politechnika wrocławska - elektron

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA
WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY
INSTYTUT MASZYN, NAPĘDÓW I POMIARÓW
ELEKTRYCZNYCH
AUTOMATYKA I ROBOTYKA
Laboratorium: „Automatyzacja procesów przemysłowych”
Ćwiczenie 2
Sterowanie procesem mieszania i transportu materiałów
sypkich
Prowadzący: mgr inż. Zdzisław Żarczyński
mgr inż. Krzysztof Jaszczak
Wrocław 2004
Spis treści
1. Cel i zakres zadania……………………………………………………………………… 3
2. Wprowadzenie…………………………………………………………………………… 3
3. Koncepcja stanowiska laboratoryjnego………………………………………………….. 6
3.1. Opis stanowiska……………………………………………………………………... 6
3.2. Charakterystyka sterownika S7-200………………………………………………… 7
3.3. Charakterystyka stacji ET 200S…………………………………………………….. 10
4. Budowa i zastosowanie sieci Profibus…………………………………………………... 10
4.1. Sieć PROFIBUS……………………………………………………………………. 10
4.2. Rodzina PROFIBUS………………………………………………………………... 19
2
1. Cel i zakres zadania
Celem zadania laboratoryjnego jest opracowanie koncepcji i wykonanie stanowiska do
sterowania modelem procesu technologicznego tj. procesem transportu i mieszania substancji
sypkich, przy wykorzystaniu sterownika PLC i komputerowego systemu nadzoru
i wizualizacji.
Zakres pracy obejmuje (podział na ćwiczenia):
Zadanie
1
2
3
4
5
Temat
Zasady programowania sterowników PLC typu Siematic S7-300 i S7-200.
Poznanie oprogramowania sterownika WinAC firmy Siemens jako sterownika
opratego o komputer PCz kartą komunikacyjną CP5613:
- konfiguracja sieci Profibus DP,
- poznanie modułu wejściowgo typu ET200S
- opracowanie programu sterowania zespołem taśmociągów.
Opracowanie programu sterowania mieszalnikiem z wykorzystaniem
sterownika S7-200.
Opracowanie komunikacji między sterownikiem S7-200 a programem
sterownikiem komputerowym WinAC:
- konfiguracja modułu komunikacyjnego EM277 sieci Profibus DP,
- przygotowanie programu wymiany danych pomiędzy sterownikami.
Wizualizacja procesu sterowania układem przemysłowym z wykorzystaniem
komputera PC z oprogramowaniem InTouch firmy Wonderware.
2. Wprowadzenie
Sterowanie procesami przemysłowymi często wiąże się z koniecznością zastosowań
skomplikowanych algorytmów sterowania zapewniających niezawodność, pełną kontrolę
parametrów procesu i szerokie możliwości diagnostyki w przypadku awarii. Układy
sterowania, wykorzystujące sterowniki PLC (ang. Programmable Logic Controller), mogą
być wykorzystane w wielu gałęziach przemysłu.
Sterowanie w takim systemie zależy wyłącznie od zapisanego przez użytkownika programu
oraz od rodzaju sterownika PLC. Sterownik PLC stanowi połączenie ponad 100 niezależnych
liczników,
układów
czasowych
(ang.
Timer),
bloków
operacji
matematycznych
(porównywania, dodawania, odejmowania, dzielenia i mnożenia) a także operacji logicznych.
Połączenie tych elementów odbywa się na drodze programowania w języku wysokiego
poziomu. Sterownik PLC pracuje w czasie rzeczywistym. Potrafi na bieżąco prowadzić
odczyt wejść zarówno cyfrowych jak i analogowych, przetwarzać dane odczytane z tych
wejść, prezentować wyniki w dogodnej postaci operatorowi i oczywiście wpływać w
określony sposób na przebieg samego procesu. Proste zadania sterownicze realizuje się przy
pomocy funkcji podstawowych języka programowania. Funkcje te można przedstawić w
3
postaci listy instrukcji, schematu blokowego lub funkcyjnego. Daje to użytkownikowi
możliwość wyboru sposobu opisu sterowania. Uzyskuje się w ten sposób dużą przejrzystość i
zgodność postaci programu z treścią zadania sterowania.
Oferowane biblioteki typowych bloków funkcyjnych umożliwiają użytkownikowi racjonalne
tworzenie programów i w ten sposób znaczne obniżenie kosztów projektowania systemów
sterowania.
Dodatkowo do sterownika można dołączać szereg dodatkowych urządzeń rozszerzających
jego możliwości zależnie od potrzeb. Do takich urządzeń można zaliczyć moduły
zwiększające liczbę wejść (wyjść) analogowych lub cyfrowych, moduły pomiarowe (np. do
pomiaru temperatur) a również wiele innych specjalizowanych układów (np. sterowniki
silników krokowych).
Zadania jakie wykonują sterowniki PLC:
a) zbierają pomiary za pośrednictwem modułów wejściowych z analogowych i
dyskretnych czujników oraz urządzeń pomiarowych;
b) transmitują dane za pomocą modułów i łącz komunikacyjnych;
c) wykonują programy aplikacyjne na podstawie przyjętych parametrów i uzyskanych
danych o sterowanym procesie lub maszynie;
d) generują sygnały sterujące zgodnie z wynikami obliczeń tych programów i przekazują
je poprzez moduły wyjściowe do elementów i urządzeń wykonawczych;
e) realizują funkcje diagnostyki programowej i sprzętowej;
f) wartości pomiarów zmiennych procesowych są wejściami sterownika, zaś obliczone
zmienne sterujące stanowią wyjścia sterownika;
Głównym zadaniem sterownika jest więc reagowanie na zmiany wejść przez
obliczanie wyjść wg zaprogramowanych reguł sterowania lub regulacji. Reakcja ta może być
zależna od wyników operacji arytmetyczno - logicznych wykonanych dla aktualnych wartości
wejść sterownika, jego zmiennych wewnętrznych oraz od zaprogramowanych warunków
czasowych. Może ona także zależeć od operacji wykonanych na danych transmitowanych w
sieciach łączących wiele elementów pomiarowych, sterowników, regulatorów czy też
komputerów.
