Prezentacja współfinansowana przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego. Prezentacja dystrybuowana bezpłatnie

Transkrypt

1 Unowocześnienie i rozszerzenie oferty edukacyjnej na kierunku Automatyka i Robotyka na Wydziale Automatyki, Elektroniki i Informatyki Politechniki Śląskiej otwarcie specjalności i przygotowanie kadry Nr projektu: POKL Materiały dydaktyczne dla przedmiotu Sterowniki i Sieci Przemysłowe, kierunek Automatyka i Robotyka, specjalność Technologie informacyjne w automatyce i robotyce Prezentacja współfinansowana przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego Prezentacja dystrybuowana bezpłatnie Sieci i protokoły - Device Bus - - Field Bus - - Data Bus - 1

2 Przypomnienie Sieć przemysłowa (sieć sterująca) grupa urządzeń (komputerów sterowników, mierników) pracujących w trybie każdy z każdym w celu monitorowania czujników, sterowania, komunikowania się w sposób niezawodny, udostępniania danych o procesach na bieżąco. Rodzaj sieci LAN (Local Area Network), w której większy nacisk kładzie się na niezawodność, odporność na zakłócenia oraz determinizm (wiedzę o czasach odpowiedzi). Protokół komunikacyjny to zbór zasad opisujących sposób prezentowania danych, autoryzacji i detekcji błędów potrzebny w celu przesyłania informacji poprzez kanał komunikacyjny. 3 Protokół Modbus Protokół MODBUS jest strukturą wiadomości opracowaną w 1979 przez firmę MODICON (obecnie część koncernu Schneider Electric) w celu komunikacji pomiędzy PLC a narzędziami programującymi. Obecnie protokół jest jednym z najczęściej używanych w celu realizowania komunikacji typu master/client slaves/servers pomiędzy różnymi urządzeniami mikroprocesorowymi. MODBUS nie zależy od warstwy fizycznej. Może być implementowany na RS232, RS422, RS485 jak również innych rodzajach mediów (np.: światłowody, radio itp.) Sieci Przemysłowe. Protokół Modbus 4 2

3 Modbus a model OSI MODBUS na połączeniu szeregowym pracuje z prędkością do 115,2 Kbps korzystając z metody master/slave dostępu do medium. 7 APPLICATION Modbus 6 PRESENTATION EMPTY 5 SESSION EMPTY 4 TRANSPORT EMPTY 3 NETWORK EMPTY 2 LINK Master/Slave 1 PHYSICAL RS485 5 Modbus ASCII i RTU Protokół MODBUS występuje w 2 wersjach: ASCII i RTU ASCII transmission mode Każdy 8-bitowy bajt danych w wiadomości przesyłany jest jako 2 znaki ASCII. Modbus ASCII Przykład zapytania: B0003 Address Function Data Checksum : CR LF B znaki Długość całej ramki: 17 bajtów 3A Hex 0D Hex 0A Hex Wersja ASCII zezwala na przesyłanie znaków w odstępach do 1 sek. bez wystąpienia błędu nadaje się dla wolnych łączy (mediów). 6 3

4 Modbus ASCII i RTU Protokół MODBUS występuje w 2 wersjach: ASCII i RTU RTU transmission mode Każdy 8-bitowy bajt danych w wiadomości kodowanych jest jako dwa 2 cztero-bitowe znaki (nibble) zapisane szesnastkowo. Przesyłanie odbywa się bajtowo. Modbus RTU Przykład zapytania: B0003 silence Address 06 Function 03 Data 00 6B Checksum 2 bajty silence Silence >= 3,5 characters Długość całej ramki: 8 bajtów Podstawową zaletą wersji RTU jest większa przepustowość. 7 Struktura ramki Modbus Struktura ramki Modbus jest taka sama dla zapytań (wiadomość master -> slave) jak i dla odpowiedzi (wiadomość slave -> master). Modbus RTU silence Address Function Data Checksum silence Modbus ASCII : Address Function Data Checksum CR LF 8 4

