bakalárska prácadiplom.utc.sk/wan/2839.pdfŽilinská univerzita v Žiline elektrotechnická...

Žilinská univerzita v Žiline

Elektrotechnická fakulta

Katedra výkonových elektrotechnických systémov

BAKALÁRSKA PRÁCA

Komunikačné rozhrania používané v pohonárskych aplikáciách

2008 Jaroslav Ilončiak



Katedra výkonových elektrotechnických systémov

BAKALÁRSKA PRÁCA

Textová časť


ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE

ELEKROTECHNICKÁ FAKULTA

Katedra výkonových elektrotechnických systémov Ak. rok 2007/2008

ZADANIE BAKALÁRSKEJ PRÁCE Meno: Jaroslav Ilončiak Študijný program: Elektrotechnika Téma bakalárskej práce: Komunikačné rozhrania používané v pohonárskych aplikáciách Pokyny pre vypracovanie bakalárskej práce:

1. Použitie komunikačných rozhraní v aplikáciách elektrických pohonov 2. Typy komunikačných rozhraní a princíp ich činnosti 3. Budúcnosť komunikačných rozhraní

Zoznam odbornej literatúry: [1] Kopečný, L.: Regulované pohony se sběrnici Profibus v praxi, www.automa.cz Predpokladaný rozsah práce: 30 strán Vedúci bakalárskej práce: Ing. Pavel Lehocký Recenzent bakalárskej práce: Dátum odovzdania bakalárskej práce: 6. 6. 2008

Žilina 30. 10. 2007

BAKALÁRSKA PRÁCA

Priezvisko a meno : Jaroslav Ilončiak Šk. Rok : 2007/2008

Téma Bakalárskej práce : Komunikačné rozhrania používané v pohonárskych aplikáciách

Fakulta : Elektrotechnická Katedra: Výkonových elektrotechnických systémov

Počet strán : 45 Počet obrázkov : 17 Počet tabuliek : 2

Počet grafov : 0 Počet príloh : 0 Počet použ. lit. : 7

ANOTÁCIA / slovenský jazyk / Hlavným cieľom mojej bakalárskej práce bolo použitie komunikačných rozhraní

v pohonárskych aplikáciách. Zaoberal som sa použitím komunikačných rozhraní v aplikáciách

elektrických pohonov, typmi komunikačných rozhraní a princípom ich činnosti, budúcnosťou

komunikačných rozhraní.

ANOTATION / anglický jazyk / The aim of bachelor’s theses is an application of communication interfaces in the

electric drives. I was concerned with the communication interfaces and their application in the

electric drives. I also dealt with types of communication interfaces and principles of their

functions. I have also been described the future of communication interfaces.

Kľúčové slová : komunikačné rozhranie, zbernica, elektrické pohony, master, slave,

Profibus, prístupová metóda, prenosová rýchlosť, topológia sieťe,

riadiaca jednotka, distribuovaný riadiaci systém, protokol.

Vedúci BP : Ing. Pavel Lehocký Recenzent :

Dátum : 6.6.2008

Poďakovanie

Na záver by som sa chcel poďakovať vedúcemu bakalárskej práce

pánovi Ing. Pavlovi Lehockému za cenné rady a poskytnuté materiály.

Čestné prehlásenie

Prehlasujem, že som zadanú bakalársku prácu vypracoval

samostatne, pod odborným vedením

vedúceho bakalárskej práce Ing. Pavla Lehockého

a použil som len literatúru uvedenú v práci.

V Žiline, dňa 6.6. 2008 ………………………….

podpis

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta – Katedra výkonových elektrotechnických systémov

Bakalárska práca Jaroslav Ilončiak

Obsah

Zoznam použitých skratiek a symbolov ....................................................................................8

Úvod ........................................................................................................................................10

1.Použitie komunikačných rozhraní v aplikáciách elektrických pohonov ..............................11

1.1 Komunikácia s elektrickými pohonmi...........................................................................11

1.2 Komunikácia v distribuovaných riadiacich systémoch (DCS)......................................15

1.3 Model RM ISO/OSI........................................................................................................16

2.Typy komunikačných rozhraní a princíp ich činnosti............................................................20

2.1 Profibus...........................................................................................................................20

2.1.1 Profibus-FMS........................................................................................................22

2.1.2 Profibus-DP...........................................................................................................25

2.1.3 Profibus-PA...........................................................................................................29

2.2 FIP...................................................................................................................................33

2.3 Foundation Fieldbus (FF)................................................................................................34

2.4 P-NET.............................................................................................................................36

2.5 Controller Area Network (CAN)....................................................................................37

2.6 LON(WORKS)...............................................................................................................38

2.7 INTERBUS-S..................................................................................................................39

2.8 AS-Interface....................................................................................................................40

2.9 Ethernet...........................................................................................................................41

3. Budúcnosť komunikačných rozhraní....................................................................................43

Záver.........................................................................................................................................44

Zoznam použitej literatúry........................................................................................................45



Zoznam použitých skratiek a symbolov

Profibus.......................PROcess Field BUS

FMS..............…….......Fieldbus Message Specification

DP................................Distributed Periferials

PA................................Process Automation

PLC.…….....................programovateľný logický automat

PC.................................počítačová stanica

FF.................................Foundation Fieldbus

CAN.................…........Controller Area Network

I/O.................................vstupno / výstupné zariadenia

DCS...........……............distribuovaný riadiaci systém

CSMA/CD.....................metóda prístupu na sieť sleduje kolíziu správ

CSMA/CA.....................metóda prístupu na sieť vylučuje kolíziu správ

ISO.........….…...............mezdinárodná organizácia pre štandardizáciu

OSI.................................otvorený systém

RM ISO/OSI…..............referenčný model otvorených komunikačných systémov

ISO/OSI.........................referenčný model otvorených komunikačných systémov

MAP...............................protokol na výmenu informácií

TOP................................protokol na výmenu informácií

LAN...............................počítačová sieť

RS-485......….................sériová zbernica

EN 50 170......................európska norma

ISO 7498........................medzinárodná norma

IEC 1158-2.....................prúdová slučka

H2......….........................zbernica RS-485

H1...................................prúdová slučka

EMC...............................elektromagnetická kompatibilita

kbit/sec...........................jednotka prenosovej rýchlosti

Mbit/sec..........................jednotka prenosovej rýchlosti

FO.......…........................optické vlákno

DPM1…….….................master class1 zbernice Profibus DP

DPM2..............................master class2 zbernice Profibus DP



R...........[Ω]……………..elektrický odpor

C...........[F].......................elektrická kapacita

HMI................................. riadiace a procesné monitorovacie zariadenie

CRC................................. cyklická kontrola prenosu údajov

BD....................................typ účastníka na sieti

LMD................................ typ účastníka na sieti

CPU..................................centrálna jednotka

HART...............................sieťový protokol

µC.....................................mikropočítač

MUX.................................prepínač

RJ 45.................................konektor

ARC..................................Automation Research Consultants


Bakalárska práca Jaroslav Ilončiak 10

Úvod Komunikácia vo všeobecnosti zabezpečuje výmenu informácií medzi jej účastníkmi,

pričom účastníkmi komunikácie môžu byť aj technické zariadenia. Prenos informácií sa

realizuje cez tzv. komunikačné cykly, ktoré obsahujú činnosti spojené s nadviazaním spojenia

(prepojením účastníkov), prenosom informácií (často vo vymedzenom čase napr. v reálnom

čase) a ukončením alebo rozviazaním spojenia, obr. 1.

Obr. 1 Všeobecný model komunikácie Všeobecné definície: Rozhranie (interface):

Je spoločná hranica medzi dvoma komunikujúcimi jednotkami, ktorá je definovaná

charakteristikami fyzického, signálového a procedurálneho prepojenia (tzv. aspekty

rozhrania). Medzi základné všeobecné parametre rozhrania patrí šírka prenosových ciest

(napr. počet paralelných bitov), prenosová rýchlosť, odolnosť proti poruchám a rozšíriteľnosť

(modulovosť).

Zbernica:

Ak má rozhranie tri alebo viac jednotiek, jedná sa o spojenie zbernicou. Zbernica je

definovaná súborom fyzických spojov spolu s príslušnými konvenciami, tj. protokolmi pre

prenos informácie v rámci komunikačnej siete. Zbernica prenáša adresy, údaje, príkazy a

stavy, a podľa toho sa napr. pri paralelnej zbernici rozlišuje adresná, dátová, riadiaca a

stavová zbernica. Pri sériovom prenose synchrónna, asynchrónna a podobne.

Protokol:

Je sada pravidiel ako začať, uskutočniť a ukončiť komunikačný proces. Riadiace postupy

prenosu dát v rámci protokolu predstavujú súbor pravidiel dohodnutých medzi účastníkmi

komunikácie. Tieto postupy sa zásadne nevzťahujú na konkrétne komunikujúce zariadenia.



