POLITECHNIKA WROCŁAWSKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY INSTYTUT MASZYN, NAPĘDÓW I POMIARÓW ELEKTRYCZNYCH

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY INSTYTUT MASZYN, NAPĘDÓW I POMIARÓW ELEKTRYCZNYCH AUTOMATYKA I ROBOTYKA Laboratorium: Automatyzacja procesów przemysłowych Ćwiczenie 2 Sterowanie procesem mieszania i transportu materiałów sypkich Prowadzący: mgr inż. Zdzisław Żarczyński mgr inż. Krzysztof Jaszczak Wrocław 2004

Spis treści 1. Cel i zakres zadania 3 2. Wprowadzenie 3 3. Koncepcja stanowiska laboratoryjnego.. 6 3.1. Opis stanowiska... 6 3.2. Charakterystyka sterownika S7-200 7 3.3. Charakterystyka stacji ET 200S.. 10 4. Budowa i zastosowanie sieci Profibus... 10 4.1. Sieć PROFIBUS. 10 4.2. Rodzina PROFIBUS... 19 2

1. Cel i zakres zadania Celem zadania laboratoryjnego jest opracowanie koncepcji i wykonanie stanowiska do sterowania modelem procesu technologicznego tj. procesem transportu i mieszania substancji sypkich, przy wykorzystaniu sterownika PLC i komputerowego systemu nadzoru i wizualizacji. Zakres pracy obejmuje (podział na ćwiczenia): Zadanie Temat 1 Zasady programowania sterowników PLC typu Siematic S7-300 i S7-200. 2 Poznanie oprogramowania sterownika WinAC firmy Siemens jako sterownika opratego o komputer PCz kartą komunikacyjną CP5613: - konfiguracja sieci Profibus DP, - poznanie modułu wejściowgo typu ET200S - opracowanie programu sterowania zespołem taśmociągów. 3 Opracowanie programu sterowania mieszalnikiem z wykorzystaniem sterownika S7-200. 4 Opracowanie komunikacji między sterownikiem S7-200 a programem sterownikiem komputerowym WinAC: - konfiguracja modułu komunikacyjnego EM277 sieci Profibus DP, - przygotowanie programu wymiany danych pomiędzy sterownikami. 5 Wizualizacja procesu sterowania układem przemysłowym z wykorzystaniem komputera PC z oprogramowaniem InTouch firmy Wonderware. 2. Wprowadzenie Sterowanie procesami przemysłowymi często wiąże się z koniecznością zastosowań skomplikowanych algorytmów sterowania zapewniających niezawodność, pełną kontrolę parametrów procesu i szerokie możliwości diagnostyki w przypadku awarii. Układy sterowania, wykorzystujące sterowniki PLC (ang. Programmable Logic Controller), mogą być wykorzystane w wielu gałęziach przemysłu. Sterowanie w takim systemie zależy wyłącznie od zapisanego przez użytkownika programu oraz od rodzaju sterownika PLC. Sterownik PLC stanowi połączenie ponad 100 niezależnych liczników, układów czasowych (ang. Timer), bloków operacji matematycznych (porównywania, dodawania, odejmowania, dzielenia i mnożenia) a także operacji logicznych. Połączenie tych elementów odbywa się na drodze programowania w języku wysokiego poziomu. Sterownik PLC pracuje w czasie rzeczywistym. Potrafi na bieżąco prowadzić odczyt wejść zarówno cyfrowych jak i analogowych, przetwarzać dane odczytane z tych wejść, prezentować wyniki w dogodnej postaci operatorowi i oczywiście wpływać w określony sposób na przebieg samego procesu. Proste zadania sterownicze realizuje się przy pomocy funkcji podstawowych języka programowania. Funkcje te można przedstawić w 3

postaci listy instrukcji, schematu blokowego lub funkcyjnego. Daje to użytkownikowi możliwość wyboru sposobu opisu sterowania. Uzyskuje się w ten sposób dużą przejrzystość i zgodność postaci programu z treścią zadania sterowania. Oferowane biblioteki typowych bloków funkcyjnych umożliwiają użytkownikowi racjonalne tworzenie programów i w ten sposób znaczne obniżenie kosztów projektowania systemów sterowania. Dodatkowo do sterownika można dołączać szereg dodatkowych urządzeń rozszerzających jego możliwości zależnie od potrzeb. Do takich urządzeń można zaliczyć moduły zwiększające liczbę wejść (wyjść) analogowych lub cyfrowych, moduły pomiarowe (np. do pomiaru temperatur) a również wiele innych specjalizowanych układów (np. sterowniki silników krokowych). Zadania jakie wykonują sterowniki PLC: a) zbierają pomiary za pośrednictwem modułów wejściowych z analogowych i dyskretnych czujników oraz urządzeń pomiarowych; b) transmitują dane za pomocą modułów i łącz komunikacyjnych; c) wykonują programy aplikacyjne na podstawie przyjętych parametrów i uzyskanych danych o sterowanym procesie lub maszynie; d) generują sygnały sterujące zgodnie z wynikami obliczeń tych programów i przekazują je poprzez moduły wyjściowe do elementów i urządzeń wykonawczych; e) realizują funkcje diagnostyki programowej i sprzętowej; f) wartości pomiarów zmiennych procesowych są wejściami sterownika, zaś obliczone zmienne sterujące stanowią wyjścia sterownika; Głównym zadaniem sterownika jest więc reagowanie na zmiany wejść przez obliczanie wyjść wg zaprogramowanych reguł sterowania lub regulacji. Reakcja ta może być zależna od wyników operacji arytmetyczno - logicznych wykonanych dla aktualnych wartości wejść sterownika, jego zmiennych wewnętrznych oraz od zaprogramowanych warunków czasowych. Może ona także zależeć od operacji wykonanych na danych transmitowanych w sieciach łączących wiele elementów pomiarowych, sterowników, regulatorów czy też komputerów. W zależności od lokalizacji w strukturze sterowania procesu przemysłowego urządzeń sterującego i sterowanego rozróżniamy: a) sterowanie lokalne - jest ono wykonywane na obiekcie sterowania i określane jako indywidualne; 4

