PROFIBUS

Profibus (англ. Process Field Bus — шина процесса полевого уровня) — открытая промышленная сеть.

Общая информация

Прототип был разработан компанией Siemens AG (стандарт Profibus был первоначально принят в 1987 году в Германии) для построения систем управления промышленным оборудованием на базе своих программируемых логических контроллеров (ПЛК) Simatic S5 и Simatic S7.

Логотип кампании PROFIBUS & PROFINET International (PI)

Термин «шина полевого уровня» или «полевая шина» является дословным переводом английского термина Field Bus. В профессиональной технической литературе обычно используется термин «промышленная сеть». Концепция сети была разработана с целью замены аналоговой передачи по каналам (4-20 мА) или ($\pm$10V) на цифровые технологии.

Сеть Profibus используется для организации связи между самостоятельными системами управления, между процессорами программируемых контроллеров и станциями распределенного ввода-вывода, устройствами человеко-машинного интерфейса, датчиками и исполнительными механизмами. Кроме того, Profibus позволяет выполнять дистанционное конфигурирование систем управления, их программирование, отладку, диагностирование и пуск в эксплуатацию.

Сеть Profibus — это комплексное понятие, она основывается на нескольких стандартах и протоколах. Сеть широко распространена на предприятиях Европы и в России, поэтому на основе отраслевого стандарта Siemens AG в 1996 году были разработаны общепринятые международные стандарты IEC 61158 и EN 50170, а также ГОСТ Р МЭК 61784-1-2016. Поддержкой, стандартизацией и развитием сетей Profibus занимается компания PROFIBUS & PROFINET International (PI).

Протоколы сети Profibus

Profibus использует обмен данными между ведущим и ведомыми устройствами (протоколы DP и PA) или между несколькими ведущими устройствами (протокол FMS).

В сети Profibus используется следующие протоколы:

• PROFIBUS-DP (Distributed Periphery) — для скоростного обмена данными с периферийными устройствами. Протокол характеризуется минимальным временем реакции и высокой стойкостью к воздействию внешних электромагнитных полей. Эта версия сети была спроектирована специально для связи между центральной стойкой процессора и распределенной периферией.
• PROFIBUS-PA (Process Automation) — для обмена данными с устройствами, расположенными в зонах повышенной опасности. Позволяет подключать датчики и приводы на одну линейную или кольцевую шину.
• PROFIBUS FMS (Field Bus Message Specification) — универсальный протокол для решения задач по обмену данными между интеллектуальными сетевыми устройствами (контроллерами, компьютерами/программаторами, системами человеко-машинного интерфейса).

Версии протоколов FMS, DP и РА можно соединять в одной системе, поскольку основные различия между ними представлены на физическом уровне, что позволяет использовать относительно дешевые устройства (FMS) на большей части предприятия и быстродействующие устройства (DP) там, где необходима скорость. Устройства РА используются только в тех случаях, когда необходима внутренняя защита.

Сетевая модель

Для эффективной работы коммуникационных протоколов Международной организацией по стандартизации (ISO) были разработаны определённые правила передачи данных в виде сетевой модели OSI (Open Systems Interconnection Reference Model).

Данная модель определяет элементы, структуры и задачи, необходимые для обмена информацией, и распределяет их по семи уровням, выстроенным иерархически один над другим. Каждый уровень выполняет определенные функции коммутационного процесса; если коммутационной системе не требуются какие-то из этих функций, соответствующие уровни можно пропустить.

№	Назначение и функции уровней		Profibus DP	Profibus FMS	Profibus PA
7	Прикладной уровень	Интерфейс прикладных программ с прикладными функциями. Обеспечивает взаимодействие сети и пользователя.	Нет	Fieldbus Message Specification (FMS)	Нет
6	Уровень представления	Представление и кодирование данных для анализа и интерпретации на следующем уровне.	Нет
5	Сеансовый уровень	Управление состояниями системы. Синхронизация коммуникационных процессов.
4	Транспортный уровень	Управление передачей данных. Исправление ошибок и разбиение на пакеты.
3	Сетевой уровень	Активизация и завершение соединений, устранение сетевых заторов.
2	Канальный уровень	Описание протокола магистрального доступа, включая безопасность данных.	Fieldbus Data Link (FDL)	Fieldbus Data Link (FDL)	IEC 61158-2
1	Физический уровень	Определение аппаратной среды, кодирования и скорости передачи данных.	RS-485, оптоволоконный интерфейс	RS-485, оптоволоконный интерфейс	Интерфейс IEC 61158-2