W zależności od lokalizacji w strukturze sterowania procesu przemysłowego urządzeń
sterującego i sterowanego rozróżniamy:
a) sterowanie lokalne - jest ono wykonywane na obiekcie sterowania i określane jako
indywidualne;
4
b) sterowanie zintegrowane - jest to sterowanie z jednego miejsca wielu urządzeń procesu
przemysłowego, które określane jest obecnie jako rozproszone;
c) sterowanie zdalne - jest to sterowanie stosowane w przypadku istnienia większych
odległości miedzy urządzeniem sterującym i sterowanym.
Dla sterowania zintegrowanego i zdalnego należy przyjąć kryteria ilości i rozległości
terytorialnej obsługiwanych układów i urządzeń automatyki, biorących udział w realizacji
sterowania procesami przemysłowymi. Najczęściej konstrukcja takich układów sterowania
sprowadza się do wyróżnienia czterech warstw spełniających właściwą funkcję w systemie.
Są to funkcje:
1. WARSTWA ZEROWA - jej zadaniem jest obsługa poszczególnych układów i
urządzeń zainstalowanych bezpośrednio w procesie przemysłowym, np. na linii
technologicznej. Z tego powodu do każdego fragmentu tej linii „przypisane" jest
oddzielne urządzenie sterujące, które wykonując program, realizuje sterowanie
indywidualne (faktycznie to dane urządzenie sterujące posiada adres ID,
jednoznacznie identyfikujący go w sieci przemysłowej przez urządzenie
nadrzędne);
2. WARSTWA PIERWSZA - jej zadaniem jest analiza funkcji realizowanych
przez pojedyncze urządzenia sterujące, zainstalowane w procesie, oraz analiza
obsługiwanego przez te urządzenia fragmentu procesu. Zatem to tutaj odbywa się
kontrola sprawności programowej oraz sprzętowej urządzeń;
3. WARSTWA DRUGA - jej zadaniem jest prezentacja (analiza) wyników obrazujących funkcjonowanie procesu przemysłowego jako całości (np. kilka linii technologicznych), najczęściej przez użycie tzw. systemów wizualizacji typu
SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition);
4. WARSTWA TRZECIA - jej zadaniem jest kontrola kompleksowa przebiegu
procesu przemysłowego. Wymaga to rozwiązania wielu problemów związanych z
komunikacją różnych systemów sterowania procesem przemysłowym.
Rysunek 1 przedstawia przykład rozwiązania sterowania rozproszonym procesem
przemysłowym, gdzie jako urządzenia sterujące w warstwie zerowej występują sterowniki
logiczne PLC.
Warstwy (poziomy) urządzeń z rysunku 1 pokazują, że struktura sterowania
rozproszonego wymaga dodatkowo rozwiązania problemów łączy transmisyjnych, służących
5
do komunikacji (przesyłania danych) pomiędzy poszczególnymi warstwami systemu
sterowania procesem.
Stacje robocze do zarzadzania przebiegiem procesu
Warstwa
trzecia
Stacje robocze do systemów wizualizacji typu SCADA
Warstwa
druga
Stacje robocze do systemów analizy funkcji sterowników
Warstwa
pierwsza
Urzadzenia programowalne
Warstwa
zerowa
Czujniki i urzadzenia
wykonawcze
Proces przemyslowy
Rys. 1. Sterowanie nadrzędne procesem przemysłowym
3. Koncepcja stanowiska laboratoryjnego
3.1 Opis stanowiska
Struktura systemu sterowania modelem wybranego procesu technologicznego (proces
wytwarzania betonu) składa się z kilku sterowników firmy SIEMENS. Sterowniki te pracują
w sieci przemysłowej PROFIBUS DP. Komunikacja pomiędzy sterownikami jest wykonana
w strukturze Master – Slave, w której występuje jeden sterownik nadrzędny tzw. Master
nadzorujący pracę całego procesu oraz sterowniki podrzędne tzw. Slave, które są
nadzorowane przez sterownik nadrzędny. W niniejszej pracy struktura systemu sterowania
składa się z następujących elementów:
a) sterownik Siemens WinAC (wirtualny PLC) – Master;
b) sterownik Siemens S7 200 – Slave;
6
c) moduł we/wy Siemens ET 200S – Slave;
Schemat struktury systemu sterowania zamieszczono na rys. 2.
Rys. 2. Struktura sterowania procesem mieszania i transportu substancji sypkich
3.2 Charakterystyka sterownika S7 200
SIMATIC
S7-200
jest
sterownikiem
swobodnie
programowalnym
PLC,
przeznaczonym do wykonywania tanich systemów sterowania. Jednostka centralna CPU,
posiadająca zintegrowane wejścia i wyjścia binarne, może być uzupełniona o dodatkowe
moduły rozszerzeń.
System sterowania składa się z następujących elementów:
a) jednostki centralnej CPU;
b) modułów rozszerzeń;
c) dwustanowych i analogowych modułów wejść / wyjść;
d) modułów komunikacyjnych slave Profubus-DP;
e) modułów komunikacyjnych master sieci AS-Internface;
7
f) modułów pomiaru temperatury;
g) akcesoriów i elementów dodatkowych;
h) oprogramowania STEP 7-Micro/Win;
W tabeli 1 zestawiono dane techniczne CPU 224
CPU 224
Zintegrowane wejścia/wyjścia binarne
Binarne wejście/wyjście/max
ilość wejść, wyjść wraz
z modułami rozszerzeń
Analogowe wejście/wyjście/max
ilość wejść, wyjść wraz z modułami rozszerzeń
Pamięć programu
Pamięć danych
Zabezpieczenie dynamiczne
danych za pomocą kondensatora
Szybkie liczniki
Interfejs komunikacyjny RS 485
Obsługiwane protokoły
. PPI master/slave
. MPI slave
. Freeport (swobodnie programowalny protokół
ASCII)
Zintegrowany 8 - bit
potencjometr analogowy
Zintegrowany zasilacz DC 24 V
Zegar czasu rzeczywistego
Inne właściwości komunikacyjne
14 wejść / 10 wyjść
94/82/168
28/14/35
8Kb
5 Kb
Typ. 190 godz.
