Profibus. Decentralized Perifery (DP) Fast data exchange. Process Automation (PA) Intrinsicaly safe environment. Fieldbus Messaging System (FMS)

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1 Profibus Decentralized Perifery (DP) Fast data exchange Process Automation (PA) Intrinsicaly safe environment Fieldbus Messaging System (FMS) Peer to peer communications Stefano Panzieri Profibus - 1

2 Tecnologia del Profibus caratteristiche generali Il Profibus è un bus di campo standard, usato per un ampio spettro di applicazioni industriali e processi di automazione Conforme agli standard internazionali EN ed EN Garantisce la compatibilità e l interoperabilità tra periferiche di diverse marche senza una speciale interfaccia Può essere usato sia per applicazioni critiche ad alta velocità sia per task di comunicazione complessi Stefano Panzieri Profibus - 2

3 EN EN Volume 2 General Purpose Automation Factory Automation Process Automation PROFIBUS-FMS RS 485 / FO Universal - Large variety of applications - Multi-master communication PROFIBUS-DP RS 485 / FO Fast - Plug and play - Efficient and cost effective PROFIBUS-PA IEC Application Oriented - Powering over the bus - Intrinsic safety Stefano Panzieri Profibus - 3

4 Profibus Factory level Bus Cycle Time < 1000 ms Ethernet/TCP/IP CNC Area Controller TCP/IP/Ethernet PC/VME Cell Level Bus Cycle Time < 100 ms VME/PC PLC PROFIBUS-FMS RS-485/FO DCS Field Level PROFIBUS-DP RS-485/FO PROFIBUS-PA IEC Bus Cycle- Time < 10 ms Stefano Panzieri Profibus - 4

5 Profibus DP Profili di comunicazione Progettato per efficienti scambi di dati a livello campo In genere scambio ciclico Presenti anche servizi aciclici Monitoraggio, gestione di allarmi, ecc. Profibus FMS Orientato a garantire alta capacità di scambio dati tra apparecchiature intelligenti (tra CPU di PLC, PC ecc.) Profibus PA Orientato al controllo di processo con tecnica trasmissiva a sicurezza intrinseca che consente l'alimentazione dei nodi/partner attraverso il bus Stefano Panzieri Profibus - 5

6 Profilo Tecnico Accesso attraverso le tecniche del token passing e Master-Slave Stefano Panzieri Profibus - 6

7 Accesso al Bus il PROFIBUS Bus Access Protocol (Layer 2) è identico per tutte e tre le tipologie del PROFIBUS Questo consente comunicazioni trasparenti e una combinazione semplice di segmenti di rete FMS/DP/PA Poiché FMS e DP usano lo stesso mezzo fisico (RS- 485/FO), possono convivere sullo stesso cavo Active Stations, Master Devices PLC PC PLC PROFIBUS Stefano Panzieri Profibus - 7

8 Il token viene gestito dai Master Gestione del Token Gli Slave rispondono alle interrogazioni dei Master Nodo Attivo Collegamento fisico di un Master Nodo Passivo Collegamento fisico di uno Slave Token Ring logico Token trasmesso di volta in volta tra i Master TRT token rotation timer (impostato in fase di configurazione) In caso di tempo insufficiente Possibilità di un Master di richiedere Messaggi ad alta priorità Stefano Panzieri Profibus - 8

9 Layer Tecnologia del Profibus caratteristiche generali Differenti protocolli (profili di comunicazione) in base alle applicazioni a alle tecnologie trasmissive (profili fisici) FMS DP PA User FMS Device Profiles DP-Profiles DP-Extensions PA-Profiles DP Basic Functions Application (7) Fieldbus Message Specification (3)-(6) not used Data Link (2) Physical (1) Fieldbus Data Link (FDL) RS-485 / Fiber Optic IEC Interface IEC EN PROFIBUS guidelines + profiles Stefano Panzieri Profibus - 9

10 Profibus DP Stefano Panzieri Profibus - 10

11 Profibus DP funzioni di base Il master ciclicamente legge gli input dagli slave e ciclicamente scrive gli output per gli stessi Oltre a ciò DP offre potenti funzioni per la diagnostica La comunicazione dei dati è monitorata da particolari funzioni sia dal lato master che da quello slave Stefano Panzieri Profibus - 11