5 Pole adresu Address Function Data Checksum Poprawne adresy urządzeń slave mieszczą się w zakresie (dziesiętnie). Poprawne adresy urządzeń slave nadawane są z zakresu Wartość adresu 0 jest zarezerwowana dla wiadomości rozgłoszeniowej (broadcast) (bez odpowiedzi). Request (zapytanie): Master adresuje wiadomość poprzez umieszczenie adresu slave w polu adresu. Response (odpowiedź): Gdy slave wysyła odpowiedź, umieszcza swój własny adres w polu adresu wiadomości zwrotnej (odpowiedzi) pozwalającej określić masterowi, który slave odpowiada na jego zapytania. 9 Pole funkcji Address Function Data Checksum Dopuszczalne kody funkcji są z zakresu (dziesiętnie). Request : Pole kodu funkcji mówi slave-owi jakie ma podjąć działanie (Hexadecimal 03) Response : Prawidłowa odpowiedź slave-a jest, echem oryginalnego kodu funkcji (Hexadecimal 03) Odpowiedź odrzucona odpowiada zapytaniu i powstaje przez ustawienie najstarszego bitu na wartość (Hexadecimal

6 Pole funkcji Kod Funkcja 01 (0x01) Read n consecutive output bits 02 (0x02) Read n consecutive input bits 03 (0x03) Read n consecutive output words 04 (0x04) Read n consecutive input words 05 (0x05) Write 1 output bit 06 (0x06) Write 1 output word 07 (0x07) Read exception status 08 (0x08) Access diagnostic counters 15 (0x0F) Write n output bits 16 (0x10) Write n output words 23 (0x17) Read/Write n output words 43 (0x2B) Read identification Kompletny opis funkcji protokołu Modbus dostępny jest na stronach: 11 Pole danych (parametrów funkcji) Address Function Data Checksum Dane z zakresu (dziesiętnie). Request : Pole zawiera dodatkowe informacje potrzebne slave-owi do podjęcia akcji wynikającej z kodu funkcji (parametry funkcji), adresy rejestrów, zakres i wartości danych itp. Response : Przy braku błędu, pole zawiera żądane dane. Gdy wystąpi błąd, pole zawiera kod błędu. 12 6

7 Pole danych Występujące kody odpowiedzi: Code Name Meaning 01 ILLEGAL FUNCTION 02 ILLEGAL DATA ADDRESS 03 ILLEGAL DATA VALUE 04 SLAVE DEVICE FAILURE The function code received in the query is not an allowable action for the slave. If a Poll Program Complete command was issued, this code indicates that no program function preceded it. The data address received in the query is not an allowable address for the slave. A value contained in the query data field is not an allowable value for the slave An unrecoverable error occurred while the slave was attempting to perform the requested action. 05 ACKNOWLEDGE The slave has accepted the request and is processing it, but a long duration of time will be required to do so. This response is returned to prevent a timeout error from occurring in the master. The master can next issue a Poll Program Complete message to determine if processing is completed. 06 SLAVE DEVICE BUSY 07 NEGATIVE ACKNOWLEDGE 08 MEMORY PARITY ERROR The slave is engaged in processing a long duration program command. The master should retransmit the message later when the slave is free. The slave cannot perform the program function received in the query. This code is returned for an unsuccessful programming request using function code 13 or 14 decimal. The master should request diagnostic or error information from the slave. The slave attempted to read extended memory, but detected a parity error in the memory. The master can retry the request, but service may be required on the slave device. 13 Suma kontrolna Address Function Data Checksum Dane z zakresu (dziesiętnie). Modbus RTU używa CRC : Modbus ASCII używa LRC : Cyclical Redundancy Check (2 byte) Longitudinal Redundancy Check (1 bytes) Request : Pole wyliczane przez master-a przy generowaniu ramki przesyłane jest do slave-a. Response : Na podstawie otrzymanej ramki slave wylicza sumę kontrolną i porównuje z wartością otrzymaną od master-a. Jeśli liczby są różne, slave nie konstruuje odpowiedzi traktuje wiadomość jako błędną. 14 7