6x30 kHz przy czym 4x20 kHz
wykorzystywana jako liczniki A/B
1
Tak
2
Max 280 mA
Tak
Tak, Profibus-DP slave i/lub AS – i master
Tabela 1. Dane techniczne CPU 224
Komunikacja
SIMATIC S7200 posiada różnorodne możliwości komunikacyjne. Jednostka centralna
CPU wyposażona jest w szeregowy port RS485 oraz poprzez moduły rozszerzeń umożliwia
komunikację w sieciach AS-Interface lub Profibus-DP.
Port komunikacyjny jednostki centralnej CPU (RS485) zapewnia następujące możliwości
komunikacyjne:
a) w sieci PPI pracuje jako master lub slave;
b) w sieci MPI (komunikacja ze sterownikami S7300,S7400) pracuje jako slave;
c) współpracuje z panelami operatorskimi dedykowanymi dla S7200, takimi jak TD200,
TP070 oraz wszystkimi pozostałymi HMI;
d) zapewnia komunikację w trybie FreePort (tryb swobodny portu), co pozwala
komunikować się z dowolnymi urządzeniami obsługującymi ten protokół np.
8
modemy, drukarki, czytniki kodów paskowych, PLC, napędy i inne. Możliwe jest też
zdefiniowanie własnego protokołu w trybie Free Port.
Oprogramowanie Step7 Micro/Win umożliwia wgranie programu do CPU poprzez kabel
PC/PPI ze złączem RS232 lub kartą dodatkową MPI. Możliwy jest również teleserwis za
pomocą modemów. Istnieje możliwość komunikacji z innymi urządzeniami z poza rodziny
SIMATIC, obsługującymi protokół PPI.
Przedmiotem zainteresowań w tejże pracy jest moduł komunikacyjny EM 277 dlatego poniżej
przedstawiono jego parametry.
Moduł komunikacyjny
EM 277 Profibus – DP
Interfejs
Obsługiwane protokoły
Szybkość przesyłania danych
Możliwość podłączeń
Wyświetlany status
Adres modułu w sieci
Izolacja elektryczna
Max. długość kabla bez wzmacniacza
Listwa przyłączeniowa
Straty mocy w W
jeden interfejs komunikacyjny RS485
- MPI slave
- Profibus-DP slave
9600 bit/s do 12 Mbit/s, samokalibracja
- TD 200 text display V 2.0 i następne wersje;
- Panele operatorskie, panele dotykowe;
- Programator PG/PC z interfejsem MPI (ładowanie
danych do CPU, status za pomocą Step7 Micro/WIN)
- CPU S7300/400;
- PROFIBUS-DP master lub slave;
uszkodzenie CPU, zasilanie, błąd DP, tryb DX
Ustawiany na module (0-99)
500 V AC
1200 m (przy 9.6 kbit/s)
Nie
2,5
Tabela 2. Dane techniczne modułu komunikacyjnego EM 277
Czas rzeczywisty
Wymagania stawiane sterownikom S7-200 pracującym w czasie rzeczywistym to
natychmiastowa reakcja sterownika (liczona w µs) na sygnały pochodzące z obiektu. Należy
uwzględnić również zliczanie, przetwarzanie oraz wykonywanie sterowania elementami
wykonawczymi. Typowe funkcje wykorzystywane przy obsłudze programów pracujących w
czasie rzeczywistym to:
a) przerwania procesowe uzależnione między sobą priorytetami;
b) przerwania czasowe;
c) zliczanie za pomocą szybkich liczników;
d) zegar czasu rzeczywistego;
e) wyjście impulsowe – zadajniki częstotliwości;
f) natychmiastowe sterowanie wyjść binarnych poza cyklem programu;
9
3.3. Charakterystyka stacji ET 200S
Stacja wejść/wyjść do zastosowań w sieci Profibus-DP charakteryzuje się dużą elastycznością
i pewnością działania. Bogata gama produktów i modułów funkcyjnych sprawia, że stacja
ET200S nadaje się do zastosowań praktycznie we wszystkich dziedzinach przemysłu.
Rys. 5.3. Stacja wejść/wyjść SIMATIC ET 200S
Podstawowe cechy:
a) duża oszczędność kabli instalacyjnych (do 80%);
b) oszczędność miejsca w szafie sterowniczej (do 50%);
c) duża elastyczność przy rozbudowie : do 64 różnych modułów w stacji modułu do
rozruchu silników : część prądowa do 40A
Moduły technologiczne
Moduły technologiczne stanowią grupę kart o dużej inteligencji działania, pracujących
niezależnie od CPU, a wykonujące określone funkcje technologiczne. Parametryzacja
modułów odbywa się bezpośrednio w programie Step 7.
Do wyboru są następujące moduły technologiczne:
a) szybkie liczniki;
b) moduł do pomiaru drogi z czujnikiem SSI;
c) układy pozycjonowania;
d) karty do sterowania zaworami do dozowania, regulacji;
4. Budowa i zastosowanie sieci Profibus
4.1. Sieć PROFIBUS
Profibus jest tanią siecią miejscową, przeznaczoną do wykorzystania w rozproszonych
systemach sterowania i nadzoru. Węzłami sieci mogą być zarówno proste urządzenia wejścia
10
– wyjścia, takie jak czujniki lub elementy wykonawcze, jak i komputery, sterowniki
programowalne, sterowniki numeryczne lub lokalne stacje operatorskie. Zgodnie z
wymaganiami tej dziedziny zastosowań sieć umożliwia efektywne przekazywanie wielu
krótkich
wiadomości,
a
sposób
organizacji
pracy
sieci
gwarantuje
dotrzymanie
deterministycznego czasu przesłania najważniejszych danych.
Warstwowy model sieci PROFIBUS
Model sieci Profibus z siedmiowarstwowego modelu OSI zawiera tylko trzy: warstwę
fizyczną, warstwę liniową i aplikacyjną. Ta ostatnia jest opcjonalna: użytkownicy, tzn.
wykonywane programy, mogą korzystać z sieci wywołując albo usługi warstwy aplikacyjnej,
albo warstwy liniowej (rysunek 3).
