I dagens industri styr informationsteknologin,

Transkript

1

2

3 Commitment We are and will remain the world s leading organization in the field of digital networking for industrial and process automation, serving our customers, our members and the press with the best solutions, benefits and information. We are committed to setting and protecting the standards for open communication and control in the automation and process market. Inledning Under hela sin existens har industriell automation ständigt utvecklats. För inte så många år sedan var den begränsad till den centrala produktionen i ett företag. Här har implementeringen av fältbussteknik inneburit en betydande innovation, en övergång från centrala till decentrala automationssystem. Detta har nu varit PROFIBUS huvuduppgift i mer än 10 år. PROFIBUS har under denna tid blivit marknadsledande inom sitt område. Trots de senaste årens enastående framgångar, har utvecklingsarbetet med PROFIBUS fortsatt med oförminskad entusiasm och energi. Under de inledande åren var fokus riktat mot själva kommunikationstekniken. I fokus för aktiviteterna idag är systemintegration och engineering och speciellt applikationsprofiler. De senare har gjort PROFIBUS till den enda fältbussen, som erbjuder en heltäckande lösning för både verkstads- och processautomation. I dagens industri styr informationsteknologin, IT, med sina principer och standard, mycket av vad som händer i den moderna automationsvärlden. Moderna fältbussystem har anammat dessa principer och har därmed uppnått en större överensstämmelse med den administrativa världen på företagsledningsnivå. Därmed följer den industriella automationen utvecklingstrenden i kontorsvärlden, där IT länge har betytt radikalt ändrade strukturer, system och processer. Integrationen av informationsteknologi i automationsvärlden öppnar helt nya möjligheter för global datakommunikation mellan automationssystem. För att åstadkomma detta, arbetar PROFIBUS samman med den ethernetbaserade kommunikationsstandarden PROFInet. Användningen av standard och öppna lösningar i stället för tillverkarberoende ger långsiktig kompatibilitet och utvecklingsmöjligheter med andra ord existerande investeringar skyddas. Detta är en ledstjärna för PROFIBUS användarorganisation. Genom en kontinuerlig vidareutveckling av PROFIBUSteknologin åstadkommes ett långtidsperspektiv för organisationens medlemmar.

4

5 Innehållsförteckning 1. Kommunikation inom automation Industriell kommunikation Ordlista för fältbussteknologi Internationell standardisering PROFIBUS översikt Utvecklingshistoria Marknadsledare Organisation PROFIBUS som "modulärt system" PROFIBUS nyckeln till framgång PROFIBUS kommunikation Överföringsteknik Kommunikationsprotokoll DP Allmänna applikationsprofiler PROFIsafe HART Tidmärkning Redundanta slavar Speciella applikationsprofiler PROFIdrive PA enheter Flödesteknik Halvledarteknik, SEMI Identifikationssystems Decentrala I/O för PA Systemprofiler Device management GSD EDD FDT/DTM konceptet PROFInet PROFInet ingenjörsmodell PROFInet kommunikationsmodell PROFInet migrationmodell XML OPC och OPC DX Certifiering Testprocedur Utfärdande av certifikat Implementering Standardkomponenter Interfaceuppbyggnad PROFIBUS användarorganisation Index Innehåll Denna "Teknisk beskrivning av PROFIBUS" Omfattar utvecklingsnivån vid slutet av 2001 och ambitionen är att erbjuda en lättförstådd beskrivning av världens ledande fältbussystem PROFIBUS, utan att bli alltför tekniskt djuplodande. Den tekniska översikten ger inte bara tillräcklig information till de läsare som vill ha en översikt, utan ger också experterna en hänvisning till mera omfattande litteratur. Vi vill här passa på att påpeka att trots en mycket noggrann källgranskning kan vi bara ansvara för de PROFIBUS-dokument som är tillgängliga på Internet på organisationens hemsida. Kapitel 1 och 2 ger en introduktion till fältbussteknologings principer och tillämpningen med PROFIBUS. Kapitel 3 till 6 Handlar om de centrala aspekterna på PROFIBUS. Vissa delar, som även behandlats i översikten i kapitel 2, finns även med i kapitel 3 och 4 för att få en så komplett bild som möjligt. Strukturen följer PROFIBUS modulära uppbyggnad från kommunikationsteknologi via applikationsprofiler till systemprofiler. Kapitel 7 till 10 Är mer praktiskt inriktade. De behandlar teman som konfigurering, implementering och certifiering. Kapitlen innehåller också en kort översikt av PROFInet. Kapitel 11 och 12 Avslutar broschyren med information om PROFIBUS användarorganisation och de tjänster den erbjuder samt index. Alla PROFIBUS-dokument är, med tanke på den internationella spridningen, framställda på engelska. Denna svenska systembeskrivning är också framställd på engelska och finns dessutom på tyska. Liksom all dokumentation finns de att hämta på vår hemsida om du är medlem i en användarorganisation.

6

7 1. Kommunikation inom automation Alla delar i dagens automationskoncept, såväl system som alla dess delar, måste ha kapacitet att kommunicera och ha enhetliga kommunikationsvägar. Kommunikationen ökar hela tiden såväl horisontellt på fältnivå som vertikalt genom flera hierarkiska nivåer. Beprövade och väl koordinerade industriella kommunikationssystem som PROFIBUS, med interface nedåt till AS-interface och uppåt till Ethernet (via PROFInet) (se bild 1), ger de ideala förutsättningarna för transparenta nätverk i alla produktionsprocessens delar. 1.1 Industriell kommunikation På givare och ställdonsnivå Signalerna från digitala givare och aktorer överförs på en givarbuss. En sådan buss bör ha mycket enkel installationsteknik och på samma buss bör både data och strömförsörjning överföras. AS- Interface är en sådan buss och lämpar sig väl för detta applikationsområde. På fältnivå Fältenheter och decentral periferi, som I/O-moduler, transmittrar, drivutrustning, analysinstrument, ventiler och operatörspaneler, behöver kommunicera med automationssystemet med ett kraftfullt kommunikationssystem i realtid. Processdata skall överföras cykliskt medan tillkommande interrupt, parametrering och diagnosdata överförs acykliskt Automation Administration Enterprise Production Produktion Field Fältkommunikation communications Datakommunikation communications Bild. 1: Kommunikation i automationsteknologi behovs- och händelsestyrt. PROFIBUS uppfyller dessa kriteria och ger en universell och enhetlig lösning för både verkstads- och processautomation. På cellnivå Styrsystem, både PLC:er och industripc kommunicerar med varandra och med IT-system i kontorsvärlden. Denna kommunikation sker med standard, som Ethernet, TCP/IP, Intranet och Internet. Informationsflödet kräver stora datapaket och en uppsättning kraftfulla kommunikationsfunktioner. På samma sätt som PROFIBUS uppfyller kraven på kommunikation på fältnivån så ger det Ethernetbaserade öppna, tillverkaroberoende automationskonceptet PROFInet en trendsättande lösning för cellnivån. I fortsättningen skall vi ge en detaljerad beskrivning av PROFIBUS som den centrala vägen för informationsflödet i automationen. För en beskrivning av AS-Interface hänvisar vi till annan litteratur. I kapitel 8 finns en kort beskrivning av PROFInet. Fältbussar Industriella kommunikationssystem som överför signaler och information på en rad olika media: kopparkabel, fiberoptik infrarödeller radioteknik. De använder en bitseriell överföringsteknik för att sammankoppla decentralt spridda fältenheter (givare, aktorer, drivutrustningar, transmittrar ) med centrala styrutrustningar eller övervakningssystem. Fältbussteknologi utvecklades på 80-talet med syftet att ersätta det tidigare systemet med centralt PROFInet IEC 61158/61784 PROFIBUS IEC 61158/61784, EN AS-Interface EN Cellnivå level Field Fältnivå level Givarnivå level parallellt anslutna signaler och analog signalöverföring (4-20 maeller +/- 10V-interface) med digital teknik. På grund av olika industrirelaterade behov, olika användningsområden och vissa stora tillverkares egna lösningar finns idag ett flertal bussystem på marknaden, alla med olika egenskaper och mer eller mindre öppna. De viktigaste systemen finns nu inkluderade i internationell standard IEC och IEC PROFIBUS är en integrerad del av standarden. Helt nyligen har också Ethernetbaserade kommunikationssystem fått en specifikation för användning i industriell automation. De ger ett brett register av funktioner för enhetlig kommunikation mellan industriell automationsnivå och administrativ nivå. PROFInet är ett sådant exempel på Ethernetbaserad kommunikation. Utveckling och spridning av fältbussystem på marknaden kräver koordination. Detta har gjort att det uppstått en rad användarorganisationer bestående av tillverkare, användare och institutioner. PROFIBUS User Organisations med PNO i Tyskland, PTO i USA, PiS i Sverige och så vidare i mer än 23 länder samlas under sin paraplyorganisation PROFIBUS International (PI) för både PROFIBUS och PROFInet. Användarfördelar Ny- och ständig vidareutveckling av fältbussteknologi motiveras av nyttan för användaren. Detta visar sig framförallt i en förbättrad livstidsekonomi, en bättre tillgänglighet och kvalitetsförbättringar vid både installation, drifttagning och under automationsanläggningens drift för hela dess livstid. Fördelarna uppnås genom snabbare och säkrare konfiguration, mindre kablage, enklare programmering, dokumentation, montage och installation men även genom en ökad produktivitet. Speciellt stora vinster får man genom en minskning av livstidskostnaden för anläggningen genom högre tillgänglighet och minskad risk för icke planerade stopp. Detta uppnås tack vare regelbunden diagnostiks information, planerat förebyggande underhåll, enkel parametrering under drift, enhetlig datahantering och produktionsstyrning för att bara nämna några faktorer. PROFIBUS Teknologi och användning 1