8 Metody detekcji błędów w protokole Modbus Kontrola znaku (bajtu) Każdy znak może być monitorowany przez bit parzystości (nieparzystości). Umożliwia to warstw fizyczna RS232/485/422. Kontrola ramki Każda wiadomość (ramka) zawiera obszar sumy kontrolnej LRC lub CRC16. Ciągłość transmisji strumienia Ramka wiadomości musi być transmitowane jako ciągły strumień danych. Jeśli przed zakończeniem ramki nastąpi przerwa w przesyłaniu znaków dłuższa niż czasu transmisji pojedynczego znaku dla Modbus-a RTU lub - 1 sekundę dla Modbus-a ASCII), odbiornik uważa ramkę za uszkodzoną i oczekuje na początek nowej wiadomości. 15 Metody detekcji błędów w protokole Modbus Kontrola w warstwie aplikacji Użytkownik konfiguruje Master-a do oczekiwania na odpowiedź ze strony Slave-a przez zadany czas (timeout). Jeśli Slave wykrywa błąd transmisji (CRC, LRC), nie odpowiada nie wysyła odpowiedzi. Jeśli Slave wykrywa błąd w obszarze funkcji lub parametrów funkcji, odpowiada ramką błędu zawierającą opis wykrytego błędu: niewłaściwa funkcja, niewłaściwe adres, niewłaściwa dana itp. 16 8

9 Przykładowe ramki protokołu Modbus RTU Function code = 3: Read n words Request : 1 byte 1 byte 2 bytes 2 bytes 2 bytes Slave Function First word Number of Address code = 3 address words to read CRC16 Response : 1 byte 1 byte 2 bytes 2 bytes 2 bytes 2 bytes Slave Function Number of Value of the Value of the CRC16 Address code = 3 bytes read first word last word 17 Przykładowe ramki protokołu Modbus RTU Function code = 6: Write one word Request : 1 byte 1 byte 2 bytes 2 bytes 2 bytes Slave Function Word Value of Address code = 6 address word CRC16 Response : 1 byte 1 byte 2 bytes 2 bytes 2 bytes Slave Function Word Value of CRC16 Address code = 6 address word 18 9

10 Przykładowe ramki protokołu Modbus RTU Function code = 16 (decimal): Write n words Request : 1 byte 1 byte 2 bytes 2 bytes 1 byte 2 bytes 2 bytes Slave Function First word Number of Number of Value of the CRC16 Address code = 16 address words to write bytes first word Response : 1 byte 1 byte 2 bytes 2 bytes 2 bytes Slave Function First word Number of CRC16 Address code = 16 address words to write 19 Warstwa fizyczna Modbus RS485 RS485 jest najczęściej używaną warstwą fizyczną. Standard RS485 posiada szereg istotnych cech : polaryzacja terminatory linii liczba urządzeń na linii długość magistrali nf Master D1 D0 Common 650 Slave 1 Slave 2 5 V nf Maximum length of bus Maximum number of stations (without repeater) Maximum length of tap links Bus polarisation Line terminator Common polarity 1000 m at bps 32 (31 slaves) 20 m for one tap link 40 m divided by the number of tap links 650 at 5V and common for the master 120-0,25Wm in series with 1nF 10V Yes (Common) connected to the PG 20 10

11 Warstwa fizyczna Modbus RS485 Topology: Magistrala z terminatorami Maximum distance: 1300 m Data rate: bitów/s ( bitów/s) Max. no. of devices: 32 wraz z masterem Method of accessing the medium: Master - slave Transmission method: Messaging (wiadomości) Max. useful data size: 120 słów (16-to bitowych) Transmission security: LRC or CRC znaczniki startu i stopu bit parzystości ciągłość strumienia danych 21 Przykład aplikacyjny protokołu Modbus The XXMIT (Transmit) function block sends Modbus messages from a master PLC to a slave PLC or sends ASCII character strings from the PLC s Modbus serial port#1 (on Momentum PLCs port#2 is also supported) to ASCII printers and terminals. XXMIT sends these messages over telephone dialup modems, radio modems, or simply direct connections. This EFB can be found in the COMM library in the RTU subgroup. Remember, the Modbus protocol is a master/slave protocol. Modbus is designed to have only one master polling multiple slaves. Therefore, when using the XXMIT block in a network with multiple masters, contention resolution and collision avoidance is your responsibility and may easily be addressed through user logic programming