b) sterowanie zintegrowane - jest to sterowanie z jednego miejsca wielu urządzeń procesu przemysłowego, które określane jest obecnie jako rozproszone; c) sterowanie zdalne - jest to sterowanie stosowane w przypadku istnienia większych odległości miedzy urządzeniem sterującym i sterowanym. Dla sterowania zintegrowanego i zdalnego należy przyjąć kryteria ilości i rozległości terytorialnej obsługiwanych układów i urządzeń automatyki, biorących udział w realizacji sterowania procesami przemysłowymi. Najczęściej konstrukcja takich układów sterowania sprowadza się do wyróżnienia czterech warstw spełniających właściwą funkcję w systemie. Są to funkcje: 1. WARSTWA ZEROWA - jej zadaniem jest obsługa poszczególnych układów i urządzeń zainstalowanych bezpośrednio w procesie przemysłowym, np. na linii technologicznej. Z tego powodu do każdego fragmentu tej linii przypisane" jest oddzielne urządzenie sterujące, które wykonując program, realizuje sterowanie indywidualne (faktycznie to dane urządzenie sterujące posiada adres ID, jednoznacznie identyfikujący go w sieci przemysłowej przez urządzenie nadrzędne); 2. WARSTWA PIERWSZA - jej zadaniem jest analiza funkcji realizowanych przez pojedyncze urządzenia sterujące, zainstalowane w procesie, oraz analiza obsługiwanego przez te urządzenia fragmentu procesu. Zatem to tutaj odbywa się kontrola sprawności programowej oraz sprzętowej urządzeń; 3. WARSTWA DRUGA - jej zadaniem jest prezentacja (analiza) wyników obrazujących funkcjonowanie procesu przemysłowego jako całości (np. kilka linii technologicznych), najczęściej przez użycie tzw. systemów wizualizacji typu SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition); 4. WARSTWA TRZECIA - jej zadaniem jest kontrola kompleksowa przebiegu procesu przemysłowego. Wymaga to rozwiązania wielu problemów związanych z komunikacją różnych systemów sterowania procesem przemysłowym. Rysunek 1 przedstawia przykład rozwiązania sterowania rozproszonym procesem przemysłowym, gdzie jako urządzenia sterujące w warstwie zerowej występują sterowniki logiczne PLC. Warstwy (poziomy) urządzeń z rysunku 1 pokazują, że struktura sterowania rozproszonego wymaga dodatkowo rozwiązania problemów łączy transmisyjnych, służących 5

do komunikacji (przesyłania danych) pomiędzy poszczególnymi warstwami systemu sterowania procesem. Stacje robocze do zarzadzania przebiegiem procesu Warstwa trzecia Stacje robocze do systemów wizualizacji typu SCADA Warstwa druga Stacje robocze do systemów analizy funkcji sterowników Warstwa pierwsza Warstwa zerowa Urzadzenia programowalne Proces przemyslowy Czujniki i urzadzenia wykonawcze Rys. 1. Sterowanie nadrzędne procesem przemysłowym 3. Koncepcja stanowiska laboratoryjnego 3.1 Opis stanowiska Struktura systemu sterowania modelem wybranego procesu technologicznego (proces wytwarzania betonu) składa się z kilku sterowników firmy SIEMENS. Sterowniki te pracują w sieci przemysłowej PROFIBUS DP. Komunikacja pomiędzy sterownikami jest wykonana w strukturze Master Slave, w której występuje jeden sterownik nadrzędny tzw. Master nadzorujący pracę całego procesu oraz sterowniki podrzędne tzw. Slave, które są nadzorowane przez sterownik nadrzędny. W niniejszej pracy struktura systemu sterowania składa się z następujących elementów: a) sterownik Siemens WinAC (wirtualny PLC) Master; b) sterownik Siemens S7 200 Slave; 6

c) moduł we/wy Siemens ET 200S Slave; Schemat struktury systemu sterowania zamieszczono na rys. 2. Rys. 2. Struktura sterowania procesem mieszania i transportu substancji sypkich 3.2 Charakterystyka sterownika S7 200 SIMATIC S7-200 jest sterownikiem swobodnie programowalnym PLC, przeznaczonym do wykonywania tanich systemów sterowania. Jednostka centralna CPU, posiadająca zintegrowane wejścia i wyjścia binarne, może być uzupełniona o dodatkowe moduły rozszerzeń. System sterowania składa się z następujących elementów: a) jednostki centralnej CPU; b) modułów rozszerzeń; c) dwustanowych i analogowych modułów wejść / wyjść; d) modułów komunikacyjnych slave Profubus-DP; e) modułów komunikacyjnych master sieci AS-Internface; 7