1. Použitie komunikačných rozhraní v aplikáciách elektrických pohonov

1.1 Komunikácia s elektrickými pohonmi

Elektrické pohony od najjednoduchších striedavých frekvenčných meničov až po

vysokodynamické servopohony sa čoraz vo väčšej miere pripájajú k nadradeným riadiacim

jednotkám prostredníctvom priemyselnej komunikačnej zbernice alebo priemyselného

ethernetu. Žiadaná hodnota (poloha, rýchlosť alebo moment) je generovaná z nadradenej

úrovne, pričom aktuálna hodnota riadenej veličiny sa odosiela späť do automatizovaného

systému. Na obr. 1.1. je príklad trojosového polohového systému, v ktorom je regulátor

polohy implementovaný v nadradenej riadiacej jednotke, komunikujúcej s pohonmi cez

priemyselnú komunikačnú zbernicu. Na zabezpečenie správnej činnosti pohybového systému

je potrebné, aby systém na prenos informácií umožňoval cyklický a acyklický prenos údajov,

synchronizáciu hodín komunikujúcich zariadení a vzájomnú komunikáciu medzi pohonmi.

Obr. 1.1 Trojosový systém riadený riadiacou jednotkou prostredníctvom priemyselnej

komunikačnej zbernice



Vzájomná komunikácia medzi pohonmi

Ak sú časti algoritmu riadenia pohybu distribuované v samotných pohonoch, treba

realizovať prenos údajov priamo medzi pohonmi. Na obr. 1.2. je trojosový systém s tromi

inteligentnými pohonmi. Stredný pohon riadi činnosť ostatných pohonov. Pri komunikácii

dochádza k prenosu údajov medzi pohonmi bez účasti externej riadiacej jednotky.

Obr. 1.2 Príklad trojosového systému s priamou komunikáciou medzi pohonmi

Cyklický prenos údajov

Cyklicky sa prenáša akčný zásah a príkazy z riadiacej jednotky do pohonu. Naopak z

pohonu do riadiacej jednotky sa prenášajú hodnoty monitorovaných veličín a stav zariadenia

(pohonu). Pri cyklickej komunikácii sa prenášajú časovo kritické procesné veličiny medzi

riadiacou jednotkou a pohonom alebo medzi pohonmi.

Acyklický prenos údajov

Súbežne s cyklickou výmenou dát sa používa acyklický prenos monitorovaných veličín a

veličín a parametrov nastavovaných operátorom. Pri acyklickej komunikácii sa prenášajú

údaje, ktoré nie sú časovo kritické, napríklad zavádzanie mikroprogramu (firmware) alebo

parametrov. Acyklický prenos môže prebiehať medzi pohonom a riadiacou alebo dohliadacou



jednotkou. Dohliadacia jednotka je zariadenie, ktoré spravuje konfiguračné údaje (množiny

parametrov) a zber diagnostických údajov z pohonov a riadiacich jednotiek.

Komunikácia v oblasti elektrických pohonov pozostáva z komunikácie riadiaceho systému

s podriadenými subsystémami. Na tejto úrovni komunikujú navzájom programovateľné

riadiace jednotky (PLC,PC), dôležité je docieliť vysoký stupeň funkčnosti. Komunikácia pre

nižšie úrovne distribuovaného riadenia a to medzi riadiacimi jednotkami a distribuovanými

perifériami (PLC-akčný člen). Dôležitá je aj rýchlosť prenášania dát. Komunikácia na

najnižšej procesnej úrovni (senzor-akčný člen). Na tejto úrovni sa pužíva zbernica nielen na

prenos informácii, ale aj na napájanie meracích členov, alebo nízkovýkonových akčných

členov.

Celý komunikačný proces je dôležitý z hladiska dodržania technológie výrobných

procesov pri viac či menej zložitých výrobných zariadeniach. Jednotlivé pohony týchto

zariadení sú na sebe závislé. Nemôžu pracovať samostatne, nezávisle od dalších pohonov a

riadiacich algoritmov.

Najčastejšie používané rozhrania

• Profibus- Profibus FMS - komunikácia na vyššej bunkovej úrovni (PLC,PC)

- Profibus DP - nižšie distribuované riadenie (napr. PLC-akčný člen)

- Profibus PA - najnižšia procesná úroveň (senzor-akčný člen)

• Foundation Fieldbus (FF) - nižšie distribuované riadenie

• Controller Area Network (CAN) -vhodná pre vyšší počet meracích a akčných členov

• LON - jednoduchšie aplikácie

• Interbus-s – najnižšia procesná úroveň

• AS-Interface – najnižšia procesná úroveň

• Ethernet – komunikácia na vyššej bunkovej úrovni



Obr. 1.3 Oblasti použitia PROFIBUSu

Obr. 1.4 Použitie ProfibusDP, Profibus PA



1.2 Komunikácia v distribuovaných riadiacich systémoch (Distributed Control System,

DCS)

Súčasný vývoj smeruje k takým štruktúram DCS, v ktorých funkcia centrálnej riadiacej

jednotky je potláčaná a vlastné úlohy riadenia sú riešené na úrovni lokálnych centier

komunikujúcich priamo s výrobným procesom. Na väčšie vzdialenosti sa prenášajú len

informácie nutné pre spoluprácu lokálnych centier a vyšších úrovní riadenia. Jednotlivé prvky

takýchto DCS sú pospájané sieťami, ktorých topológie sú znázornené na obr. 1.5. Ich riadenie

je riešené buď jednou jednotkou (Mono Master), alebo sú to siete s viacerými riadiacimi

jednotkami (Multi Master). Prístup jednotlivých distribuovaných jednotiek na sieť môže byť

náhodný alebo riadený. V systémoch s riadeným prístupom na komunikačné médium je

súčasne aktívna iba jedna jednotka na riadenie komunikácie (Master). Táto jednotka je buď

pevná (Single Master) alebo sa riadenie odovzdáva z jednej stanice na druhú formou tzv.

poverenia (Token Bus, Token Ring - napr. Profibus). V systéme s náhodným prístupom na

sieť môže byť súčasne viac aktívnych účastníkov. Každá stanica pritom nepretržite sleduje

dianie v sieti. V prípade, že nie je sieťou prenášaná žiadna informácia a jednotka má

pripravenú správu, začne ju vysielať. Súčasne však sleduje, či nedochádza ku kolízii s inou

vysielanou správou (Carrier Sense Multiple Access Collision Detection - CSMA/CD). Ak

jednotka indikuje kolíziu, okamžite prestáva vysielať a pokus o vysielanie zopakuje znovu po

určitom čase. Tento spôsob prístupu je implantovaný napr. v lokálnych sieťach ETHERNET.

V novších DCS s náhodným prístupom do komunikačnej siete sú vytvorené riadiace postupy,

ktoré výrazne obmedzujú resp. vylučujú kolízie správ (Carrier Sense Multiple Access

Collision Avoidance - CSMA/CA). Predstaviteľmi takéhoto riadenia distribuovaných sieti sú

zbernice CAN a LON.



a.

d.c.

b.

Obr. 1.5 Základné topológie komunikačných sieti

a) lineárna zbernicová (najčastejšia v meracích a riadiacich

systémoch),

b) hviezdicová,

c) kruhová,

d) stromová.

Medzi najčastejšie používané prenosové média patria

• koaxiálne káble,

• skrútené dvojvodičové vedenie (Twisted Pair),

• napájacia sieť, napr. 220 V (Power Line),

• optické vlákna,

• rádiové spojenie (Bluetooth, Wifi, atď).

1.3 Model RM ISO/OSI:

Na prekonanie nepríjemností pri práci s veľkým množstvom nekompatibilných

komunikačných štandardov definovala medzinárodná organizácia pre štandardizáciu

(International Organization for Standardization, ISO) v roku 1988 v dokumente (norme) ISO

7498 schému vzájomného prepojenia otvorených systémov (Open Systems Interconnection

Basic Reference Model, RM OSI - referenčný model otvorených komunikačných systémov)

označovaný ako RM ISO/OSI, alebo len ISO/OSI model. Tento model sám o sebe nie je

definovaný ako štandard, ale ponúka rámec na identifikáciu a oddelenie koncepčne rôznych



častí komunikačného procesu. Prakticky to znamená, že ISO/OSI nepredpisuje napr. hodnoty

napäťových úrovní, ani prenosové rýchlosti. Určuje však, že pri komunikácii podľa modelu

ISO/OSI musí byť dosiahnutá kompatibilita pre napäťové úrovne, rýchlosť prenosu,

protokoly a pre niektoré ďalšie faktory na to, aby sa dosiahla kompatibilita medzi

komunikujúcimi systémami. To znamená, že ISO/OSI predstavuje koncepčný model pre

komunikáciu rozdielnych úrovní, rozdielnych operačných systémov, kde operácie majú rôzne

abstrakcie v rozsahu od strojového kódu po jazyky vyšších úrovní a aplikácií. Praktickým

cieľom ISO/OSI je optimálne sieťové prepojenie, v ktorom data môžu byť prenášané medzi

rôznymi lokalitami bez stratových (zbytočných) konverzných prostriedkov s vynútenými

oneskoreniami a možnými chybami.

