Analýza komunikácie inteligentných senzorov na zbernici Profibus

Článok opisuje princípy internej a externej diagnostiky zbernice Profibus. Správanie sa zariadení na zbernici pri bežnej komunikácii a pri výskyte diagnostických udalostí je demonštrované na experimentálnom pracovisku typu multimaster s pätnástimi typickými prevádzkovými zariadeniami. Špecializovaný diagnostický nástroj umožňuje analýzu komunikácie riadiaceho systému s inteligentnými senzormi medzi segmentmi Profibus-DP/PA. Inteligentné prevádzkové zariadenia vysielajú údaje o svojom stave (status), v ktorom sú zakódované informácie týkajúce sa diagnostiky, alarmov a vierohodnosti meranej veličiny v zmysle štandardizovaného profilu PA-Devices.

1. Úvod

Profibus je priemyselný komunikačný systém štandardizovaný medzinárodnými normami IEC 61158 a IEC 61784. Je implementovaný v troch vrstvách modelu ISO/OSI: vo fyzickej, linkovej a používateľskej [4]. Komunikácia na zbernici využíva kombináciu metód master/slave a token passing. Profibus-DP má implementované diagnostické funkcie na kontrolu časovania a stavu zariadení na zbernici. Je presne určený špeciálny diagnostický telegram, ktorého prenos môže iniciovať zariadenie slave, alebo o jeho prenos požiada zariadenie master [5]. Informácie v diagnostickom telegrame môžu signalizovať rôzne typy problémov, ako je napr. nesprávna konfigurácia zariadenia, zariadenie nepodporuje požadovanú funkciu alebo zariadenie neodpovedá. Každé zariadenie master si môže vyžiadať diagnostické informácie od ľubovoľného zariadenia slave. Tento typ diagnostiky je súčasťou vnútornej diagnostiky Profibus-DP.

V prípade, že sa pri prenose údajov opakujú poruchy, zariadenie master žiada o prenos diagnostických telegramov. Ak master neprijme odozvu od zariadenia slave, opakuje výzvu, pričom maximálny počet takýchto výziev je osem v jednom komunikačnom cykle [5]. Ak slave neodpovedá ani po opakovaných výzvach, dochádza k výpadku komunikácie. Na odhalenie príčin porúch komunikácie na zbernici je možné použiť externé diagnostické nástroje. Pre analýzu komunikácie v ďalej popísaných experimentoch bol použitý dia­gnostický nástroj a analyzátor protokolu Profibus – Softing BC450. 

2. Experimentálne pracovisko Profibus

Usporiadanie a komunikačné vzťahy zariadení na experimentálnom pracovisku sú na obr. 1. Pracovisko pozostáva z jedného segmentu Profibus-DP a jedného segmentu Profibus-PA pripojeného na segment DP prostredníctvom zariadenia Intelligent Linker (DP/PA). Na segmente Profibus-DP je šesť zariadení master a šesť zariadení slave.

Zariadeniami master sú programovateľné logické automaty Simatic radu S7-300 (PLC1 až PLC5) a jedna inžinierska stanica (ES) pozostávajúca z osobného počítača s komunikačnou kartou Simatic CP 5611.

Zariadeniami slave sú dva moduly vzdialených vstupov a výstupov (RIOS1, RIOS2), dva meniče frekvencie (Drive1, Drive2), coupler DP/DP (DP/DP) a Intelligent Linker.

Modul vzdialených vstupov a výstupov RIOS1 obsahuje jeden modul s dvomi vstupmi 4 až 20 mA – HART. Tento modul konvertuje analógový signál a údaje z protokolu HART na formát protokolu Profibus a údaje z nich zapuzdruje do telegramu Profibus-DP. Modul RIOS2 je osadený funkčným modulom počítadla impulzov z rotačného inkrementálneho snímača polohy.

Menič frekvencie Drive1 je typu Micromaster 420 so skalárnym frekvenčne-napäťovým riadením. Menič frekvencie Drive2 je typu Sinamics G120 s vektorovým riadením a implementovaným regulačným obvodom rýchlosti. Coupler DP/DP obsahuje dva porty a vyrovnávaciu pamäť, cez ktorú môžu byť prenášané údaje z jedného segmentu zbernice Profibus-DP do ďalšieho. Pri experimentoch bol pripojený len jeden segment DP.