f) modułów pomiaru temperatury; g) akcesoriów i elementów dodatkowych; h) oprogramowania STEP 7-Micro/Win; W tabeli 1 zestawiono dane techniczne CPU 224 CPU 224 Zintegrowane wejścia/wyjścia binarne 14 wejść / 10 wyjść Binarne wejście/wyjście/max ilość wejść, wyjść wraz z modułami rozszerzeń 94/82/168 Analogowe wejście/wyjście/max ilość wejść, wyjść wraz z modułami rozszerzeń 28/14/35 Pamięć programu 8Kb Pamięć danych 5 Kb Zabezpieczenie dynamiczne danych za pomocą kondensatora Typ. 190 godz. Szybkie liczniki 6x30 khz przy czym 4x20 khz wykorzystywana jako liczniki A/B Interfejs komunikacyjny RS 485 1 Obsługiwane protokoły Tak. PPI master/slave. MPI slave. Freeport (swobodnie programowalny protokół ASCII) Zintegrowany 8 - bit 2 potencjometr analogowy Zintegrowany zasilacz DC 24 V Max 280 ma Zegar czasu rzeczywistego Tak Inne właściwości komunikacyjne Tak, Profibus-DP slave i/lub AS i master Tabela 1. Dane techniczne CPU 224 Komunikacja SIMATIC S7200 posiada różnorodne możliwości komunikacyjne. Jednostka centralna CPU wyposażona jest w szeregowy port RS485 oraz poprzez moduły rozszerzeń umożliwia komunikację w sieciach AS-Interface lub Profibus-DP. Port komunikacyjny jednostki centralnej CPU (RS485) zapewnia następujące możliwości komunikacyjne: a) w sieci PPI pracuje jako master lub slave; b) w sieci MPI (komunikacja ze sterownikami S7300,S7400) pracuje jako slave; c) współpracuje z panelami operatorskimi dedykowanymi dla S7200, takimi jak TD200, TP070 oraz wszystkimi pozostałymi HMI; d) zapewnia komunikację w trybie FreePort (tryb swobodny portu), co pozwala komunikować się z dowolnymi urządzeniami obsługującymi ten protokół np. 8

modemy, drukarki, czytniki kodów paskowych, PLC, napędy i inne. Możliwe jest też zdefiniowanie własnego protokołu w trybie Free Port. Oprogramowanie Step7 Micro/Win umożliwia wgranie programu do CPU poprzez kabel PC/PPI ze złączem RS232 lub kartą dodatkową MPI. Możliwy jest również teleserwis za pomocą modemów. Istnieje możliwość komunikacji z innymi urządzeniami z poza rodziny SIMATIC, obsługującymi protokół PPI. Przedmiotem zainteresowań w tejże pracy jest moduł komunikacyjny EM 277 dlatego poniżej przedstawiono jego parametry. Moduł komunikacyjny EM 277 Profibus DP Interfejs jeden interfejs komunikacyjny RS485 Obsługiwane protokoły - MPI slave - Profibus-DP slave Szybkość przesyłania danych 9600 bit/s do 12 Mbit/s, samokalibracja Możliwość podłączeń - TD 200 text display V 2.0 i następne wersje; - Panele operatorskie, panele dotykowe; - Programator PG/PC z interfejsem MPI (ładowanie danych do CPU, status za pomocą Step7 Micro/WIN) - CPU S7300/400; - PROFIBUS-DP master lub slave; Wyświetlany status uszkodzenie CPU, zasilanie, błąd DP, tryb DX Adres modułu w sieci Ustawiany na module (0-99) Izolacja elektryczna 500 V AC Max. długość kabla bez wzmacniacza 1200 m (przy 9.6 kbit/s) Listwa przyłączeniowa Nie Straty mocy w W 2,5 Tabela 2. Dane techniczne modułu komunikacyjnego EM 277 Czas rzeczywisty Wymagania stawiane sterownikom S7-200 pracującym w czasie rzeczywistym to natychmiastowa reakcja sterownika (liczona w µs) na sygnały pochodzące z obiektu. Należy uwzględnić również zliczanie, przetwarzanie oraz wykonywanie sterowania elementami wykonawczymi. Typowe funkcje wykorzystywane przy obsłudze programów pracujących w czasie rzeczywistym to: a) przerwania procesowe uzależnione między sobą priorytetami; b) przerwania czasowe; c) zliczanie za pomocą szybkich liczników; d) zegar czasu rzeczywistego; e) wyjście impulsowe zadajniki częstotliwości; f) natychmiastowe sterowanie wyjść binarnych poza cyklem programu; 9

3.3. Charakterystyka stacji ET 200S Stacja wejść/wyjść do zastosowań w sieci Profibus-DP charakteryzuje się dużą elastycznością i pewnością działania. Bogata gama produktów i modułów funkcyjnych sprawia, że stacja ET200S nadaje się do zastosowań praktycznie we wszystkich dziedzinach przemysłu. Podstawowe cechy: Rys. 5.3. Stacja wejść/wyjść SIMATIC ET 200S a) duża oszczędność kabli instalacyjnych (do 80%); b) oszczędność miejsca w szafie sterowniczej (do 50%); c) duża elastyczność przy rozbudowie : do 64 różnych modułów w stacji modułu do rozruchu silników : część prądowa do 40A Moduły technologiczne Moduły technologiczne stanowią grupę kart o dużej inteligencji działania, pracujących niezależnie od CPU, a wykonujące określone funkcje technologiczne. Parametryzacja modułów odbywa się bezpośrednio w programie Step 7. Do wyboru są następujące moduły technologiczne: a) szybkie liczniki; b) moduł do pomiaru drogi z czujnikiem SSI; c) układy pozycjonowania; d) karty do sterowania zaworami do dozowania, regulacji; 4. Budowa i zastosowanie sieci Profibus 4.1. Sieć PROFIBUS Profibus jest tanią siecią miejscową, przeznaczoną do wykorzystania w rozproszonych systemach sterowania i nadzoru. Węzłami sieci mogą być zarówno proste urządzenia wejścia 10

wyjścia, takie jak czujniki lub elementy wykonawcze, jak i komputery, sterowniki programowalne, sterowniki numeryczne lub lokalne stacje operatorskie. Zgodnie z wymaganiami tej dziedziny zastosowań sieć umożliwia efektywne przekazywanie wielu krótkich wiadomości, a sposób organizacji pracy sieci gwarantuje dotrzymanie deterministycznego czasu przesłania najważniejszych danych. Warstwowy model sieci PROFIBUS Model sieci Profibus z siedmiowarstwowego modelu OSI zawiera tylko trzy: warstwę fizyczną, warstwę liniową i aplikacyjną. Ta ostatnia jest opcjonalna: użytkownicy, tzn. wykonywane programy, mogą korzystać z sieci wywołując albo usługi warstwy aplikacyjnej, albo warstwy liniowej (rysunek 3). Warstwa fizyczna Definicja warstwy fizycznej opiera się na specyfikacji sprzęgu RS 485. Podstawową strukturą sieci jest liniowy segment kabla skrętki, zakończony na obydwu końcach terminatorami. Maksymalna długość segmentu zależy od szybkości transmisji i jakości kabla. Zalecane wartości tych parametrów umieszczono w tabeli 3. Rys. 3. Warstwowy model sieci Profibus 11