Model RM ISO/OSI rozčleňuje problematiku komunikácie otvorených systémov do

siedmich úrovní a definuje rámcové podmienky pre komunikačný systém. Model slúži

predovšetkým vývojovým pracovníkom telekomunikačnej, výpočtovej a riadiacej techniky,

ako vzťažný model pri tvorbe nových produktov. Štruktúra referenčného modelu RM

ISO/OSI je znázornená na obr. 1.6. V ISO/OSI je definovaných sedem vrstiev pre rôzne

aspekty komunikácie, od fyzickej vrstvy (káble, konektory a úrovne el. signálu) po aplikačnú

vrstvu, kde si programy vymieňajú informácie v preddefinovaných objektoch (súbory,

výrobné prostriedky) pri použití štandardných jazykov. Každá úroveň modelu obsahuje

definíciu jednotlivých čiastkových úloh komunikácie. Komunikácia medzi dvoma otvorenými

systémami potom prebieha vždy medzi navzájom si zodpovedajúcimi úrovňami referenčného

modelu. Táto forma komunikačného modelu býva implementovaná predovšetkým v

distribuovaných systémoch, v ktorých jednotliví účastníci komunikujú navzájom medzi sebou

po prenosovom médiu bez účasti akýchkoľvek iných sieťových zariadení (napr. počítačové

siete LAN). Každá vrstva komunikuje priamo len s vrstvou nad alebo pod ňou, pričom

požaduje služby od vrstiev pod a poskytuje služby pre vrstvy nad. Volania ISO/OSI služieb sú

podobné volaniam operačného systému: požiadaná vrstva podá data a parametre vrstve pod

ňou a čaká na odpoveď, ale ignoruje podrobnosti vykonávania požiadavky. Moduly

umiestnené v rovnakej vrstve a v rôznych bodoch siete (t.j. bežiace na rôznych počítačoch)

komunikujú cez protokoly, ktoré definujú formáty správ a pravidlá pre výmenu dát. V

ISO/OSI sú protokoly používané na komunikáciu medzi jednotlivými vrstvami.



prezentačná prezentačná

relačná relačná

transportná transportná

sieťová relačná

linková sieťová

fyzickáfyzický kanál

vrstva

fyzická

aplikačná7

6

5

4

3

2

1

aplikačná

Obr. 1.6 Otvorený ISO/OSI referenčný model

Každá vrstva má vlastný protokol, a preto pridáva svoje protokolové údaje k originálnej

správe. (obr 1.7)

originálna správaaplikačná vrstvaprezentačná vrstvarelačná vrstvatransportná vrstvasieťová vrstvalinková vrstvafyzická vrstva

8.7.6.5.4.3.2.1.

Obr. 1.7 Rozširovanie prenášanej správy o protokolové dáta na rôznych úrovniach modelu

ISO/OSI

V číslicových riadiacich systémoch sa využívajú spravidla len tri úrovne otvoreného modelu:

Na fyzickej úrovni komunikačného modelu je definovaný spôsob transformácie číslicovej

informácie na prenosový signál. Určuje sa pritom o aké prenosové vedenie sa jedná

(elektrické, optické, rádiové,...), definujú sa druhy a úrovne signálov, šírka prenosového

pásma, prenosové rýchlosti, pri synchrónnom prenose spôsob synchronizácie a pod. Fyzická

vrstva reprezentuje skutočné prepojenie medzi komunikujúcimi miestami a charakterizuje

úroveň elektrických obvodov a spojov, tj. prenosovú cestu.

Linková vrstva je určená na zabezpečenie prenosu a prístupu na prenosové médium. Na

tejto úrovni sa organizujú prenášané údaje do rámcov, synchronizuje sa prenos, riadi sa tok

údajov a zaisťuje sa bezchybný príjem vyslaných rámcov.

Aplika čná (používateľská) vrstva je najvyššou úrovňou komunikačného modelu a v

konečnom dôsledku zdrojom a cieľom komunikácie v rozsiahlych systémoch. Je



reprezentovaná nadviazaním a rušením spojenia, elektronickou poštou, prenosom súborov,

atď. Vzhľadom na mnohorakosť využitia komunikácie aplikačná úroveň nemá jasne

definované hranice a ani úlohy, ktoré má plniť.

Schéma prepojenia otvorených systémov podľa modelu RM ISO/OSI bola vytvorená pre

systémy, ktoré sú charakterizované slovami komunikácia a kompatibilita. Na dosiahnutie

vysokej kompatibility pri číslicovej komunikácii je nevyhnutné aplikovať len niekoľko z

vytvorených štandardov – komunikačných protokolov. Preto dnešný trend je charakterizovaný

hľadaním efektívneho množstva normovaných protokolov širšieho konceptu, ktoré pokryjú

viacero komunikačných vrstiev a zlúčia rozdielne štandardy.

Pre oblasť priemyselnej výroby, tj. v riadiacich systémoch typu DCS sú vytvorené dva

dôležité protokoly vhodné na výmenu informácií na vyšších úrovniach podnikového riadenia.

Sú to MAP (Manufacturing Automation Protocol) a TOP (Technical and Office Protocol),

ktoré sú kompatibilné s väčšinou štandardov na vyšších i nižších úrovniach riadenia a sú

orientované na administratívu a výrobu v priemyselných prevádzkach. Oba komunikačné

systémy MAP a TOP podporujú prepojenie väčšieho množstva zariadení v stredných až

veľkých podnikoch.

Zavádzaním číslicovo riadených prvkov do riadiacich systémov na ich rôzne úrovne, tj.

distribúciou inteligencie v systéme, sa pre ich efektívnu spoluprácu presadili požiadavky na

ich vzájomnú komunikáciu. Od konca osemdesiatych rokov sa rozširuje používanie aj

priemyselných komunikačných systémov určených pre distribuované meranie a riadenie na

procesnej úrovni. V priemyselných aplikáciách, už v súčasnosti prislúcha najväčší podiel

práce (aj ceny) nie na centrálne spracovanie informácií, ale na periférne inteligentné

senzorové a akčné prvky.

Pri riešení priemyselnej komunikácie sa používa zásadne sériový prenos údajov v sieťach

zbernicového typu. Vo väčšine prípadov sú jednotky týchto systémov prepojené zbernicou

štandardu RS-485, prípadne optickým prenosovým médiom. Zbernica RS-485 je v súčasnej

dobe najrozšírenejšia forma prepojenia procesných automatizačných prostriedkov. Počet

prijímačov je ohraničený na 32 na jednej zbernici. Prenosovým médiom je skrútená dvojlinka

a prenosová rýchlosť dosahuje až 10 Mb/s. Rozsiahle zbernicové systémy typu Fielbus,

využívajúce RS-485, umožňujú potom vybudovať riadiace systémy s hierarchickou štruktúrou

pre celé výrobné linky s možnosťou nadväznosti na vyššie úrovne riadenia.



2. Typy komunikačných rozhraní a princíp ich činnosti

2.1 PROFIBUS (PROcess Field BUS)

Je medzinárodný otvorený štandard procesnej komunikačnej zbernice podľa európskej

normy EN 50 170. Slúži na komunikáciu medzi automatizačnými systémami a zariadeniami,

ktoré môžu byť funkčne a priestorovo distribuované v prevádzke. Profibus je otvorený

systém, ktorý umožňuje vybrať si zariadenia od rôznych výrobcov a pripojiť ich na tú istú

zbernicu. Stotisíce úspešných aplikácií ukazujú, že je možné ušetriť až do 40% nákladov na

kabeláž, revíziu a údržbu oproti konvenčným technológiám. Hlavnými prednosťami digitálnej

komunikácie ďalej sú vysoká presnosť, spoľahlivosť, možnosť diagnostiky, nastavenia

parametrov zariadení až po správu a revíziu z centra. Celá komunikácia prebieha len na dvoch

vodičoch alebo optickým vláknom, pričom systém je možné kedykoľvek jednoducho

rozširovať pripájaním zariadení od rôznych výrobcov na tieto dva vodiče, prípadne rozširovať

zbernicu aj na veľmi rozľahlé prevádzky a prevádzky s výbušným prostredím.

Obr. 2.1 Štruktúra PROFIBUSu



Štruktúra protokolu

Profibus špecifikuje technické a funkčné chrakteristiky priemyselných komunikačných

systémov, využívajúcich sériovú komunikáciu od najnižšej úrovni decentralizovaných

zariadení až po skupinovú úroveň. Definuje sa MASTER a SLAVE zariadenie. MASTER

zariadenie rozhoduje o komunikácii na zbernici. Ak má právo na vysielanie (token), môže

poslať správu bez externej požiadavky. V Profibus protokole sa takéto zariadenie nazýva aj

aktívna stanica. SLAVE zariadenie je periférne zariadenie (vstupy/výstupy, ventily, pohony,

prevodníky a pod.), ktoré nemá práva na vysielanie dát na zbernicu. Vysielať môže, len ak je

o to žiadané MASTER zariadením, alebo ak sa jedná o potvrdenie prijatých dát. V protokole

Profibus sa takéto zariadenie nazýva aj pasívna stanica.

