Международный сетевой стандарт, такой как ProfiBus, широко принят и обычно используется в крупных сборочных, погрузочно-разгрузочных машинах и системах управления технологическими процессами. Эта управляющая сеть просто поддерживает многовходовую проводку с однокабельными блоками датчиков, подсети меньшего размера, такие как AS-i, сложные интеллектуальные устройства, интерфейсы оператора и пневматические клапаны. Основная цель ProfiBus - обеспечить взаимодействие между контроллерами или системой управления и полевыми датчиками. Эта сеть использует модель OSI для обеспечения эффективного и простого взаимодействия устройств различных производителей. ProfiBus впервые был представлен министерством образования и научных исследований Германии. После этого в 1989 году компания Siemens использовала его в сотрудничестве с различными производителями оборудования для автоматизации. В настоящее время в системах автоматизации процессов используется более 11,5 миллионов устройств на базе ProfiBus.
Что такое ProfiBus?
Термин “ProfiBus” расшифровывается как “Технологическая полевая шина” и является наиболее широко используемой промышленной сетью управления во всем мире для управления промышленными процессами, контроля движения, автоматизации и систем безопасности.
Эта сеть поддерживается более чем 1400 поставщиками оборудования по всему миру. В модели OSI эта управляющая сеть предоставляет услуги на разных уровнях, таких как уровень 1, уровень 2 и уровень 7.
Двумя наиболее часто используемыми версиями ProfiBus являются ProfiBus-DP и ProfiBus-PA.
Устройства, используемые ProfiBus, являются ведущими и ведомыми. Основная функция главных устройств заключается в управлении шиной, как только у них появляется право доступа к шине, поэтому они могут передавать сообщения без какого-либо удаленного запроса, известного как активные станции. Подчиненные устройства обычно представляют собой периферийные устройства, такие как датчики, передатчики и исполнительные механизмы, которые могут разрешать принимать сообщения по запросу ведущего, отправлять сообщения этому ведущему, которые известны как пассивные станции.
Принцип работы ProfiBus:
ProfiBus использует связь master-slave между компонентами управляющей сети. При связи master-slave ведущий включает однонаправленное управление всеми своими подчиненными устройствами, а также процессами. Таким образом, контроллер всегда является ведущим, тогда как устройства ввода-вывода всегда будут подчиненными.
Типы ProfiBus;
ProfiBus доступен в трех совместимых версиях:
ProfiBus-DP.
ProfiBus-PA.
ProfiBus-FMS.
ProfiBus DP - один из наиболее часто используемых вариантов ProfiBus, так называемый стандартный ProfiBus. Основными преимуществами этого варианта являются: подключи и работай, передача данных может осуществляться очень быстро и наиболее часто используется в производственных средах по всему миру. Этот вариант специально разработан для высокоскоростной передачи данных между системами автоматического управления и распределенного ввода-вывода на уровне устройства. Центральные контроллеры, такие как ПК или ПЛК, взаимодействуют со своими распределенными полевыми устройствами через высокоскоростной последовательный канал. Таким образом, большая часть этой передачи данных через распределенные устройства может осуществляться циклически.
В дополнение к выполнению циклических функций доступны ациклические коммуникационные функции, особенно для интеллектуальных полевых устройств, позволяющие настраивать, диагностировать и обрабатывать сигналы тревоги. ProfiBus DP поддерживает до 126 узлов по шине, допускает несколько ведущих устройств, которые доступны в сети только в том случае, если все подчиненные устройства подключены к одному ведущему устройству. ProfiBus DP включает в себя три различные версии DP-V0, DP-V1 и DP-V2. Версия DP V0 в основном используется в простом и удаленном оборудовании. Функции версии DPV0 в основном включают в себя: циклические данные, которыми можно обмениваться между ведущими и ведомыми устройствами, диагностику и GSD или общее описание станции. Версия DPV1 в основном используется всякий раз, когда требуется обмен асинхронными данными. Основные функции версии DPV1 включают в себя: ациклический обмен данными между ведущим и ведомым устройствами, управление сигнализацией, комбинацию с FDT и EDDL и функциональные блоки. Версия DPV2 в основном используется для выполнения различных функций с высокой производительностью, таких как обмен данными в широковещательной и синхронной связи. Особенности этой версии DPV2 в основном включают в себя: циклический режим времени является детерминированным, обмен данными может осуществляться с помощью связи slave to slave, избыточность загрузки, реализация протокола HART через DP и т.д.
