Analýza komunikácie meničov frekvencie na zbernici Profibus

Článok analyzuje komunikáciu na zbernici Profibus-DP po pripojení meniča frekvencie na zbernicu ako zariadenia slave. Pomocou špecializovaného diagnostického nástroja boli vykonané experimenty na pracovisku typu multimaster s dvanástimi typickými prevádzkovými zariadeniami. Pozornosť je sústredená na meniče frekvencie pri inicializácii komunikácie s využitím príkazov aplikačnej vrstvy ISO/OSI a v prevádzke, kde sa ria­dia vnútorným stavovým diagramom, ktorý je vymedzený v aplikačnom komunikačnom profile Profidrive.

1. Úvod

Tento článok voľne nadväzuje na príspevok publikovaný v predošlom čísle časopisu [6], v ktorom bola opísaná cyklická komunikácia s typickými prevádzkovými zariadeniami, vrátane segmentu s inteligentnými senzormi. Veľmi často používanými zariadeniami na Profibus-DP sú inteligentné akčné členy typu menič frekvencie, ktorých komunikácia a správanie sú opísané v nasledujúcich kapitolách.

Usporiadanie a komunikačné vzťahy zariadení na experimentálnom pracovisku boli vyobrazené v [6]. Zariadeniami slave sú dva moduly vzdialených vstupov a výstupov (RIOS1, RIOS2), dva meniče frekvencie (Drive1, Drive2) a komunikačné prevodníky: DP/DP coupler a Intelligent Linker DP/PA.

Menič frekvencie Drive1 je typu Micromaster 420 so skalárnym frekvenčne-napäťovým riadením asynchrónneho motora, na ktorom je nainštalovaný rotačný inkrementálny snímač polohy typu IRC. Signál zo snímača IRC je privedený na počítadlo impulzov v module RIOS2. Menič frekvencie Drive2 je typu Sinamics G120 s vektorovým riadením a implementovaným obvodom regulácie rýchlosti.

Z hľadiska toku riadiacich informácií master PLC2 komunikuje so zariadeniami RIOS2 a Drive1. Master PLC5 riadi menič frekvencie Drive2. 

2. Diagnostický nástroj na analýzu komunikácie

Na kontrolu a analýzu komunikácie bol použitý analyzátor protokolu Softing BC450 [5]. BC450 vykonáva dôkladnú analýzu komunikácie na zbernici, deteguje zariadenia na zbernici a ich komunikačné vzťahy. Vyhodnocuje časovanie zbernice, analyzuje prenášané telegramy a počíta chyby komunikácie a diagnostické správy. Svojou činnosťou neovplyvňuje úrovne signálov ani komunikáciu. Zaznamenané a vypočítané hodnoty vizualizuje aplikácia bežiaca na osobnom počítači, s ktorou je BC450 prepojený pomocou USB. Na obr. 1 je príklad bezporuchového stavu komunikácie na testovacej sieti Profibus uvedenej na obr. 1 ([6]). Nástroj názorne zobrazuje počet diagnostických udalostí jednotlivých zariadení pri ich výskyte. Na základe nich môže používateľ predvídať možné výpadky komunikácie. Hlavným indikátorom problémov na zbernici je počet opakovaní vysielaných správ.

Hlavné komunikačné časové intervaly, ktoré nástroj zaznamenáva, sú:

1.  dĺžka ostatného komunikačného cyklu – doba obehu poverenia (tokenu) všetkými zariadeniami master,

2.  dĺžka cyklu výzvy – časový interval, ktorý začína vyslaním rámca výzvy daného zaria­denia master určeného prvému zaria­deniu slave (ktoré je zariadeniu master priradené) a končí prijatím rámca odozvy od posledného zariadenia slave priradeného danému zariadeniu master,

3.  doba nečinnosti zbernice – čas, ktorý pre dané zariadenie master uplynie medzi prijatím rámca odozvy a vyslaním nasledujúceho rámca výzvy (minimálne 33 bitových intervalov),

4.  doba oneskorenia stanice slave – čas, ktorý uplynie medzi prijatím výzvy a následnou odozvou zariadenia slave.