Architektúra protokolu

Profibus je založený na architektúre protokolu, ktorý je orientovaný na model OSI (Open

System Interconnection) v súlade s medzinárodným štandardom ISO 7498. V tomto modeli sú

presne definované vrstvy, z ktorých PROFIBUS využíva:

1. vrstvu - FYZICKÚ Táto vrstva definuje fyzické prepojenie medzi zariadeniami

2. vrstvu - LINKOVÚ Táto vrstva definuje mechanizmus prístupu na sieť

7. vrstvu - APLIKA ČNÚ Táto vrstva definuje služby potrebné pre realizáciu komunikácie z hľadiska užívateľa (aplikačné funkcie)

Tab. 2.1 Využívané vrstvy Profibusu

Médiá fyzickej vrstvy

Rôzne podmienky (bezpečnosť prenosu, rozľahlosť siete, prenosová rýchlosť, napájanie aj

komunikácia po spoločnom vedení, nebezpečné prostredia, ale aj cena) predurčujú použitie

rôznych médií pre fyzickú vrstvu. Pretože je teda nemožné vyhovieť súčasne všetkým

požiadavkám, poskytuje štandard Profibus nasledovné varianty:

• zbernica RS 485 pre DP/FMS,

• prúdová slučka IEC 1158-2 pre PA,

• optické vlákno.



Pod názvom Profibus sú normalizované v Európskej únii (EN 50170) v podstate tri

priemyselné zbernice: Profibus-FMS, Profibus-DP, Profibus-PA.

2.1.1 Profibus-FMS (Fieldbus Message Specification)

Pôvodná zbernica Profibus, teraz označovaná Profibus-FMS (Fieldbus Message

Specification) je určená najmä pre náročné aplikácie, napr. pre komunikáciu riadiaceho

systému s podriadenými subsystémami. Na prepojenie účastníkov komunikácie sa používa

zbernica RS-485. Pre optimálne využitie prenosového kanálu používa Profibus-FMS tri druhy

dátových segmentov (telegramov) - riadiaci rámec, dátový rámec pevný a dátový rámec

premenný.

Prístupová metóda sa môže voliť z možností Token Passing, Master-Slave alebo hybridný

spôsob. Pri prístupe Token Passing sú stanice pripojené ku zbernici, a tie ktoré môžu mať

riadiacu funkciu postupne odovzdávajú poverenie (Token) v logickom kruhu. Prístup Master-

Slave je aplikovaný smerom k podriadeným staniciam. Stanica, ktorá má práve poverenie,

riadi činnosť celého systému. Hybridná štruktúra podľa obr. 2.2 umožňuje použitie viacerých

riadiacích staníc. Každá stanica s poverením Master môže nadviazať spojenie s ľubovoľnou

stanicou Master a Slave.

fyzické médium

poverenie

A

E F G HD

B C

Obr. 2.2 Hybridná štruktúra Profibusu FMS

Na prepojenie účastníkov komunikácie sa používa zbernica RS-485 alebo optické vlákno.



Zbernica RS-485

Najčastejšie používaná varianta prenosovej vrstvy siete PROFIBUS je zbernica RS 485

(tiež označovaná aj ako H2). Aplikačnú oblasť tejto varianty tvorí inštalácia PROFIBUS

DP/FMS požiadavkou na jednoduchú, lacnú sieť s vysokou prenosovou rýchlosťou. Pre RS

485 sa používa tienený kábel s jedným medeným krúteným párom. V inštaláciách, kde je

možné vylúčiť elektromagnetické rušenie, je možné použiť netienený kábel. Použitie

tienených vodičov je nevyhnutné k dosiahnutiu imunity voči elektromagnetickémú rušeniu

(napr. v automobiloch). Tienenie takisto zlepšuje elektromagnetickú kompatibilitu (EMC).

Pripája sa na oboch koncoch vedenia na ochrannú zem. Doporučuje sa, aby sa datové vodiče

nenachádzali pri vodičoch s vysokým napätím.Prenosová rýchlosť môže byť od 9.6 kbit/sec

do 12 Mbit/sec (tab.2.2). Zvolená prenosová rýchlosť je platná pre všetky zariadenia

pripojené na sieť.

Prenosová rýchlosť(kbit/s) 9,6 19,2 93,75 187,5 500 1500 12000 Dĺžka segmentu(m) 1200 1200 1200 1000 400 200 100

Tab. 2.2 Dĺžka segmentu v závislosti od prenosovej rýchlosti

Základné chrakteristiky RS 485

Na jeden segment je možné pripojiť max. 32 staníc (MASTER, SLAVE). Zbernica je na

oboch koncoch ukončená aktívnym terminátorom. Pre zabezpečenie správneho chodu siete

musia byť oba terminátory napájané. Väčšina výrobcov dodáva odpínatelné terminátory buď

priamo v konektoroch, alebo sú súčasťou zariadenia. Ak je počet staníc na segmente väčších

ako 32, je potrebné použiť opakovač (repeater). Maximálna dĺžka káblu je závislá od

prenosovej rýchlosti. Túto dlžku je možné zväčšiť použitím opakovačov. Neodporúča sa

používať viac ako 3 opakovače zapojené do série.

Parametre kábla (typ A)

• Impedancia 135 až 165 Ω

• Kapacita < 30 pF/m

• Odpor slučky 110 Ω/km

• Priemer vodiča 0,64 mm

• Prierez vodiča > 0,34 mm2



Prenos optickým vláknom (Fibre Optic - FO)

Optické vlákno sa používa v inštaláciách s vysokou úrovňou elektromagnetického rušenia

a tam, kde je potrebné zväčšiť maximálne vzdialenosti s vysokými prenosovými rýchlosťami.

Používajú sa dva typy optických vlákien. Plastové, ktoré je lacnejšie, na prenos do 100 m,

alebo sklenené, na prenos až do 100 km. Výrobcovia ponúkajú špeciálne konektory

s integrovaným prevodníkom RS 485 na signály pre optické vlákno a naopak. Toto umožňuje

jednoducho kombinovať zbernicu RS 485 (galvanické spoje) s optickým rozvodom v jednej

sieti.

FMS profily

FMS ponúka široký rozsah funkcií na zabezpečenie univerzálnych aplikácií. V rôznych

oblastiach aplikácií musí byť rozsah požadovaných funkcií prispôsobený špecifickým

požiadavkám. Preto sú nevyhnutnosťou aplikačno orientované definície funkcií, ktoré sa

nazývajú profily. Profily dovoľujú zameniteľnosť zariadení od rôznych výrobcov.

Profily, ktoré boli definované v FMS:

Komunikácia medzi riadiacimi jednotkami

Tento komunikačný profil definuje, ktoré FMS služby sa použijú na komunikáciu medzi

PLC. Služby, parametre a typy dát, ktoré musí podporovať každé PLC sú špecifikované v

triedach kontrolérov.

Profil pre automatizáciu budou

Tieto profily sú určené pre špecifické odvetvie v automatizácií stavieb. Profil popisuje

monitorovanie riadenia v otvorenej a uzavretej slučke, operátorové riadenie, ošetrovanie

alarmov a archiváciu v systéme automatizácie budov využívaných v FMS.



2.1.2 Profibus-DP (Distributed Periferials)

Zložitosť a vysoká cena prevedenia Profibus-FMS bola dôvodom, prečo pre aplikácie v

jednoduchých riadiacich systémoch alebo pre nižšie úrovne distribuovaného riadenia bola

vyvinutá a normalizovaná jednoduchšia verzia pod názvom Profibus-DP (Distributed

Periferials). Zbernica slúži na rýchlu komunikáciu medzi riadiacimi jednotkami a

distribuovanými perifériami. Je určená pre procesnú úroveň senzor - akčný člen a má

definovanú dobu prístupu riadiacej stanice k jednotlivým podriadeným jednotkám. Opäť

používa galvanicky oddelenú tienenú zbernicu RS-485, ale s vyššou maximálnou prenosovou

rýchlosťou, z čoho vyplýva garantovaná doba odozvy do 5 ms.

• je optimalizovaný pre rýchle a nenákladné spojenia,

• je navrhnutý na komunikáciu medzi programovateľnými logickými automatmi (PLC)

a ich decentralizovanými vstupmi a výstupmi na najnižšej (technologickej) úrovni,

• môže byť použitý na prevod z paralelných signálov na hodnoty 24 V alebo 0 až 20 mA

Zariadenia pripojiteľné ku zbernici majú rôzne prevádzkové charakteristiky, ktoré sa líšia

podľa funkčnosti (t.j. počet vstupných a výstupných signálov a diagnostických správ), alebo

podľa sieťových parametrov, ako sú prenosová rýchlosť a časové monitorovanie. Rôzne

zariadenia od rôznych výrobcov majú tieto hodnoty odlišné. Zvyčajne sú uvedené v

technickej dokumentácii. Na dosiahnutie jednoduchej Plug and Play konfigurácie Profibusu

sú charakteristické črty zariadenia špecifikované v elektronickom katalógu, ktorý sa nazýva

GSD súbor. Štandardizované GSD dáta rozširujú komunikáciu na operátorskú úroveň.

