Dovolte nám provést Vás naším třídílným miniseriálem o PROFIBUSU DP.
Dnes Vám představujeme první část, ve které Vás seznámíme, co vlastně PROFIBUS DP je a pojmenujeme několik základních výrazů.

CO JE PROFIBUS

ProfiBus byl vytvořen v roce 1989 německou vládou ve spolupráci s několika výrobci zařízení pro automatizaci. Jde o formát zasílání zpráv navržený speciálně pro vysokorychlostní I/O operace ve výrobních závodech a automatizaci budov. Pracuje na bázi otevřeného standardu a je považován za nejrychlejší v současnosti provozovaný prostředek typu FieldBus. Jeho základem je RS485 a evropská elektrotechnická norma EN50170. Přípona DP znamená „decentralizovaná periferie“, což označuje distribuovaná I/O zařízení spojená prostřednictvím rychlé sériové datové linky s hlavní řídicí stanicí. Naproti tomu programovatelný automat (PLC) má standardně vstupní a výstupní kanály uspořádány centrálně. Zavedením síťové sběrnice mezi hlavní řídicí stanicí (masterem) a jeho I/O kanály (slave) se vstupy a výstupy decentralizovaly.

ProfiBus je postaven na mezinárodních standardech a navržen podle referenčního modelu OSI (Open System Interconnection) v souladu s mezinárodní normou ISO 7498. V tomto modelu každá vrstva řeší přesně definované úkoly. Vrstva 1 tohoto modelu je fyzická vrstva a definuje fyzikální charakteristiky přenosu. Vrstva 2 je datová (linková) vrstva, která definuje přístupový protokol sběrnice. Vrstva 7 je aplikační vrstva, která definuje funkce aplikací.

Komunikace ProfiBus používá master stanice k dotazování podřízených (slave) zařízení rozmístěných na sériové sběrnici RS485 metodou dotaz – odpověď. ProfiBus slave je jakékoliv periferní zařízení (I/O převodník, ventil, IO periferie nebo jiný měřicí přístroj), které zpracovává informace a odesílá svůj výstup do mastera. Slave tvoří v síti „pasivní stanici“, protože nemá přístupová práva ke sběrnici a může pouze potvrzovat přijaté zprávy nebo na vyžádání odesílat do mastera odpovědi. Je třeba mít na paměti, že všechna slave zařízení ProfiBus mají stejnou prioritu a veškerá síťová komunikace pochází z mastera.

Master zařízení ProfiBus tvoří v síti „aktivní stanici“. ProfiBus DP definuje dvě třídy masterů. Master třídy 1 zajišťuje normální komunikaci nebo výměnu dat s přidělenými slave zařízeními. Master třídy 2 je speciální zařízení, používané především ke spouštění slave zařízení a pro diagnostické účely. Některé mastery mohou podporovat funkce třídy 1 i třídy 2. Komunikace master-to-master standardně není v Profibusu povolena, kromě případů, kdy jde o udělení přístupových práv ke sběrnici jinému masteru prostřednictvím výměny tokenu. Komunikaci master-to-master mezi dvěma jednomasterovými systémy však lze usnadnit pomocí brány DP-DP. Mějte na paměti, že výměna přístupových práv ke sběrnici prostřednictvím principu „token ring“ proběhne pouze mezi mastery na sběrnici.

Master zařízení třídy 1 je obvykle centrální programovatelný automat (PLC) nebo PC, na němž běží speciální software. Master třídy 1 nastaví přenosovou rychlost a slave zařízení tuto rychlost automaticky detekují. Master třídy 1 realizuje výměnu dat s přidělenými slave zařízeními a počíná si jako hlavní řadič pro výměnu I/O informací se svými distribuovanými slave zařízeními, když cyklicky načítají uživatelská I/O data podle definovaného cyklu zpráv. Master může aktivně komunikovat s přidělenými slave zařízeními, ale pouze pasivně (na vyžádání) s jiným masterem třídy 2.

Master třídy 2 je obvykle konfigurační zařízení, např. programátorský notebook PG a je určen pro uvádění do provozu, údržbu nebo diagnostické účely. Funguje jako „dohledový“ master tím, že může aktivně komunikovat s mastery třídy 1 a jejich slave zařízeními, vedle svých vlastních slave zařízení, ale obvykle jen pro účely konfigurace, diagnostikování problému a výměny dat a parametrů. To znamená, že mastery třídy 2 mohou převzít kontrolu slave zařízení pouze krátce. Všechny výměny mezi masterem třídy 2 a masterem třídy 1 začínají u mastera třídy 2.

ProfiBus DP obvykle funguje pomocí cyklického přenosu dat mezi masterem (mastery) a slave zařízením(i) na síti RS485. To znamená, že přidělený master se periodicky dotazuje („poll“) jednotlivých uzlů (slave) v síti. Veškerá datová komunikace mezi master a slave zařízením začíná v master zařízení. Každé slave zařízení je přiděleno jednomu masteru a pouze tento master může do tohoto zařízení zapisovat výstupní data. Ostatní mastery mohou číst informace z libovolného slave zařízení, ale zapisovat výstupní data mohou pouze do svých přidělených slave zařízení.

Mastery se mohou obracet na jednotlivá slave zařízení, jejich definovanou skupinu (multicast) nebo odeslat telegram do všech připojených slave zařízení (broadcast). Slave zařízení vrátí odpověď na všechny telegramy určené jim individuálně, ale neodpovídají na broadcast nebo multicast telegramy z master zařízení. ProfiBus odesílá zprávy broadcast a multicast jako global control telegramy pomocí adresy 127 a volitelného skupinového čísla cílové skupiny slave zařízení.