8 Sändare Mottagare Benämning och funktion för de olika lagren 7 7 Applikationsnivå 6 6 Presentationsnivå 5 5 Sessionnivå 4 4 Transportnivå 3 3 Nätverksnivå 2 2 Datalinknivå 1 1 Fysisk nivå Överföringsmedia Bild. 2: OSI-modellen Interface till applikationsprogram med applikationsrelaterade kommandon (read, write) Representation (kodning) av data för analys och översättning på nästa nivå Upp- och nedkoppling av tillfälliga stationsförbindelser, synkronisering av kommunikationsprocesser Styrning av dataöverföringen för nivå 5 (handha transportfel, uppdelning i datapaket) Etablering och nedkoppling av förbindelser, förebygga trafikstockningar på nätverket Bussaccessprotokoll (Medium Access Control, MAC) och datasäkerhet Definition av mediat (hårdvara), dataöverföringens kodning och hastighet Fältbussar ökar produktiviteten och flexibiliteten i automationsprocesser jämfört med konventionell teknik och skapar samtidigt förutsättningar för konfigureringen av ett distribuerat automationssystem. Tack vare sin karaktär av universell fältbuss kan PROFIBUS användas i så gott som alla automationsområden, i verkstadsindustrin och processautomation i synnerhet men också i trafikstyrning, kraftproduktion och -distribution. 1.2 Begrepp inom fältbussteknologin ISO/OSI referensmodellen ett sätt att beskriva kommunikationen mellan stationerna i ett kommunikationssystem. För att det skall fungera effektivt och utan konflikter definieras regler och överföringsgränssnitt som behövs för kommunikationsprotokollet utvecklade International Organization for Standardization (ISO) en modell, OSI, (Open System Interconnection Reference Model) för just detta ändamål. Denna definierar alla delar, strukturer och funktioner som behövs för kommunikationen och arrangerar dem i 7 lager eller nivåer i kronologisk ordning efter kommunikationsprocessen olika faser. Varje lager bygger på underliggande lager (Bild 2). Varje lager har att fullfölja en specifik uppgift i kommunikationsprocessen. Om ett kommunikationssystem inte behöver vissa funktioner har motsvarande lager ingen funktion och hoppas därför över. PROFIBUS använder lagren 1,2 och 7. 2 Kommunikationsprotokoll Definitionen av hur två eller fler stationer utbyter data via telegram. Ett datatelegram innehåller olika fält för meddelanden och kontrollinformation. Själva nyttodatafältet föregås av ett informationshuvud (med käll- och destinationsadress och detaljer om det följande meddelandet) och avslutas med en efterföljande datasäkerhetsdel som innehåller kontrollinformation för korrekt överföring (feldetektion). En funktion för fältbussar är att klara en optimal överföring av små tidskritiska datamängder. För att klara det begränsas datamängden och överföringsprocessen förenklas. Kontroll av bussaccess (MAC, Medium Access Control) är en speciell procedur som bestämmer när en station får sända data. Aktiva stationer kan själv starta informationsutbytet medan passiva stationer endast kan börja kommunicera när de kontaktats av en aktiv station. Man skiljer mellan kontrollerad, deterministisk accesskontroll med realtidskapacitet (till exempel PROFIBUS master-slav kommunikation) och slumpartad stokastisk accessprocedur (till exempel Ethernet med CSMA/CD). Adressering Adresser behövs för att kunna välja ut en station att kommunicera med. Därför får varje enhet en stationsadress antingen hårdvarumässigt via en dipswitch eller genom parametrar vid konfigureringen. Kommunikationstjänster Ett kommunikationsprotokoll definierar ett antal tjänster för att klara de olika uppgifter kommunikationen kräver (till exempel cyklisk och acyklisk dataöverföring). Typen och antalet tjänster beskrivs i applikationsdelen av ett kommunikationsprotokoll. Man skiljer mellan förbindelseorienterade tjänster (sändare och mottagare är kopplade till varandra med sina adresser) och förbindelselösa tjänster (utan direkt länk mellan sändare och mottagare). Till den andra gruppen hör multicast- och broadcasttelegram vilka sänds antingen till en grupp eller till alla stationer. IEC dokument Innehåll OSI lager IEC Inledning IEC Fysiskt lager: Specifikation och definition av tjänster 1 IEC Datalänklager: service definition 2 IEC Datalänklager: protokollspecifikation 2 IEC Applikationslager: service definition 7 IEC Applikationslager: protokollspecifikation 7 Tabell 1: Uppdelning av IEC PROFIBUS Teknologi och användning

9 Profil 3/1 Profil 3/2 Profil 3/3 Datalänk IEC del; asynkron överföring IEC del; synkron överföring ISO/IEC TCP/UDP/IP/Ethernet Profiler Dessa används i automationen för att definiera speciella egenskaper och funktioner för produkter, produktfamiljer och även hela system på ett sådant sätt att karakteristiken i stort fastläggs. Bara produkter och system med samma tillverkaroberoende profil ger interoperabilitet i en fältbuss och därmed fullt utnyttjar fördelarna med en fältbuss för användaren. Applikationsprofiler berör i första hand produkter (fältenheter, styrsystem och deras integration) och omfattar både en överenskommen del av busskommunikationen och de berörda enheternas applikation. Dessa typer av profiler använder tillverkarna som en specifikation för att utveckla profilkonforma produkter som därigenom blir interoperatibla. Systemprofiler beskriver systemklasser, vilket inkluderar funktion, programinterface och hur de skall integreras. 1.3 Internationell standard Den internationella standardiseringen av ett fältbussystem är avgörande för hur den accepteras, etableras och därmed för hur användbar den blir. PROFIBUS blev nationell standard 1991/1993 genom DIN 19245, del I-III och sedan europeisk standard 1996: EN Tillsammans med andra fältbussystem är PROFIBUS internationell standard, IEC 61158, från Under 2002 har det skett en uppdatering av IEC varvid den senaste PROFIBUS och PROFInet utvecklingen har inkluderats i standarden. Fysiskt lager RS485 Plast fiber Glas fiber PCF fiber MBP ISO/IEC Profiluppsättning Implementering PROFIBUS PROFIBUS PROFInet Tabell 2: Egenskaper hos Communication Profile Family CPF 3 (PROFIBUS) IEC Standarden har titeln: "Digital data communication for measurement and control field bus for use in industrial control systems och den är uppdelad i 6 delar med namnen , osv. Innehållet i Del 1 är en introduktion medan de andra delarna bygger på OSIreferensmodellen (lager 1, 2 och 7). Se tabell 1. De olika delarna av IEC definierar bland annat det stora antalet tjänster och protokoll för kommunikationen mellan stationer, vilket utgör en total samling från vilket specifika urval (subset) görs för de olika fältbussystemen. Det faktum att ett brett spektra av olika fältbussar finns på marknaden speglas i standarden IEC av definitionen av 10 "field bus protocol types med beteckningen Typ 1 till Typ 10. PROFIBUS är Typ 3 och PROFInet är Typ 10. IEC påpekar det faktum att busskommunikation (genom definition) endast är möjlig mellan enheter som tillhör samma protokolltyp. IEC Denna standard har titeln "Profile sets for continuous and discrete manufacturing relative to field bus use in industrial control systems. Kopplingen till IEC görs med följande inledande kommentar: "This international standard (i.e. IEC 61784) specifies a set of protocol specific communication profiles based on IEC 61158, to be used in the design of devices involved in communications in factory manufacturing and process control. IEC reder ut vilka av delarna i (och andra standarder) som används av de olika tjänsterna för busspecifik kommunikation med de respektive fältbussystemen. De fältbusspecifika kommunikationsprofilerna som bestäms på detta sätt är sammanställda i "Communication Profile Families (CPF) i enlighet med deras implementering i de olika fältbussystemen. Profiluppsättningen som implementeras med PROFIBUS sammanställs i grupp 3, "Family 3, med undergrupperna 3/1, 3/2 och 3/3. Tabell 2 visar deras knytning till PROFIBUS och PROFInet. PROFIBUS Teknologi och användning 3