Použitím konfiguračných nástrojov založených na GSD súboroch sa zvyšuje otvorenosť

systému, umožňuje sa kombinovanie zariadení od rôznych výrobcov a zjednodušuje sa

sieťový systém (obr. 2.3).

GSD súbory poskytujú jasný a obsiahly popis charakteristík zariadení v presne

definovanom formáte. GSD súbory vytvára výrobca zariadenia. Presné definovanie formátu

umožňuje konfiguračnému systému jednoducho prečítať z GSD súboru akéhokoľvek Profibus

DP zariadenia potrebné dáta a automaticky ich použiť na konfiguráciu. Počas konfigurácie

systém automaticky prevádza kontrolu na vstupné chyby a zhodnosť dát vstupujúcich do

systému. GSD súbory sú rozdelené na tri časti.



Hlavná špecifikácia

Táto časť obsahuje meno zariadenia, názov výrobcu, verziu HW a SW, podporované

prenosové rýchlosti, časové intervaly na monitorovanie časov a popis pinov konektora.

Špecifikácie DP MASTER

Táto časť obsahuje všetky parametre, ktoré sa týkajú DP MASTER zariadení(t.j. max.

počet SLAVE zariadení, ktoré môžu byť pripojené a tiež prenosové schopnosti zariadenia).

Táto časť sa u SLAVE zariadení neuvádza.

Špecifikácie DP SLAVE

Táto časť obsahuje všetky parametre, týkajúce sa DP SLAVE zariadení (t.j. počet a typ

I/O kanálov, špecifikácia diagnostických testov, informácie k určeniu správnosti dát).

V individuálnych častiach sú parametre roztriedené podľa kľúčových slov. Rozlišujú sa

povinné parametre(t.j. názov výrobcu) a voliteľné parametre (t.j. podpora Sync_Mode).

Možnosť výberu volieb je zabezpečená definíciou skupín parametrov. Okrem toho môžu byť

ku GSD súboru pripojené bitmapové súbory so symbolmi zariadenia. Formát GSD súboru je

navrhnutý tak, aby bola dosiahnutá flexibilita. Obsahuje oba zoznamy (prenosové rýchlosti

podporované zariadeniami) a priestor na popis modulov prístupných v zariadeniach

vytvorených modulárne. Tak isto môže byť pripojený jednoduchý text.

Každý typ zariadenia DP SLAVE a každý typ zariadenia DPM1 musí mať identifikačné

číslo. Zariadenia MASTER potrebujú toto číslo na to, aby im bolo umožnené identifikovať

typy pripojených zariadení bez vytvárania dôležitých prídavkov protokole. MASTER

zariadenie porovnáva identifikačné číslo pripojených DP zariadení s identifikačným číslom

špecifikovaným konfiguračným nástrojom v konfiguračných dátach.

Prenos užívateľských dát sa nezačne skôr, kým sa správne zariadenie s korektnou adresou

nepripojí na sieť. Týmto je dosiahnutý vysoký stupeň bezpečnosti konfiguračných dát.

Výrobcovia musia požiadať o identifikačné číslo organizáciu Profibus pre každé DP SLAVE

zariadenie a pre každý typ zariadenia DPM1. Organizácia Profibus spravuje databázu

identifikačných čísel.



Obr. 2.3 GSD súbory dovoľujú otvorenú konfiguráciu.

PROFIBUS DP profily

Protokol Profibus DP definuje, ako sú po zbernici prenášané dáta medzi stanicami.

Prenášané dáta nie sú vyhodnocované prenosovým protokolom Profibus DP. Význam je

špecifikovaný v profiloch. Profily špecifikujú, ako je Profibus DP používaný v danej

aplikácii. Využitím profilov získavajú operátori a užívatelia výhodu možnosti výmeny

zariadení od rôznych výrobcov. Takisto profily významne redukujú náklady. Význam

parametrov súvisiacich s aplikáciou je presne špecifikovaný. Využitie profilov dovoľuje

zámenu jednotlivých komponentov od rôznych výrobcov bez toho, aby si operátor musel

robiť záznamy.

Nasledujúce špecifikované Profibus DP profily:

NC/RC profil

Tento profil popisuje, ako sú k Profibusu pripojené a riadené manipulátory a montážne

roboty. Profily sú založené na podrobných sekvenčných diagramoch, pohybovom a

programovom riadení robotov z pohľadu najvyššieho stupňa automatizácie.



Profily enkodérov

Tieto profily popisujú pripojenie rotačných, uhlových a lineárnych kóderov s

jednozávitovým, alebo viaczávitovým rozlíšením. Dve triedy zariadení definujú základné a

doplnkové funkcie ako aj ciachovanie, spracovanie prerušení a rozšírené diagnostické

funkcie.

Profily pohonov s premenlivou rýchlosťou

Výrobcovia pohonov spoločne definovali profily PROFIDRIVE, ktoré špecifikujú, ako sú

pohony parametrizované a ako sú prenášané žiadané a skutočné hodnoty. Toto umožňuje

vzájomne nahradzovať pohony od rôznych výrobcov. Profily obsahujú nevyhnutné

špecifikácie pre rýchlostné a pohybové riadenie, ktoré špecifikujú základné funkcie, čo

umožňuje poskytnúť širší priestor pre vývoj špecifických vlastností zariadenia. Profily

popisujú aj mapovanie aplikačných funkcií pre DP a FMS.

Profily pre HMI zariadenia(Human Machine Interface)

Tieto profily jednoduchých riadiacich a procesných monitorovacích zariadení(HMI)

špecifikujú pripojenie týchto zariadení cez Profibus ku komponentom vyššej úrovne

automatizácie. Profily využívajú na komunkáciu rozšírené Profibus DP funkcie.

Profily poskytujúce bezpečnosť pre PROFIBUS DP

Tieto profily definujú dodatočné bezpečnostné mechanizmy, ktoré povoľujú komunikáciu

medzi zariadeniami, odolnými voči chybám (t.j. pohotovostné STOP tlačidlá, svetelné závory

použité na zabezpečenie atď.).



2.1.3 Profibus-PA (Process Automation)

Ďalšia modifikácia s názvom Profibus-PA (Process Automation) je určená pre jednoduché

aplikácie, či subsystémy. Pracuje s dvojvodičovoú zbernicou, ktorá sa nepoužíva len na

prenos dát, ale v tomto prípade aj na napájanie meracích členov alebo nízkovýkonových

akčných členov. Zbernica je vhodná pre dvojvodičovú iskrovo-bezpečnú techniku podľa IEC

61158-2. Prenosová rýchlosť je v tomto prípade obmedzená na 31,25 kbit/s a maximálny

počet účastníkov je 31. Profibus PA je časť Profibusu pre zabezpečenie komunikácie v oblasti

procesnej automatizácie. PA spojuje automatizované systémy a procesné riadiace systémy so

vzdialenými zariadeniami, ktoré sa nachádzajú v samotnom procese (snímače tlaku, teploty,

hladiny a pod.). PA nahradzuje analógovú prúdovú slučku 4-20mA. Jeho použitím sa zvyšuje

funkčnosť a hlavne bezpečnosť. Takisto sa ušetrí viac ako 40% nákladov na projekciu,

kabeláž a údržbu. Obr. 2.4 ukazuje rozdiel medzi klasickou prúdovou slučkou 4 - 20 mA a

Profibusom PA.

Obr. 2.4 Porovnanie prenosových techník.



Prepojenie samotných zariadení s multiplexorom ostáva podobné, ale na prepojenie medzi

vzdialenými systémom a riadiacou jednotkou sa použije oveľa menej kabeláže. Profibus PA

umožňuje po dvoch vodičoch napájať zariadenia, čo je požiadavka hlavne v nebezpečných

výbušných prostrediach. Teda po dvoch vodičoch sa prenášajú aj dáta aj napájanie zariadenia.

Toto nielen ušetrí náklady na kabeláž, ale aj zníži počet I/O modulov. V Profibus PA je

dovolené pripájať a odpájať zariadenia počas behu systému bez vplyvu na ostatné zariadenia.

Spolupráca organizácie Profibus s priemyselnými spoločnosťami viedla k vytvoreniu

nasledujúcich požiadaviek:

• jednotné aplikačné profily pre procesnú automatizáciu a zameniteľnosť zariadení od rôznych

výrobcov,

• pripájanie a odpájanie zariadení v nebezpečných prostrediach bez ovplyvňovania ostatných

zariadení,

• prehľadná komunikácia medzi Profibus PA a Profibus DP,

• napájanie a prenos dát po dvoch vodičoch (IEC 1158-2),

• možnosť použitia vo výbušných prostrediach.