12 Przykład aplikacyjny protokołu Modbus The following Modbus Master operation is a read request to a slave device connected to port 1 of the master: read slave s 4:0001 to 4:00010 into local 4:00011 to 4:00020 The Slave must be set up with the following port parameters: 9600 baud 8 data bits 1 stop bit even parity (2) Variable Name StartModbusMstr ModbusMstrActive Data Type BOOL BOOL Initial Value ModbusMstrCommand WORD 16#0100 Bit 8 set ModbusMstrDone BOOL Comment ModbusMstrError BOOL The Master uses settings from the XXMIT function block ModbusMstrSettings ModbusMstrSettings[1] ModbusMstrSettings[2] ModbusMstrSettings[3] ModbusMstrSettings[4] ModbusMstrSettings[5] ModbusMstrSettings[6] WordArr X 1 11 Modbus Code: Read multiple registers Amount of Registers to read Slave Modbus address Source register Destination Register not used ModbusMstrStatus INT ModbusMstrNode WORD Enter Slave address ModbusMstrErrorCounter ModbusMstrDoneCounter INT INT 23 Wady i zalety Zalety Wady Niski koszt implementacji Wolny, mało wydajny Duża liczba urządzenie dostępna na światowym rynku Brak bezpośredniej komunikacji slave - slave Wysoki stopień integracji z oprogramowaniem sterowników PLC 24 12

13 Modbus Plus MODBUS PLUS jest przemysłowym systemem sieciowym, który korzystając z metody token-passing umożliwia transfer danych w trybie każdy z każdym z prędkością 1 Mbit/sek. Dane przesyłane są w oparciu o strukturę MODBUS. 7 APPLICATION Modbus 6 PRESENTATION EMPTY 5 SESSION EMPTY 4 TRANSPORT EMPTY 3 NETWORK EMPTY 2 LINK Token passing 1 PHYSICAL RS Modbus Plus 25 Elastyczność sieci Modbus Plus Wymiana danych Zgodność z protokołem Modbus zwiększa obszar zastosowań Szybkie połączenie urządzeń udostępniających zasoby z interfejsem operatora Połączenia każdy z każdym nie wymagające dodatkowych driverów Łatwość tworzenia systemów rozproszonych w oparciu o jedną sieć Elastyczna architektura dzięki wielu istniejącym bridge-om i repeater-om Programowanie Możliwe programowanie poprzez sieć Do 8 programatorów mogących pracować jednocześnie w sieci Wbudowane narzędzia ułatwiające transmisję (upraszczające programowanie) Modbus Plus 26 13

14 Specyfikacja sieci Modbus Plus Deterministyczna magistrala token passing Oparta na przemysłowym standardzie Modbus Prędkość w sieci 1 Mbit/sek Kontrola błędów CRC-16 Liczba węzłów sieci 32 bez repeater-ów 64 z repeater-em (-ami) Wybór medium Para przewodów w ekranie światłowód Modbus Plus 27 Terminologia stosowana w Modbus Plus Network (sieć): Grupa urządzeń sieciowych (węzłów) połączonych ścieżką sygnałową, między którymi może być przekazywany żeton. Składa się z jednej lub więcej sekcji. Section (sekcja): ciąg węzłów połączonych jedynie kablami segmentowymi. Ścieżka sygnałowa sekcji nie przechodzi przez żadne urządzenia sieciowe. Sekcje to wszystkie części sieci posiadające ten sam żeton i jedną sekwencję adresów. W przykładzie: repeater dzieli sieć na dwie sekcje. Każda sekcja może mieć do 450 m długości i zawierać do 32 węzłów Modbus Plus 28 14

