудуплексной передачи.

Служба обмена PROFIBUS-DP определяет, как происходит обмен данными между коммуникационными узлами, и как эти данные обрабатываются. Служба обмена базируется на протоколе обмена, который помимо всего прочего описывает процедуру координации работы между коммуникационными узлами.

PROFIBUS-DP обеспечивает стандартный интерфейс для передачи двоичных данных между интерфейсным модулем центрального программируемого контроллера и приборами полевого уровня. Интерфейсный модуль называют ведущим DP-устройством, а приборы полевого уровня ведомыми DP-устройствами. Широкому распространению PROFIBUS-DP способствует то, что PROFIBUS-DP является независимым от производителей стандартом для подключения стандартных ведомых DP-устройств.

PROFIBUS использует сервис SRD, который позволяет отправлять и получать данные в одном цикле обмена, Этот способ обмена очень удобен при работе с устройствами ввода-вывода, поскольку в одном цикле можно и отправить, и получить данные.

Для передачи данных используется NRZ-кодирование и 11-битный формат, включающий стартовый бит (0), 8 бит данных младшими разрядами вперед, бит паритета (четный) и стоп-бит (1)(рис. 6).

Рисунок 6 - Формат передачи данных

Сообщение в PROFIBUS называется телеграммой. Телеграмма может содержать до 256 байт, из них 244 байта данных, и заголовок телеграммы длиной 11 служебных байт (рис. 7). Все телеграммы имеют заголовки одинаковой длины, за исключением телеграммы с названием Data_Exchange.

Рисунок 7 - Структура телеграммы PROFIBUS

Поля телеграммы на рис. имеют следующее содержание:

SD - стартовый разделитель. Используется для указания начала телеграммы и ее формата.

LE - длина передаваемых данных (DA+SA+FC+DSAP+SSAP+DU);

LEr - повторение поля LE с целью его резервирования;

DA - адрес устройства-получателя телеграммы;

SA - адрес отправителя;

FC - код типа телеграммы;

DSAP - устройство-получатель использует это поле, чтобы определить, какой тип сервиса нужно выполнить;

SSAP - порт отправителя;

DU - данные длиной от 1 до 244 байт;

FCS - контрольная сумма телеграммы (сумма значений полей DA+SA+ FC+DU, по модулю 255);

ED - признак конца.

Структура сети PROFIBUS

Стенд представляет собой систему с одним ведущим DP-устройством и группой ведомых DP-устройств (рис. 8) В такой сети одно ведущее DP-устройство управляет несколькими ведомыми DP-устройствами.

Рисунок 8 - Структура системы ведущего DP-устройства

Мастером выступает программируемый контроллер (станция) SIMATIC S7-300, в качестве ведомых преобразователи частоты SINAMICS S110 и SINAMICS S120, преобразователь SIMOREG DC MASTER, универсальный измерительный прибор SIMEAS P а также устройство плавного пуска асинхронных электродвигателей Danfoss MCD201.

SIMATIC S7-300 имеет модульную конструкцию и включает в себя центральный процессор CPU 315-2PN/DP с встроенным интерфейсом ведущего DP-устройства, используемый для размещения и обработки программы пользователя. Процессор является активным узлом сети PROFIBUS, который циклически обменивается данными со "своими" ведомыми DP-устройствами. Ведомые DP-устройства системы являются пассивными узлами сети и не получают доступа к шине.

Линия передачи PROFIBUS представляет собой экранированный кабель "витая пара". Электрическая сеть PROFIBUS спроектирована в виде линейной структуры. Скорость передачи данных 1.5 Мбит/с, время реакции до одной миллисекунды.

Характерной чертой PROFIBUS является детерминированный цикл обмена данными через шину в режиме реального времени благодаря использованию принципа ведущий/ведомый, который гарантирует определенное время цикла шины и определенные времена реакции абонентов шины.

Обмен данными в сети PROFIBUS

Ведущее устройство должно параметрировать и конфигурировать ведомое устройство перед тем, как оно сможет обмениваться с ним пользовательскими данными. Если это имеет место, то готовность к работе ведомого устройства проверяется ведущим с помощью диагностических данных. Если ведомое устройство сообщает готовность для параметрирования, ведущее посылает в ответ данные параметрирования и конфигурирования.

После повторной проверки готовности к работе ведомого устройства с помощью диагностических данных, ведущее начинает циклически обмениваться с ведомым пользовательскими данными (рис. 9).

Рисунок 9 - Инициализации ведомого устройства и циклический обмен пользовательскими данными

С помощью данных параметрирования Set_Prm ведомому устройству сообщаются локальные и глобальные параметры, свойства и функции. Содержание данных параметрирования устанавливается при проектировании ведущего устройства.

Структура телеграммы для параметрирования состоит из нескольких частей. Важнейшие составляющие телеграммы параметрирования:

- Station-Status - состояние станции, содержит специфические для ведомого устройства функции и настройки. Здесь определяется, должен ли быть активирован контроль срабатывания. Определяется, открыт или закрыт доступ к устройству.

- Watchdog - контроль времени срабатывания, определяет выход из строя ведущего устройства. Ведомое устройство может эксплуатироваться на шине с контролем или без контроля времени срабатывания. Руководствуясь шинной конфигурацией и установленной скоростью передачи определяется время контроля срабатывания, которое может быть установлено при проектировании в шинных параметрах.

- Ident-Number - идентификационный номер ведомого устройства, присваивается при сертификации и хранится в GSD-файле. Ведомое устройство принимает телеграмму параметризации, если указанный в телеграмме номер совпадает с собственным. Благодаря этому предотвращается ошибочное параметрирование.

- User-Prm-Data - начальные установки или регулировочные параметры.

С помощью конфигурационной телеграммы ведущее устройство сообщает подчиненному через формат опознавания объем и структуру участвующих в обмене входных/выходных данных. Области входных/выходных данных, которые содержат связанную информацию и которые не могут передаваться структурами байтов или слов, обрабатываются как консистентные данные. К ним относятся области наборы параметров для привода.

Посредством запроса диагностических данных ведущее устройство проверяет на фазе запуска, имеется ли ведомое устройство и готово ли оно для параметрирования. Сообщаемые ведомым диагностические данные состоят из обязательной (определенной) и необязательной (специфической) диагностической части. Через диагностические данные подчиненное устройство сообщает ведущему свое рабочее состояние и в случае диагностики причину диагностического сообщения. Ведомое имеет возможность сообщать с помощью ответных телеграмм службы Data_Exchange на ведущее локальные диагностические данные, которые требует ведущее для оценки.

Ведомое проверяет принятые от ведущего данные параметрирования и конфигурирования. Если нет ошибок и ведущему разрешены желаемые установки, ведомое сообщает ведущему, что оно готово для обмена данными. С этого момента ведущее обменивается ведомым запроектированными пользовательскими данными

При обмене пользовательскими данными, ведомое реагирует на телеграммы-запросы Data_Exchange ведомого, который его параметрировал и конфигурировал. Другие телеграммы пользовательских данных ведомое отбрасывает. Внутри пользовательских данных нет дополнительных управляющих или структурных знаков для описания передаваемых данных, то есть передаются чистые пользовательские данные.