Rodzaj kabla Ekranowana skrętka o impedancji falowej 100 130 Ω, pojemności między przewodami nie przekraczającej 60 pf/m i przekroju przewodnika co najmniej 0.22 mm 2 Topologia Magistralowa, długość doprowadzeń węzłów 0.3 m Szybkość transmisji 9.6; 19.2; 93.75; 187.5; 500 lub 1500 Kbit/s Długość segmentu Zależy od szybkości transmisji i wynosi: 1200 m dla szybkości 93.75 Kbit/s 600 m dla szybkości 187.5 Kbit/s 200 m dla szybkości 1500 Kbit/s Liczba węzłów Co najwyżej 32 węzły (lub powtarzacze) w obrębie segmentu Tabela 3. Parametry segmentu sieci Maksymalna liczba węzłów sieci, które mogą być dołączone do tego samego segmentu kabla wynika z elektrycznej specyfikacji sprzęgu RS 485 (tabela 4). Liczba ta nie może przekraczać 32 standardowych węzłów, wnoszących maksymalne obciążenie określone przez dopuszczalne wartości rezystancji nadajnika i odbiornika. Przy napięciu 12 V jeden nadajnik może obciążyć linię prądem co najwyżej 0.1 ma, a odbiornik prądem co najwyżej 1 ma. Zastosowanie nadajników i odbiorników wnoszących mniejsze obciążenie pozwala na dołączenie do segmentu większej liczby węzłów. Nowe układy nadajników i odbiorników wnoszą obciążenie czterokrotnie mniejsze od maksymalnego, co umożliwia dołączenie do segmentu sieci nawet 128 węzłów. Sieć można budować z wielu oddzielnych segmentów, łącząc je ze sobą za pomocą powtarzaczy. Liczbę połączonych segmentów ogranicza warunek, że pomiędzy dwoma dowolnymi węzłami nie mogą znajdować się więcej niż trzy powtarzacze. Maksymalnie sieć może się więc składać z czterech segmentów połączonych w łańcuch albo z większej liczby segmentów połączonych gwiaździście. Niezależnie od liczby segmentów sieć może zawierać co najwyżej 127 węzłów. Ograniczenie to wynika z liczby bitów przeznaczonych na adres węzła sieci w polu adresowym komunikatu. Parametr Rodzaj transmisji Wyjście nadajnika Czułość odbiornika Napięcie wspólne Prąd zwarcia Rezystancja wyjściowa nadajnika Wartość Różnicowa 1.5 V ± 200 mv -7 V 12 V 150 ma (do masy) 250 ma (do 8 V, +12 V) 120 kω 12

Rezystancja wejściowa odbiornika 12 kω Tabela 4. Parametry elektryczne nadajników i odbiorników sprzęgu RS 485 Węzły sieci dołącza się do segmentu kabla za pomocą 9 stykowych złączy (rysunek 4), przy czym gniazda powinny być instalowane w węzłach, a wtyki na przewodach doprowadzających. Rys. 4. Złącze RS 485 (wykorzystywane w sieci Profibus) Nr Nazwa sygnału Znaczenie sygnału styku 1 SHIELD Ekran skrętki kabla 2 RP Zasilanie urządzeń polowych 3 RxD/TxD-P Dane, sygnał plus 4 CNTR-P Sterowanie, sygnał plus 5 DGND Masa sygnałów danych 6 VP Zasilanie nadajników/odbiorników sieci 7 RP Zasilanie urządzeń polowych 8 RxD/TxD-N Dane, sygnał minus 9 CNTR-N Starowanie, sygnał minus Tabela 5. Rozkład sygnałów na złączu PROFIBUS Sygnały, wyszczególnione w tabeli 5, są obowiązkowe i muszą wystąpić w złączu każdego węzła dlatego też minimalne okablowanie sieci składa się z pary przewodów przenoszących sygnały RxD/TxD. Pozostałe sygnały są opcjonalne. Sygnał VP służy do zasilania terminatorów segmentu kabla i powinien występować w złączach skrajnych węzłów segmentu. Bity danych przekazywane w sieci są kodowane napięciem różnicowym występującym między liniami RxD/TxD-P, a RxD/TxD-N. Stałe, dodatnie napięcie występujące miedzy tymi liniami przez cały okres nadawania jednego bitu oznacza wartość 1, a napięcie ujemne oznacza wartość 0. Spoczynkowym stanem linii, który muszą zapewnić terminatory segmentu kabla, jest stan odpowiadający wartości 1. Nadajniki powinny być zabezpieczone przed kolizją, a nadajniki nie pracujące powinny przechodzić w stan wysokiej impedancji. Elektryczny kabel sieci Profibus można zastąpić kablem światłowodowym przenoszącym sygnały danych (RxD/TxD). Pozwala to na znaczne zwiększenie zasięgu sieci, lecz zależy to również od rodzaju zastosowanego światłowodu. 13