Из приведённой таблицы видно, что сети Profibus DP и Profibus PA используют уровни 1 и 2:

1. Физический уровень;
2. Канальный уровень.

Кроме этого, Profibus DP и Profibus PA отдельно применяют пользовательский интерфейс DP.

Сеть Profibus FMS в дополнение к первым двум уровням (1 и 2) использует прикладной уровень 7, и предоставляет в распоряжение коммуникационные службы для обмена данными на уровне ПЛК/ПЛК и ПЛК/Персональный компьютер.

Физический уровень

На физическом уровне сети Profibus могут быть реализованы с использованием одной из приведенных ниже 5 сред передачи данных.

Экранированная витая пара для сетей Profibus DP и FMS

Сети Profibus DP и FMS используют экранированную витую пару, соответствующую стандарту RS-485, при скорости передачи от 9,6 кбит/с до 12 Мбит/с и с размерами сегментов сети до 32 устройств. Количество устройств можно увеличить до 127 посредством повторителей интерфейса, усиливающих уровень передаваемого сигнала и восстанавливающих его форму. Однако повторитель работает и как активное звено, то есть уменьшает максимальное число устройств на сегменте. Это значит, что если на шинном сегменте находится повторитель, то на этот сегмент можно подключить уже не 32, а максимум 31 устройство.

Количество устройств, архитектура сети и скорость передачи выбираются при конфигурации сети.

Для шины Profibus в большинстве случаев используется разъём (штекер) D-sub (DB-9) с девятью контактами. На устройствах устанавливается разъём с гнездами, на кабеле — со штырьками.

Сегмент шины Profibus с соединительными штекерами D-sub

Расположение контактов

№	Название сигнала	Обозначение
1	SHIELD	Экран
2	M24	-24 V
3	RxD/TxD-P	Прием/передача данных, плюс
4	CNTR-P	Сигнал для управления направлением передачи, плюс
5	DGND	Данные
6	VP	Напряжение питания, плюс
7	P24	+24 V
8	RxD/TxD-N	Прием/передача данных, минус
9	CNTR-N	Сигнал для управления направлением передачи, минус

Кабельный монтаж в штекере D-sub (DB-9).

В сетевых разъёмах установлены согласующие резисторы, подключаемые посредством установленных на корпусе разъёма микропереключателей. Резисторы используются при подключении разъёма к начальному и конечному звену в сети для согласования сопротивления линии. После подключения резистора подключать дополнительные секции кабеля уже не допускается.

При необходимости иметь степень защиты IP65/67 рекомендуется использовать цилиндрический разъём типа M12.

Особые требования предъявляются к сетевому кабелю. Его волновое сопротивление должно составлять от 135 до 165 Ом при погонной емкости не более 35 пФ/м, площадь поперечного сечения проводников должна быть не менее 0,34 мм².

На иллюстрации показан пример монтажа в штатном разъёме приходящего и отходящего кабелей с внутренним экраном и витой парой в каждом. Цветом проводов маркируется порядок их подключения.

Передача данных по кабелю для сети Profibus-PA

Стандартами DIN 61158-2 и IEC 61158-2 для сети Profibus-PA предложены следующие типы кабелей:

1. Тип А — (основной) — витая пара, экранированный;.
2. Тип В — одна или несколько витых пар, экранированный.
3. Тип С — несколько витых пар, неэкранированный.
4. Тип D — несколько невитых пар, неэкранированный.

В каждом сегменте сети с обеих сторон кабеля подключены последовательные RС-цепи, состоящие из конденсатора емкостью 1 мкФ и резистора сопротивлением 100 Ом.