10 2. PROFIBUS en översikt PROFIBUS är ett öppet enhetligt digitalt kommunikationssystem med ett brett register av applikationer, speciellt inom verkstads- och processautomation. PROFIBUS lämpar sig för både snabba tidskritiska applikationer och för komplexa kommunikationsuppgifter. PROFIBUS kommunikation är förankrad i den internationell standard IEC och IEC Applikations och utvecklingsaspekter specificeras i de allmänt tillgängliga guiderna från PROFIBUS International och föreningen PROFIBUS i Sverige. På så sätt uppfylls kraven från användarna på att fältbussen skall vara öppen och tillverkaroberoende. Därmed kan kommunikationen mellan olika tillverkares produkter ske utan anpassning eller speciella extra mjukvaror. 2.1 Utvecklingshistoria PROFIBUS historia går tillbaka till 1987 då en europeisk grupp företag och institutioner la upp en strategi för en field-bus. Gruppen bestod av 21 medlemmar, företag, universitet och andra institutioner och den hade stöd från olika myndigheter. Målet var att realisera och få ett allmänt erkännande för en bitseriell fältbuss. Ett viktigt delmål var att standardisera ett interface för fältenheterna. För att kunna nå en bred standard gick de berörda medlemmarna i ZVEI (Central Association for the Electrical Industry) med på att stödja ett gemensamt tekniskt koncept för såväl verkstads- som processautomation. Det första steget blev specifikationen av det komplexa kommunikationsprotokollet PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification), som utformades för att klara även mycket krävande kommunikationsuppgifter. Ett vidare steg togs 1993 då den första specifikationen färdigställdes av det enklare och därför avsevärt snabbare PROFIBUS DPprotokollet. DP står för Decentral Periferi. Detta protokoll utvecklas ständigt och finns nu i tre varianter med olika grad av funktionalitet: DP- V0, DP-V1 och DP-V Marknadsledande Med dessa två kommunikations_protokoll som grund, med ett stort antal applikationsinriktade profiler och ett snabbt växande antal tillgängliga produkter, startade PROFIBUS sin triumfartade framgång. Först inom verkstadsautomation och sedan 1995 även inom processautomation. Idag är PROFIBUS marknadsledare med mer än 50 % av fältbussmarknaden i Europa och mer än 20 % av den totala världsmarknaden. Mer än anläggningar är utrustade med PROFIBUS innehållande mer än 5 millioner stationer. Det finns mer än 2000 PROFIBUS produkter från ca 300 olika tillverkare. 2.3 Organisation PROFIBUS framgång bygger lika mycket på dess progressiva teknik som på succén för dess icke kommersiella användarorganisationer. Den första PNO (PROFIBUS Nutzer Organization e. V.) bildades av tillverkare och användare redan Fram till idag har ytterligare 23 andra regionala PROFIBUS organisationer bildats i länder över hela världen. Sedan 1995 samlas de alla under paraplyorganisationen PROFIBUS International (PI) och har mer än 1300 medlemsföretag. Syftet är den ständiga vidareutvecklingen av PROFIBUS teknologin och en ökad spridning och acceptans i hela världen. Utvecklingen och etableringen av ny teknik sker inom ramen för 5 tekniska kommittéer, som består av mer än 35 olika arbetsgrupper och 300 experter. Förutom att PI arbetar med att utveckla teknologin och få den accepterad, så supportar man alla medlemmarna runt om i världen (användare och tillverkare). Supporten består av både råd och material men även åtgärder för kvalitetssäkring såsom certifiering av kompetenscentra och arbete för standardisering av teknologin i internationell standard. Applikationsprofiler II PA enheter IEC 61158/61784 Common Gemensam Application applikationsprofil Profiles (optional): (valfritt): PROFIBUS DP DP-V0...V2 RS 485: NRZ Fiber- Glas Glass Multi Multi Mode Mode MBP *): Manchester Bus Powered RS 485-IS: Intrinsic Safety Optics: optik: Glass Single Mode Mode PCF / Plastfiber / Plastic MBP-LP: Low Power MBP-IS: Intrinsic Safety Descriptions Beskrivningar (GSD, (GSD, EDD) EDD) Tools Verktyg (DTM, (DTM, Configurators) konfiguratorer) Master Conformance Classes Interfaces ( (Comm-FB, Kom. FDT, etc.) m.fl.) Restriktioner RIO för PA SEMI PROFIdrive V2.0 och V3.0 Ident Vägning & dosering Encoder Integrations- Teknologier Systemprofiler 1 x Applikationsprofiler I Kommunikationsteknologier PROFIsafe, tidmärkning, redundans, etc. Bild 3: Teknisk systemuppbyggnad för PROFIBUS 4 PROFIBUS Teknologi och användning