Niezależnie od sposobu realizacji, warstwa fizyczna komunikuje się z warstwą liniową za pomocą dwóch operacji: a) PHY_DATA.request żądanie nadania bitu danych skierowane przez warstwę liniową do warstwy fizycznej. Argumentem tej usługi może być: - ZERO nadanie bitu o wartości 0 ; - ONE nadanie bitu o wartości 1 ; - SILENCE wyłącza nadajnik; b) PHY_DATA.indication informacja skierowana przez warstwę fizyczną do warstwy liniowej o odebraniu bitu, usługa ta może zwracać wartość: - ZERO nadanie bitu o wartości 0 ; - ONE nadanie bitu o wartości 1 ; Warstwa liniowa Definicja warstwy liniowej określa protokół dostępu węzłów do kabla, tzn. sposób ustalania prawa nadawania, oraz protokół komunikacyjny łącza logicznego, którego elementem jest m.in. definicja struktury komunikatów. Przyjęty w sieci Profibus protokół dostępu jest złożeniem protokołu znacznikowego i odpytywania. Wszystkie węzły dzielą się na nadrzędne (master), które mogą nadawać komunikaty z własnej inicjatywy, oraz podrzędne (slave), które mogą tylko przyjmować dane i odpowiadać na zapytania węzłów nadrzędnych. W normalnych warunkach pracy, sieć jest w każdej chwili nadzorowana przez jeden z węzłów nadrzędnych, który może w tym czasie wymieniać dane z innymi węzłami. Prawo nadzorowania sieci, utożsamione z umownym znacznikiem, jest przekazywane cyklicznie między wszystkimi węzłami nadrzędnymi. Każdy węzeł może przetrzymywać znacznik tylko przez ograniczony czas. Wymiana danych w sieci jest zorganizowana w formie zamkniętych transakcji rozpoczynających się komunikatem akcji wysyłanym przez węzeł nadrzędny posiadający znacznik, a kończących się komunikatem odpowiedzi wysyłanym przez węzeł nadrzędny lub podrzędny, do którego był skierowany komunikat akcji. Szczególnym, rzadko używanym rodzajem transakcji jest transakcja złożona tylko z komunikatu akcji, który nie wymaga żadnej odpowiedzi. Rytm przekazywania komunikatów w ramach transakcji nie jest związany z rytmem przekazywania danych przez węzeł odpowiadający. Odpowiedź na komunikat akcji musi być 14

natychmiastowa jeśli komunikat odpowiedzi ma zawierać dane, to są one pobierane i wysyłane w sieć z bufora komunikacyjnego, który powinien być wcześniej wypełniony przez program użytkownika. Dane zawarte w komunikacie odpowiedzi nie mogą być więc traktowane jako odpowiedź na zapytanie zawarte w komunikacie akcji tak rozumiana odpowiedź może być przekazana w następnej transakcji odpytania. Bezpośrednio po zakończeniu swojej ostatniej transakcji węzeł nadzorujący sieć przekazuje znacznik następnemu węzłowi nadrzędnemu, który bezzwłocznie rozpoczyna wykonywanie swoich transakcji. W ten sposób znacznik obiega sieć, przechodząc w każdym obiegu przez wszystkie węzły nadrzędne. Węzły podrzędne nie biorą udziału w obiegu znacznika, a ich udział w komunikacji sprowadza się do odpowiadania na komunikaty akcji wysyłane przez węzły nadrzędne. Długość cyklu obiegu znacznika wyznacza maksymalny czas oczekiwania węzła nadrzędnego na prawo nadawania komunikatu. Standard zaleca, aby w zastosowaniach pracujących w ostrych warunkach czasu rzeczywistego liczba węzłów nadrzędnych w sieci nie przekraczała 32. Transakcje wykonywane przez węzeł nadrzędny dzielą się na transakcje nadrzędne (o wysokim priorytecie) i podrzędne (o niskim priorytecie). Transakcje nadrzędne są wykonywane w każdym obiegu znacznika w pierwszej kolejności, przed transakcjami podrzędnymi. Proces nadawania komunikatów i odbierania odpowiedzi podczas wykonywania transakcji podlega w każdym węźle pewnym rygorom czasowym, określonym przez zespół ściśle zdefiniowanych parametrów. Wartości tych parametrów powinny być ustalone podczas konfiguracji sieci w sposób jednolity dla wszystkich węzłów. Do najważniejszych parametrów czasowych należą: T SET czas reakcji węzła, tzn. czas zwłoki od chwili wystąpienia zdarzenia w sieci (np. zakończenia komunikatu) do wykonania przez węzeł związanej z tym zdarzeniem akcji (np. odblokowania odbiornika). T QUI czas ustalania stanu sieci po wyłączeniu nadajnika po nadaniu komunikatu, w tym czasie węzły nie mogą nadawać ani odbierać komunikatów. T SDR czas zwłoki rozpoczęcia nadawania komunikatu odpowiedzi po zakończeniu komunikatu akcji (min T SDR > T QUI ). T SL czas przerwy, tzn. maksymalny czas, przez który nadawca komunikatu akcji czeka na odebranie pierwszego bajtu odpowiedzi lub na odebranie pierwszego bajtu komunikatu nadanego przez następnik po przekazaniu mu znacznika. 15

Wartości wszystkich parametrów czasowych są określane jako wielokrotności czasu nadawania jednego bitu danych (T BIT ). Protokół dostępu do kabla Wszystkie węzły sieci są identyfikowane numerycznymi adresami z zakresu 0...126. Adres 127 jest zarezerwowany jako umowny adres rozgłaszania. Węzły nadrzędne dołączone do sieci przekazują sobie kolejno umowny znacznik, z którym jest związane prawo do nadawania komunikatów i odbierania odpowiedzi. Protokół komunikacyjny Warstwa liniowa przekazuje komunikaty nadawane i odbierane przez użytkowników różnych węzłów za pośrednictwem portów, czyli odrębnych skrzynek pocztowych określonych w poszczególnych węzłach sieci. Najważniejszym elementem każdego portu jest zestaw buforów komunikacyjnych, w których są zapisywane wiadomości (dane) przenoszone przez komunikaty sieciowe. Wykonanie usługi związanej z odpytaniem partnera komunikacyjnego polega na wysłaniu przez warstwę liniową sieci Profibus komunikatu zawierającego dane zapisane przez użytkownika w buforze wyjściowym portu odpytującego i wpisanie tych danych do bufora wejściowego portu partnera (w innym węźle), a następnie pobraniu danych z bufora wyjściowego portu partnera i przeniesienie ich do bufora wejściowego portu odpytującego. Warstwa liniowa sieci Profibus realizuje cztery rodzaje usług. Ten sam port może być wykorzystany do wykonania usług różnego rodzaju. Dla każdego rodzaju usług port może zawierać cztery bufory komunikacyjne: komunikatów wysłanych, o priorytecie wysokim i niskim, oraz komunikatów odbieranych, o priorytecie wysokim i niskim. Wszystkie transakcje wykonywane w sieci przenoszą komunikaty pomiędzy odpowiadającymi sobie buforami portu nadawcy i portu odbiorcy danych. 16