ProfiBus PA - в основном предназначен для автоматизации процессов. Таким образом, он позволяет подключать различные датчики, а также исполнительные механизмы к одной общей шине даже в зонах с искробезопасной системой. Он обеспечивает передачу питания и данных по шине с помощью двухпроводной технологии, основанной на международном стандарте (IEC)1158-2
ProfiBus PA улучшает и заменяет традиционные системы автоматизации процессов, такие как 4-20 мА и HART. По сравнению с ProfiBus DP, питание и данные в ProfiBus PA передаются по аналогичным двум проводам. Кроме того, оба ProfiBus DP и PA одинаковы с точки зрения использования и протокола.
Спецификация сообщений ProfiBus FMS или ProfiBus fieldbus - это решение общего назначения, особенно для задач связи на уровне ячеек. В основном оно было разработано для взаимодействия между ПЛК и ПК путем передачи сложных данных между ними.
Это не подходило для сообщений малой сложности, в противном случае связь осуществлялась бы в более сложной и широкой сети. Мощные сервисы FMS обеспечивают огромную гибкость, а также могут использоваться для сложных и широких задач связи. В настоящее время ProfiBus FMS по-прежнему используется большим количеством операторов.
Технические характеристики ProfiBus:
Физический уровень, используемый в ProfiBus DP, - RS485.
Для передачи сигналов используется экранированная витая пара.
Длина кабеля в основном зависит от скорости передачи данных в бодах.
Количество устройств составляет 32 для каждого сегмента и может достигать 126, включая четыре ретранслятора.
Питание шины составляет 24 В постоянного тока.
Скорость передачи от 9,6 тыс. до 12 млн бит в секунду.
Размер передаваемых данных в основном зависит от типа устройства, например, входной объем составляет до 246 байт, а выходной - до 246 байт.
Идентификация устройства может быть выполнена на основе конкретного идентификационного номера для каждого устройства.
Физический уровень ProfiBus PA соответствует стандарту IEC 61158-2.
Используемая топология - магистраль с разветвлением.
Длина кабеля составляет 1900 метров.
Количество используемых устройств - 32.
Мощность шины составляет до 0/5 А для каждого сегмента.
Скорость передачи составляет 31,25 Кбит/сек.
Структура ProfiBus:
ProfiBus - это открытая и независимая от поставщика стандартная шина, используемая в различных областях применения, таких как автоматизация процессов и производство. Они застрахованы по международным стандартам, таким как EN 50254 и EN 50170. ProfiBus просто обеспечивает связь между устройствами разных производителей без какой-либо настройки специального интерфейса. Его можно просто использовать как для критически важных по времени, высокоскоростных, так и для сложных коммуникационных задач. ProfiBus предоставляет протоколы связи, такие как FMS и DP, на основе запроса, технологии передачи, такие как RS-485, IEC 1158-2, в противном случае доступна оптоволоконная оптика.
Архитектура протокола ProfiBus - это эталонная модель взаимодействия открытой системы
(OSI). В архитектуре этого типа каждый уровень передачи точно обрабатывает определенные задачи. Таким образом, физический уровень или уровень 1 просто определяет характеристики физической передачи. Канальный уровень передачи данных или уровень 2 просто описывает протокол доступа к шине, а прикладной уровень или уровень 7 просто описывает функции приложения. Архитектура ProfiBus показана выше.
Профили приложений:
Профили приложений ProfiBus в основном описывают протокол связи через используемую технологию передачи, а также поведение полевых устройств во время обмена данными с использованием ProfiBus. Таким образом, наиболее важным профилем применения ProfiBus в настоящее время является ProfiBus PA, поскольку он определяет функциональные блоки и параметры устройств автоматизации процессов, таких как измерительные клапаны, позиционеры и датчики.
Прикладной уровень или слой 7:
В модели OSI прикладной уровень просто предоставляет пользователям сервисы приложения. Таким образом, эти сервисы сделают возможной эффективную, а также открытую передачу данных между уровнем 2 и прикладными программами. Прикладной уровень включает в себя два протокола DP и FMS.