Diagnostický nástroj – analyzátor protokolu BC450, vystupuje na zbernici ako pasívne zariadenie, ktoré pozoruje komunikáciu, ale neovplyvňuje ju (nevysiela na zbernicu žiadne údaje) [6].

Vo všeobecnosti každé zariadenie na zbernici Profibus-DP má pridelenú jedinečnú adresu s výnimkou opakovačov (repea­ter; v experimente nebol použitý). Prístup na zbernicu riadia zariadenia typu master, ktoré si medzi sebou vymieňajú poverenie (token na obr. 1) a na jeho základe vysielajú údaje alebo žiadajú iné zariadenie o prenos údajov. Pre každé zariadenie master je stanovená množina zariadení slave, s ktorými môže daný master komunikovať. Zariadenia slave musia čakať na výzvu zo strany zariadenia typu master. Napríklad zariadenie PLC2 komunikuje so zariadeniami RIOS2 a Drive1.

K segmentu Profibus-DP je pripojený segment Profibus-PA prostredníctvom zariadení coupler a linker. Coupler konvertuje asynchrónny protokol DP s rozhraním RS-485 na synchrónny protokol PA s roz­hraním MBP a zároveň napája energiou prístroje segmentu PA. Linker vystupuje ako zariadenie typu slave na segmente Profibus-DP a zároveň ako master na segmente Profibus-PA. Segment Profibus-PA používa konštantnú prenosovú rýchlosť 31,25 kb/s. Segment Profibus-DP môže používať ľubovoľnú z dovolených prenosových rýchlostí (max. 12 Mb/s).

V segmente Profibus-PA sa nachádzajú tri inteligentné snímače (ISS1 až ISS3). Ide o dva snímače teploty a jeden snímač tlaku.

3. Linková vrstva zbernice Profibus

Profibus používa hybridnú verziu prístupovej metódy IEEE 802.4 – Token Bus s metódou prenosu údajov master/slave. Zariadenia na zbernici Profibus sú rozdelené do troch kategórií [4]:

–   master triedy I – je riadiaca jednotka, ktorá si cyklicky vymieňa údaje so zariadeniami typu slave,

–   master triedy II – je programovacie, konfiguračné a diagnostické zariadenie,

–   slave – je zariadenie, ktoré bezprostredne interaguje s technologickým procesom.

Pri komunikácii sa používajú dva typy služieb:

–   SRD (Send and Request Data with acknowledge) – údaje sú odoslané a prijaté v jednom komunikačnom cykle. To znamená, že zariadenie master vysiela výstupné údaje do zariadenia slave a následne z neho prijíma vstupné údaje.

–   SDN (Send Data with No acknowledge) – zariadenie master vysiela správy, ktoré sú určené skupine zariadení slave (multicast), alebo všetkým zariadeniam (broadcast). Zariadenia slave na tieto správy neodpovedajú ani ich nepotvrdzujú.

Pre cyklickú komunikáciu master/slave, odovzdávanie poverenia (token) medzi zariadeniami master, vyhľadávanie nových zariadení na zbernici a odmietnutie výzvy je definovaných päť typov rámcov (SD1 až SD5). Označenie typu je uvedené v prvom poli (znaku) telegramu (pole SD):

SD1 (SD = 10H). Výzva na prenos stavu FDL. Tento telegram sa používa na začlenenie novej aktívnej stanice (master) na zbernicu. Vysiela ju aktívna stanica po vykonaní cyklu výzvy.

SD2 (SD = 68H). Údajový telegram s premenlivou dĺžkou údajovej časti. Je prenášaný službou typu SRD. Štruktúra údajových telegramov Profibus-DP a Profibus-PA je na obr. 2.

SD3 (SD = A2H). Údajový telegram s pevnou dĺžkou údajovej časti.

SD4 (SD = DCH). Token (poverenie). Telegram, ktorý si vymieňajú aktívne stanice. Stanica, ktorá prijala token, získava právo na vysielanie údajov na zbernicu.

Komunikačný protokol Profibus vymedzuje štyri komunikačné kanály na prenos údajov metódami master/slave alebo publisher/subscriber. Tieto komunikačné kanály sú uvedené v tab. 1. 

