PROFIBUS

Rys. 3. Model warstwowy OSI dla sieci Profibus

Jest to otwarty standard magistrali komunikacyjnej dla przemysłu zaprojektowany przez firmę Siemens, w skład którego wchodzą trzy rozwiązania: Profibus-FMS (Fieldbus Message Specification), Profibus-DP (Decentralized Periphery) oraz Profibus-PA (Process Automation). Wariant FMS zapewnia kompleksową komunikację pomiędzy systemami automatyki (np. sterownikami PLC), wymianę informacji pomiędzy urządzeniami sieciowymi i może być stosowany w szerokim zakresie aplikacji działających z różną prędkością transmisji danych.

Wersja Profibus-DP to rozwiązanie przeznaczone do sieci, w których kluczową rolę odgrywa szybkość transmisji danych. Zostało ono zaprojektowane i zoptymalizowane zwłaszcza do komunikacji pomiędzy rozproszonymi urządzeniami sieciowymi i zapewnia mniej niż 2ms na transmisję 1kB danych. Z kolei Profibus PA przystosowano do spełniania specjalnych wymagań w procesach automatyki przemysłowej, takich jak bezpieczna technika transmisji, zasilanie urządzeń sieciowych poprzez magistralę systemową, wiarygodne przesyłanie danych, interoperacyjność pomiędzy różnymi producentami (standaryzacja funkcji urządzeń).

Sieci Profibus w wersjach DP oraz PA mają szerokie możliwości w zakresie diagnostyki, monitoringu stanu zachowań awaryjnych, parametryzacji. Dodatkowo wykazują cechy deterministyczne i są łatwo konfigurowane za pomocą jednego narzędzia. Wszystkie warianty sieci Profibus obsługują jedną standardową metodę dostępu do magistrali. Używane media transmisyjne to zarówno skrętka ekranowana, jak i sieci światłowodowe oraz transmisja bezprzewodowa.

Wersje optyczne stosowane są w miejscach narażonych na oddziaływanie silnych pól elektromagnetycznych. Transmisja w standardzie IEC 61158 zapewnia komunikację na obszarach szczególnie niebezpiecznych (zagrożonych wybuchem). Warianty Profibusa oparte są na referencyjnym modelu warstwowym ISO/OSI do komunikacji sieciowej (rys. 3). Ze względu na efektywność rozwiązania implementacji poddano jedynie warstwy: pierwszą, drugą i siódmą (w przypadku FMS).

ZASILANIE PRZEZ SIEĆ

Rys. 4. Sposób formowania sygnału Fieldbus wykorzystuje kodowanie Manchester (u góry) oraz pętlę prądową w interfejsie fizycznym (dolny)

Tematyka zasilania jest nieraz źródłem problemów z eksploatacją omawianych sieci, a jednocześnie obszarem, o którym nie mówi się ani nie pisze zbyt często. Aby zrozumieć różne kwestie związane z zapewnieniem zasilania w sieciach typu Foundation Fieldbus, konieczne jest wstępne poznanie sposobu ich działania oraz transmisji sygnałów. Do przesyłania informacji stosuje się tutaj kodowanie Manchester przy użyciu funkcji boolowskiej OR działającej na danych źródłowych oraz sygnale zegarowym, co przedstawiono na rysunku 4.

W przypadku rozwiązań Profibus PA oraz Fieldbus H1 zegar pracuje z częstotliwością 16 MHz, co oznacza, że podczas transmisji zmiany w kodowanych sygnale nie mogą być częstsze niż co 32μs. Informacja jest przesyłana, gdy występuje zbocze sygnału zegarowego - tzn. interfejs interpretuje przejście ze stanu 1 na 0 sygnału lub odwrotnie jako bit informacji. Wykrywana jest tu zmiana wartości napięcia bądź prądu - czyli przekroczenie połowy wartości amplitudy sygnału, a nie osiągnięcie minimalnej bądź maksymalnej jego wartości.