Warstwa fizyczna
Definicja warstwy fizycznej opiera się na specyfikacji sprzęgu RS – 485. Podstawową
strukturą sieci jest liniowy segment kabla – skrętki, zakończony na obydwu końcach
terminatorami. Maksymalna długość segmentu zależy od szybkości transmisji i jakości kabla.
Zalecane wartości tych parametrów umieszczono w tabeli 3.
Rys. 3. Warstwowy model sieci Profibus
11
Rodzaj kabla
Ekranowana skrętka o impedancji falowej 100 – 130
Ω,
pojemności
między
przewodami
nie
przekraczającej 60 pF/m i przekroju przewodnika co
najmniej 0.22 mm2
Topologia
Magistralowa, długość doprowadzeń węzłów ≤ 0.3 m
Szybkość transmisji 9.6; 19.2; 93.75; 187.5; 500 lub 1500 Kbit/s
Długość segmentu
Zależy od szybkości transmisji i wynosi:
≤ 1200 m dla szybkości ≤ 93.75 Kbit/s
≤ 600 m dla szybkości ≤ 187.5 Kbit/s
≤ 200 m dla szybkości ≤ 1500 Kbit/s
Liczba węzłów
Co najwyżej 32 węzły (lub powtarzacze) w obrębie
segmentu
Tabela 3. Parametry segmentu sieci
Maksymalna liczba węzłów sieci, które mogą być dołączone do tego samego segmentu kabla
wynika z elektrycznej specyfikacji sprzęgu RS – 485 (tabela 4). Liczba ta nie może
przekraczać 32 standardowych węzłów, wnoszących maksymalne obciążenie określone przez
dopuszczalne wartości rezystancji nadajnika i odbiornika. Przy napięciu 12 V jeden nadajnik
może obciążyć linię prądem co najwyżej 0.1 mA, a odbiornik prądem co najwyżej 1 mA.
Zastosowanie nadajników i odbiorników wnoszących mniejsze obciążenie pozwala na
dołączenie do segmentu większej liczby węzłów. Nowe układy nadajników i odbiorników
wnoszą obciążenie czterokrotnie mniejsze od maksymalnego, co umożliwia dołączenie do
segmentu sieci nawet 128 węzłów.
Sieć można budować z wielu oddzielnych segmentów, łącząc je ze sobą za pomocą
powtarzaczy. Liczbę połączonych segmentów ogranicza warunek, że pomiędzy dwoma
dowolnymi węzłami nie mogą znajdować się więcej niż trzy powtarzacze. Maksymalnie sieć
może się więc składać z czterech segmentów połączonych w łańcuch albo z większej liczby
segmentów połączonych gwiaździście. Niezależnie od liczby segmentów sieć może zawierać
co najwyżej 127 węzłów. Ograniczenie to wynika z liczby bitów przeznaczonych na adres
węzła sieci w polu adresowym komunikatu.
Parametr
Rodzaj transmisji
Wyjście nadajnika
Czułość odbiornika
Napięcie wspólne
Prąd zwarcia
Rezystancja wyjściowa nadajnika
12
Wartość
Różnicowa
≥ 1.5 V
± 200 mV
-7 V ÷12 V
≤ 150 mA (do masy)
≤ 250 mA (do –8 V, +12 V)
≥ 120 kΩ
Rezystancja wejściowa odbiornika ≥ 12 kΩ
Tabela 4. Parametry elektryczne nadajników i odbiorników sprzęgu RS – 485
Węzły sieci dołącza się do segmentu kabla za pomocą 9 – stykowych złączy
(rysunek 4), przy czym gniazda powinny być instalowane w węzłach, a wtyki na przewodach
doprowadzających.
Rys. 4. Złącze RS – 485 (wykorzystywane w sieci Profibus)
Nr
styku
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Nazwa sygnału Znaczenie sygnału
SHIELD
Ekran skrętki kabla
RP
Zasilanie urządzeń polowych
RxD/TxD-P
Dane, sygnał „plus”
CNTR-P
Sterowanie, sygnał „plus”
DGND
Masa sygnałów danych
VP
Zasilanie nadajników/odbiorników sieci
RP
Zasilanie urządzeń polowych
RxD/TxD-N
Dane, sygnał „minus”
CNTR-N
Starowanie, sygnał „minus”
Tabela 5. Rozkład sygnałów na złączu PROFIBUS
Sygnały, wyszczególnione w tabeli 5, są obowiązkowe i muszą wystąpić w złączu
każdego węzła – dlatego też minimalne okablowanie sieci składa się z pary przewodów
przenoszących sygnały RxD/TxD. Pozostałe sygnały są opcjonalne. Sygnał VP służy do
zasilania terminatorów segmentu kabla i powinien występować w złączach skrajnych węzłów
segmentu.
Bity danych przekazywane w sieci są kodowane napięciem różnicowym występującym
między liniami RxD/TxD-P, a RxD/TxD-N. Stałe, dodatnie napięcie występujące miedzy
tymi liniami przez cały okres nadawania jednego bitu oznacza wartość 1, a napięcie ujemne
oznacza wartość 0. Spoczynkowym stanem linii, który muszą zapewnić terminatory segmentu
kabla, jest stan odpowiadający wartości 1. Nadajniki powinny być zabezpieczone przed
kolizją, a nadajniki nie pracujące powinny przechodzić w stan wysokiej impedancji.
Elektryczny kabel sieci Profibus można zastąpić kablem światłowodowym przenoszącym
sygnały danych (RxD/TxD). Pozwala to na znaczne zwiększenie zasięgu sieci, lecz zależy to
również od rodzaju zastosowanego światłowodu.