Кодовая посылка битов равна 10100111001

Кодирование производится по принципу Манчестерского кода. Главным преимуществом манчестерского кодирования является тот факт, что передаваемая посылка битов синхронизируется битами тактового генератора, причём изменение сигнала в центре каждого бита позволяет автоматически идентифицировать синхросигнал, что уменьшает частоту ошибок и повышает надёжность передачи данных. Однако закодированная посылка требует передачи большего количества битов, чем в исходном пакете, поэтому скорость передачи ограничена значением 31,25 кбит/с.

В случае кодирования по стандарту IEEE 802.3 (Манчестерский код II) формирование кодовой последовательности производится логической операцией «Исключающее ИЛИ» над текущим кодируемым битом и битом тактового генератора.

Тактовый импульс (Clock)	Бит данных (Data)	Манчестерский код II (Manchester code II)
0	0	0
	1	1
1	0	1
	1	0

На практике используется технология MBP, обозначающая технологию передачи данных со следующими свойствами:

• Manchester Coding (M)" (манчестерское кодирование) и
• Bus Powered (BP)" (питание от шины).

Данные передаются с помощью модуляции основного тока шинной системы импульсами в диапазоне $\pm$9mA.

Благодаря низкой энергии передаваемого сигнала сеть Profibus PA является искробезопасной электрической цепью и может быть использована во взрывоопасных зонах.

Интеграция устройств Profibus-DP и Profibus-РА обеспечивается с помощью специальных соединительных элементов DP/PA Coupler или сегментных соединителей — DP/PA-Link.

Позднее для Profibus была разработана модификация интерфейса RS-485 для взрывоопасных зон, которая получила обозначение RS-485-IS (Intrinsically Safe — внутренне безопасный). Существенным её отличием является наличие резисторов, ограничивающих ток в линии до значений, установленных стандартом на искробезопасные электрические цепи.

Передача данных по оптоволокну

Принцип системы оптической связи заключается в передаче сигнала через оптоволокно к удаленному приёмнику — электрический сигнал преобразуется в оптический и в таком виде передаётся на расстояние. В приёмном устройстве происходит обратное преобразование.

Основными преимуществами оптоволоконной сети являются значительно более высокие возможные скорости передачи (от гигабит до терабита в секунду) и бо́́льшая дальность передачи сигнала.

Другие преимущества оптоволоконной сети:

1. Отсутствие интерференции сигнала на соседних волокнах (перекрёстные помехи).
2. Не требуется заземление и гальваническая развязка подключаемых компонентов.
3. Не требуется молниезащита.
4. Могут использоваться в потенциально взрывоопасных средах.
5. Высокая защищённость от несанкционированного доступа.

Оптическая передача данных реализуется с использованием встроенных оптических портов, оптических шинных терминалов (OBT) и модулей оптической связи (OLM). В качестве среды передачи используются двухпроводные волоконнооптические кабели, выполненные из стекловолокна с полимерной оболочкой или пластиковых волокон. Такие кабели содержат по два проводящих оптических волокна, заключённых в общую оболочку.

С помощью модулей OLM можно получать оптические сети, имеющие шинную топологию, топологию типа «звезда» и «кольцо». При использовании кольцевой топологии достигается резервирование канала передачи сигнала, что лежит в основе построения сетей с высокой степенью надёжности. Помимо этого, световодная техника устойчива к внешним электромагнитным помехам и обеспечивает безопасную разность потенциалов между участниками сети.

В ряде случаев для питания периферии используется гибридная соединительная система, предоставляющая возможность передачи данных с использованием оптоволокна и рабочего напряжения 24 В через медный кабель в общем гибридном кабеле.

Беспроводная передача с использованием ИК сигнала

В беспроводных сетях Profibus для передачи данных используется инфракрасный сигнал. Такой способ передачи применяется в тех случаях, когда использование проводного соединения затруднено или невозможно. Кроме того, инфракрасный канал нечувствителен к электромагнитным помехам, что позволяет использовать его в энергонасыщенных производственных условиях.

