Сеть PROFIBUS

Протокол PROFIBUS (PROcess Field BUS) разработан совместно группой немецких компаний: Siemens, Bosch и Klockner - Moeller.

В его задачи входит

1) организация связи с устройствами, гарантирующими быстрый ответ;

2) создание простой и экономичной системы передачи данных, основанной на открытых стандартах;

3) реализация интерфейса между уровнями 2 и 7 OSI -модели.

Стандарт протокола описывает уровни 1, 2 и 7 OSI -модели. В PROFIBUS используется гибридный метод доступа в структуре Master / Slave и децентрализованная процедура передачи маркера. Сеть может состоять из 122 узлов, из которых 32 могут быть Master -узлами. Адрес 0 зарезервирован для режима широкого вещания («broadcast»). Общая схема PROFIBUS -сети представлена на рис. 5.27.

Рис. 5.27. Схема сети PROFIBUS

В среде Master -узлов по возрастающим номерам узлов передается маркер, который предоставляет право на ведение циклов чтения/записи на шине.

Все циклы строго регламентированы по времени, организована система тайм-аутов. Протокол способен разрешать разнообразные коллизии на шине. Настройка всех основных временных параметров определяется пользователем.

При передаче данных обнаружение и исправление ошибок ведется на основе хеммингова расстояния 4, то есть в любой посылке данных 3 ошибочных бита будет обнаружено, а один бит может быть исправлен.

Задачи в области промышленной связи часто требуют разных решений. В одном случае необходим обмен сложными и длинными сообщениями со средней скоростью. В другом случае требуется быстрый обмен короткими сообщениями с использованием упрощенного протокола обмена, например, с датчиками или исполнительными механизмами. В третьем случае необходима работа в опасных участках производства, например в газопереработке. Все эти задачи могут быть решены с использованием протокола PROFIBUS, т.к. под общим названием понимается совокупность трех различных, но совместимых протоколов: PROFIBUS - DP, PROFIBUS - FMS и PROFIBUS - PA. Одни и те же каналы связи сети PROFIBUS допускают одновременное использование нескольких протоколов передачи данных.

PROFIBUS - DP (Decentralized Peripheral) – распределенная периферия; PROFIBUS - PA (Process Automation) – автоматизация процесса; PROFIBUS - FMS (Fieldbus Message Specification) – спецификация сообщений полевого уровня.

Сеть PROFIBUS - DP применяется для высокоскоростного обмена данными с оконечными устройствами. Протокол физического уровня базируется на стандарте RS -485. Длительность цикла опроса зависит от числа узлов в сети и для скорости обмена 1,5 Мбит/с и числа станций 32 составляет не более 6 мс. Максимальная скорость обмена 12 Мбит/с достигается на длине сегмента 100 м, минимальная – 100 Кбит/с на длине 1200 м. DP -протокол представляет функциональное подмножество 2-го уровня протокола PROFIBUS - FMS. Уровень 7 в PROFIBUS - DP не описан. Протокол, ориентирован на обеспечение скоростного обмена данными между системами автоматизации (ведущими DP -устройствами) и устройствами распределенного ввода-вывода (ведомыми DP -устройствами). Протокол характеризуется минимальным временем реакции и высокой стойкостью к воздействию внешних электромагнитных полей.

Сеть PROFIBUS - FMS реализует протокол общего назначения, разработанный для связи контроллеров и интеллектуальных устройств. Он описывает уровни 1, 2 и 7 OSI -модели. Это универсальный протокол для решения задач по обмену данными между интеллектуальными сетевыми устройствами (контроллерами, компьютерами/программаторами, системами человеко-машинного интерфейса) на полевом уровне. Основное его назначение – передача больших объемов данных. Физический уровень базируется на стандарте RS -485.

Сеть PROFIBUS - PA предназначена для использования в устройствах, работающих в опасных производствах. В основе протокола PA лежит протокол ISP (Interoperable Systems Project). Физический уровень реализует стандарт IEC 61158-2. Уровень 2 – это функциональное подмножество стандарта DIN 19245. Сегмент PROFIBUS - PA имеет длину до 1900 м, скорость обмена между узлами сети – 31,2 кбит/с. Протокол обмена данными с оборудованием полевого уровня, расположенным в обычных или Ex-зонах (зонах повышенной опасности).

Распределенная система управления может состоять из устройств, реализующих все три типа стандарта, однако РА -устройства необходимо подключать к PROFIBUS - PA через разделительные мосты.

3.5.5. Описание шины CAN

Впервые идея CAN (Control Area Network) была предложена в середине 80-х немецкой компанией Bosch, которая задумывала ее в качестве экономичного средства для объединения контроллеров, расположенных внутри автомобиля. Традиционный способ связи распределенных по объекту контроллеров жгутами проводов по своей технической сложности, по ценовым и по весовым параметрам для столь массового изделия, коим является автомобиль, оказался непригоден. Требовалось альтернативное решение, сокращающее количество проводов, поэтому был предложен протокол CAN, для которого достаточно любой проводной пары.

Идея заключалась в том, чтобы создать сетевое решение для распределённых систем, работающих в реальном времени. Первоначально CAN применялся в автомобилях, но затем область его применения расширилась и на проблемы автоматизации технологических процессов.

CAN обеспечивает высокий уровень защиты данных от повреждения даже при работе в сложных условиях (сильные помехи), при этом достигается достаточно большая скорость передачи данных (до 1 Мбит/с). Важным достоинством CAN является также то, что разработчик системы может влиять на приоритет сообщений с тем чтобы самые важные из них не ожидали в очереди на отправку. Это свойство CAN позволяет строить сети, поддерживающие реальный масштаб времени.