15 Terminologia stosowana w Modbus Plus Cable Segment (segment): Pojedyncze bezpośrednie połączenie pomiędzy dwoma tapami (odczepami) sieci. Tap-y to urządzenia pasywne służące do podpinania węzłów do sieci (odczep magistrali). The minimum cable length between any pair of nodes must be at least 3 m. The maximum cable length between two nodes is the same as the maximum section length of 450 m. Node (węzeł): Dowolne urządzenie podpięte fizycznie do sieci, bez względu na to czy jest adresowane, czy nie. Programatory, sterowniki bridge (Bridge Plus) są węzami adresowanymi. Bridge posiada dwa adresy w każdej podsieci, które łączy. Repeater jest węzłem w każdej z łączonych sekcji ale nie posiada adresu. Jest tylko przedłużaczem sieci Modbus Plus 29 Terminologia stosowana w Modbus Plus Token (żeton): grupa bitów przekazywanych sekwencyjnie z jednego urządzenia do kolejnego w sieci (podsieci), nadająca im prawo dostępu do medium (rozsyłania wiadomości). Jeśli dwie podsieci połączone są brigde-m (Bridge Plus), każda posiada swój własny żeton przekazywany tylko w obrębie urządzeń należących do danej podsieci Modbus Plus 30 15

16 Instalacja węzłów sieci Modbus Plus Węzły podłączone są do kabla magistrali za pomocą elementu dopasowującego pod względem falowym, nazywanego tap em. Tap zawiera również rezystor terminujący potrzebnym, gdy węzeł jest pierwszym lub ostatnim elementem magistrali. MB+ TAP Modbus Plus Trunk Cable MB+ Drop Cable Modbus Plus 31 Na czym polega zgodność Modbus Plus z Modbus? Modbus Plus wspiera w pełni funkcje protokołu Modbus (odczyt, zapis, programowanie) Niektóre sterowniki posiadają wbudowany bridge Modbus - Modbus Plus Seryjny bridge (np.bm 85 Bridge Mux) umożliwia podłączenie do 4 urządzeń Modbus master lub slave do sieci Modbus Plus Magelis Modbus Modbus Plus BM 85 Modbus to Powermeter, Inductel, and Altivar Modbus Plus 32 16

17 Warstwa aplikacji sieci Modbus Plus W warstwie aplikacji (programy aplikacyjne sterowników, systemów wizualizacji itp.) dostępne są trzy mechanizmy wymiany wiadomości pomiędzy węzłami sieci: Bloki funkcyjne (podstawowy blok MSTR) mogą być użyte do zapisu i odczytu wszelkiego rodzaju danych w obrębie całej sieci. Bloki funkcyjne programowa są w ramach programu logicznego sterowników. Mechanizm komunikacji Peer Cop używany jest do transmisji danych w obrębie pojedynczej sieci z dostępem globalnym (w formie rozgłoszenia) oraz związanych z poszczególnymi węzłami. Zakres wymiany danych definiowany jest w ramach konfiguracji sterownika. Mechanizm komunikacji distributed I/O używany jest do zapisu i odczytu oddalonych adapterów DIO. Ten rodzaj komunikacji dostępny jest w niektórych sterownikach w ramach parametrów konfiguracji Modbus Plus 33 Warstwa aplikacji sieci Modbus Plus Podstawowe instrukcje dla bezpośredniej komunikacji: Blok funkcyjny MSTR (możliwe wykonanie 12 operacji sieciowych funkcji modbus) Odczyt/zapis do 100 rejestrów Odczyt/zapis danych w sieci globalnej Odczyt statusów urządzeń sieciowych Do 4 bloków MSTR aktywnych w każdym skanie sterownika z automatycznym kolejkowaniem dla dodatkowych bloków MSTR. Pozostałe bloki funkcyjne: CREADREG: Continuous register reading CWRITREG: Continuous register writing READREG: Read register area once (rising edge of the REQ input) WRITEREG: Write register area once (rising edge of the REQ input) Modbus Plus 34 17

18 Modbus Plus Routing Path Message Frame Routing Path Field START Routing Path Data END ROUTING ADDRESS 1 = 22 ROUTING ADDRESS 2 = 20 ROUTING ADDRESS 3 = 5 ROUTING ADDRESS 4 = 0 ROUTING ADDRESS 5 = 0 NODE 1 NODE 3 NODE 22 BRIDGE PLUS NODE 9 NETWORK A ZERO MEANS NO FURTHER ROUTING NODE 25 NETWORK B Each network has got its own token BRIDGE PLUS NODE 20 NODE Modbus Plus NODE 1 NODE 2 NODE 1 NODE 5 NETWORK C 35 Modbus Plus Transakcje Peer Cop Point to point data can be transacted while a node holds the token and during its token pass with Modbus Plus Peer Cop. Up to 500 words (16 bits each) can be directed to specific data references in node devices prior to release of the token, and up to 32 words can be globally broadcast to all nodes as part of the token frame. Nodes can be configured to send two kinds of Peer Cop data: Global Output Up to 32 words of data can be broadcast globally from each node to all nodes. Source data references are specified in the node configuration. Specific Output Up to 32 words of data can be transmitted to any specific node. Multiple node destinations can be specified, up to the maximum of 500 data words. Any nodes on the network can be specifically addressed as destinations. A unique block of references can be specified as the data source for each targeted node Modbus Plus 36 18