Prenosový protokol PROFIBUS PA

Na prenos nameraných a hodnôt a stavov využíva Profibus PA základné funkcie Profibusu

DP a na parametrizáciu a riadenie využíva rozšírené PROFIBUS DP funkcie. Na prenos sa

používa dvojvodičová technológia v súlade s normou IEC 1158-2. Prepojenie medzi

prístupovým protokolom Profibus (vrstva 2) a technológiou IEC 1158-2 (vrstva 1) je

špecifikované v dodatku 2 štandardu EN 50 170.

Profil zariadenia v PROFIBUS PA

Profil zaisťuje zameniteľnosť a prevádzkyschopnosť zariadení od rôznych výrobcov,

použitých v sieti PROFIBUS PA. Úloha PA profilu je vybrať komunikačné funkcie, ktoré sú

práve požadované pre procesné zariadenia a poskytnúť všetky nevyhnutné špecifikácie pre

tieto funkcie a režimy zariadení. PA profil obsahuje všeobecné požiadavky obsahujúce

špecifikácie aplikovateľné na všetky typy zariadení a katalógové údaje obsahujúce informácie

o konfigurácii každého zariadenia.



V súčasnosti sú katalógové údaje špecifikované pre všetky bežné meracie členy a ostatné

zariadenia ako sú:

• meracie prevodníky pre tlak, teplotu, výšku hladiny a prietok,

• číslicové vstupy a výstupy,

• analógové vstupy a výstupy,

• ventily,

• polohovacie členy.

Profibus PA využíva rozšírený Profibus DP protokol. Profil PA je definovaný štandardom

IEC 1158-2 (prúdová slučka) pre nebezpečné prostredia, ktorý taktiež umožňuje napájať

zariadenia priamo zo zbernice. Zariadenia Profibus PA môžu byť ľahko zlúčiteľné so

zariadeniami Profibus DP použitím väzobných členov.

Prúdová slučka IEC 1158-2 pre PA

Zbernica podľa štandardu IEC 1158-2 splňuje požiadavky aplikácií v chemickom a

petrochemickom priemysle. Zaručuje iskrovú bezpečnosť a takisto umožňuje napájať

zariadenia zo zbernice. Niekedy sa nazýva tiež H1.

Prenos dát je založený na nasledujúcich princípoch:

• každý segment má vždy len jeden zdroj prúdu,

• pri vysielaní stanica nedodáva do siete žiadny prúd,

• v kľudovom stave odoberá každé zariadenie konštantný prúd,

• každé zariadenie pracuje ako pasívny prúdový spotrebič,

• segment je ukončený na oboch koncoch pasívnym terminátorom,

• štruktúra siete môže byť zbernicová, stromová, alebo hviezdicová,

• na zvýšenie spoľahlivosti sa vytvára redundantný sieťový segment.

Pre moduláciu sa predpokladá kľudový prúd minimálne 10 mA pre napájanie každého

zariadenia na sieti. Logické úrovne sú generované vysielajúcim zariadením moduláciou 9 mA

na kľudový prúd.



Vlastnosti siete

Prenosová rýchlosť: 31,25 kbit/sec, napäťový mód

Ochrana dát : kontrolné start a end bity

Vedenie: krútená dvojlinka (tienená/netienená)

Napájanie: možné aj cez dátové vodiče

Nebezpečné prostredia: iskrová bezpečnosť

Topológia: zbernicová, alebo stromová a ich kombinácie

Počet staníc: max. 32 na jeden segment, celkovo 126

Opakovač (repeater): možné použiť max. 4 opakovače

Pokyny pri inštalácii siete IEC 1158

Sieť IEC 1158 sa pripája k zbernici RS 485 (Profibus DP) cez prevodník, ktorý prevádza

signály RS 485 na prúdovú slučku. Napájanie slučky je obmedzené použitým zdrojom

prevodníka.

Profibus PA umožňuje použiť zbernicovú a stromovú topológiu siete, prípadne ich

kombináciu. V prípade zbernicovej štruktúry sa zariadenia (napájané zo zbernice, alebo zo

samostatného zdroja) pripájajú k zbernici pozdĺž vedenia. Pri stromovej štruktúre sú všetky

zariadenia segmentu pripojené paralelne na sieťový rozdelovač. Kombinácia oboch topológií

optimalizuje sieť pre existujúce požiadavky (dĺžka siete, počet zariadení).

Doporučené vlastnosti vedenia pre IEC 1158

Typ káblu: krútená tienená dvojlinka

Prierez vodiča (nominálny): 0.8 mm2 (AWG 18)

Odpor slučky: 44 Ω/ km

Impedancia pri 31.25 kHz: 100 Ω

Útlm na 39 kHz: 3 dB / km

Kapacitná nesúmernosť: 2 nF / km

Oba konce hlavného vedenia sú ukončené pasívnym terminátorom, ktorý obsahuje RC člen

(rezistor R = 100Ω zapojený do série s kondenzátorom C = 1mF). Funkčnosť siete neovplyvní

polarita sieťovej stanice, je však doporučené vybaviť zariadenie automatickou detekciou

polarity. Potom zariadenie pracuje správne pri akejkoľvek polarite stanice.

Počet staníc pripojených na jeden segment je maximálne 32. Toto číslo je ďalej

obmedzené typom iskrovej bezpečnosti a napájaním siete. Pri iskrovej bezpečnosti sú max.

napätie a prúd špecifikované definovanými hodnotami.



2.2 FIP

Tento typ priemyselnej zbernice bol vyvinutý vo Francúzsku, ale používa sa aj v

Taliansku. Topológia zbernice FIP je líniová s možnosťou cyklického, ale aj acyklického

prístupu. Riadiaca jednotka odovzdáva postupne poverenie jednotlivým staniciam, ktoré sa

takto stávajú "hovorcami" a môžu správu vysielať. Ostatní účastníci sa správajú ako

"poslucháči" (obr. 2.5). Výhodou tejto metódy je časovo determinovaný prístup k jednotlivým

účastníkom. Nevýhodou najmä to, že pri žiadosti o obsluhu, je možné túto požiadavku zistiť

až pri ďalšom cykle. Norma preto dovoľuje prerušiť cyklický režim cez dve úrovne

prerušenia a v prvom rade realizovať požiadavku príslušnej stanice. Priemyselná zbernica

FIP je určená hlavne pre nižšiu procesnú úroveň (senzor–akčný člen). Dátový rámec má

premenlivú dĺžku, max. 256 bitov. Zabezpečenie CRC (Cyclic Redundancy Check, cyklická

kontrola prenosu údajov).

a)

b) Obr. 2.5 Topológia sieťe FIP



2.3 FOUNDATION FIELDBUS (FF)

Foundation Fielbus (FF) je sériová priemyselná zbernica, ktorá nadobúda význam najmä

v poslednom čase, a to vďaka silnej podpore severoamerického trhu automatizačnej techniky.

Nie je úplne rovnaká s dlho pripravovanou normou IEC 61158 pre jednotný celosvetový

protokol zbernice typu fielbus, vychádza však z viacerých doporučení ISA SP50 (USA),

najmä pri definovaní linkovej vrstvy podľa normy IEC 1158-2. Variant H1 je vhodný aj do

prostredí s nebezpečím výbuchu a bude významným konkurentom zbernici Profibus PA. V

FF sa však uplatňuje aj štandard WorldFIP, čiže spája prvky riešenia Profibus-u a FIP-u.

Štandard FF vychádza zo 7-vrstvového modelu ISO/OSI, využíva len tri vrstvy, ako je to

bežné, avšak netradične definuje ôsmu vrstvu, nazvanú User Application – užívateľská

aplikácia. Ďalší rozdiel je v zlúčení linkovej a aplikačnej vrstvy do tzv. komunikačného

zásobníka (Comunication stack), čiže obsahuje:

• fyzickú vrstvu,

• komunikačný zásobník(vrstvy 2 až 7),

• užívateľskú aplikáciu.

Na obr. 2.6 je naznačený približný vzťah medzi vrstvami protokolu FF a ISO/OSI.

Obr. 2.6 Vzťah modelov FF a ISO/OSI



Výhoda FF je okrem iného, aj v tom že je od začiatku projektu určený aj do výbušného

prostredia. Preto je prispôsobený požiadavkám chemického priemyslu, čiže môžu sa k tejto

zbernici pripájať prístroje typu Ex napájané prúdom 20 mA zo zbernice, a to napr. aj po

vedení predtým používaného unifikovaného signálu (4 až 20) mA.

Topológia FF H1 je vlastne zbernica s krátkymi odbočkami do 1 m (obr. 2.7). Typický počet

účastníkov siete FF je 32.

Obr. 2.7 Zbernica FF s krátkymi odbočkami

Komunikačný zásobník, jeho linková vrstva, riadi prístup účastníka k zbernici

prostredníctvom deterministického centralizovaného radiča zbernice LAS (Link Active

Scheduler). Linková vrstva definuje tri typy účastníkov (obr. 2.7):

• basic device(BD)-nemôže pracovaťako LAS,

• link master(LMD)-obsahuje radič zbernice(môže pracovať ako LAS),

• bridge-slúži na prepojovanie segmentov siete,vrátane spájania H1 a H2.