Protože ProfiBus používá cyklický (periodický) mechanismus dotazování mezi mastery a slave zařízeními, je také deterministický. To znamená, že chování systému ProfiBus v čase lze spolehlivě předpovědět. ProfiBus byl vlastně navržen k tomu, aby byla zajištěna deterministická odpověď. Naproti tomu CAN a Ethernet jsou sběrnicové systémy řízené událostmi a tvoří proto nedeterministické systémy.

Délka (a časování) I/O dat přenášených z jednotlivého slave zařízení do mastera je předdefinována v datové bázi slave zařízení nebo v souboru GSD. Soubory GSD jednotlivých zařízení připojených prostřednictvím sítě (pouze slave zařízení a mastery třídy 1) dohromady tvoří záznam parametrů mastera, který obsahuje parametrizační a konfigurační data, seznam přidělených adres a parametry sběrnice pro všechny připojené stanice. Master tyto informace používá pro navázání komunikace s jednotlivými slave zařízeními při spouštění.

Jakmile master obdrží svůj záznam parametrů mastera, je připraven zahájit výměnu dat se svými slave zařízeními. Během spouštění, po resetu systému nebo při obnově dodávky energie se master pokusí znovu navázat kontakt se všemi jemu přidělenými slave zařízeními, než přistoupí k cyklické výměně I/O dat. Každé slave zařízení musí již mít platnou unikátní adresu od 0 do 125, aby mohlo komunikovat s masterem. Každé slave zařízení s defaultní adresou 126 bude očekávat od mastera třídy 2 příkaz Set_Slave_Address, než bude moci být parametrizováno. Adresu 126 mají většinou zařízení, u kterých se DP adresa nastavuje pomocí SW aplikace (nemají přepínače). Při pokusu o navázání komunikace začíná master u slave zařízení s nejnižší adresou a končí u slave zařízení s nejvyšší adresou. Master zašle parametrizační a konfigurační telegramy všem svým přiděleným slave zařízením (k slave zařízení má přístup pro zápis pouze jeho přidělený master, tj. master, který je parametrizoval a konfiguroval při spouštění). Parametrizační a konfigurační telegramy slouží k tomu, aby master znal funkci a konfiguraci slave zařízení. Pokud je na síťovou sběrnici přidáno další slave zařízení, které zatím nebylo vzato v úvahu v záznamu mastera, musí být vygenerován nový záznam mastera a provedena nová konfigurace, aby byl master informován o stavu tohoto nového zařízení. Tento proces obecně vyžaduje restart Master komunikace, nicméně někteří výrobci umí toto řešit i za provozu sítě, tzn. bez výpadku DP komunikace přidáte do sítě novou stanici.

ProfiBus DP nejčastěji používá jedno master zařízení třídy 1 (mono-master), které se cyklicky dotazuje řady distribuovaných slave zařízení. ProfiBus však také umožňuje acyklickou komunikaci mezi mastery třídy 2 a slave zařízeními, při níž může být aktivní více než jedna stanice nebo master. Master třídy 1 automaticky detekuje přítomnost nové aktivní stanice připojené k síťové sběrnici (master třídy 2). Jakmile master třídy 1 dokončí svůj cyklus dotazování, předá masteru třídy 2 „token“, který mu zajistí dočasný přístup ke sběrnici. Deterministické chování je zachováno, protože master třídy 2 může využít pouze čas, který mu byl přidělen prostřednictvím stanoveného času gap time. Přestože se obecně doporučuje jednomasterový provoz, není to povinné. Systém ProfiBus tedy může mít více než jednoho mastera třídy 1, ale komunikace mezi mastery není povolena, s výjimkou případu, kdy jde o udělení přístupových práv ke sběrnici prostřednictvím výměny tokenu.

Pro ilustraci principu komunikace mezi mastery v systému ProfiBus DP: master třídy 1 si cyklicky vyměňuje data se všemi jemu přidělenými slave zařízeními, a to s jedním po druhém podle svého seznamu přidělených slave zařízení, který získal ze záznamu mastera. Na konci tohoto datového cyklu je přidělen další čas (gap time), určený pro acyklickou komunikaci mezi masterem třídy 2 a týmiž slave zařízeními. Během této doby poskytne master třídy 1 masteru třídy 2 token zajišťující mu přístupová práva ke sběrnici. Master třídy 2, který aktuálně vlastní token, má možnost vyměňovat si data se všemi slave zařízeními po dobu daného časového intervalu, nazývaného token half-time nebo token hold-time (T_H). Potom může master třídy 2 pokračovat čtením dat nebo diagnostických informací z libovolného slave zařízení a po dokončení svého cyklu předá token zpět masteru třídy 1.

Protože během gap time obvykle není dost času na úplné dokončení výměny dat, může tento proces čtení dat masterem třídy 2 pokračovat po několik cyklů. Na konci přenosu záznamu master třídy 2 ukončí spojení. Mějte však na paměti, že master třídy 2 může navázat spojení se slave zařízeními pouze v průběhu gap time.

Jak je uvedeno výše, master třídy 2 může dočasně převzít kontrolu nad slave zařízením DP. Po tuto dobu slave zařízení DP ukončí svoji normální výměnu dat s masterem třídy 1. Master třídy 1 to zaregistruje a pokračuje cyklickým dotazováním slave zařízení na diagnostiku, přičemž kontroluje pole Master Address tak dlouho, dokud je přítomna jiná platná adresa. Jakmile master třídy 2 dokončí svoji komunikaci se slave zařízením, nastaví pole Master Address slave zařízení na neplatné (255). V důsledku toho se master třídy 1 pokusí znovu převzít kontrolu nad slave zařízením a před obnovením výměny dat s tímto zařízením provede jeho novou parametrizaci a konfiguraci....číst dál