11 PI utgör den största användarorganisationen för fältbussar i världen. Detta innebär i lika delar möjligheter inför framtiden och ett stort ansvar. Möjligheter att fortsätta utveckla och i produkter omsätta ledande teknik till nytta för användarna, ansvar för alla dem som leder användarorganisationerna över hela världen och deras oförtröttliga strävan att även i framtiden hålla PROFIBUS öppen och skydda investeringar. Dessa mål är ledstjärnan för alla i arbetet med PROFIBUS. 2.4 PROFIBUS ett "modulärt system" PROFIBUS har en modulär uppbyggnad och erbjuder system av kommunikationsteknologi, en mångfald applikations- och systemprofiler och därtill hanteringsverktyg. Därför täcker PROFIBUS i lika hög grad de mycket olika kraven från ett brett fält av automation inom såväl verkstads som processindustri. Antalet anläggningar med PROFIBUS är bevis på att denna fältbussteknik är allmänt accepterad och uppskattad. Ur en teknologisk ståndpunkt De lägre nivåerna (av kommunikationen) i PROFIBUS systemstruktur (se bild 3) baseras på den tidigare nämnda ISO/OSI referensmodellen. Detta har avsiktligt gett en rent abstrakt beskrivning av de olika kommunikationsstegen utan att gå in på detaljer i innehåll eller praktisk tillämpning. Bild 3 visar implementeringen av OSI-modellen (lager 1,2 och 7) för PROFIBUS med detaljer för hur de olika lagren är implementerade/specificerade. Specifikation på tillämpningen och utformningen för specifika produktgrupper och användningsområden har arbetats fram som en överenskommelse mellan användare och tillverkare och kommer in i strukturen ovanför lager 7 i form av applikationsprofiler I och II. Till det modulära systemet i bild 3 finns övergripande och nivåoberoende följande: Standard för interface, masterprofiler, gemensamma beteckningar och systemprofiler som syftar till att åstadkomma enhetliga, standardiserade system, se kapitel 6. Ur användarens ståndpunkt PROFIBUS finns i form av olika applikationstypiska versioner som inte har tagits fram teoretiskt utan har visats sig användbara genom praktisk tillämpning i många applikationer. Varje version är resultatet av en typisk (men inte låst specifikation) kombination av modulära delar från grupperna transmissionsteknologi, kommunikationsprotokoll2 och "applikationsprofiler. Exemplen nedan visar detta genom att beskriva de mest kända PROFIBUS versionerna (se bild 4). PROFIBUS DP Är en version för bland annat verkstadsautomation. Den använder överföringstekniken RS485, en av kommunikationsprotokollversionerna, och en eller flera av applikationsprofilerna som är speciellt lämpad för verkstadsautomation: Ident Systems eller Robots/NC. PROFIBUS PA Är en version för processautomation. Den använder MBP-IS (Manchesterkodning med Buss Power för Intrinsic Safety), kommunikationsprotokollversionen DP-V1 och applikationsprofilen PA Devices. Motion Control med PROFIBUS Är en version för drivutrustningar. Den använder överföringstekniken RS485 kommunikationsprotokollversionen DP-V2 och applikationsprofilen PROFIdrive. PROFIsafe Är en version för säkerhetsrelaterade applikationer (använd i olika industrier). Den använder PROFIBUS PROFIBUS DP DP (Verkstad) (Verkstad) Applikations- Applikationsprofiler, t.ex.. profiler, t.ex.. Ident Ident PROFIBUS PROFIBUS PA PA (Process) (Process) Applikations- Applikationsprofiler, t.ex.. profiler, t.ex.. PA Devices PA Devices överföringstekniken RS485 eller MBP-IS, en av kommunikationsprotokollversionerna för DP och applikationsprofilen PROFIsafe Kommunikation Kommunikationsteknologi täcker överföring och kopplingsteknik (lager 1, fysiskt lager, t. ex. kontakter, kabel, signalnivåer ) och kommunikationsprotokoll med bussaccess, regler för data, skyddsfunktioner mm. Som behövs för överföringen av data. PROFIBUS erbjuder kopplingsteknik med flera varianter. PROFIBUS DP har nu med DP-V0, DP-V1 och DP-V2 ett brett spektra av möjligheter på protokollnivå, som gör att man kan optimera kommunikationen mellan olika applikationer. Historiskt sett var FMS det första kommunikationsprotokollet för PROFIBUS. Kommunikationsprotokoll FMS (Field Message Specification) Ett protokoll med ett brett register av tjänster för kommunikation på cellnivå. Det är speciellt utformat för kommunikation mellan aktiva stationer som PLC:er och PC. Bland tjänsterna ingår även cyklisk kommunikation mellan aktiva stationer, mastrar, och passiva slavar, vilket var en föregångare till DP. DP (Decentral Periferi) Står för enkel, snabb cyklisk och deterministisk processdatautbyte mellan en bussmaster och dess tilldelade slavar. Denna version av funktioner, kallad DP-V0, har utökats med DP-V1, acykliskt Motion Motion Control Control med PROFIBUS med PROFIBUS (Motordrifter) (Motordrifter) Applikations- Applikationsprofiler, t.ex.. profiler, t.ex.. PROFIdrive PROFIdrive PROFIsafe PROFIsafe (Universell) (Universell) Applikations- Applikationsprofiler, t.ex.. profiler, t.ex.. PROFIsafe PROFIsafe Funktioner och verktyg för beskrivning (device description) och integration (övergripande titel: Integrationsteknik, se kapitel 7) DP-Stack DP-Stack (DP-V0..V2) (DP-V0..V2) RS485 RS485 DP-Stack DP-Stack (DP-V1) (DP-V1) MBP - IS MBP - IS DP-Stack DP-Stack (DP-V2) (DP-V2) RS485 RS485 DP-Stack DP-Stack (DP-V0..V2) (DP-V0..V2) RS485 RS485 MBP - IS MBP - IS Bild. Bild. 4: 4: Applikationsorienterad Applikationsorienterad uppdelning uppdelning av av PROFIBUS PROFIBUS PROFIBUS Teknologi och användning 5

12 datautbyte mellan master och slav. Ytterligare en version, DP-V2, finns nu tillgänglig, vilken möjliggör uppåtkompatibel direktkommunikation från slav till slav inom samma busscykel. Bussaccessprotokoll Lager 2 kallas också datalinklager i ISO/OSI-modellen. PROFIBUS hanterar 2 olika bussaccessprotokoll: master-slav procedur kompletterad med token passing för koordinering av flera aktiva stationer, mastrar. Här finns också funktioner för datasäkerhet och hanteringen av telegram. Applikationslager Lager 7 utgör applikationsnivån och utgör interface till applikationsprogrammet. Det tillhandahåller ett antal olika cykliska och acykliska tjänster för datautbyte och styrning Överföringsteknologi RS485 är den mest använda överföringstekniken. Den använder en dubbelskärmad, partvinnad kabel och kan klara överföringshastigheter på upp till 12 Mbit/s. Versionen RS485-IS har nu nyligen specificerats som en 4-tråds överföringsmedia för skyddsklass Eex-i för användning i explosionsfarliga miljöer. Spänning och ström måste därvid följa de säkerhetsrelaterade maximivärden som gäller både för de enskilda enheterna och för koppling i systemet. Till skillnad från FISCO-modellen (se kapitel 3.1.2), som endast har en egensäker spänningskälla, så gäller här att varje station utgör en aktiv källa. Överföringstekniken MBP (Manchester Coded, Bus Powered, tidigare "IEC fysik", se kapitel 3.1) finns för applikationer i processautomation där man vill ha energiförsörjning över bussen till enheter i egensäkert område. Uppkoppling sker enligt FISCOmodellen (Fieldbus Intrinsically Safe Concept, se kapitel 3.1.2), som är speciellt utformad för fältbussar i egensäkert område. Både planering och installation blir därmed mycket enklare än med traditionell teknik Profiler Profiler är de specifikationer som tillverkare och användare gemensamt kommit fram till för speciella områden, prestanda eller funktioner hos produkter och system. Profilerna specificerar de parametrar och funktioner hos en produkt eller system som hör till en profilfamilj tack vare en profilkonform framställning. Därmed uppnår man interoperabilitet för produkterna och så långt möjligt även utbytbarhet på bussen av enheter från olika tillverkare. Profiler kan innehålla både applikationsoch typspecifika egenskaper hos fältenheterna, styrsystemen och integrationen (ingenjörsstationen). Begreppet profil kan omfatta från endast ett par specifikationer för en produktklass till en omfattande specifikationer av applikationer i en typ av industri. Gemensamt namn för alla profilerna är applikationsprofiler. Man skiljer mellan olika profilgrupper: allmänna applikationsprofiler med flexibel implementering för olika applikationer (exempel är profilerna PROFIsafe, redundans och tidmärkning), pecifika applikationsprofiler, som är utvecklade speciellt för en bestämd applikation (exempel är PROFIdrive, SEMI och PA Devices) och system- och masterprofiler, vilka beskriver bestämda systemegenskaper tillgängliga för fältenheterna. I det är dessa applikationsprofilernas motsats PROFIBUS omfattar ett brett register av sådana applikationsprofiler, som medger en applikationsorienterad implementering. 2.5 PROFIBUS - nyckeln till framgång Framgången för PROFIBUS och det som gjort den till världsledande beror av många faktorer: PROFIBUS ger anläggningsbyggare och operatörer en universell, enhetlig och öppen teknologi som passar alla typer av industri. PROFIBUS är en nyckelfaktor för att väsentligt reducera kostnaderna för ingenjörsarbetet vid maskinbyggnad och i anläggningar. PROFIBUS har konsekvent och logiskt utökat sitt tillämpningsområde genom att ta hänsyn till kraven inom respektive automationsgren. Detta säkerställer optimal support av industrispecifika applikationer. PROFIBUS ger användarna en optimal integration i många automations- och ingenjörssystem genom att den är allmänt accepterad och väl spridd över hela världen. PROFIBUS driver konsekvent och ständigt frågan om stabilitet och ett brett accepterande av kommunikationsplattformar, den framtida utvecklingen av applikationsprofiler och anslutningen av industriell automation till IT-världen på ledningsnivå. Överföring av PROFIBUS på fiberoptisk kabel rekommenderas i områden med elektromagnetiska störningar, mellan anläggningsdelar med olika jordpotential och för att överbrygga stora avstånd. 6 Bild. 5: PROFIBUS konfiguration med aktiva mastrar och passiva slavar PROFIBUS Teknologi och användning