Средой передачи в данном случае является свободное пространство между двумя узлами, расположенными в прямой видимости один от другого. Примером может служить управление перемещающейся транспортной тележкой.

Максимальное достигаемое при этом расстояние составляет 15 м. Беспроводные сети реализуются посредством модулей инфракрасной связи (ILM).

Канальный уровень

Согласно модели OSI на канальном уровне реализуется управление доступом к шине, обеспечение безопасности данных, а также выполнение протокола передачи и формирование телеграмм (сообщение в Profibus называется телеграммой).

Поскольку протоколы Profibus используют одинаковые технологии передачи данных и общий метод доступа к шине, они могут функционировать на одной шине. В частности, служба FDL (англ. Field Data Link — канал полевых данных) позволяет быстро установить соединение с любым устройством, поддерживающим FDL.

Протокол канального уровня обеспечивает выполнение следующих важных требований:

• в процессе коммуникации между ведущими устройствами необходимо обеспечить выполнение каждым из них своей задачи в течение заранее определенного интервала времени;
• взаимодействие ведущих устройств (контроллеров) с ведомыми должно происходить максимально быстро.

Для передачи данных между ведущими станциями протокол Profibus DP включает метод передачи маркера (англ. token).

Упрощённая схема сети Profibus с уровнем master-master (1-2-3) и подуровнями master-slave (4-5-6-7-8-9).

Маркер выполняет роль арбитра, предоставляющего устройству право доступа. Маркер циркулирует в логическом кольце, состоящем из ведущих устройств. На время обладания маркером мастер становится ведущим по отношению к другим мастерам. По истечении определённого времени это устройство должно передать маркер следующему ведущему устройству, которое получает доступ также на время, пока маркер находится у него. Таким образом, каждому ведущему устройству выделяется точно заданный интервал времени. Если активизируемое ведущее устройство не нуждается в сетевых операциях, управление передается следующему активному узлу.

При взаимодействии между ведущими станциями и периферийными устройствами (ведомыми) работает метод «ведущий-ведомый» (master-slave). Ведомая станция способна лишь обрабатывать полученные сообщения или передавать данные после соответствующего запроса.

Сеть в минимальной конфигурации может состоять либо из двух ведущих, либо из одного ведущего и одного ведомого устройства.

Конфигурирование Profibus

Полная открытость сети Profibus позволяет объединять в рамках единой системы управления компоненты автоматизации различных производителей.

Наиболее полно реализует построение сетевой конфигурации утилита Simatic Net, входящая в состав среды программирования Simatic Step 7. Утилита имеет в своём составе все необходимые инструменты для конфигурирования сети Profibus.

Многоуровневая сеть Profibus с использованием протоколов Profibus-FMS, Profibus-DP и Profibus-PA.

Помимо этого, существует много программ, работающих с оборудованием разных типов, в частности, таких как Com Profibus — для конфигурирования сети Profibus, имеющей в своём составе контроллеры Simatic S5, или SINEC Scope L2 — средство для пассивного (то есть без какого-либо влияния на сеть) наблюдения за обменом данными в сети Profibus.

При конфигурировании сети следует принимать во внимание следующие параметры:

• скорость передачи, которая в пределах сети может иметь только одно значение, выбранное из предоставленного ряда;
• требуемые типы сетевых компонентов (шинных терминалов, шинных штекеров, соединительных кабелей).;
• требование к количеству узлов и допустимой длине сегментов;
• определение ведущих и ведомых устройств;
• адресация всех узлов сети с выставлением выбранного сетевого адреса как на адресных переключателях шинных штекеров, так и в настройках устройств.

На иллюстрации показано, как в составе системы управления промышленным оборудованием в сеть объединены процессоры ПЛК, устройства распределённой периферии, диспетчерского контроля, приводы и исполнительные механизмы.

Источники

Одним из источников этой статьи является статья в википроекте «Знание.Вики» («znanierussia.ru») под названием «PROFIBUS», находящаяся по адресам: «https://baza.znanierussia.ru/mediawiki/index.php/PROFIBUS» «https://znanierussia.ru/articles/PROFIBUS». Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Знание.Вики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?»