4. Cyklická komunikácia na zbernici Profibus-DP

Základným typom komunikácie na zbernici Profibus-DP je cyklická komunikácia medzi zariadením master triedy I a zariadeniami slave, ktorá je realizovaná komunikačným kanálom MS0 a opísaná v protokole DP V0.

Zariadenie master triedy I (na obr. 1 a v tab. 1 označené ako master I) má tieto úlohy:

–   Príjem a odovzdávanie poverenia (token). Token je reprezentovaný telegramom typu SD4.

–   Pridávanie nových aktívnych staníc (t. j. zariadení typu master) na zbernicu a odoberanie staníc. Používajú sa na to telegramy typu SD1.

–   Cyklický prenos údajov s konfigurovanými zariadeniami slave pomocou telegramov typu SD2 alebo SD4.

–   Detekcia porúch zariadení slave. Využívajú sa pri tom telegramy typu SD2 s presne určenými bodmi prístupu k službám (SAP, viď tab. 6).

–   Monitorovanie časovania zbernice.

–   Monitorovanie dôb odozvy konfigurovaných zariadení slave (vrátane opakovania telegramov).

V systémoch s viacerými zariadeniami master je hlavnou úlohou každého zariadenia master spracovanie poverenia. Aktívna stanica, ktorá prijala poverenie, môže vyzývať k prenosu zariadenia typu slave. Poverenie si zariadenia master odovzdávajú medzi sebou vo virtuálnom kruhu (obr. 1). Prenos poverenia je zrejmý z tab. 2, ktorá zobrazuje všetky telegramy z jedného komunikačného cyklu pre sieť na obr. 1. V tab. 2 sú zaznamenané adresy komunikujúcich zariadení, typy rámcov, primitívy, komunikačné služby a prenášané údaje. Je to vybraná časť záznamu analyzátora protokolu BC 450, ktorý zachytáva reálnu komunikáciu na zbernici Profibus-DP počas jedného cyklu zbernice, v ktorom postupne každý master preberie poverenie (token) prístupu na zbernicu, vyžiada si odpoveď od všetkých jemu pridelených zariadení slave, potom hľadá novú aktívnu stanicu a nakoniec odovzdá poverenie nasledujúcej jednotke master. 

5. Inteligentné senzorové systémy v segmente Profibus-PA

V prevádzkových prístrojoch typu inteligentné snímače a akčné členy sa používa cyklická komunikácia na prenos údajov a acyklická komunikácia (opísaná vo verzii protokolu DP V1) na konfiguráciu, parametrizáciu a potvrdzovanie alarmov.

Cyklické údaje z prevádzkových prístrojov segmentu Profibus-PA sú zapúzdrené do jedného telegramu Profibus-DP (pozri údaje v riadku č. 621 v tab. 2) a načítané zariadením Profibus-DP master, t. j. PLC s adresou 2.

V tab. 3 je uvedená analýza údajov z odo­zvy zariadenia linker (adresa 4 v sieti Profibus). Nameraná hodnota, ktorou je meraný tlak alebo teplota, je pri prenose vyjadrená kódom IEEE 754 a je vždy sprevádzaná stavovým kódom.

5.1 Kvalita komunikácie

Pri štandardnom cyklickom prenose údajov sú kvalita a vierohodnosť nameraných hodnôt vyjadrené stavovým kódom. Z prevádzkového prístroja je cyklicky prijímaná meraná hodnota (4 bajty) a stavový kód (1 bajt). Stavový kód sa skladá z troch častí: kvalita, rozšírenie kvality a obmedzenia (obr. 3).

Zariadenie slave nemôže pri diagnostickej udalosti samovoľne iniciovať prenos údajov. Na odoslanie príznakov o poruche alebo platnosti procesnej veličiny slave využíva stavový kód. Zariadenie master po jeho prijatí, v prípade indikácie diagnostickej udalosti, žiada od zariadenia slave podrobnú dia­gnostickú správu.

Kvalita obsahuje informácie o meranej veličine. Môže nadobúdať tieto hodnoty:

–   nesprávna hodnota (00) – nameraná hodnota nie je použiteľná,

–   neurčitá hodnota (01) – nameraná hodnota je ešte použiteľná,

–   správna hodnota (10) – nameraná hodnota je použiteľná.

Rozšírenie kvality dopĺňa informácie o kvalite, podrobnosti sú v [2].