13
Niezależnie od sposobu realizacji, warstwa fizyczna komunikuje się z warstwą liniową za
pomocą dwóch operacji:
a) PHY_DATA.request – żądanie nadania bitu danych skierowane przez warstwę
liniową do warstwy fizycznej. Argumentem tej usługi może być:
-
ZERO – nadanie bitu o wartości „0”;
-
ONE – nadanie bitu o wartości „1”;
-
SILENCE – wyłącza nadajnik;
b) PHY_DATA.indication – informacja skierowana przez warstwę fizyczną do warstwy
liniowej o odebraniu bitu, usługa ta może zwracać wartość:
-
ZERO – nadanie bitu o wartości „0”;
-
ONE – nadanie bitu o wartości „1”;
Warstwa liniowa
Definicja warstwy liniowej określa protokół dostępu węzłów do kabla, tzn. sposób ustalania
prawa nadawania, oraz protokół komunikacyjny łącza logicznego, którego elementem jest
m.in. definicja struktury komunikatów. Przyjęty w sieci Profibus protokół dostępu jest
złożeniem protokołu znacznikowego i odpytywania. Wszystkie węzły dzielą się na nadrzędne
(master), które mogą nadawać komunikaty z własnej inicjatywy, oraz podrzędne (slave), które
mogą tylko przyjmować dane i odpowiadać na zapytania węzłów nadrzędnych. W
normalnych warunkach pracy, sieć jest w każdej chwili nadzorowana przez jeden z węzłów
nadrzędnych, który może w tym czasie wymieniać dane z innymi węzłami. Prawo
nadzorowania sieci, utożsamione z umownym znacznikiem, jest przekazywane cyklicznie
między wszystkimi węzłami nadrzędnymi. Każdy węzeł może przetrzymywać znacznik tylko
przez ograniczony czas.
Wymiana danych w sieci jest zorganizowana w formie zamkniętych transakcji
rozpoczynających się komunikatem akcji – wysyłanym przez węzeł nadrzędny posiadający
znacznik, a kończących się komunikatem odpowiedzi – wysyłanym przez węzeł nadrzędny
lub podrzędny, do którego był skierowany komunikat akcji. Szczególnym, rzadko używanym
rodzajem transakcji jest transakcja złożona tylko z komunikatu akcji, który nie wymaga
żadnej odpowiedzi.
Rytm przekazywania komunikatów w ramach transakcji nie jest związany z rytmem
przekazywania danych przez węzeł odpowiadający. Odpowiedź na komunikat akcji musi być
14
natychmiastowa – jeśli komunikat odpowiedzi ma zawierać dane, to są one pobierane i
wysyłane w sieć z bufora komunikacyjnego, który powinien być wcześniej wypełniony przez
program użytkownika. Dane zawarte w komunikacie odpowiedzi nie mogą być więc
traktowane jako odpowiedź na zapytanie zawarte w komunikacie akcji – tak rozumiana
odpowiedź może być przekazana w następnej transakcji odpytania.
Bezpośrednio po zakończeniu swojej ostatniej transakcji węzeł nadzorujący sieć przekazuje
znacznik następnemu węzłowi nadrzędnemu, który bezzwłocznie rozpoczyna wykonywanie
swoich transakcji. W ten sposób znacznik obiega sieć, przechodząc w każdym obiegu przez
wszystkie węzły nadrzędne. Węzły podrzędne nie biorą udziału w obiegu znacznika, a ich
udział w komunikacji sprowadza się do odpowiadania na komunikaty akcji wysyłane przez
węzły nadrzędne. Długość cyklu obiegu znacznika wyznacza maksymalny czas oczekiwania
węzła nadrzędnego na prawo nadawania komunikatu. Standard zaleca, aby w zastosowaniach
pracujących w ostrych warunkach czasu rzeczywistego liczba węzłów nadrzędnych w sieci
nie przekraczała 32.
Transakcje wykonywane przez węzeł nadrzędny dzielą się na transakcje nadrzędne (o
wysokim priorytecie) i podrzędne (o niskim priorytecie). Transakcje nadrzędne są
wykonywane w każdym obiegu znacznika w pierwszej kolejności, przed transakcjami
podrzędnymi.
Proces nadawania komunikatów i odbierania odpowiedzi podczas wykonywania transakcji
podlega w każdym węźle pewnym rygorom czasowym, określonym przez zespół ściśle
zdefiniowanych parametrów. Wartości tych parametrów powinny być ustalone podczas
konfiguracji sieci w sposób jednolity dla wszystkich węzłów. Do najważniejszych
parametrów czasowych należą:
TSET – czas reakcji węzła, tzn. czas zwłoki od chwili wystąpienia zdarzenia w sieci (np.
zakończenia komunikatu) do wykonania przez węzeł związanej z tym zdarzeniem akcji (np.
odblokowania odbiornika).
TQUI – czas ustalania stanu sieci po wyłączeniu nadajnika po nadaniu komunikatu, w tym
czasie węzły nie mogą nadawać ani odbierać komunikatów.
TSDR – czas zwłoki rozpoczęcia nadawania komunikatu odpowiedzi po zakończeniu
komunikatu akcji (min TSDR > TQUI).
TSL – czas przerwy, tzn. maksymalny czas, przez który nadawca komunikatu akcji czeka na
odebranie pierwszego bajtu odpowiedzi lub na odebranie pierwszego bajtu komunikatu
nadanego przez następnik po przekazaniu mu znacznika.
15
Wartości wszystkich parametrów czasowych są określane jako wielokrotności czasu
nadawania jednego bitu danych (TBIT).
Protokół dostępu do kabla
Wszystkie węzły sieci są identyfikowane numerycznymi adresami z zakresu 0...126.
Adres 127 jest zarezerwowany jako umowny adres rozgłaszania. Węzły nadrzędne dołączone
do sieci przekazują sobie kolejno umowny znacznik, z którym jest związane prawo do
nadawania komunikatów i odbierania odpowiedzi.