Rys. 5. Wykonanie transakcji odpytania (we bufor wejściowy, wy bufor wyjściowy) Struktura komunikatów Wszystkie komunikaty przekazywane w sieci Profibus składają się z 11 bitowych znaków, zawierających: bit startu (0), 8 bitów danych nadawanych od najmniej, do najbardziej znaczącego bitu, bit parzystości i bit stopu (1). Kolejne znaki komunikatu są nadawane jeden po drugim, bez żadnych przerw między znakami. Długość przerw między komunikatem odpowiedzi, a następnym komunikatem akcji musi być dłuższa niż maksymalna wartość czasu T SDR. Przesyła funkcje Zmienna długość danych Syn SD1 DA SA FC FCS ED Syn SD2 LE LEr SD2 DA SA FC DANE 0 do 246 bajtów FCS ED Stała danych długość Syn SD3 DA SA FC DANE 8 bajtów FCS ED Znacznik Syn SD4 DA SA Potwierdzeni SD5 Rys. 6. Struktury komunikatów w sieci Profibus Syn - bity synchronizujące, minimum 33 bity ciszy; SD - znacznik początku; SD1 = 10H; SD2 = 68H; SD3 = A2H; SD4 = DCH; SD5 = E5H; FCS - suma kontrolna; ED - znacznik końca ED = 16H; DA - adres stacji docelowej; SA - adres stacji nadawczej; FC - znak sterujący; 17

LE - długość pola danych; LEr powtórzenie długości pola danych Każdy komunikat składa się z ogranicznika początkowego (SD), pola danych o stałej lub zmiennej długości, sumy kontrolnej (FCS) i ogranicznika końcowego (ED). Wyjątkiem są komunikaty krótkiego potwierdzenia, które zawierają tylko ogranicznik początkowy. Pole danych rozpoczyna się zawsze 3 znakowym nagłówkiem zawierającym adres węzła odbiorcy (DA), adres węzła nadawcy (SA) i znak sterujący (FC). Łączna długość komunikatu nie może nigdy przekroczyć 255 znaków. Indywidualne adresy węzłów muszą zawierać się w zakresie 0...126. Indywidualne numery portów muszą zawierać się w zakresie 0...62. Znaki adresu odbiorcy DA, DSAP składające się z samych jedynek mają znaczenie specjalne. Adres DA = 127 wyróżnia komunikaty rozgłaszania skierowane do odbiorców we wszystkich węzłach sieci. Numer portu DSAP = 63 wyróżnia komunikaty skierowane do wszystkich odbiorców węzła DA ( lub wszystkich węzłów w przypadku rozgłaszania). Usługi warstwy liniowej Użytkownicy sieci, tzn. wykonywane w poszczególnych węzłach programy, mogą przesyłać między sobą dane, wywołując udostępniane im przez warstwę liniową usługi. Każda usługa jest realizowana przez wykonanie w sieci pojedynczej lub cyklicznie powtarzanej transakcji. Warstwa liniowa udostępnia użytkownikom węzłów nadrzędnych cztery rodzaje usług: a) wysyłanie danych z potwierdzeniem; b) wysyłanie danych bez potwierdzenia; c) wysyłanie danych i odebranie odpowiedzi; d) cykliczne wysyłanie danych i odbieranie odpowiedzi; Wszystkie usługi są opcjonalne zestaw usług wykonywanych przez różne węzły sieci może być więc różny. Warstwa aplikacyjna Usługi warstwy aplikacyjnej umożliwiają użytkownikom dostęp do obiektów programowych, takich jak: zmienne, tablice lub rekordy, istniejących w innych węzłach sieci. Udostępnione do komunikacji obiektu mogą przyjmować wartości należące do ściśle 18

określonych typów, a format transmisji wartości wszystkich typów jest dokładnie zdefiniowane. Sposób opisu usług warstwy aplikacyjnej jest bardzo ogólny i obejmuje tylko określenie ich funkcji, bez odniesienia się do sposobu ich realizacji. Dzięki temu możliwe jest efektywne wykorzystanie standardu do współpracy węzłów sieci zrealizowanych w oparciu o bardzo różne architektury sprzętowe i programowe. Użytkownik sieci, tzn. wykonywane w danym węźle programy, definiuje różne obiekty programowe, takie jak zmienne proste lub tablice, i udostępnia niektóre z nich użytkownikom innych węzłów. Ta część funkcjonalności użytkownika, która jest związana z udostępnianiem obiektów innym użytkownikom jest w abstrakcyjny sposób reprezentowana przez wirtualne urządzenie sieciowe (VFD). Zasadniczym elementem VFD jest słownik obiektów (OD) opisujący wszystkie zdefiniowane w danym węźle obiekty programowe, które mogą stać się przedmiotem komunikacji. Usługi warstwy aplikacyjnej umożliwiają użytkownikom innych węzłów dostęp do obniektów zdefiniowanych w OD danego węzła. Usługi są wykonywane zgodnie ze schematem klient serwer, w którym serwer udostępnia swoje obiekty dla działań klienta. Rys. 7. Wirtualne urządzenie sieciowe, relacja komunikacyjna i wywołanie usług Relacje komunikacyjne Warstwa liniowa implementuje w każdym węźle sieci zestaw portów, przez które programy wykonywane w tym węźle mogą wysyłać i odbierać dane do i od programów wykonywanych w innych węzłach. Każdy przekaz danych między dwoma węzłami sieci musi przejść przez jakiś port w jednym i w drugim węźle. Para portów po jednym w każdym z dwóch współpracujących węzłów tworzy w warstwie aplikacyjnej reakcję komunikacyjną dostępną dla wykonywanych w tych węzłach programów. Definicja relacji komunikacyjnej 19