13 3. PROFIBUS kommunikation 3.1 Överföringsteknik ISO/OSI referensmodell, lager 1 definierar metoden för den fysiska dataöverföringen både elektriskt och mekaniskt. Detta innefattar även kodningen av signalerna och överföringsstandarden som används (till exempel RS485). Lager 1 kallas det fysiska lagret. Överföringshastighet [KBit/s] Max segmentlängd [m] Värdena refererar till kabeltyp A med följande egenskaper: Impedans Kapacitans < 30 pf/m Slingresistans 110 /km Tråddiameter 0.64 mm Trådarea > 0.34 mm 2 Tabell 3: Överföringshastighet och längd för kabeltyp A PROFIBUS omfattar olika versioner av överföringsteknik för lager 1 (se tabell 4). Alla versioner är baserade på internationell standard och är knutna till PROFIBUS både i IEC61158 och i IEC RS485 överföringsteknik RS485 överföringsteknik är både enkel och ekonomisk och är den mest använda när man kräver hög hastighet. Skärmad, partvinnad kabel med två ledare används som överföringsmedia. RS485 överföringsteknik är enkel att använda. Det krävs inga expertkunskaper för att installera kabeln. Tänk dock på skärmningsoch jordningsriktlinjerna i PROFIBUS installationsguide. Busstrukturen tillåter att stationer sätts in eller tas ut från bussen och att man bygger upp bussystemet stegvis utan att andra stationer påverkas. Senare utökning av bussen (inom definierade gränser) har ingen inverkan på stationer redan i drift. En ny version definierar användandet av RS485 i egensäker miljö (RS485-IS, se beskrivningen i slutet av detta kapitel). Karakteristika för RS olika överföringshastigheter kan väljas mellan 9,6 kbit/s och 12 Mbit/s. En gemensam hastighet väljs för alla deltagarna på bussen när systemet konfigureras. Upp till 32 stationer kan anslutas per segment och den maximalt tillåtna kabellängden beror av överföringshastigheten. Installationsregler för RS485 Nätverkstopologi Alla enheter är förbundna i en busstruktur (linje). Upp till 32 stationer kan anslutas till ett segment. I början och slutet av varje segment skall en aktiv bussterminering anslutas (se bild 6). Båda busstermineringarna måste ha en permanent spänningsförsörjning för att trafiken skall fungera felfritt. Busstermineringen är vanligtvis inbyggd i anslutningskontakterna och aktiveras med en omkopplare. Om mer än 32 stationer skall anslutas till samma nät, eller nätet skall räcka längre än avstånden i tabell 3, används repeatrar. Två segment sammankopplas med en repeater. Tänk på att repeatern belastar nätet elektriskt och därför kan man bara ha 31 stationer i ett segment med en repeater. Med regenererande repeatrar kan upp till 10 segment i rad kopplas samman. Kabel, kontakter, kopplingsteknik Det finns olika kablar på marknaden för olika applikationer (kabeltyp A till D). Kabeln ansluter såväl stationer som nätverkskomponenter som kopplare, länkar och repeatrar. För RS 485 överföringsteknik rekommenderas kabeltyp A (se data i tabell 3). "PROFIBUS -kabel finns från flera olika tillverkare. En typ som underlättar montagearbetet ingår i konceptet Fast Connect. Med fastconnect-kabel, -avskalningsverktyg och kontakter görs kabelanslutningen säkert och på mycket kort tid. Tänk på vid kontakteringen att inte blanda dataledning A och B. Använd alltid en skärmad datakabel (typ A är speciellt lämpad med dubbel skärm) för att skydda systemet mot elektromagnetisk störning och induktion. Skärmen skall jordas i båda ändar genom att skärmen friläggs och anslutes med en skärmklämma med stor anläggningsyta. Tänk på att jordning ej sker genom kontakterna eftersom stationsinterfacen oftast inte är internt jordade. Behandla alltid PROFIBUS-kabeln som en datakabel och förlägg den separerad från kraftkablar. Använd aldrig droppkablar vid överföringshastigheter > 1,5 Mbit/s och helst inte annars heller. PROFIBUS-kontakter på marknaden har i allmänhet anslutning för både inkommande och utgående kabel och gör droppkablar onödiga och gör att stationer kan kopplas från och till bussen utan att övrig trafik avbryts. Typen av kontakt för RS 485 beror av skyddsklass. Vanligast för IP20 är en 9-polig D-subkontakt. För IP65/67 finns tre olika vanligen förekommande kontakter: M12 rund kontakt enligt IEC Han-Brid kontakt enligt DESINA rekommendation och Siemens hybridkontakt För IP65/67 har både kabel och kontakter i de tre fallen anslutning för både data och 24 V DC spänningsförsörjning. Han-Brid kontakten finns också i en version där RS 485-dataledarna byts ut mot fiber i en delad hybridkabel. PROFIBUS Teknologi och användning 7

14 VP (6) Station 1 Station Ω Dataledning B RxD / TxD - P (3) (3) RxD / TxD - P RxD / TxD - P (3) DGND (5) (5) DGND 220 Ω VP (6) (6) VP RxD / TxD - N (8) (8) RxD / TxD - N Dataledning A RxD / TxD - N (8) Skärm Skyddsjord Skyddsjord 390 Ω DGND (5) Kabel Bussterminering Bild. 6: Anslutning och bussterminering för RS485 överföringsteknik ström för en specificerad spänning. När aktiva källor kopplas samman måste summan av alla strömmarna från stationerna inte överskrida den maximalt tillåtna strömmen. En innovation för RS485-IS konceptet är att till skillnad från FISCO modellen, som endast har en egensäker källa, så representerar alla stationerna nu aktiva källor. Den fortsatta undersökningen i testinstituten indikerar att det kommer att vara möjligt att ansluta upp till 32 stationer på den egensäkra busskretsen. Problem med dataöverföringen i PROFIBUS-nätverk liksom i alla seriella nät beror i allmänhet på felaktig anslutning, skärmning, jordning eller förläggning. Dessa problem kan oftast undvikas om installationsguiden följs (se ). Med ett busstestverktyg kan de upptäckas och åtgärdas redan innan de orsakar stopp. Adresserna till leverantörer av de många olika kontakterna, kablarna, repeatrar, busstestverktyg mm som nämnts ovan finner du i PROFIBUS Product Catalog ( ). RS485-IS Det har länge funnits en önskan från användare att kunna använda RS485 med sin höga överföringshastighet även i egensäkert område. PROFIBUS-organisationen har tagits sig an uppgiften och arbetat fram en handledning för utformning av egensäkra RS485 lösningar med enkel stations-in/ur-koppling. Specifikationen föreskriver för interfacen en begränsad spännings- och strömnivå. Dessa måste varje station iaktta för att säkerställa säkerheten vid sammankoppling. En elektrisk krets tillåts en maximal Överföring enligt MBP Begreppet MBP MBP betyder överföringsteknik enligt följande: "Manchester Coding (M)", och "Bus Powering", (BP). Denna beteckning ersätter den tidigare hänvisningen för överföring i egensäkert område med fysik enligt IEC ", "1158-2" osv. Orsaken till ändringen är att IEC (fysiskt lager) numera beskriver flera olika anslutnings- MBP RS485 RS485-IS Fiberoptik Dataöverföring Överföringshastighet Datasäkerhet Kabel Energimatning Explosionsklass Topologi Antal deltagare Antal repeatrar Digital, bitsynkron, Manchesterkodning Digital differentialsignal enligt RS 485 NRZ Digital differentialsignal enligt RS 485 NRZ Optisk digital NRZ 31,25 kbit/s 9,6 till kbit/s 9,6 till kbit/s 9,6 till kbit/s Telegramhuvud, felsäkra start och sluttecken Partvinnad, skärmad, tvåtrådskabel Kan ske över bussen Egensäker (Eex ia/ib) Linje och trädtopologi med terminering även kombinerat. Upp till 32 deltagare per segment. Totalt 126 per nät Maximalt 4 repeatrar HD=4, paritetsbit, start- och sluttecken Partvinnad, skärmad, tvåtrådskabel av typ A Möjligt över extraledningar i kabeln Nej Linjetopologi med terminering Upp till 32 deltagare per segment, max 126 med repeatrar Upp till 9 repeatrar med regenerering HD=4, paritetsbit, start- och sluttecken Partvinnad, skärmad, tvåtrådskabel av typ A Möjligt över extraledningar i kabeln Egensäker (Eex ib) Linjetopologi med terminering Upp till 32 deltagare per segment. Totalt 126 per nät Upp till 9 repeatrar med regenerering HD=4, paritetsbit, start- och sluttecken Glas multimod, singelmod, PCF, plast Möjligt med hybridkabel Nej Typiskt stjärn- och ringtopologi, linje är också möjlig Upp till 126 per nät Användarbestämt Tabell 4: Överföringsteknik (fysiskt lager) för PROFIBUS 8 PROFIBUS Teknologi och användning