19 Modbus Plus Transakcje Peer Cop Nodes can be configured to receive two kinds of Peer Cop data: Global Input Up to 32 words of global data can be received by each node from each other node on the network. Destination references are specified in the receiving node s configuration. Up to eight blocks of references can be specified, giving up to eight separate destinations for the data received from each source node. The incoming data can be indexed to establish the starting point and length of each block of data to be extracted from the message and delivered to each destination. Specific Input Up to 32 words of data can be received from any specific node. Each node on the network can be specifically defined as a data source, up to the maximum of 500 data words Modbus Plus 37 Modbus Plus Transakcje Peer Cop Secure, configurable communications Data protection feature provides secure read only integrity Configure time critical communications with Peer Cop Read/write Global Database Broadcast up to 32 words out to all network nodes Pick from up to 2016 words in from other nodes Map inputs to whatever data type you like Map specific inputs and outputs between nodes Up to 32 words in and out per node Up to 500 words in and 500 words out per port Data length of outputs and node address of source controller must match with config table entries on the destination controller before data is moved to inputs Map inputs to whatever data type you like Modbus Plus 38 19

20 Modbus Plus Transakcje Peer Cop- przykład Node # 1 Node #3 Specific Outputs Specific Inputs Global Data Out Node #2 Specific Outputs Specific Inputs Global Data Out Node #1 Specific Outputs Specific Inputs Global Data Out Node # 3 Node #1 Specific Outputs Specific Inputs Global Data Out Node #2 Specific Outputs Specific Inputs Global Data Out Node # 2 Node #3 Specific Outputs Specific Inputs Global Data Out Modbus Plus 39 Modbus Plus Transakcje Peer Cop Ponieważ dane typu Peer Cop są przesyłane jako część przekazywanego żetonu, docierają do każdej sieci niezależnie od pozostałych sieci będących częścią systemu Modbus Plus. Tokeny (żetony) nie są wymieniane pomiędzy sieciami, ponieważ nie są przekazywane przez mosty (Bridge Plus). Każda sieć wytwarza własną bazę Peer Cop z własnym systemem rozgłoszeń (global broadcasting) i adresów węzłów dla wymiany dedykowanej (specific) Modbus Plus 40 20

21 Modbus Plus Concept Example Modbus Plus 41 Modbus Plus - Example of Architecture Modbus Plus 42 21

22 Modbus Plus - Example of Architecture Modbus/RS232 MB+1 TAP1 XBT-P BUDYNEK WIELOFUNKCYJNY Interbus -S 171CCC PNN ADO INT ADI INT AAI INT AAI INT ADM35010 DYSPOZYTORNIA ifix2.6 TAP2 Modbus Plus MB+2 Interbus -S MB+3 TAP3 171CCC PNN AAI INT ADI INT ADO35000 POMPOWNIA WODY SUROWEJ TAP4 MB+4 TSX3721 TSXMBP100 TSXMBPCE Modbus Plus 43 Unowocześnienie i rozszerzenie oferty edukacyjnej na kierunku Automatyka i Robotyka na Wydziale Automatyki, Elektroniki i Informatyki Politechniki Śląskiej otwarcie specjalności i przygotowanie kadry Nr projektu: POKL Materiały dydaktyczne dla przedmiotu Sterowniki i Sieci Przemysłowe, kierunek Automatyka i Robotyka, specjalność Technologie informacyjne w automatyce i robotyce Prezentacja współfinansowana przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego Prezentacja dystrybuowana bezpłatnie 22