obejmuje: numer portu własnego węzła docelowego oraz opis wszystkich usług warstwy aplikacyjnej, które mogą być w tej relacji wywołane. 4.2. Rodzina PROFIBUS Rodzina Profibus składa się z trzech zgodnych wersji ukierunkowanych na różne zastosowania. a) PROFIBUS DP Jest to wersja Profibus zoptymalizowana pod względem szybkości, dedykowana do komunikacji pomiędzy kontrolnymi systemami automatyki a rozproszonymi układami wejścia wyjścia. Eliminuje stosowanie sygnałów obiektowych 24 V lub 0 20 ma. b) PROFIBUS PA Wersja ta jest przeznaczona do zastosowania w automatyzacji procesów produkcyjnych i pozwala na podłączenie sensorów i aktuatorów za pomocą wspólnej magistrali w obszarach zagrożonych wybuchem. Dzięki zastosowaniu techniki transmisyjnej możliwe jest przesyłanie zarówno danych komunikacyjnych jak i zasilania za pomocą dwuprzewodowego okablowania. c) PROFIBUS FMS Jest to uniwersalna wersja, realizuje ona cykliczne i acykliczne zadania przekazu danych między inteligentnymi urządzeniami obiektowymi takimi jak sterowniki PLC, komputery przemysłowe, itp. Bogata funkcjonalność usług FMS pozwala na budowanie kompleksowych i elastycznych aplikacji. Charakterystyka sieci Profibus - DP Ze względu na popularność standardu Profibus DP oraz fakt iż jest on obiektem zainteresowania w niniejszej pracy magisterskiej poniżej przedstawiono szerszą jego charakterystykę. Struktura sieci Standard Profibus DP definiuje ograniczoną konfigurację sieci, w której występuje jeden węzeł nadrzędny odpytujący podporządkowane mu węzły podrzędne. Podstawowym trybem pracy sieci jest bardzo szybka, cykliczna wymiana danych między węzłem nadrzędnym i węzłami podrzędnymi. Taka konfiguracja systemu odpowiada funkcjonalnie połączeniu 20

jednostki centralnej komputera lub sterownika programowanego z rozproszonymi układami sprzęgu procesowego. Węzeł odpytujący jest nazywany węzłem nadrzędnym DP pierwszego rodzaju (DP Master klasy 1). Jest to węzeł pełniący rolę sterownika centralnego, który w ściśle określonym cyklu komunikacyjnym wymienia informacje ze swoimi zdecentralizowanymi modułami peryferyjnymi Slave DP. Typowymi przedstawicielami DPM1 są sterowniki swobodnie programowalne PLC, komputery PC. W złożonej sieci DP może dodatkowo istnieć inny węzeł nadrzędny, pełniący rolę programatora sieci lub stacji konfiguracyjno diagnostycznej. Węzeł tego typu jest nazywany węzłem nadrzędnym DP drugiego rodzaju (DP Master klasy 2). Należy tutaj wymienić programatory, konfiguratory, przyrządy diagnostyczne czy urządzenia operatorskie. Są one wykorzystywane podczas uruchamiania instalacji oraz zadawania i kontroli pracy całego systemu. Do węzłów podrzędnych, tzw. DP Slave zaliczamy pasywne węzły będące modułami peryferyjnych wejść i wyjść cyfrowych, wejść i wyjść analogowych, napędów, zaworów, paneli operatorskich. Typy konfiguracji Rozróżnia się dwa typy konfiguracji: a) monomaster b) multimaster Konfiguracja monomaster występuje wtedy gdy mamy jedną stację nadrzędną, np. sterownik swobodnie programowalny PLC albo komputer PC, która jest połączona ze zdecentralizowanymi modułami wejść i wyjść, czujnikami lub elementami wykonawczymi. System monomaster składa się z 1 do 125 urządzeń Slave, oraz jednego Mastera. Systemy wykorzystujące tą konfigurację zapewniają najkrótsze cykle systemu komunikacyjnego, gdyż nie zachodzi w nich konieczność przekazywania uprawnień między urządzeniami master oraz wyszukiwania nowych stacji. Systemy takie są w stanie przesłać 1 kb danych wejściowych i wyjściowych w czasie krótszym niż 2 ms. W konfiguracji multimaster występują dwie nadrzędne stacje Master klasy1 wraz z podległymi stacjami pasywnymi Slave. Warstwa fizyczna w Profibus DP 21