15 teknologier inklusive MBP. Därför blir den tidigare hänvisningen nu felaktig. MBP är synkron överföring med en definierad hastighet om 31,25 Kbit/s och Manchesterkodning. Denna överföringsmetod används mycket inom processautomation och uppfyller kraven från kemi- och petrokemiindustrin om egensäkerhet och energimatning på en tvåtrådsbuss. Egenskaperna för denna överföringsteknik summeras i tabell 6. Detta betyder att PROFIBUS även kan användas i explosionsfarlig miljö av klass egensäker utan extra yttre åtgärder. Installationsinstruktioner MBP för Anslutningsteknik Den egensäkra överföringtekniken MBP begränsas vanligen till ett segment med fältenheter i explosionsfarligt område, som sedan länkas till ett RS485-segment (och vidare till styrsystem och ingenjörsstation i ett kontrollrum) via en kopplare eller länk. Segmentkopplare Dessa omvandlar den modulerade RS485-signalen till MBPsignalnivån. Ur bussynpunkt är kopplaren helt transparent. Länkar har tvärtom egen egensäker intelligens. De mappar alla fältenheterna i MBP-segmentet som en enda slav i RS485-segmentet. När man använder länkar kan hastigheten i RS485-nätet väljas fritt. Snabb styrning kan därmed PLC X DP/PA link/kopplare RS485 kombineras med den långsammare MBP-tekniken utan att snabbheten går förlorad. Nätverkstopologi med MBP Både träd- och linjestruktur (och kombinationer av de två) kan användas till PROFIBUS med MBPöverföring. Vid linjestuktur är stationerna anslutna till stamkabeln med hjälp av T-kopplingar. Trädstruktur kan jämföras med klassisk fältinstallation. Stamkabeln av mångledartyp ersätts av bussens tvåledarkabel medan fältkopplingsboxarna behåller sin funktion att ansluta fältenheterna och detektera bussavslutningsimpedansen. Vid trädstruktur är alla fältenheter parallellt anslutna till fältfördelaren. I bägge fallen måste man tänka på att inte överskrida den maximalt tillåtna droppkabellängden när man summerar längden av alla anslutningskablar. I egensäkra applikationer får droppkabellängden ej överskrida 30 m. Överföringsmedia En skärmad tvåtrådskabel används som överföringsmedia, se bild 6. Busstamkabeln har en passiv terminering i båda ändar, vilket består av en seriekopplad RC-krets med R = 100 Ω och C = 2 µf. Den ena busstermineringen är redan integrerad i segmentkopplaren eller länken. När man använder MBPteknologi har normalt polväxling vid inkoppling av en enhet ingen inverkan på bussens funktion eftersom enheterna oftast har en automatisk polaritetsavkänning. HMI/ Engineering 12 Mbit/s I MBP-IS 31,25 kbit/s Instrument Bild. 7: Anläggningsutformning och energiförsörjning med MBP överföringsteknik + X Stationsantal, kabellängd Antalet stationer som kan anslutas till ett segment är begränsat till 32. Antalet bestäms dock även av skyddsklass och kapaciteten på energiförsörjningen över bussen om det används. I egensäkra nätverk är både den maximalt tillåtna spännings- och strömförsörjningen strikt begränsade. Men även i icke egensäkra nätverk är strömuttaget från matningsdonet över bussen begränsat. Som en tumregel för att beräkna maximal kabellängd, räcker det med att beräkna energibehovet för de anslutna fältenheterna och specificera spänningsförsörjningen och kabellängden för den valda kabeltypen. Strömbehovet (= energibehov) erhålls ur summan av basströmmen för fältenheterna anslutna till respektive segment plus, om det är aktuellt, en reserv på 9 ma per segment för arbetsströmmen till FDE (Fault Disconnection Electronics). FDE hindrar att felaktiga enheter blockerar bussen permanent. Det är tillåtet att blanda bussförsörjda enheter med sådana som har extern energimatning. Tänk på att även externt matade enheter förbrukar en basström över busstermineringen vilken måste räknas in i den maximalt tillgängliga strömmen. I explosionsfarligt område underlättas konfiguration och installation av PROFIBUS om man följer FISCO-modellen. Se mera i kapitel Fiberoptisk överföringsteknik I vissa fältbussapplikationer är trådbunden överföringsteknik begränsat användbar. Det gäller i omgivning med mycket hög elektromagnetiska störningar eller då speciellt långa avstånd skall överbryggas. I dessa fall är överföring med fiberoptisk kabel lämplig. PROFIBUS guide (2.021) för fiberoptisk överföring specificerar tillgänglig teknik för detta. När dessa specifikationer togs fram tog man speciell hänsyn till att existerande PROFIBUS enheter utan problem skulle gå att ansluta till fiberoptisk kabel utan att protokollet behövde PROFIBUS Teknologi och användning 9

16 ändras (lager 1). Detta innebär nedåt kompatibilitet med existerande PROFIBUS installationer. De fiberoptiska typer som supportas visas i tabell 7. Fiberoptisk överföring kan ske som stjärnnät, ring (även redundant ring) eller linje. I det enklaste fallet införs ett fiberoptiskt nät med en RS485 till fiber omvandlare. Stationerna ansluts via RS485 och man kan skifta till fiber var som helst inom en anläggning beroende av omständigheterna. Gränsvärden för applikationer med FISCO Alla stationer måste vara godkända enligt FISCO Kabellängden får inte överskrida 1000 m (ia) / 1900 m (ib) Kabeln måste ha följande egenskaper (kabeltyp A): R = /km L = mH/km C = nf/km Vilken kombination man än använder, måste man se till att de gällande ingångsparametrarna för fältenheterna matchar de maximala värdena för den aktuella strömförsörjningen: U i U o I i I o P i P o FISCO modellen Konfigurering, installation och expansion av PROFIBUS nätverk i explosionsfarligt område underlättas avsevärt med FISCO modellen. Denna modell utvecklades av PTB ( Physikalisch Technische Bundesanstalt - German Federal Technical Institute) och är nu internationellt erkänd som modell för hantering av fältbussar i explosionsfarligt område. Modellen baseras på specifikationen att ett nätverk är egensäkert och kräver ingen individuell egensäker uträkning för de ingående enheterna om de fyra relevanta busskomponenterna (fältenheterna, kablarna, segmentkopplarna och busstermineringarna) faller inom fördefinierade gränser vad gäller spänning, ström, utmatning, induktans och kapacitans. Bevis på detta kan tillhandahållas genom certifiering av auktoriserade akrediteringsinstitut som PTB och BVS (Tyskland) eller UL och FM (USA). Användarfördelar med FISCO Plug & Play även i explosionsfarligt område Systemcertifiering behövs ej Utbyte av enheter eller expansion av anläggningen kan ske Utan tidskrävande uträkningar Maximalt utnyttjande av antalet anslutna enheter Om FISCO-godkända enheter används är det inte bara möjligt att använda fler enheter i en krets, utan enheterna kan även bytas under drift mot enheter från andra tillverkare eller också kan kretsen utökas allt utan tidsödande uträkningar eller systemcertifiering. Plug&play även i explosionsfarligt område. Du behöver bara se till att de nämnda reglerna uppfylls (se även Installationsinstruktioner för MBP ) när du väljer strömförsörjning, kabellängd och bussterminering. Fibertyp Kärndiameter [µm] Räckvidd Multimod glasfiber 62.5/ km Singlemod glasfiber 9/125 > 15 km Plastfiber 980/1000 < 80 m HCS fiber 200/230 ca. 500 m Tabell 5: Karakteristika för optisk fiberkabel Överföring med MBP och FISCOmodellen baseras på följande principer: Ingen energi matas ut till bussen när en station sänder. Varje segment har bara en energikälla, strömförsörjningsenheten. Varje fältenhet konsumerar en konstant basström på minst 10 ma vänteläge. Fältenheterna agerar som en passiv strömförbrukare. Passiva busstermineringar är anslutna i båda ändar av busstamledningen. Nätverkstrukturerna linje, träd och stjärna kan användas. Med energimatning över bussen fungerar basströmmen på minst 10 ma som energikälla till fältenheterna. Kommunikationssignalerna genereras av den sändande enheten, som modulerar basströmmen med + 9 ma. 10 PROFIBUS Teknologi och användning