DP - это очень эффективный протокол связи, который использует уровни 1, 2 и пользовательский интерфейс. Таким образом, эта оптимизированная архитектура обеспечит очень эффективную и быструю передачу данных. DDLM или средство отображения прямого канала передачи данных просто предоставляет пользовательский интерфейс для уровня 2. Функции приложения, доступные оператору и устройству, а также системное поведение различных типов устройств DP указаны в пользовательском интерфейсе.
FSM - Важность универсального коммуникационного протокола в FMS заключается в соединении уровней 1, 2 и 7. Уровень 7 или прикладной уровень в основном включает FMS (спецификация сообщений полевой шины) и LLI (интерфейс нижнего уровня). Таким образом, FMS просто описывает огромное количество коммуникационных служб, предназначенных для связи между ведущим и ведомым устройствами. Интерфейс нижнего уровня определяет описание служб FMS по протоколу передачи данных уровня 2. FSM - это распространенный коммуникационный профиль, который предлагает несколько сложных прикладных функций, используемых для связи между интеллектуальными устройствами. Но при дальнейшем техническом развитии ProfiBus и использовании TCP/IP на уровне ячейки FMS будет играть менее значительную роль в будущем.
Физический уровень или уровень 1 - Применение системы полевых шин в основном определяется доступной технологией передачи, а также обычными требованиями, предъявляемыми к системам шин, такими как большие расстояния, максимальная скорость передачи, высокая надежность передачи, процесс автоматизации, а также должны быть удовлетворены дополнительные требования, такие как работа в опасных зонах, передача данных и энергии по обычному кабелю. Поскольку невозможно удовлетворить все потребности с помощью одной технологии передачи, в настоящее время для ProfiBus доступны три метода передачи:
Передача данных по протоколу RS-485 используется в автоматизации производства для универсальных применений.
Передача данных по стандарту IEC 1158-2 используется в автоматизации процессов.
Оптические волокна используются для повышения помехоустойчивости, а также для увеличения расстояния в большой сети.
Канальный уровень передачи данных или уровень 2 - Уровень 2 или канальный уровень передачи данных просто определяет описание метода доступа к шине с обеспечением безопасности данных. При использовании ProfiBus это метод master-slave в комбинации с помощью метода токена. Как правило, канальный уровень передачи данных отвечает за перемещение сообщений или фреймов с одного узла на другой. На этом уровне единицей передачи данных является фрейм. Этот уровень использует пакеты с сетевого уровня, чтобы суммировать их во фреймы, если размер фрейма становится очень большим, тогда пакет может быть разделен на небольшие фреймы. Таким образом, канальный уровень на стороне получателя принимает сигналы и собирает их в сообщения или фреймы. На следующей диаграмме показано основное соотношение канального уровня передачи данных с сетевым и физическим уровнями. Основные обязанности этого уровня обсуждаются ниже.
Каркас / Frame:
Канальный уровень передачи данных просто разделяет поток битов, полученных с сетевого уровня, на управляемые кадры.
Физическая адресация:
Если фреймы или сообщения передаются в различные системы сети, то этот уровень вставляет заголовок к фрейму, чтобы описать отправителя и получателя фрейма или сообщения.
Управление потоком:
В этот момент скорость передачи данных через приемник становится низкой по сравнению с данными, генерируемыми внутри отправителя, тогда канальный уровень передачи данных устанавливает механизм управления потоком, чтобы избежать перегрузки приемника.
Контроль ошибок:
Канальный уровень обеспечивает согласованность с физическим уровнем, включая механизмы для обнаружения и повторной передачи потерянных кадров. Он также использует механизм для идентификации повторяющихся сообщений или кадров. Таким образом, контроль ошибок обычно достигается на протяжении всего трейлера, включая конец кадра.
Контроль доступа:
Как только минимум два или более устройств подключены к аналогичному каналу, требуются протоколы этого уровня, чтобы решить, какое устройство обладает полномочиями управлять каналом в данный момент времени.