Protokół komunikacyjny
Warstwa liniowa przekazuje komunikaty nadawane i odbierane przez użytkowników
różnych węzłów za pośrednictwem portów, czyli odrębnych „skrzynek pocztowych”
określonych w poszczególnych węzłach sieci. Najważniejszym elementem każdego portu jest
zestaw buforów komunikacyjnych, w których są zapisywane wiadomości (dane) przenoszone
przez komunikaty sieciowe. Wykonanie usługi związanej z odpytaniem partnera
komunikacyjnego polega na wysłaniu przez warstwę liniową sieci Profibus komunikatu
zawierającego dane zapisane przez użytkownika w buforze wyjściowym portu odpytującego i
wpisanie tych danych do bufora wejściowego portu partnera (w innym węźle), a następnie
pobraniu danych z bufora wyjściowego portu partnera i przeniesienie ich do bufora
wejściowego portu odpytującego. Warstwa liniowa sieci Profibus realizuje cztery rodzaje
usług. Ten sam port może być wykorzystany do wykonania usług różnego rodzaju. Dla
każdego rodzaju usług port może zawierać cztery bufory komunikacyjne: komunikatów
wysłanych, o priorytecie wysokim i niskim, oraz komunikatów odbieranych, o priorytecie
wysokim i niskim. Wszystkie transakcje wykonywane w sieci przenoszą komunikaty
pomiędzy odpowiadającymi sobie buforami portu nadawcy i portu odbiorcy danych.
16
Rys. 5. Wykonanie transakcji odpytania (we – bufor wejściowy, wy – bufor wyjściowy)
Struktura komunikatów
Wszystkie komunikaty przekazywane w sieci Profibus składają się z 11 bitowych znaków,
zawierających: bit startu (0), 8 bitów danych nadawanych od najmniej, do najbardziej
znaczącego bitu, bit parzystości i bit stopu (1). Kolejne znaki komunikatu są nadawane jeden
po drugim, bez żadnych przerw między znakami. Długość przerw między komunikatem
odpowiedzi, a następnym komunikatem akcji musi być dłuższa niż maksymalna wartość
czasu TSDR.
Przesyła
funkcje
Syn
SD1 DA SA
Zmienna
długość danych
Syn
SD2 LE LEr SD2 DA
Stała długość
danych
Syn
SD3 DA SA
Znacznik
Syn
SD4 DA SA
Potwierdzeni
FC
FC
FCS ED
SA FC
DANE – 0 do 246 bajtów
DANE – 8 bajtów
FCS ED
FCS ED
SD5
Rys. 6. Struktury komunikatów w sieci Profibus
Syn - bity synchronizujące, minimum 33 bity ciszy;
SD - znacznik początku; SD1 = 10H; SD2 = 68H; SD3 = A2H; SD4 = DCH; SD5 = E5H;
FCS - suma kontrolna;
ED - znacznik końca ED = 16H;
DA - adres stacji docelowej;
SA - adres stacji nadawczej;
FC - znak sterujący;
17
LE - długość pola danych;
LEr – powtórzenie długości pola danych
Każdy komunikat składa się z ogranicznika początkowego (SD), pola danych o stałej lub
zmiennej długości, sumy kontrolnej (FCS) i ogranicznika końcowego (ED). Wyjątkiem są
komunikaty krótkiego potwierdzenia, które zawierają tylko ogranicznik początkowy. Pole
danych rozpoczyna się zawsze 3 znakowym nagłówkiem zawierającym adres węzła odbiorcy
(DA), adres węzła nadawcy (SA) i znak sterujący (FC). Łączna długość komunikatu nie może
nigdy przekroczyć 255 znaków.
Indywidualne adresy węzłów muszą zawierać się w zakresie 0...126. Indywidualne
numery portów muszą zawierać się w zakresie 0...62. Znaki adresu odbiorcy DA, DSAP
składające się z samych jedynek mają znaczenie specjalne. Adres DA = 127 wyróżnia
komunikaty rozgłaszania skierowane do odbiorców we wszystkich węzłach sieci. Numer
portu DSAP = 63 wyróżnia komunikaty skierowane do wszystkich odbiorców węzła DA ( lub
wszystkich węzłów w przypadku rozgłaszania).
Usługi warstwy liniowej
Użytkownicy sieci, tzn. wykonywane w poszczególnych węzłach programy, mogą przesyłać
między sobą dane, wywołując udostępniane im przez warstwę liniową usługi. Każda usługa
jest realizowana przez wykonanie w sieci pojedynczej lub cyklicznie powtarzanej transakcji.
Warstwa liniowa udostępnia użytkownikom węzłów nadrzędnych cztery rodzaje usług:
a) wysyłanie danych z potwierdzeniem;
b) wysyłanie danych bez potwierdzenia;
c) wysyłanie danych i odebranie odpowiedzi;
d) cykliczne wysyłanie danych i odbieranie odpowiedzi;
Wszystkie usługi są opcjonalne – zestaw usług wykonywanych przez różne węzły sieci może
być więc różny.
Warstwa aplikacyjna
Usługi
warstwy
aplikacyjnej
umożliwiają
użytkownikom
dostęp
do
obiektów
programowych, takich jak: zmienne, tablice lub rekordy, istniejących w innych węzłach sieci.
Udostępnione do komunikacji obiektu mogą przyjmować wartości należące do ściśle
18
określonych typów, a format transmisji wartości wszystkich typów jest dokładnie
zdefiniowane. Sposób opisu usług warstwy aplikacyjnej jest bardzo ogólny i obejmuje tylko
określenie ich funkcji, bez odniesienia się do sposobu ich realizacji. Dzięki temu możliwe jest
efektywne wykorzystanie standardu do współpracy węzłów sieci zrealizowanych w oparciu o
bardzo różne architektury sprzętowe i programowe.
Użytkownik sieci, tzn. wykonywane w danym węźle programy, definiuje różne obiekty
programowe, takie jak zmienne proste lub tablice, i udostępnia niektóre z nich użytkownikom
innych węzłów. Ta część funkcjonalności użytkownika, która jest związana z udostępnianiem
obiektów innym użytkownikom jest w abstrakcyjny sposób reprezentowana przez wirtualne
urządzenie sieciowe (VFD). Zasadniczym elementem VFD jest słownik obiektów (OD)
opisujący wszystkie zdefiniowane w danym węźle obiekty programowe, które mogą stać się
przedmiotem komunikacji.
Usługi warstwy aplikacyjnej umożliwiają użytkownikom innych węzłów dostęp do
obniektów zdefiniowanych w OD danego węzła. Usługi są wykonywane zgodnie ze
schematem klient – serwer, w którym serwer udostępnia swoje obiekty dla działań klienta.