3. Pripojenie zariadenia slave na zbernicu

Správanie zariadenia slave na zbernici Profibus je opísané stavovým automatom uvedeným na obr. 2, ktorý má štyri stavy: zapnutie/inicializácia, parametrizácia, konfigurácia I/O a prenos údajov [3]. Prechody medzi týmito stavmi sa realizujú v postupnosti komunikačných cyklov zbernice a sú iniciované príkazmi zo zariadenia master. Master vysiela jednotlivé príkazy až po prijatí odozvy na predchádzajúci príkaz.

V tab. 1 je príklad komunikácie medzi zariadením master a jemu priradeným zariadením slave s adresou 14, po pripojení napájania na zariadenie slave. Počas experimentu bola zaznamenaná komunikácia na zbernici pred zapnutím napájania a po ňom.

V prípade, že zariadenie slave nekomunikuje, zariadenie master mu na základe nastavenej konfigurácie siete vysiela v každom komunikačnom cykle výzvu o zaslanie diagnostických informácií (telegramy 4924 a 4945, služba Slave_Diag). Typ príkazu je špecifikovaný číslom bodu prístupu ku službe (SAP – Service Access Point). Čísla a funkcie bodov prístupu ku službám pre cyklickú komunikáciu sú sumarizované v tab. 2. V tab. 1 sú čísla SAP uvedené súčasne s adresou zariadenia. Napríklad adresa 14.60 predstavuje SAP 60 nachádzajúci sa v zariadení s adresou 14.

Po pripojení napájania a vnútornej inicializácii vstupuje menič frekvencie Drive1 (zariadenie slave s adresou 14) do stavu parametrizácia. Po prijatí príkazu na načítanie dia­gnostických údajov (SAP 60, telegram č. 4945) odpovedá telegramom 4946, v údajovej časti ktorého oznamuje nepripravenosť na cyklický prenos údajov a taktiež to, že ho neparametrizovalo žiadne zariadenie master.

V komunikačnom cykle č. 3 master vysiela príkaz Set_Prm (SAP 61, telegram 4964), ktorý spôsobí prechod zariadenia slave do stavu konfigurácia I/O. V údajovej časti príkazu sa nachádzajú nové hodnoty pre parametrizáciu. Význam hodnôt pre parametrizáciu: prevzatie zariadenia slave zariadením master (v popisovanom prípade ide o zariadenie master s adresou 12), nastavenie časovania zbernice a špecifických parametrov zariadenia slave. Slave potvrdzuje prijatie parametrov telegramom č. 4965 bez údajovej časti (služba SC – Short Acknowledge).

V komunikačnom cykle č. 4 vysiela master príkaz Chk_Cfg (SAP 62, telegram 4989). Zariadenie slave kontroluje vlastnú konfiguráciu a v telegrame č. 4990 odpovedá kladným potvrdením príkazu (SC).

V nasledujúcich komunikačných cykloch vysiela master výzvy o zaslanie diagnostických informácií (SAP 60, služba Slave_Diag), až pokým nie je zariadenie slave pripravené na cyklický prenos údajov. Zariadenie slave o tom informuje zariadenie master telegramom č. 5061 a počínajúc komunikačným cyklom č. 8 začína cyklická komunikácia master-slave.

4. Riadenie meniča frekvencie na základe profilu Profidrive

Štruktúra údajov prenášaných medzi zariadením master a meničom frekvencie obsahuje riadiace (stavové) slovo a žiadanú (aktuálnu) hodnotu hlavnej riadenej veličiny. Štruktúra prenášaných údajov je na obr. 3.

Hodnota hlavnej žiadanej veličiny (HSW na obr. 3) je vyjadrená celým číslom z rozsahu ±16 378. Hodnota 16 378 predstavuje 100 %. Hlavnou riadenou veličinou pre menič frekvencie Drive1 je frekvencia statorového napätia motora a pre Drive2 je ňou žiadaná uhlová rýchlosť rotora. Oba meniče frekvencie patria v rámci Profidrive do triedy „AK 1 – štandardný pohon“. Meniče frekvencie uvedené v úvode sú z hľadiska konštrukcie a algoritmu riadenia asynchrónneho motora rozdielne, ale napriek tomu sú zjednotené z hľadiska štruktúry údajov a spôsobu komunikácie v zmysle profilu Profidrive.