12 Profibus DP caratteristiche Mezzo Trasmissivo Rs-485 con lunghezze superiori a 1000 m Velocità Selezionabile tra [ Kbit/s] DP richiede 1 ms a 12 Mbit/s per trasmettere 512 bit di input e 512 di output distribuiti su 32 stazioni Funzioni di diagnostica I messaggi di diagnostica vengono ricevuti dal master e sono divisi in 3 livelli: Station-related: stato operativo generale di una stazione (elevata temperatura, basso voltaggio, ecc.) Module-related: entro un certo range di I/O di una stazione le diagnostiche sono in attesa Channel-related: l errore è specificato in relazione ad un singolo bit di input/output (es. cortocircuito all output 7) Stefano Panzieri Profibus - 12

13 Profibus DP configurazione di sistema e tipi di dispositivi DP permette sistemi mono o multi-master Elevato grado di flessibilità durante la configurazione 126 stazioni al massimo su un solo bus Le specifiche di configurazione definiscono Numero di stazioni Assegnamento dell indirizzo delle stazioni agli indirizzi di input e output Formato dei messaggi di diagnostica Parametri del bus utilizzati Stefano Panzieri Profibus - 13

14 Profibus DP configurazione di sistema e tipi di dispositivi 3 tipi di dispositivi DP Master Class 1 (DPM1) Controller centrale che ciclicamente scambia informazioni con gli slave (es. PLC) DP Master Class 2 (DPM2) Usati per manutenzione e diagnostica (es. PC) Slave Dispositivi periferici che collezionano informazioni input e mandano dati in output alle periferiche Il numero di input e output dipende dal tipo di dispositivo (max 246 in e 246 out) Stefano Panzieri Profibus - 14

15 Mono-master configurazione di sistema e tipi di dispositivi Sistemi mono-master Un solo master attivo, il PLC è il componente di controllo centrale Gli slave sono collegati al PLC attraverso il mezzo trasmissivo Con i sistemi mono-master si raggiunge il più breve tempo di ciclo di bus Stefano Panzieri Profibus - 15

16 Multi-master configurazione di sistema e tipi di dispositivi Sistemi multi-master Ogni master connesso rappresenta un sottosistema Ogni sottosistema possiede il suo DPM1 e gli slave ad esso assegnati Gli input e gli output degli slave possono essere letti da tutti i DP master Comunque un solo DP master può accedere o scrivere gli output Stefano Panzieri Profibus - 16

17 Comportamento del Sistema Modalita dei DPM1 Stop: non c è trasmissione fra master e slave Clear: DPM1 legge gli input degli slave e tiene gli output in stato di fail-safe Operate: DPM1 è nella fase di trasferimento. Nelle comunicazioni cicliche sono letti gli input degli slave e scritti gli output per gli stessi Stefano Panzieri Profibus - 17

18 Gestione degli errori La reazione del sistema ad un errore durante il trasferimento dati è determinato dal parametro di configurazione auto-clear Se settato a TRUE DPM1 cambia gli output nello stato fail-safe non appena si accorge che lo slave non è più pronto per la trasmissione DPM1 cambia in Clear Se settato a FALSE DPM1 rimane nello stato operativo anche quando avviene un errore L utente può specificare la reazione del sistema Stefano Panzieri Profibus - 18

19 Trasmissione ciclica DPM1-slave Il DPM1 ciclicamente, manda il suo stato a tutti gli slave ad esso collegati utilizzando un comando multicast L assegnamento di uno slave al DPM1 è definito in fase di configurazione del Sistema Si definisce anche quali slave sono inclusi e quali esclusi dalle comunicazioni cicliche Stefano Panzieri Profibus - 19

20 Modalità Sync e Freeze Il master può mandare comandi di controllo a singoli slave, a gruppi o a tutti Comandi mandati in multicast Permettono l utilizzo dei modi Sync e Freeze per la sincronizzazione controllata degli eventi degli slave Stefano Panzieri Profibus - 20

21 Modalità Sync Sync Gli output di tutti gli slave indirizzati sono bloccati nel loro stato attuale Durante successive trasmissioni gli output vengono registrati negli slave ma il loro stato non cambia Gli output immagazzinati non vengono eseguiti finché non è stato ricevuto il successivo comando sync Si esce mandando il comando unsync Stefano Panzieri Profibus - 21