17 3.2 Kommunikationsprotokoll DP Kommunikationsprotokollet DP har utvecklats för snabbt datautbyte på fältnivå. Det är där centrala programmerbara styrsystem, som PLC:er, PC och processystem, kommunicerar med decentrala fältenheter, som I/O, drivutrustningar, ventiler, transmittrar och analysinstrument, via en snabb seriell anslutning. Datautbytet med de decentrala enheterna är företrädelsevis cykliskt. De kommunikationsfunktioner som behövs för detta är specificerade som basfunktionerna för DP (version DP-V0). Styrd av specifika krav från olika applikationsområden har dessa basfunktioner hos DP utökats steg för steg med speciella funktioner. DP finns därför nu i tre versioner: DP-V0, DP-V1 och DP- V2, där varje version har sina egna speciella nyckelfunktioner (se bild 8). Denna uppdelning i versioner speglar i stort den kronologiska sekvensen av arbete med specifikationen, driven framåt av ständigt ökade krav på nya applikationer för PROFIBUS. Version V0 och V1 innehåller båda karakteristika (bindande krav för implementering) och optioner, medan version V2 endast specificerar optioner. Det viktigaste innehållet i de tre versionerna är: Version DP-V0 DP-V0 omfattar basfunktionerna för DP, inklusive cykliskt datautbyte, stations, modul och kanalspecifik diagnostik samt fyra olika typer av interrupt för diagnostik- och processinterrupt och för hantering av stationer som tas ur och sätts in i nätverket under drift. Version DP-V1 DP-V1 innehåller utökningar i riktning processautomation, speciellt acyklisk datakommunikation för parametrering, kontroll, visualisering och interrupthantering av intelligenta fältenheter, parallellt med den cykliska datakommunikationen. Detta ger onlinekontakt med stationer för att arbeta med engineeringverktyg. Dessutom har DP-V1 tre tillkommande interrupttyper, statusinterrupt, uppdateringsinterrupt och tillverkardefinierat interrupt. Version DP-V2 DP-V2 innehåller ytterligare utökningar och är i första hand inriktad på drivteknologi och dess krav. Tack vare funktioner som isokron (samtidig) slavmod och slav-till-slav kommunikation (DXB) kan PROFIBUS med DP-V2 användas som buss för reglering av snabba rörelser och sekvenser hos drivaxlar De olika versionerna av DP är i detalj specificerade i IEC Nedan följer en beskrivning av de viktigaste egenskaperna DP-V0 Den centrala styrningen (mastern): Läser cykliskt ingångsinformation från slavarna och Funktionsnivåer DP-V1 Acykliskt datautbyte mellan PC eller PLC och slavstationer plus extrafunktioner: Integration i ingenjörsstationer: EDD och FDT Flyttbara PLC mjukvaru-fb (IEC ) Felsäker kommunikation (PROFIsafe) Larm DP-V0 Cykliskt datautbyte mellan PLC och slavstationer plus extrafunktioner: GSD konfiguration Diagnostik Skriver cykliskt utgångsinformation till slavarna. Busscykeltiden bör vara kortare än cykeltiden för programmet i styrsystemet, vilken i allmänhet ligger runt 10 ms för de flesta applikationer. Snabb dataförmedling är inte ensamt tillräckligt för att få framgång med ett bussystem. Enkel hantering, bra diagnostik och störsäker överföring är också viktiga nyckelfunktioner. DP ger en optimal kombination av dessa egenskaper. Hastighet DP behöver bara runt 1 ms vid 12 Mbit/s för att överföra 512 bitar ingångsdata och 512 bitars utgångsdata fördelat på 32 stationer. DP-V2 Broadcast datautbyte (Publisher/Subscriber) Isosynkron mod (Ekvidistant) plus extrafunktioner: Klocksynkronisering och tidmärkning Hart på DP Upp- och nedladdning (segmentering) Redundans Bild. 8: Funktionalitet för PROFIBUS DP-versionerna och deras egenskaper Stationsegenskaper Tid Bild 9 visar typiska överföringstider baserat på antalet stationer och överföringshastigheten. Vid användning av DP överförs både ingångsoch utgångsdata i en enda telegramcykel. DP använder för överföringen tjänsten SRD (Send and Rquest Data with Reply) som tillhör lager 2 i ISO/OSI-modellen. Diagnostikfunktioner De omfattande diagnostikfunktionerna hos DP ger en snabb lokalisering av fel. Diagnostelegrammen överförs på bussen och samlas in av mastern. Diagnostelegrammen delas in i tre nivåer: Stationsspecifik diagnostik Meddelanden om en station rent allmänt fungerar, som till exempel överbelastning, för låg matningsspänning eller interface ej klart. Modulrelaterad diagnostik Dessa meddelanden indikerar att ett fel finns i en specifik I/O-modul i en station (till exempel en 8-bitars utgångsmodul). Kanalrelaterad diagnostik Dessa meddelanden visar på att felet är relaterat till en individuell in- /utgångsbit (kanal), som till exempel kortsluten utgång. PROFIBUS Teknologi och användning 11

18 Systemkonfiguration och stationstyper DP stöder implementeringen av både monomaster- och multimastersystem. Detta kräver en hög grad av flexibilitet vid konfigurationen av ett system. Maximalt kan 126 enheter (mastrar och slavar) anslutas till en buss. Adressområdet är 0 till 127, men adress 127 används för broadcasting och adress 126 ofta för fabriksinställning för slavar som skall erhålla sin adress via bussen. Kvar blir 0 till 125. Vid konfigureringen anges följande: antalet stationer tilldelning av I/O-adresser till stationsadresserna, datagrupperingen för I/O-data, formatet för diagnostikmeddelandena och de bussparametrar som skall användas. Stationstyper Varje DP-system består av olika stationstyper. Man skiljer på tre typer av stationer: DP master klass 1 Detta är en master som cykliskt utbyter information med de distribuerade stationerna (slavarna) i en specificerad telegramcykel. Typiska DPM1 stationer är styrsystem (PLC:er) och PC. En DPM1-stsation har aktiv access med vilken den kan läsa mätvärden (ingångar) hos fältenheterna och skriva börvärden (utgångar) för aktorerna vid bestämda tidpunkter. Denna kontinuerligt upprepade cykel är basen för automationsfunktionen. DP master klass 2 Stationer som hör till denna typ är ingenjörsstationer, konfigureringsverktyg och operatörsstationer. De används vid konfigurering och för underhåll och diagnostik av de anslutna enheterna, utvärdering av uppmätta värden och parametrar samt läsa status. En DPM2-station behöver inte vara permanent inkopplad till bussystemet. En DPM2-station har också aktiv bussaccess. Slavar En slav är en fältenhet (I/O terminal, drivutrustning, HMI-station, ventil, transmitter, analysinstrument eller dylik), som läser information i processen och/eller använder Bussaccess Token Passing-procedur mellan mastrarna och master-slav-procedur mellan mastrar och passiva deltagare (slavar) Valfritt monomaster- eller multimastersystem Antalet mastrar och slavar tillsammans maximalt 126 på en buss Kommunikation Punkt-till-punkt (kommunikation av användardata) eller multicast (styrkommandon) Cyklisk kommunikation master-slav av användardata Driftstatus Operate Cyklisk överföring av ingångar och utgångar Clear Ingångar läses, utgångar stannar i felsäkert läge Stop Diagnostik och parametrering men ingen överföring av användardata Synkronisering Styrkommandon som synkroniserar ingångar och utgångar Sync mod Utgångar synkroniseras Freeze mod Ingångar synkroniseras Funktioner Cyklisk dataöverföring mellan DP master och slav(ar) Dynamisk aktivering/deaktivering av individuella slavar, kontroll av slavkonfiguration Kraftfulla diagnostikfunktioner, 3 nivåer av diagnostiktelegram Synkronisering av ingångar och/eller utgångar Möjlighet att tilldela nya adresser till slavar över bussen Upp till 244 byte ingångs- och 244 byte utgångsdata Säkerhetsfunktioner Säker telegramöverföring med hamming distance HD=4 Watchdog funktioner hos DP slavar upptäcker fel hos den konfigurerade mastern Access-spärr hos ingångar och utgångar hos slavarna Övervakning av användardataöverföring med justerbara övervakningstider i mastern Stationstyper DP master klass 1 (DPM1) till exempel styrutrustning typ PLC:er och PC DP master klass 2 (DPM2) till exempel ingenjörsstationer och diagnostikverktyg DP slavar till exempel stationer med digitala eller analoga in- /utgångar, drivutrustningar, ventiler Tabell 6 Översikt av DP-V0 utgångsinformation för att ingripa i processen. Det finns också enheter som endast bearbetar ingångs- eller utgångsinformation utan att påverka processen. Ur kommunikationssynpunkt är slavar passiva deltagare som endast svarar på direkt förfrågan. Detta arbetssätt är enkelt och ekonomiskt att implementera (när det gäller DP-V0 är det redan komplett inkluderat i hårdvaran). I ett monomaster system, är endast en master aktiv när bussen är i drift. Bild 10 visar systemkonfigurationen för ett monomastersystem. PLC:n är det centrala styrsystemet, mastern. Slavarna är decentralt anslutna till PLC:n över bussen. Denna systemkonfiguration ger den kortaste busscykeltiden. 12 PROFIBUS Teknologi och användning