Na rozdiel od iných štandardov, užívateľská vrstva FF je definovaná. Prostredníctvom

aplikácie, napísanej v užívateľskej vrstve, môže sa priamo ovládať napr. ventil alebo aj

regulátor, tj. jeho žiadaná hodnota, štruktúra a parametre.

Užívateľská vrstva plní tri samostatné funkcie:

• riadenie siete,

• riadenie systému,

• tvorba užívateľskej aplikácie.



2.4 P-NET

Táto priemyselná zbernica je dánskeho pôvodu, avšak výbor CENELEC TC 65 CX

predpokladá, že použitá koncepcia sa uplatní v podstatne širšom merítku. Základná topológia

je kruhová s možnosťou jednoduchého prepojenia viacerých takýchto základných kruhových

štruktúr (obr. 2.8). Riadenie komunikácie je definované princípom Multi-Master-Slave.

Riadiace stanice si odovzdávajú poverenie master v logickom kruhu. Pevne definovaná

prenosová rýchlosť (76,8 kb/s) limituje maximálne použiteľnú dĺžku jednotlivých segmentov

kruhovej štruktúry na 1200 m; počet staníc je obmedzený na 128, z toho max. 32 riadiacich.

Prenosové médium je prezentované tienenou krútenou dvojlinkou, elektrické parametre

odpovedajú norme RS-485. Pri náhradnom variante existuje možnosť aj použitia zbernice RS-

232 pri polovičnej prenosovej rýchlosti. Dátový rámec má premenlivú dĺžku od 5 do 94 Byte,

max. dĺžka informačnej časti je 56 Byte. Spoľahlivosť prenosu je zabezpečená kontrolnou

sumou.

SLAVE 1 SLAVE 4

SLAVE 2 SLAVE 5

SLAVE 3 SLAVE 6

MASTER 1 MASTER 3MASTER 2

GATEWAY

Obr. 2.8 Topológia sieť P-NET



2.5 Controller Area Network (CAN)

Táto priemyselná zbernica bola pôvodne vyvinutá pre riadiace systémy v automobiloch. V

posledných rokoch je jej využitie podstatne širšie. Napriek tomu, že CAN umožňuje použitie

viacerých riadiacich staníc v jednom systéme (Multi Master), aplikácia protokolu CAN je

pomerne jednoduchá. CAN je vhodná najmä na realizáciu jednoduchých distribuovaných

systémov s väčším množstvom meracích a akčných členov. Ďalšie prednosti tejto

priemyselnej zbernice sú :

• objektovo orientovaný prenos informácií,

• veľmi krátka doba pre prioritné správy,

• krátke dĺžky dátových segmentov umožňujúce rýchle reakcie,

• lacné komunikačné procesory od firiem Bosch, Intel, Philips atď.

Prenosové médium býva krútená dvojlinka (RS-485), prenosová rýchlosť je od 10kb/sek. do 1

Mb/sek. podľa dĺžky zbernice.

K dispozícii sú dva základné typy riadenia zbernice CAN, tzv. Full CAN a Basic CAN.

Rozdiel je v aplikácii 7. vrstvy ISO/0SI modelu, fyzická a linková sú rovnaké. Radič zbernice

Full CAN odovzdáva správy automaticky a informačné dáta sú vysielané prostredníctvom

dvojbránovej pamäte. Výhodou tohto riešenia je malé zaťaženie centrálnej jednotky (CPU),

nevýhodou obmedzený počet správ, ktoré môžu byť odovzdané a pripravené na spracovanie.

Variantné riešenie Basic CAN obsahuje podstatne jednoduchší radič zbernice a výmenu správ

zabezpečuje CPU. Medzi radič zbernice a CPU je zaradená vysielacia a prijímacia

vyrovnávacia pamäť. Výhodou je skoro neobmedzený počet správ, ktoré môžu byť

odovzdané a pripravené na spracovanie, nevýhodou vysoké zaťaženie CPU.



2.6 LON (WORKS)

Uvedená sériová zbernica bola vyvinutá v USA firmou Echelon s určením pre

jednoduchšie aplikácie prepojenia funkčných jednotiek od spotrebnej elektroniky až po

priemyselnú automatizáciu. Úspešne sa uplatňuje aj pri riešení inteligentných budov a

v energetike pri pripájaní meracích prístrojov a spínacích akčných členov. Podstatnou

vlastnosťou tejto zbernice je jej distribuovanosť, tj. že pozostáva z jednotlivých uzlov bez

centrálnej jednotky. Uzly sú lokálne inteligentné centrá (obsahujú µC) a komunikujú medzi

sebou nezávisle. Uzlom siete môže byť vhodný, PC, inteligentný spínač a pod. Pri riadení

prenosu sa používa netypický spôsob prístupu CSMA/CD s možnosťou voľby prioritnej

arbitráže. Fyzická vrstva môže byť realizovaná napr. krútenou dvojlinkou, koaxiálnym

káblom, svetlovodom, infračerveným prenosom a pod. Na podporu hardware na strane

funkčných jednotiek je k dispozícii niekoľko jednoduchých integrovaných komunikačných

obvodov (LONWORKS Transceivers) pre rôzne prenosové média, a na vytvorenie riadiacich

jednotiek zasa špeciálny trojprocesorový obvod (NEUTRON Chip) včítane vývojového

programu (LONBUILDER).



2.7 INTERBUS-S

Interbus-S patrí medzi najrozšírenejšie zbernice používané pre riadenie na procesnej

úrovni, tj. pre meracie a akčné členy. Topológia siete je "kvázi" kruhová s možnosťou

vetvenia (obr. 2.9). Systém obsahuje hlavnú vetvu (chrbticu), od ktorej odbočujú lokálne

(krátke) alebo dlhé vetvy. Pripojenie postranných vetiev (ich aktivácie) umožňujú prepínače

na vstupoch. To znamená, že zbernica RS-485 prechádza všetkými aktívnymi stanicami.

Spôsob riadenia je centrálny (Master-Slave) a systém môže obsahovať max. 256 funkčných

jednotiek. Výhodou tohoto usporiadania je jednoduchá diagnostika funkčnosti systému, ktorú

priebežne zabezpečujú riadiace stanice. Z hľadiska jednotlivých staníc nie je kruhová

štruktúra príliš výhodná, pretože porucha jednej stanice (jej komunikačného rozhrania) môže

vyradiť celý systém. V prípade takejto poruchy riadiaca stanica identifikuje jednotku s

poruchou a tiež určí jej preklenutie alebo výmenu. Spôsob komunikácie zodpovedá

požiadavkám časovo ekvidištančnému prístupu k jednotlivým staniciam. Na splnenie tejto

požiadavky je vhodná kruhová topológia siete, v ktorej informačný rámec pevnej dĺžky

prechádza všetkými stanicami pripojenými ku zbernici. Každej podriadenej stanici je v tomto

rámci rezervované pevne definované poradie a dĺžka správy. Hľadisko rýchlej odozvy je

nepriamo úmerné dĺžke týchto správ, a preto musí integrátor systému zvážiť všetky okolnosti

a voliť určitý kompromis. Vlastná komunikácia prebieha tak, že riadiaca jednotka pošle

dátový rámec, v ktorom sú obsiahnuté správy pre všetky podriadené jednotky. Pri priechode

rámca funkčnou jednotkou je príslušná časť rámca (správa určená pre túto jednotku) prečítaná

a nahradená správou, ktorú táto jednotka vysiela riadiacej jednotke. Takto upravený rámec sa

vyšle k ďalšej stanici. Po priechode informačného rámca všetkými jednotkami a príslušnej

modifikácii všetkých správ je rámec prijatý riadiacou jednotkou. Tu sa dáta spracujú a na

základe ich vyhodnotenia sa pripraví ďalšia séria správ (nasledujúci dátový rámec). Pokiaľ je

potrebné vysielať dlhšie dátové sekvencie, ako je definovaná dĺžka správy, je potrebné ich

segmentovať a vysielať postupne vo viacerých dátových rámcoch. Postupnosť adries staníc sa

zhoduje s ich fyzickým prepojením.



MUX

MUX

MASTER

SLAVE 1

SLAVE 5

SLAVE 2

SLAVE 6

SLAVE 3

SLAVE 7

SLAVE 4

SLAVE 9

SLAVE 10

SLAVE 8

Diaľková vetva (Fernbus) - max. 400 m medzi modulmi

Lokálna vetva (Peripheriabus) - max. 8

Hlavná vetva - max. 400 m medzi modulmi

Obr. 2.9 Topológia sieťe Interbus-s

2.8 AS-Interface

Zbernica AS-i je definovaná európskou normou EN 50 295 a predstavuje jednoduchú

4 bitovú zbernicu určenú pre komunikáciu na najnižšej úrovni, tj. pre snímače a akčné členy.