22 Modalità Freeze Freeze Input bloccati al valore corrente finché il master manda il successivo freeze Termina con l unfreeze Stefano Panzieri Profibus - 22

23 Meccanismi di Protezione DP master Monitoraggio della trasmissione con il Data-Control-Timer (uno per slave) L utente viene informato della fallita ricezione del messaggio Se Auto-Clear = TRUE il DPM1 esce dallo stato Operate, cambia lo stato degli output in fail-safe, e entra nello stato Clear Stefano Panzieri Profibus - 23

24 Meccanismi di Protezione Slave Utilizzano il watchdog per identificare fallimenti nella trasmissione dati da parte del master Se non ci sono comunicazioni entro un determinato tempo di watchdog gli slave cambiano lo stato degli output in fail-safe Stefano Panzieri Profibus - 24

25 Meccanismi di Protezione Sistemi multi-master In sistemi multi-master è richiesta una protezione all accesso per gli input e gli output Ciò assicura il diritto di accesso solo al master autorizzato Agli altri master gli slave offrono solo lettura degli input e degli output Stefano Panzieri Profibus - 25

26 Funzioni DP estese Rendono possibile la trasmissione aciclica di funzioni di lettura e scrittura così come la gestione di allarmi fra master e slave Possibilità pel l utente di utilizzare DPM2 per ottimizzare i parametri dei dispositivi di campo connessi o leggere lo stato dei dispositivi senza disturbare le operazioni del sistema Stefano Panzieri Profibus - 26

27 Funzioni DP estese ll master richiede più tempo per eseguire servizi aciclici Si aumenta il tempo di circolazione del token in modo che il master dopo aver effettuato operazioni cicliche abbia tempo di effettuare quelle acicliche Stefano Panzieri Profibus - 27

28 Funzioni DP estese Con queste funzioni DP va incontro alle richieste di dispositivi complessi che spesso devono essere parametrizzati durante le operazioni. Attualmente le funzioni DP estese sono usate in operazioni online Trasmissione delle richieste acicliche effettuata con una priorità più bassa Stefano Panzieri Profibus - 28

29 PA Based on the extended PROFIBUS-DP Protocol and IEC Transmission Suitable to replace today's ma Technology Only two wires for data and power Connects Instruments to the control system via a serial bus Functional improvements plus reliable serial digital transmission Control, regulation and monitoring via a simple twisted pair cable A single engineering tool for all devices Stefano Panzieri Profibus - 29

30 Typical System Configuration with PROFIBUS-PA PA Area Controller (PLC) x Engineering or B&B Tool H2 PROFIBUS-DP RS 485 up to 12 MBit/s I + x IEC with 31,25 kbit/s PROFIBUS-PA Segmentcoupler/Link Transmitter H1 Stefano Panzieri Profibus - 30

31 FMS FMS is optimized for universal, object oriented communication of intelligent master devices at the cell level FMS permits a subset of the MMS-Functions (Manufacturing Message Specification, ISO 9506) A slave can be assigned to several masters Several masters can write to the same slave Communication connections can be temporary or permanent Communication is defined in a communication relation list Stefano Panzieri Profibus - 31

32 FMS access procedure FMS accesso Slave 1 Slave 2 Slave 3 Slave x Stefano Panzieri Profibus - 32

33 Servizi FMS The FMS application layer (7) consists of the following parts: The Fieldbus Message Specification (FMS) and the Lower Layer Interface (LLI) FMS services are a subset of the MMS services (MMS=Manufacturing Message Specification, ISO 9506) have been optimized for field bus applications and have been expanded by functions for communication object administration and network management Stefano Panzieri Profibus - 33

34 Context Management services are for establishing and terminating logical connections. Variable Access services are used to access variables, records, arrays or variable lists. Domain Management services are used to transmit large memory areas. The data must be divided into segments by the user. Program Invocation Management services are used for program control. Event Management services are used to transmit alarm messages. These messages can also be sent as broadcast or multicast transmissions. VFD Support services are used for identification and status polling. They can also be sent spontaneously at the request of a device as multicast or broadcast transmissions. OD Management services are used for read and write access to the object dictionary. Servizi FMS Stefano Panzieri Profibus - 35