Rys. 7. Wirtualne urządzenie sieciowe, relacja komunikacyjna i wywołanie usług
Relacje komunikacyjne
Warstwa liniowa implementuje w każdym węźle sieci zestaw portów, przez które
programy wykonywane w tym węźle mogą wysyłać i odbierać dane do i od programów
wykonywanych w innych węzłach. Każdy przekaz danych między dwoma węzłami sieci musi
przejść przez jakiś port w jednym i w drugim węźle. Para portów – po jednym w każdym z
dwóch współpracujących węzłów – tworzy w warstwie aplikacyjnej reakcję komunikacyjną
dostępną dla wykonywanych w tych węzłach programów. Definicja relacji komunikacyjnej
19
obejmuje: numer portu własnego węzła docelowego oraz opis wszystkich usług warstwy
aplikacyjnej, które mogą być w tej relacji wywołane.
4.2. Rodzina PROFIBUS
Rodzina Profibus składa się z trzech zgodnych wersji ukierunkowanych na różne
zastosowania.
a) PROFIBUS – DP
Jest to wersja Profibus zoptymalizowana pod względem szybkości, dedykowana do
komunikacji pomiędzy kontrolnymi systemami automatyki a rozproszonymi układami
wejścia – wyjścia. Eliminuje stosowanie sygnałów obiektowych 24 V lub 0÷20 mA.
b) PROFIBUS – PA
Wersja ta jest przeznaczona do zastosowania w automatyzacji procesów produkcyjnych i
pozwala na podłączenie sensorów i aktuatorów za pomocą wspólnej magistrali w
obszarach zagrożonych wybuchem. Dzięki zastosowaniu techniki transmisyjnej możliwe
jest przesyłanie zarówno danych komunikacyjnych jak i zasilania za pomocą
dwuprzewodowego okablowania.
c) PROFIBUS – FMS
Jest to uniwersalna wersja, realizuje ona cykliczne i acykliczne zadania przekazu danych
między inteligentnymi urządzeniami obiektowymi takimi jak sterowniki PLC, komputery
przemysłowe, itp. Bogata funkcjonalność usług FMS pozwala na budowanie
kompleksowych i elastycznych aplikacji.
Charakterystyka sieci Profibus - DP
Ze względu na popularność standardu Profibus – DP oraz fakt iż jest on obiektem
zainteresowania w niniejszej pracy magisterskiej poniżej przedstawiono szerszą jego
charakterystykę.
Struktura sieci
Standard Profibus – DP definiuje ograniczoną konfigurację sieci, w której występuje jeden
węzeł nadrzędny odpytujący podporządkowane mu węzły podrzędne. Podstawowym trybem
pracy sieci jest bardzo szybka, cykliczna wymiana danych między węzłem nadrzędnym i
węzłami podrzędnymi. Taka konfiguracja systemu odpowiada funkcjonalnie połączeniu
20
jednostki centralnej komputera lub sterownika programowanego z rozproszonymi układami
sprzęgu procesowego. Węzeł odpytujący jest nazywany węzłem nadrzędnym DP pierwszego
rodzaju (DP Master klasy 1). Jest to węzeł pełniący rolę sterownika centralnego, który w
ściśle
określonym
cyklu
komunikacyjnym
wymienia
informacje
ze
swoimi
zdecentralizowanymi modułami peryferyjnymi Slave – DP. Typowymi przedstawicielami
DPM1 są sterowniki swobodnie programowalne PLC, komputery PC. W złożonej sieci DP
może dodatkowo istnieć inny węzeł nadrzędny, pełniący rolę programatora sieci lub stacji
konfiguracyjno – diagnostycznej. Węzeł tego typu jest nazywany węzłem nadrzędnym DP
drugiego rodzaju (DP Master klasy 2). Należy tutaj wymienić programatory, konfiguratory,
przyrządy diagnostyczne czy urządzenia operatorskie. Są one wykorzystywane podczas
uruchamiania instalacji oraz zadawania i kontroli pracy całego systemu. Do węzłów
podrzędnych, tzw. DP – Slave zaliczamy pasywne węzły będące modułami peryferyjnych
wejść i wyjść cyfrowych, wejść i wyjść analogowych, napędów, zaworów, paneli
operatorskich.
Typy konfiguracji
Rozróżnia się dwa typy konfiguracji:
a) monomaster
b) multimaster
Konfiguracja monomaster występuje wtedy gdy mamy jedną stację nadrzędną, np.
sterownik swobodnie programowalny PLC albo komputer PC, która jest połączona ze
zdecentralizowanymi modułami wejść i wyjść, czujnikami lub elementami wykonawczymi.
System monomaster składa się z 1 do 125 urządzeń Slave, oraz jednego Mastera.
Systemy
wykorzystujące
tą
konfigurację
zapewniają
najkrótsze
cykle
systemu
komunikacyjnego, gdyż nie zachodzi w nich konieczność przekazywania uprawnień między
urządzeniami master oraz wyszukiwania nowych stacji. Systemy takie są w stanie przesłać
1 kB danych wejściowych i wyjściowych w czasie krótszym niż 2 ms.
W konfiguracji multimaster występują dwie nadrzędne stacje Master klasy1 wraz z
podległymi stacjami pasywnymi Slave.
Warstwa fizyczna w Profibus – DP
21
Standard Profibus – DP zmienia definicję warstwy fizycznej i dopuszcza stosowanie dwóch
rodzajów kabla: typu B, opisanego w tabeli 4, i nowego, typu A, opisanego w tabeli 6.
Zastosowanie kabla typu A umożliwia zwiększenie szybkości transmisji lub wydłużenie
zasięgu sieci. Ze względu na zmienioną impedancję falową, zmienione są również
terminatory kabla typu A. Zarówno typ złączy, jak i rozkład sygnałów na złączu pozostają nie
zmienione.