Pôvodne bola zbernica orientovaná na prvky s logickými vstupmi a výstupmi, pretože sa

zbernicou prenášajú len štyri bity. V súčasnosti už sú k dispozícii aj "kvázi" analógové prvky

s 12-bitovým rozlíšením pri prenose v troch cykloch. Pri prístupe na sieť je použitý princíp

Master-Slave s maximálnym počtom podriadených jednotiek 31, maximálna dĺžka siete 300

m. Garantovaná doba odozvy odpovedá použitiu, a je kratšia ako 5 ms pri maximálnej

zostave.



2.9 Ethernet

Lokálna sieť Ethernet so zbernicovou architektúrou bola vyvinutá v polovici 70-tych

rokov firmou Xerox a neskôr bola štandardizovaná firmami Xerox, Intel a DEC pre siete v

administratíve (je označovaná ako norma DIX).

Prenosovým médiom pôvodnej siete Ethernet je koaxiálny kábel o charakteristickej

impedancii 50 ohmov, výhodou kábla s nižšou charakteristickou impedanciou než je

bežnejších 75 ohm je vyššia odolnosť proti parazitným kapacitám konektorov a proti vplyvu

vonkajšieho rušenia. Dáta sú prenášané v základnom pásme v kóde Manchester, rýchlosť

prenosu je 10 Mb/s.

Základom siete je segment - zbernica o dĺžke najviac 500m na ktorú sa dá pripojiť až 100

staníc. Rozsiahlejšie siete sa dajú vytvoriť prepojovaním segmentov pomocou retranslátorov

(opakovačov) - limitom je 1024 staníc a vzdialenosť medzi najvzdialenejšími stanicami

(merané po médiu) 2,5 km.

Stanica je k segmentu pripojená prostredníctvom tranceiveru (kombinácia vysielača a

prijímača signálu média), ktorý je pripevnený priamo na kábel. Tranceiver je spojený so

stanicou päťnásobnou točenou dvojlinkou na vzdialenosť až 50m. Rozhranie je označované

ako AUI (Attachment Unit Interface).

Lokálna sieť Ethernet

Riadenie siete odpovedá metóde CSMA/CD. Stanica, ktorá behom vysielania zistí kolíziu

na médiu, preruší vysielanie paketu a odošle špeciálnu postupnosť. Táto postupnosť je

navrhnutá tak, aby vyvolala indikáciu kolízie aj u ostatných staníc. Výsledkom je uvoľnenie

média všetkými stanicami najneskôr do doby odpovedajúcemu súčtu dvojnásobku doby

šírenia signálu sieťou a doby vysielania kolíznej postupnosti. Tento súčet sa označuje ako

kolízny slot.Lokálna sieť Ethernet dovoľuje využiť kapacitu média na 80 až 95% (podľa

dĺžky správ) pri záťaži väčšej ako 50% však silno rastie doba prenosu. Podstatnou nevýhodou

siete Ethernet je použitie drahého kvalitného koaxiálneho kábla, ktorý je nutný pre spoľahlivú

funkciu detektora kolízie.

Priemyselný ethernet

Priemyselný ethernet je štandardizovaná komunikačná sieť,optimalizovaná pre potreby v

priemyselnom prostredí. Medzinárodný štandard IEEE 802.3,ISO/IEC 11801, EN 50173.

Prenosové média podľa normy:



Koaxiálny kábel - T konektor

- 10 Mb/s

Tvistovaný pár - RJ-45 konektor

- 10/100/1000 Mb/s

Optické vlákno - BFOC a SC konektor

- 10/100/1000 Mb/s

Použitá je prístupová metóda CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision

Detection).Každé zariadenie má vlastnú špecifickú MAC adresu.

V súčasnom riešení priemyselného Ethernetu sa využívajú nasledujúce mechanizmy pre

dodržanie požiadaviek na dobu doručenia správy:

• komunikačné modely publisher/subsriber a producer/consumer,

• prepínače (switch),

• mechanizmus prioritních slotov vo formáte protokolu Ethernet(podľa štandartu

IEEE 802.1p),

• použitie vysokorýchlostného variantu Ethernetu,

• rozdelenie na segmenty siete Ethernet.

Základné parametre:

• prenosová rýchlosť: 10Mbit/sec,

• metóda prístupu k prenosovému médiu: CSMA/CD,

• topológia siete: zbernicová, hviezdicová,

• štandardný prostriedok pre vytváranie sietí v prostredí OS UNIX,

• pre niektoré aplikácie nevhodný pre charakter prístupovej metódy.

V dôsledku nekoordinovaného vývoja je vyvinutých niekoľko viac či menej úspešných,

navzájom nekompatibilních realizácii priemyselného Ethernetu. Z najznámejších to je:

• PowerLink(firma B&R),

• ProfiNet(organizácia PNO),

• EtherCAT(organizácia EtherCAT Technology Group),

• EtheNET/IP(organizácia ODVA),

• Modbus TCP(IEC PAS 62030 štandard),

• SERCOS-III.

Ich použitie je v súčasnej dobe smerované predovšetkým pre riadenie rýchlých procesov, jako

sú elektrické pohony a nasledne pružné výrobné celky, automobilová výroba,strojárska

výroba atď.



3 Budúcnosť komunikačných rozhraní

Riadiace i riadené systémy v budúcnosti budú pravdepodobne riešené veľmi odlišne od

súčasných. Najmä kvôli efektívnosti výrobných systémov, minimalizovaní spotreby

prírodných zdrojov a požiadavke efektívnejšieho riadenia rozľahlých podnikových aktivít.

V blízkej budúcnosti, podľa ARC (Automation Research Consultants), na najnižšej procesnej

úrovni bude vedúcou zbernica (sensorbus) AS-i a medzi zbernicami zariadení (Devicebus)

v Európe Profibus DP. Intenzívne bude vzrastať použitie prevádzkovej zbernice FF (jediný

štandard podporujúci aj zvislé riadenie v podnikoch) a komunikácie inteligentných

procesných prístrojov protokolom HART. Technológia Ethernet zaznamenáva ďalšie

rozšírenie v rámci High Speed Ethernet (HSE), čo umožňuje jej aplikáciu v nižších úrovniach

riadenia (Devicebus). Prepojenie až na najnižšiu úroveň snímačov a akčných členov sa však

neočakáva. Asi najväčšie premeny sa v komunikačných technológiách budú odohrávať

v oblasti využívania internetových sieti. Rozvoj týchto sietí podnietil úvahy o ich využívaní aj

pri tvorbe distribuovaných riadiacich systémov. Uvažuje sa o zdieľaní a až náhrade

priemyselných zberníc internetovými sieťami, o využití intranetu na prenos informácií

z výrobného procesu do systému správy podniku, o využití internetu na výmenu informácií

medzi časťami výrobného procesu a tiež o možnosti verejného prístupu k danému zariadeniu.

V rámci týchto nových prístupov sa uplatňujú pri riadení podniku nové technológie pre

prenos informácii, napr. tzv. tenký klient HMI (Human Machine Interface), už uvádzané

zbernice na procesnej úrovni typu HSE (High Speed Ethernet), bezdrôtové technológie

prenosu informácií Bluetooth, wifi a pod. Budúcnosť prevádzkového riadenia je v rozvoji

číslicovej technológie, ktorá ponúka dnes ešte nepredstaviteľné výhody. Vývoj v tejto oblasti

priemyslu veľmi rýchlo napreduje. Doslova každý deň prinesie nové zmeny, myšlienky a

spôsoby zvyšovania celopodnikových výkonov.



Záver

V danej bakalárskej práci som sa zaoberal komunikačnými rozhraniami používanými

v pohonárskych aplikáciách. V úvode som sa venoval všeobecnému modelu komunikácie a

základným pojmom.

V prvom bode mojej práce som venoval pozornosť niektorým komunikačným rozhraniam

a ich použitiu v oblasti elektrických pohonov. To ako na najvyššej bunkovej úrovni

komunikácie, tak aj na najnižšej procesnej úrovni.

V druhom bode som sa zaoberal typmi komunikačných rozhraní, princípom ich

činnosti,ich prístupovými metódami na sieť atď. Veľmi úspešné v Európe je rozhranie

Profibus pre jeho univerzálne vlastnosti, ktoré možno využiť v mnohých aplikáciách. Je

kompatibilné so zariadeniami mnohých výrobcov.

V poslednom treťom bode som približne naznačil akým smerom sa bude uberať vývoj

komunikačných rozhraní v oblasti elektrických pohonov



Zoznam použitej literatúry

[1] http://hw.cz

[2] http://www.odbornecasopisy.cz

[3] http://www.atpjournal.sk

[4] http://www.profibus.sk

[5] http://www.moxa.cz

[6] http://automatizace.hw.cz

[7] http://www.integra-sro.sk/caninfo1.htm



Bakalárska práca


bakalárska prácadiplom.utc.sk/wan/2839.pdfŽilinská univerzita v Žiline elektrotechnická...

Documents