Taka procedura pomaga zredukować zakłócenia oraz zapewnia wysoką integralność sygnału w otoczeniu przemysłowym. Dwa dolne wykresy na rysunku 4 pokazują dlaczego konieczne jest zapewnienie zasilania w każdym segmencie sieci. Dolny graf wskazuje na zmianę wartości prądu obserwowaną na parze przewodów podczas komunikacji - prąd ten może zmieniać się w zakresie od ±15 do ±20mA. Dwa górne wykresy obrazują napięcie, które jest detekowane przez interfejs I/O portu sieciowego w urządzeniu.

Rys. 5. Filtr zasilania w Fieldbusie

Sygnał zmienia się pomiędzy ±0,75 a ±1V wokół nominalnego napięcia bazowego. Ponieważ mierzone jest przejście sygnału ze stanu logicznego 1/0 0/1, zmiana jest nie większa niż ±0,25V. Dodatkowo w specyfikacji FF wymagane jest minimum 9V napięcia zasilającego na każde urządzenie w sieci (typowo limit ten jest nałożony na urządzenie położone najdalej od zasilacza) i maksimum 32V na każde urządzenie.

Typowo większość zasilaczy jest ograniczona do wartości nominalnej poniżej 32V. Standardowy 24-woltowy zasilacz z filtrem indukcyjnym dla szybkozmiennych sygnałów sieciowych, jak na rys. 5, izolującym oscylacje i szumy, po uwzględnieniu rezystancji kabla sieciowego zapewnia wymagane poziomy napięć w odległoś ci do około 1km kabla, co oznacza, że w ten sposób daje się zasilać urządzenia w obrębie jednego węzła sieci.

FF KONTRA PROFIBUS PA

Rys. 6. Zasięg rozwiązań Profibus PA oraz Foundation Fieldbus

Protokoły FF i Profibus PA sprawdziły się jako rozwiązania przemysłowe zapewniające znaczącą redukcję kosztów w przedsiębiorstwach, dwukierunkową komunikację, informację o statusie zmiennych procesów, funkcjonalność alarmów i pozwalają na zasilanie poprzez łącze komunikacyjne. Oba rozwiązania wykorzystują ten sam typ okablowania, zaś główni producenci sprzętu sieciowego wspierają zarówno Profibus, jak i Foundation Fieldbus, więc w zasadzie do użytkownika należy ostateczna decyzja o wyborze protokołu.

Porównując protokoły, widzi się, że główną różnicą jest zasięg oddziaływania pomiędzy urządzeniem sieciowym a systemem nadrzędnym (hostem) (rys. 6). W przypadku Profibus PA zasięg sieci jest "przesunięty" w stronę urządzeń sterowania i decyzyjnych, przez co fundamentalna różnica leży w sposobie kontroli i sterowania systemami. Z tych powodów także stos protokołu reprezentowany przez FF jest większy (350KB) aniżeli ten odpowiadający Profibus PA (około 50KB).

Zwiększenie wielkości stosu spowodowane jest narzutem generowanym przez nagłówki bloku kontrolnego, który oferuje większą funkcjonalność w przypadku FF. Oznacza to też, że koszty produkcji każdego z urządzeń FF będą nieco wyższe od Profibusa. Porównując ceny urządzeń pochodzących od kilku producentów, widzimy, że rozwiązanie FF jest średnio o kilkadziesiąt dolarów droższe od jego odpowiednika Profibus.

Zwiększenie wielkości pamięci oraz szybkości zegara powoduje też zwiększenie poboru mocy przez FF. Oba protokoły PA i FF korzystają z tego samego rodzaju przewodów i złączy. Bogatsza funkcjonalność rozwiązania FF pozwala na nieco większe zarządzanie tymi sieciami. Bardziej ekonomicznym i łatwym do wdrożenia rozwiązaniem wydaje się być zatem Profibus PA, zaś dla użytkowników wymagających specjalistycznej funkcjonalności zarządzania zaleca się korzystanie z rozwiązań Fieldbus Foundation.

Katarzyna Ławniczuk
Robert Magdziak