Канал передачи данных FDL или полевая шина:
ProfiBus использует единый протокол доступа к среде, который реализуется через канальный уровень передачи данных или уровень 2 модели OSI. Таким образом, это также включает в себя защиту данных, обработку телеграмм и протоколов передачи. Уровень 2 в ProfiBus известен как канал передачи данных FDL или Fieldbus. Канал передачи данных FDL или Fieldbus просто работает с помощью гибридного метода доступа, который объединяет передачу токена через метод master-slave. Системы управления технологическим процессом или контроллеры в сети ProfiBus DP являются ведущими, в то время как приводы и датчики являются подчиненными.
Разница между ProfiBus Dp и ProfiBus Pa;
ProfiBus Dp:
Децентрализованная периферия PROFIBUS используется для активации датчиков и исполнительных механизмов через централизованный контроллер в приложениях, основанных на промышленной автоматизации.
Он использует RS-485, хотя физический уровень отличается, протоколы схожи.
Она идентифицируется как шинная сеть с высокой производительностью и способна передавать 1000 данных точек ввода-вывода менее чем за несколько миллисекунд.
ProfiBus Pa:
ProfiBus process automation используется для улучшения и замены традиционных систем автоматизации процессов.
Он использует физический уровень MBPS (Manchester Encoded Bus Powered).
ProfiBus-PA может использоваться в качестве альтернативы для передачи сигналов HART и от 4 до 20 мА в перерабатывающей промышленности.
Разница между ProfiNet и ProfiBus;
ProfiNet:
Profile или process field net - это протокол связи, основанный на Ethernet.
Она включает в себя две основные категории, такие как ProfiNet IO
Он работает со скоростью 100 мегабит/сек.
Длина кабеля для ProfiNet составляет до 100 метров.
Физическим уровнем, используемым в ProfiNet, является Ethernet.
Тип связи, используемый при этом, - ведущий/ведомый.
Файлы, используемые в ProfiNet для определения аппаратного обеспечения, являются файлами GSD.
Файлы в ProfiNet используют XML-файлы.
ProfiBus:
ProfiBus или полевая шина процесса используется для связи по полевой шине в рамках технологии автоматизации.
Он включает в себя три категории, такие как ProfiBus DP, FMS и PA.
Он работает со скоростью от 9600 бит/сек до 12 мегабит/сек.
Длина кабеля ProfiBus составляет до 1000 метров.
Физический уровень, используемый в ProfiNet, - это RS485.
Технология, используемая при этом, является поставщиком или потребителем.
Файлы, используемые ProfiBus для определения аппаратного обеспечения, являются файлами GSD.
Файлы в ProfiBus используют файлы ASCII.
Преимущества:
ProfiBus прост в использовании и гибок.
Он основан на модульности и стандартах.
Единственный протокол связи позволяет запускать полностью интегрированные решения для непрерывных, дискретных процессов и процессов, основанных на безопасности, на аналогичной шине.
Он обеспечивает гибридную автоматизацию и исключает использование отдельных систем.
Улучшено техническое обслуживание.
Обеспечивает быстрое и очень гибкое производство.
При этом используется меньше оборудования и проводов.
Оператор может постоянно отслеживать состояние и правильно реагировать.
Недостатки:
Его высокая эффективность при передаче коротких сообщений.
Недостаток питания на шине.
Дороговизна по сравнению с другими шинами.
Ограничение пропускной способности ProfiBus DP невелико, всего 244 байта для каждого узла.
Стоимость установки высока из-за наличия удлинителей расстояния и кабеля.
ProfiBus PA имеет низкую скорость передачи данных, например, 31,25 Кбит/с.
Ток по линиям шины передается медленно, но он по своей сути безопасен и идеально подходит для использования во взрывоопасных местах.
Области применения:
Он обеспечивает связь между полевыми датчиками и контроллерами или системой управления.
Решения ProfiBus используются в промышленной автоматизации, промышленных процессах, производстве и т.д.
Он используется как для сложных задач связи, так и для высокоскоростных приложений, требующих больших временных затрат.
Почему используется ProfiBus?
ProfiBus - это протокол, используемый в технологии автоматизации для связи по полевой шине. Эта сеть просто соединяет контроллеры и системы автоматизации с помощью различных устройств, таких как датчики, энкодеры и исполнительные механизмы. При использовании этих сетей обмен данными может осуществляться с помощью одного шинного кабеля.
Comments