Standard Profibus DP zmienia definicję warstwy fizycznej i dopuszcza stosowanie dwóch rodzajów kabla: typu B, opisanego w tabeli 4, i nowego, typu A, opisanego w tabeli 6. Zastosowanie kabla typu A umożliwia zwiększenie szybkości transmisji lub wydłużenie zasięgu sieci. Ze względu na zmienioną impedancję falową, zmienione są również terminatory kabla typu A. Zarówno typ złączy, jak i rozkład sygnałów na złączu pozostają nie zmienione. Rodzaj kabla Ekranowana skrętka o impedancji falowej 135 165 Ω, pojemności między przewodami nie przekraczającej 30 pf/m i przekroju przewodnika co najmniej 0.34 mm 2 Topologia Magistralowa, długość doprowadzeń węzłów 6.6 m Szybkość 9.6; 19.2; 93.75; 187.5; 500; 1500 Kbit/s lub 12 Mbit/s transmisji Długość segmentu Zależy od szybkości transmisji i wynosi: 1200 m dla szybkości 93.75 Kbit/s 1000 m dla szybkości 187.5 Kbit/s 400 m dla szybkości 500 Kbit/s 200 m dla szybkości 1500 Kbit/s Liczba węzłów Co najwyżej 126 węzły (lub powtarzacze) w segmencie Tabela 6. Parametry segmentu sieci Zmianie nie ulega również zakres funkcji wykonywanych przez warstwę fizyczną. Z tego powodu niezmienione pozostają także operacje, za pomocą, których warstwa fizyczna komunikuje się z warstwą liniową. Warstwa liniowa w Profibus DP Definicja warstwy liniowej w standardzie Profibus DP nie zmienia się. W podwarstwie dostępu do kabla nie zmienia się ani protokół ubiegania się węzłów o prawo nadawania, ani sposób przekazywania znacznika między węzłami nadrzędnymi dzielącymi ten sam kabel. Po otrzymaniu znacznika węzeł nadrzędny odpytuje podporządkowane mu węzły podrzędne. Istotnym wymaganiem narzuconym przez standard Profibus DP, a które nie występuje w definicji warstwy liniowej (FDL), jest żądanie, aby węzeł nadrzędny mógł odpytać wszystkie węzły podrzędne w tym samym cyklu obiegu znacznika. Wszystkie wiadomości węzłów nadrzędnych są przekazywane w sieci jako komunikaty o wysokim priorytecie. Odpowiedzi węzłów podrzędnych przenoszące informacje diagnostyczne są przekazywane jako komunikaty o wysokim priorytecie, a odpowiedzi przenoszące dane jako komunikaty o priorytecie niskim. 22

Warstwa aplikacyjna w Profibus DP Organizacja sieci Profibus DP nie do końca mieści się w ramach siedmiowarstwowego modelu OSI. W terminologii tego modelu standard Profibus DP definiuje tylko sprzęg programu z usługami warstwy liniowej, natomiast nie wprowadza żadnej dodatkowej warstwy funkcjonalnej, ani związanego z tą warstwą protokołu. Ogólny model architektury węzłów sieci Profibus DP różnych rodzajów przedstawia rysunek (8). Niezależnie od rodzaju, w każdym węźle sieci występują standardowe warstwy: fizyczna i liniowa. Dostęp do usług warstwy liniowej uzyskuje się poprzez dodatkowy sprzęg odwzorowania łącza (DDLM). Program użytkownika wykonywany w węźle nadrzędnym DP drugiego rodzaju może komunikować się z węzłami nadrzędnymi pierwszego rodzaju oraz z węzłami podrzędnymi, wywołując bezpośrednio funkcje odwzorowania łącza. Programy wykonywane w węzłach innego rodzaju nie mają bezpośredniego dostępu do funkcji odwzorowania łącza i mogą uczestniczyć w komunikacji tylko za pośrednictwem sprzęgu użytkownika. Sprzęg ten składa się z zespołu stałych aplikacji, umożliwiających cykliczna wymianę danych, odczyt informacji diagnostycznych i konfiguracyjnych z węzłów podrzędnych oraz sterowanie praca tych węzłów. Rys. 8. Warstwowa struktura węzłów w Profibus DP Sprzęg użytkownika w węźle nadrzędnym DP pierwszego rodzaju oraz w węzłach podrzędnych obejmuje stały zbiór aplikacji, które realizują bardzo efektywną wymianę danych w sieci. Podstawowym trybem pracy tych aplikacji jest cykliczne odpytywanie wszystkich węzłów podrzędnych. Program użytkownika wykonywany w węźle nadrzędnym ma pełny dostęp do wszystkich cyklicznie przekazywanych danych, poprzez obszary danych 23

sprzęgu użytkownika. Program ten może również sterować pracą sprzęgu użytkownika przez wywoływanie kilku rodzajów funkcji. Rys. 9. Struktura oprogramowania węzła nadrzędnego DP pierwszego rodzaju Zasada wymiany danych w Profibus DP Transmisja danych przez Profibus DP bazuje na strukturze telegramów o wysokiej efektywności. Dane wejściowe i wyjściowe ze stacji są transmitowane w pojedynczym cyklu odpytywania. Master wysyła telegram żądania (ang. Request), który zawiera dane wyjściowe dla DP Slave. Slave odpowiada natychmiast po otrzymaniu zapytania. W telegramie odpowiedzi (ang. Response) DP Slave umieszcza stany swoich wejść. Jeśli telegram żądania lub odpowiedzi jest uszkodzony, np. przez zakłócenia elektromagnetyczne, to Master natychmiast powtarza cykl wysyłania telegramu. Liczba powtórzeń jest konfigurowalna. Każda ramka może zawierać do 244 Bytes informacji o danych wejściowych i wyjściowych (rysunek 10). Przegląd funkcji w Profibus DP W celu uruchomienia systemu komunikacji Profibus DP wystarczy jedynie: a) przyporządkować poszczególne urządzenia Slave do konkretnych Master ów; b) ustalić czas cyklu; 24

c) określić kolejność odpytywania Slave ów; Rys. 10. zasada wymiany danych w Profibus DP DPM1 DP-Slaves DPM2 DP-Slaves DPM1 DPM2 Parametryzowanie / Konfiguracja - Transmisja danych diagnostycznych od Slave - Transmisja danych diagnostycznych od Master - - Cykliczna wymiana danych - Komendy Sync + Freeze - Nadanie adresu dla Slave - - Acykliczny odczyt stanów we / wy - - Acykliczny odczyt / zapis danych - Funkcje obsługi alarmów - Załadowanie / ściągnięcie parametrów Master - - Tabela 7. Funkcje wykorzystywane w Profibus DP 25