Rodzaj kabla
Ekranowana skrętka o impedancji falowej 135 – 165 Ω,
pojemności między przewodami nie przekraczającej 30
pF/m i przekroju przewodnika co najmniej 0.34 mm2
Magistralowa, długość doprowadzeń węzłów ≤ 6.6 m
9.6; 19.2; 93.75; 187.5; 500; 1500 Kbit/s lub 12 Mbit/s
Topologia
Szybkość
transmisji
Długość segmentu Zależy od szybkości transmisji i wynosi:
≤ 1200 m dla szybkości ≤ 93.75 Kbit/s
≤ 1000 m dla szybkości ≤ 187.5 Kbit/s
≤ 400 m dla szybkości ≤ 500 Kbit/s
≤ 200 m dla szybkości ≤ 1500 Kbit/s
Liczba węzłów
Co najwyżej 126 węzły (lub powtarzacze) w segmencie
Tabela 6. Parametry segmentu sieci
Zmianie nie ulega również zakres funkcji wykonywanych przez warstwę fizyczną. Z tego
powodu niezmienione pozostają także operacje, za pomocą, których warstwa fizyczna
komunikuje się z warstwą liniową.
Warstwa liniowa w Profibus – DP
Definicja warstwy liniowej w standardzie Profibus – DP nie zmienia się. W podwarstwie
dostępu do kabla nie zmienia się ani protokół ubiegania się węzłów o prawo nadawania, ani
sposób przekazywania znacznika między węzłami nadrzędnymi dzielącymi ten sam kabel. Po
otrzymaniu znacznika węzeł nadrzędny odpytuje podporządkowane mu węzły podrzędne.
Istotnym wymaganiem narzuconym przez standard Profibus DP, a które nie występuje w
definicji warstwy liniowej (FDL), jest żądanie, aby węzeł nadrzędny mógł odpytać wszystkie
węzły podrzędne w tym samym cyklu obiegu znacznika.
Wszystkie wiadomości węzłów nadrzędnych są przekazywane w sieci jako komunikaty o
wysokim
priorytecie.
Odpowiedzi
węzłów
podrzędnych
przenoszące
informacje
diagnostyczne są przekazywane jako komunikaty o wysokim priorytecie, a odpowiedzi
przenoszące dane – jako komunikaty o priorytecie niskim.
22
„Warstwa aplikacyjna” w Profibus – DP
Organizacja sieci Profibus DP nie do końca mieści się w ramach siedmiowarstwowego
modelu OSI. W terminologii tego modelu standard Profibus DP definiuje tylko sprzęg
programu z usługami warstwy liniowej, natomiast nie wprowadza żadnej dodatkowej
warstwy funkcjonalnej, ani związanego z tą warstwą protokołu.
Ogólny model architektury węzłów sieci Profibus DP różnych rodzajów przedstawia
rysunek (8). Niezależnie od rodzaju, w każdym węźle sieci występują standardowe warstwy:
fizyczna i liniowa. Dostęp do usług warstwy liniowej uzyskuje się poprzez dodatkowy sprzęg
odwzorowania łącza (DDLM). Program użytkownika wykonywany w węźle nadrzędnym DP
drugiego rodzaju może komunikować się z węzłami nadrzędnymi pierwszego rodzaju oraz z
węzłami podrzędnymi, wywołując bezpośrednio funkcje odwzorowania łącza. Programy
wykonywane w węzłach innego rodzaju nie mają bezpośredniego dostępu do funkcji
odwzorowania łącza i mogą uczestniczyć w komunikacji tylko za pośrednictwem sprzęgu
użytkownika. Sprzęg ten składa się z zespołu stałych aplikacji, umożliwiających cykliczna
wymianę danych, odczyt informacji diagnostycznych i konfiguracyjnych z węzłów
podrzędnych oraz sterowanie praca tych węzłów.
Rys. 8. Warstwowa struktura węzłów w Profibus DP
Sprzęg użytkownika w węźle nadrzędnym DP pierwszego rodzaju oraz w węzłach
podrzędnych obejmuje stały zbiór aplikacji, które realizują bardzo efektywną wymianę
danych w sieci. Podstawowym trybem pracy tych aplikacji jest cykliczne odpytywanie
wszystkich węzłów podrzędnych. Program użytkownika wykonywany w węźle nadrzędnym
ma pełny dostęp do wszystkich cyklicznie przekazywanych danych, poprzez obszary danych
23
sprzęgu użytkownika. Program ten może również sterować pracą sprzęgu użytkownika przez
wywoływanie kilku rodzajów funkcji.
Rys. 9. Struktura oprogramowania węzła nadrzędnego DP pierwszego rodzaju
Zasada wymiany danych w Profibus DP
Transmisja danych przez Profibus DP bazuje na strukturze telegramów o wysokiej
efektywności. Dane wejściowe i wyjściowe ze stacji są transmitowane w pojedynczym cyklu
odpytywania. Master wysyła telegram żądania (ang. Request), który zawiera dane wyjściowe
dla DP Slave. Slave odpowiada natychmiast po otrzymaniu zapytania. W telegramie
odpowiedzi (ang. Response) DP – Slave umieszcza stany swoich wejść. Jeśli telegram
żądania lub odpowiedzi jest uszkodzony, np. przez zakłócenia elektromagnetyczne, to Master
natychmiast powtarza cykl wysyłania telegramu. Liczba powtórzeń jest konfigurowalna.
Każda ramka może zawierać do 244 Bytes informacji o danych wejściowych i wyjściowych
(rysunek 10).
Przegląd funkcji w Profibus DP
W celu uruchomienia systemu komunikacji Profibus DP wystarczy jedynie:
a) przyporządkować poszczególne urządzenia Slave do konkretnych Master’ów;
b) ustalić czas cyklu;
24
c) określić kolejność odpytywania Slave’ów;
Rys. 10. zasada wymiany danych w Profibus – DP
DPM1
DPM2
DP-Slaves DP-Slaves
Parametryzowanie / Konfiguracja
∗
∗
Transmisja danych diagnostycznych od Slave
∗
∗
Transmisja danych diagnostycznych od Master Cykliczna wymiana danych
∗
∗
Komendy Sync + Freeze
∗
∗
Nadanie adresu dla Slave
∗
Acykliczny odczyt stanów we / wy
∗
Acykliczny odczyt / zapis danych
∗
∗
Funkcje obsługi alarmów
∗
∗
Załadowanie / ściągnięcie parametrów Master
Tabela 7. Funkcje wykorzystywane w Profibus DP
25
DPM1
DPM2
∗
∗