Высокая степень и надежности сети благодаря развитым механизмам обнаружения и исправления ошибок, самоизоляции неисправных узлов, нечувствительность к высокому уровню электромагнитных помех обеспечивает сети широчайшую сферу применения.

Немалую роль играет и возможность поддержки разнотипных физических сред передачи данных от витой пары до оптоволокна и радиоканала. А ряд оригинальных механизмов сетевого взаимодействия (мультимастерность, широковещание, побитовый арбитраж) в сочетании с высокой скоростью передачи данных способствуют эффективной реализации режима реального времени в системах распределенного управления. Основные характеристики сети приведены в табл. 2.1Х.

Таблица 2.1Х. Характеристики сети CAN

Стандарт	ISO 11898
Скорость передачи	1 Мбит/с (максимум)
Расстояние передачи	1000 м (максимум)
Характер сигнала	дифференциальное напряжение
Линия передачи	витая пара
Количество драйверов
Количество приемников
Схема соединения	полудуплекс, многоточечная

2.8.1.1. Организация сети CAN

В любой реализации CAN – физическая среда передачи данных (носитель) интерпретируется как эфир, в котором контроллеры, работают как приемники и передатчики. При этом, начав передачу, контроллер не прерывает слушание эфира, в частности он отслеживает и контролирует процесс передачи текущих, предаваемых им же, данных. Это означает, что все узлы сети одновременно принимают сигналы, передаваемые по шине. Невозможно послать сообщение какому-либо конкретному узлу. Все узлы сети принимают весь трафик, передаваемый по шине, поэтому контроллеры CAN сети производят аппаратную селекцию сообщений.

Сеть CAN предназначена для коммуникации так называемых узлов. Каждый узел состоит из двух составляющих. Это собственно CAN контроллер, который обеспечивает взаимодействие с сетью и реализует протокол, и микропроцессор (CPU).

Контроллеры CAN соединяются с помощью шины, которая имеет как минимум два провода CAN_H и CAN_L, по которым передаются сигналы при помощи специализированных ИМС приемо-передатчиков. Кроме того, ИМС приемо-передатчиков реализуют дополнительные сервисные функции:

- регулировка скорости нарастания входного сигнала;

- защита выходов передатчиков от повреждения при замыкании линий связи с цепями питания и при повышении напряжения на этих линиях;

- внутренняя тепловая защита;

- режим пониженного энергопотребления. В этом режиме приемники продолжают сообщать контроллеру о состоянии шины для того, чтобы при обнаружении информационных сигналов он мог вывести приемо-передатчики в нормальный режим работы.

Наиболее широкое распространение получили два типа приемо-передатчиков (трансиверов):

- «High Speed» – высокоскоростные приемо-передатчики (ISO 11898-2);

- «Fault Tolerant» – отказоустойчивые приемо-передатчики.

Трансиверы, выполненные в соответствии со стандартом «High-Speed» (ISO 11898-2), относительно простые, дешевые и могут передавать данные со скоростью до 1 Мбит/с. Приемо-передатчики «Fault-Tolerant» не чувствительны к повреждениям на шине, позволяют строить высоконадежную сеть со скоростью передачи данных до 125 кбит/с и малым энергопотреблением.

2.8.1.2. Физический уровень канала CAN.

В подавляющем большинстве случаев используется физический уровень CAN определенный в стандарте ISO 11898, который в качестве среды передачи данных определяет двухпроводную дифференциальную линию с импедансом 120 Ом. В соответствие с протоколом максимальная скорость сети CAN равна 1 Мбит/с. При такой скорости максимальная длина кабеля равна примерно 40 м.

Ограничение на длину кабеля связано с конечной скоростью распространения сигнала и механизмом побитового арбитража (во время арбитража все узлы сети должны получать текущий бит передачи одновременно), т.е. сигнал должен успеть распространиться по всему кабелю за единичный отсчет времени в сети.

Соотношение между скоростью передачи и максимальной длиной кабеля приведено в таблице 2.Х.

Таблица 2.Х. Зависимость скорости передачи от длины сети

Скорость передачи, кбит/с
Максимальная длина сети, м

Логический ноль регистрируется, когда на линии CAN_H сигнал выше, чем на линии CAN_L. Логическая единица – в случае, когда сигналы CAN_HI и CAN_LO одинаковы, отличаются менее чем на 0,5 В.

Логический ноль – называется доминантным битом, а логическая единица – рецессивным. При одновременной передаче в шину логического нуля и единицы, на шине будет зарегистрирован логический ноль (доминантный сигнал), а логическая единица будет подавлена (рецессивный сигнал).

Использование такой дифференциальной схемы передачи делает возможным работу CAN сети в очень сложных внешних условиях.

2.8.1.3. Арбитраж шины CAN.

Быстродействие CAN сети достигается благодаря механизму не деструктивного арбитража шины посредством сравнения бит конкурирующих сообщений. Т.е. если случится так, что одновременно начнут передачу несколько контроллеров, то каждый из них сравнивает бит, который собирается передать на шину с битом, который пытается передать на шину конкурирующий контроллер. Если значения этих битов равны, оба контроллера пытаются передать следующий бит. И так происходит до тех пор, пока значения передаваемых битов не окажутся различными. Теперь контроллер, который передавал логический ноль (более приоритетный сигнал) будет продолжать передачу, а другой контроллер прервёт свою передачу до того времени пока шина вновь не освободится

Эта спецификация CAN исходит из предположения, что все контроллеры принимают сигналы с шины одновременно.

Дата добавления: 2014-01-03