19 I ett multimaster system är flera mastrar anslutna till en buss. De är antingen oberoende styrsystem med var sin DPM1 med sina slavar, eller extra konfigurerings- och diagnosstationer. Ingångs- och utgångsinformationen kan läsas av alla DP-mastrarna, men endast en DP-master (den DPM1 som tilldelats slaven vid konfigureringen) kan ha skrivaccess till utgångarna ,5 Mbit/s 1,5 Mbit/s Systemstatus För att garantera en hög grad av utbytbarhet för produkter av samma typ måste systemegenskaperna för DP också standardiseras. Systemstatus för DP bestäms huvudsakligen av driftstatus hos DPM Mbit/s Slavar Bild. 9: Busscykeltid i ett DP monomaster system. Varje slav har 2 byte in-: och 2 byte utgångsdata Driftläget kan kontrolleras antingen lokalt eller över bussen från konfigureringsenheten. Man skiljer på tre olika driftlägen: Stop Inget datautbyte mellan DPM1 och slavarna. Clear DPM1 läser ingångsinformation från slavarna och håller utgångarna i ett felsäkert läge (normalt ut = 0 ). Operate DPM1 i dataöverföringsläge. Ingångarna läses från slavarna och utgångarna skickas till slavarna cykliskt kontinuerligt. DPM1 sänder, med konfigurerbart intervall, sin status till alla sina tilldelade slavar i form av ett multicasttelegram. Systemets reaktion på ett fel under dataöverföringsfasen hos DPM1, med andra ord fel hos en slav, bestäms av parametrarna för funktionen "auto clear". Om denna parameter får värdet True, ändrar DPM1 utgångarna hos alla de tilldelade slavarna till felsäkert läge så fort en slav inte längre är redo att ta emot användardata. DPM1 skiftar samtidigt till läge Clear. Om denna parameter får värdet False, stannar DPM1 i driftläge Operate även när ett fel uppstår och användaren kan själv bestämma hur systemet skall reagera. Cyklisk datakommunikation mellan DPM1 och slavarna Datakommunikation mellan DPM1 och dess tilldelade slavar sköts automatiskt av DPM1 i en definierad upprepad sekvens (se bild 11). Användaren gör slavtilldelningen i konfigurationen av bussystemet. Användaren bestämmer också vilka slavar som skall inkluderas- /exkluderas i den cykliska användardatakommunikationen. Datakommunikationen mellan DPM1 och slavarna är indelad i tre faser: parametrering, konfigurering och dataöverföring. Innan mastern inkluderar en DP-slav I dataöverföringen, görs en kontroll under parametrerings- och konfigureringsfasen för att kontrollera att enhetens konfigurerade data stämmer med slavens verkliga konfigurering. Vid denna kontroll måste även slavens typ, ID-nummer, liksom format, längd och antal för ingångar och utgångar stämma. DP master (klass 1) Detta ger användaren ett pålitligt skydd mot parametreringsfel. This provides the user with reliable protection against parameterization errors. Förutom användardataöverföring, som utförs av DPM1 automatiskt, kan användaren också begära att nya parametreringsdata sands till slavarna. Sync och freeze mod Förutom den stationsrelaterade användardatakommunikationen, som hanteras automatiskt av DPM1, kan mastern också sända kommandon till alla slavarna eller till en grupp av slavar samtidigt. Dessa styrkommandon skickas som multicasttelegram och aktiverar sync och freeze mod för händelsestyrd synkronisering av slavarna. Slavarna börjar sync mod när de får ett sync kommando från sin master. Utgångarna hos alla adresserade slavar fryses vid dess aktuella status. Under följande användardataöverföring, sparas utgångsdata hos slavarna medan utgångarna behåller samma värden. Decentrala ingångar och utgångar DP slavar Bild. 10: PROFIBUS DP monomaster system PROFIBUS Teknologi och användning 13

20 DP master Anropstelegram Huvud Utgångar Slut Huvud Ingångar Slut Svarstelegram De sparade utgångsvärdena sands inte till utgångarna förrän sync kommando mottages. Sync mod avslutas med kommandot "unsync". På samma sätt orsakar ett freeze kommando att de adresserade slavarna går in i freeze mod. Det innebär att status för ingångarna fryses vid deras aktuella värden. Ingångsdata uppdateras inte förrän mastern sänder nästa freeze kommando. Freeze mod avslutas med kommandot "unfreeze". Säkerhetsmekanismer Direkt respons Bild. 11: Cykliska användardata transmission in DP DP slav För att skydda dataöverföringen är det viktigt att DP har effektiva säkerhetsfunktioner mot felaktig parametrering eller fel hos överföringsutrustningen. Därför har DPmastern och slavarna övervakningsmekanismer i form av tidsmonitorer. Övervakningsintervallet bestäms vid konfigureringen. För DP-mastern DPM1 använder en Data-Control- Timer för att övervaka datakommunikationen med slavarna. En separat timer används för varje slav. Timern larmar så fort korrekt dataöverföring inte kunnat utföras inom den konfigurerade övervakningstiden. När så sker meddelas användaren. Om den automatiska felhanteringen är aktiverad (Auto_Clear = True), lämnar DPM1 driftläget operate, sätter de tilldelade utgångarna i felsäkert läge och ändrar driftläget till clear. För slaven Slaven använder watchdogkontrollen för att upptäcka fel hos mastern eller överföringen. Om ingen datakommunikation sker från mastern inom övervakningstiden sätter slaven automatiskt utgångarna till felsäkert läge. Andra skyddsfunktioner är accessskyddet som behövs för ingångar och utgångar hos slavar som adresseras i ett multimastersystem. Det skyddet ser till att bara den auktoriserade mastern har direkt access. Till alla andra mastrar tillhandahåller slavarna en avbild av sina ingångar och utgångar som kan läsas utan accessrättigheter Version DP-V1 Acyklisk datakommunikation De viktigaste egenskaperna för DP- V1 är de utökade funktionerna för acyklisk datakommunikation. Detta är förutsättningen för parametrering och kalibrering av fältenheter over bussen i runtime och för att använda larm och kvittering av larm. Överföring av acykliska data görs parallellt med den cykliska datakommunikationen, men med lägre prioritet. Bild 13 visar exempel på kommunikationssekvenser. Mastern av klass 1 har token och kan sända telegram till eller mottaga telegram från slav 1, sedan slav 2 och så vidare i en bestämd ordning tills den når den sista slaven i den aktuella listan (MS0 kanal); sedan lämnar den över token till mastern av klass Diagnostik (diagnostelegram) max 244 byte 2. Denna master kan sedan utnyttja den återstående tiden ("gap") av den konfigurerade cykeln för att etablera acyklisk kommunikation med valfri slav (i bild 13 är det slav 3) och utbyta register (MS2 kanal). Vid slutet av den aktuella cykeln lämnar den tillbaka token till mastern av klass 1. Det acykliska utbytandet av register kan pågå i gapet i flera på varandra följande cykler och i slutet stänger mastern av klass 2 uppkopplingen. På samma sätt kan även en master av klass 1 utföra acyklisk kommunikation med slavar (MS1 kanal). De andra tjänsterna som finns visas i tabell 9. Utökad diagnostik Som en ytterligare funktion har den stationsspecifika diagnostiken utökats och uppdelats i kategorierna larm och statusmeddelanden (se bild 12) Version DP-V2 Okvitterat statusmeddelande, som rapporterar aktuell status hos slavarna. Varje ändring ger en uppdatering. Standard diagnostik, 6 byte Status för cyklisk anslutning Slav-till-slav kommunikation En funktion för direkt och därmed snabb kommunikation mellan slavar genom broadcast utan att behöva gå via en master. I dessa fall är slavarna "publisher". I den ordinarie cykliska uppdateringen svarar slaven med sina ingångsdata i form av ett broadcasttelegram i stället för det ordinarie till mastern riktade telegrammet. Tillverkarspecifik diagnostik Andra meddelanden Kanaldiagnostik Moduldiagnostik Stationsdiagnostik DP-V0 DP-V1 Larm Status Larm t. ex. process, uppdatering, status, ta ur/sätta i modul, Status för t. ex. förebyggande underhåll, utvärdering av trend Bild. 12: Uppbyggnad av diagnostikmeddelanden i DP-V0 och DP-V1 14 PROFIBUS Teknologi och användning