Činnosť meniča frekvencie pri spúšťaní a vypínaní je opísaná všeobecným stavovým automatom uvedeným na obr. 4. Stavy S1 až S5 sú signalizované hodnotou bitov stavového slova (ZSW1). Prechody medzi stavmi sú iniciované riadiacimi slovami (STW1) vysielanými do meniča frekvencie zo zariadenia master. Znamená to, že riadiaci program bežiaci na zariadení master musí generovať vhodnú postupnosť riadiacich slov, ktoré umožnia prechod do cieľového stavu. Význam bitov riadiacich a stavových slov špecifikuje komunikačný profil Profidrive [2].

V tab. 1 je uvedená postupnosť prechodov medzi stavmi S1 až S4 po zapnutí napájania meniča frekvencie Micromaster 420. V stave S1 má stavové slovo meniča hodnotu FB41 H. V tomto stave sa menič frekvencie nachádza v komunikačných cykloch 8 až 40. Prechod do stavu S2 spôsobuje riadiace slovo 0476 H vysielané v komunikačných cykloch 29 až 41. Stavové slovo meniča v stave S2 má hodnotu FB31 H. Na prechod do stavov S3 (FB32 H) a S4 (FB34 H) sú použité riadiace slová 0477 H a 047F H. Potrebné riadiace slová sú generované v používateľskom programe PLC2 na základe vyhodnotenia aktuálneho stavu meniča frekvencie.

9. Záver

V experimente je analyzovaný štart komunikácie inteligentného meniča frekvencie. Toto zariadenie slave je monitorované od okamihu jeho pripojenia na zbernicu až po dosiahnutie prevádzkového stavu špecializovaným diagnostickým nástrojom. Komunikácia má dve fázy: naštartovanie cyklickej komunikácie Profibus a ovládanie prechodov v stavovom automate meniča frekvencie. V prvej fáze komunikácie, po zapnutí, prechádza slave stavmi parametrizácie a konfigurácie do cyklického prenosu údajov. V druhej fáze komunikácie sa podľa požiadaviek riadiaceho systému a v zmysle aplikačného profilu Profidrive uvedie do plného prevádzkového stavu.

Poďakovanie:

Článok vznikol s podporou združenia Profibus SK.

Literatúra:

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

[2] PROFIdrive Drive Technology, V 3.1.2. PROFIBUS Nutzerorganisation e. V., Germany, 2004.

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

[4] MICROMASTER, PROFIBUS Optional Board – Operating Instructions, User Documentation. Siemens, 2002.

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

[6] DRAHOŠ, P. – BÉLAI, I.: Analýza komunikácie inteligentných senzorov na zbernici Profibus. Automa, 2012, č. 8-9, s. 52–54.

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

Ing. Igor Bélai, PhD., je absolventom Elektrotechnickej fakulty SVŠT Bratislava v odbore elektronické počítače. Po dokončení doktorského štúdia v odbore automatizácia a riadenie pôsobí ako odborný asistent na ústave riadenia a priemyselnej informatiky FEI STU Bratislava. Zaoberá sa problematikou priemyselných komunikačných systémov a číslicových servosystémov.

Ing. Peter Drahoš, PhD., je absolventom Elektrotechnickej fakulty SVŠT Bratislava v odbore technická kybernetika. Po dokončení doktorského štúdia v odbore automatizácia a riadenie pôsobí ako odborný asistent na ústave riadenia a priemyselnej informatiky FEI STU Bratislava. Zaoberá sa problematikou priemyselných komunikačných systémov, senzormi a netradičnými pohonmi.

Obr. 1. Prehľad zariadení na zbernici Profibus s uvedeným počtom porúch komunikácie a diagnostických hlásení (zariadenia master sú označené písmenom M)

Obr. 2. Stavový automat zariadenia Profibus-DP slave

Obr. 3. Štruktúra vstupných a výstupných údajov meničov frekvencie [2]

Obr. 4. Všeobecný stavový automat pohonného objektu Profidrive

Tab. 1. Príklad komunikácie medzi zariadeniami master a slave po pripojení napájania zariadenia slave a prenos údajov medzi meničom frekvencie a PLC

Tab. 2. Body prístupu ku službám (SAP) pre cyklickú komunikáciu [3]