Obmedzenia informujú o prekročení meracích rozsahov a hraníc alarmov. Možné sú tieto hodnoty:

–   bez obmedzenia (00) – meraná veličina je v platnom meracom rozsahu,

–   dolná hranica (01) – meraná veličina je menšia ako dolná hranica meracieho rozsahu,

–   horná hranica (10) – meraná veličina presiahla hornú hranicu meracieho rozsahu,

–   konštanta (11) – hodnota meranej veličiny sa nemôže meniť a nezávisí na procese.

V profile PA-Devices je definovaných takmer 200 stavových kódov (diagnostických udalostí), pozri [2]. Riadiaca jednotka pri riadení v spätnoväzobnej slučke môže použiť len takú nameranú hodnotu z procesu (vyslanú inteligentým snímačom), ktorá je sprevádzaná správnym stavovým kódom (informáciou o vierohodnosti). V tab. 4 sú uvedené stavové kódy pre správny údaj o kvalite s výskytom alarmov a výstrah používané pre všetky inteligentné snímače podľa profilu PA-Devices. Prípadné alarmy sa potvrdzujú v acyklickom režime komunikácie v nasledovných cykloch zbernice.

Na inteligentné senzorové systémy sú kladené veľké požiadavky ohľadom ich spoľahlivej činnosti, presnosti a vierohodnosti nameraných údajov a schopnosti preniesť autonómne získané a spracované informácie o technologickom procese a o vlastnej dia­gnostike do riadiaceho systému. Na to slúži opísaný mechanizmus cyklickej a acyklickej komunikácie využívajúci stavový kód, ktorý kumuluje viaceré druhy informácií. 

6. Záver

Monitorovať prenos údajov pri prevádzkovej komunikácii na zbernici Profibus je možné univerzálnym nástrojom na analýzu komunikácie. Vykonané experimenty na zbernici so šiestimi zariadeniami master a šiestimi zariadeniami slave demonštrujú princíp odovzdávania poverenia v systéme s viacerými zariadeniami master a cyklický prenos údajov.

Použitý diagnostický nástroj je vhodný na analýzu protokolu a externú diagnostiku trvalých alebo krátkodobých problémov pri komunikácii. V článku je uvedená analýza a overenie najbežnejších typov komunikácie na zbernici s rôznymi druhmi zariadení, ako sú inteligentné senzorové systémy, vzdialené vstupy a výstupy, komunikačné prevodníky a meniče frekvencie. Je prezentovaný princíp vnútornej diagnostiky a spôsob zabezpečenia kvality a vierohodnosti meraných veličín podľa štandardizovaného profilu PA-Devices.

Literatúra:

[1] BÉLAI, I. − DRAHOŠ, P.: Komunikačné systémy pre automatizáciu. STU, Bratislava, 2012.

[2] DIETRICH, CH. − BANGEMANN, Th.: PROFIBUS PA. Oldenbourg Industrieverlag, Munich, Germany, 2007.

[3] FRANEKOVÁ, M. − KÁLLAY, F. − PENIAK, P. − VESTENICKÝ, P.: Komunikačná bezpečnosť priemyselných sietí (Communication safety of the industrial networks). Žilinská univerzita, Žilina, 2007.

[4] PNO: PROFIBUS Technology and Application. PROFIBUS Nutzerorganisation e. V., Germany, 2002.

[5] POPP, M.: The New Rapid Way to PROFIBUS DP. PROFIBUS Nutzerorganisation e. V., Germany, 2003.

[6] Softing: PROFIBUS protocol analyser BC-400-PB, BC-450-PB, User Manual. Softing AG, Germany, 2008.

 (voľné pokračovanie v budúcom čísle)

Ing. Peter Drahoš, PhD., Ing. Igor Bélai, PhD., ÚRPI, FEI STU, Bratislava

Obr. 1. Experimentálna sieť Profibus-DP so segmentom Profibus-PA

Obr. 2. Štruktúra údajových telegramov Profibus-DP a Profibus-PA

Obr. 3. Štruktúra stavového bajtu

Tab. 1. Komunikačné kanály Profibus

Tab. 2. Komunikácia na zbernici v rámci jedného komunikačného cyklu (Data_Exch – prenos údajov)

Tab. 3. Príklad údajov načítaných z inteligentných snímačov na Profibus-PA

Tab. 4. Stavové kódy pri prekročení užívateľských obmedzení pre alarmy profilu PA-Devices