35 Confirmed services can only be used for connection-oriented communication relationships. The execution of a service is shown in Figure Servizi FMS Unconfirmed services can also be used on connectionless communication relationships (broadcast and multicast). They can be transmitted with high or low priority. Stefano Panzieri Profibus - 36

36 Reliability-DP/FMS Hamming Distance HD = 4 HD 4 means, that up to 3 transmission failures at a time can be detected (done by the ASICs) By detecting a faulty telegram, it will be resent automatically without affecting other existing stations HD 4 is a term used to describe the reliability of the data transmission on the Profibus network. Special Start and End Sentinels Parity Bit for Each Byte Slip Free According to IEC Delimiter Synchronization Stefano Panzieri Profibus - 37

37 PROFIBUS Wiring PROFIBUS DP/FMS wiring can be done with: twisted shielded pair copper cable fiber optic components infrared components detailed installation guideline is available PTO order no Stefano Panzieri Profibus - 38

38 PROFIBUS Wiring twisted shielded pair cable line parameters are defined in EN standard cable available from Belden and Siemens standard connectors available Baudrate Max. Segment length Max. Expansion m / 3278feet 10,000m / 32786feet m / 3278feet 10,000m / 32786feet m / 3278feet 10,000m / 32786feet m / 3278feet 10,000m / 32786feet m / 1311feet 4,000m / 13114feet 1, m / 655feet 2,000m / 6557feet 3, m / 327feet 1,000m / 3270feet 6, m / 327feet 1,000m / 3270feet 12, m / 327feet 1,000m / 3270feet max. expansion is done with 9 repeaters in a row Stefano Panzieri Profibus - 39

39 PROFIBUS Wiring fiber optic components plastic and glass fiber optic is available optical plugs and modules are available noise immune potential difference independent longer distances (up to 20 miles) redundant operating is possible line, ring and star configuration Stefano Panzieri Profibus - 40

40 PROFIBUS Wiring infrared components wireless linking of devices in close-up ranges communication with moving devices communication with changing devices noise immune ground independent Stefano Panzieri Profibus - 41

41 PROFIBUS Wiring Redundancy Improves System Reliability System redundancy Media redundancy FO coupler FO coupler Two devices per measuring point FO coupler FO coupler Several interfaces enable redundant systems Fiber optic segments enable redundant wiring Stefano Panzieri Profibus - 42

42 Interoperability Open Configuration permits Plug and Play PROFIBUS configuration tool PLC GSD GSD GSD GSD GSD GSD Electronic Device Data Sheets (GSD-file) PROFIBUS Stefano Panzieri Profibus - 43

43 File GSD file di configurazione Contiene le caratteristiche di un dispositivo Velocità di trasmissione Lunghezza del frame trasmesso Numero degli Input Output Messaggi di diagnosi Ulteriori informazioni di descrizione Stefano Panzieri Profibus - 44

44 Device Description GSD file each slave or master class 1 device on PROFIBUS DP needs to have a device description file, the characteristic of each PROFIBUS-DP device is described in the GSD-File the GSD-file contains all device specific parameters e.g.: Supported Baudrate Supported Message Length Number of input / output data Meaning of diagnostic messages Options for modular devices e.g. which are available text file (ASCII-format) each configuration tool relates to the GSD information Stefano Panzieri Profibus - 45

45 Device Description GSD-Files are created by the device vendors the PROFIBUS Trade Organization provides an GSD-Editor which makes it very easy to create GSD-Files the GSD-Editor contains a GSD-Checker which guarantees the conformance of the GSD-Files to the PROFIBUS standard a library of GSD-Files is provided at the PROFIBUS web page: Stefano Panzieri Profibus - 46

46 Device Description #Profibus_DP :<PRM-Text_Def_List> PrmText =.. EndPrmTExt ;<Ext-User_Prm_Data_Def_List> ExtUserPrmData =. EndExtUserPrmData ;<Unit_Definition_List> GSD_Revision=1 Vendor_Name=... (M) (O) (O) (M) Parameter text (O) ext. user parameter data (O) mandatory general data (M) ;Slave specific data Freeze_mode_supported=.. ;User_Prm_data. ;Unit_diagnostic.. ;<Module_Definition_List Module =. EndModule (M) (M) generic slave data (M) device related slave data (O) I/O definition (M) Stefano Panzieri Profibus - 47

47 Network Setup class 1 master class 2 master termination termination Stefano Panzieri Profibus - 48

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