Profibus – nové směry vývoje

Profibus – nové směry vývoje

Článek informuje o nových vlastnostech komunikačního protokolu Profibus-DP v připravované verzi Profibus-DPV2, zahrnující kromě stávajících profilů zařízení ProfiDrive (řízení pohonů) a ProfiSafe (zabezpečená komunikace) také dva nové principy komunikace týkající se globální synchronizace dat a vzájemné komunikace podřízených stanic. Tyto změny významně rozšiřují použitelnost protokolu Profibus-DP a přinášejí novou kvalitu mj. do řízení pohonů.

1. Úvod

V článku [1] bylo ukázáno, že v průmyslové automatizaci se na úrovni přímého kontaktu s technologií stále častěji uplatňují zařízení schopná určitého samostatného zpracování např. naměřených hodnot vstupní veličiny nebo určitého typu lokálního řízení výstupních veličin.

Připravované rozšíření komunikačního protokolu Profibus-DP, označované jako verze 2 (Profibus-DPV2), obsahuje specifikace odpovídající novým požadavkům na komunikaci. Jde především o výměnu dat mezi podřízenými stanicemi (slave) a o jejich globální synchronizaci. Rozšíření Profibus-DPV2 také obsahuje již existující profily ProfiDrive pro oblast techniky pohonů a ProfiSafe pro zabezpečená zařízení.

O těchto nových vlastnostech komunikačního protokolu Profibus-DP bude řeč v následujících odstavcích.

2. Nové principy komunikace

2.1 Základní vlastnosti z hlediska aplikace
V poslední době jsou stále častěji zmiňovány nové komunikační vlastnosti protokolu Profibus-DP v rozšiřující verzi DPV2 (dále protokol DP, popř. DPV2). Tato připravovaná specifikace zahrnuje kromě stávajících profilů ProfiDrive a ProfiSafe také dva nové principy komunikace týkající se globální synchronizace dat a komunikace podřízených stanic mezi sebou. Použité principy přinášejí nový směr mj. do řízení pohonů a rozšiřují použitelnost protokolu DP do oblastí, které byly doposud doménou lokálních vstupů/výstupů (v/v) nebo speciálních jednoúčelových komunikačních sběrnic.

Jako příklad lze uvést použití protokolu DPV2 k řízení pohonů. Systém, obsahující dva moduly pro řízení pohonu v jedné ose, devět modulů pro řízení ve dvou osách a tři další v/v moduly (celkem 688 bytů pro 14 modulů), dosahuje doby odezvy 1,34 ms. Je patrné, že na jedné sběrnici lze kombinovat zařízení různých typů (řízení pohonů, běžná v/v zařízení) a že i takto navržený a dosti rozsáhlý systém má dostatečně krátkou dobu odezvy.

2.2 Globální synchronizace dat
Komunikace podle protokolu Profibus-DP i podle rozšíření DPV1 obsahuje telegramy cyklické výměny dat, jejichž počet odpovídá počtu připojených podřízených stanic. Na obr. 1 jsou ukázány základní části a parametry úplné komunikace DP (bližší popis lze nalézt v [1]).

Program, který je v činnosti v nadřízené stanici (master), ovládá (reguluje) řízenou (regulovanou) soustavu pomocí řídicího systému, obsahujícího tři podřízené stanice (příklad na obr. 1). Tento program je možné rozdělit na část uskutečňující samotný regulační algoritmus a část zajišťující komunikaci DP. Mezi nadřízenou a podřízenými stanicemi probíhá cyklická výměna dat Data_exch (rámce DX v obr. 1), dále se může uskutečňovat acyklická komunikace (rámec ac.) a v celém komunikačním cyklu je ponechána určitá rezerva (rámec rez.). Doba trvání (perioda) cyklu sběrnice při komunikaci DP je T_DP. Aby byla zajištěna časová synchronizace jednotlivých zařízení, což je při řízení pohonů nutné, je součástí každého cyklu sběrnice navíc ještě tzv. globální telegram (telegram posílaný všem podřízeným stanicím, aniž by tyto potvrzovaly jeho přijetí). Tento telegram obsahuje časovou značku, podle které všechny podřízené stanice synchronizují své časové základny.

Perioda vlastního taktovacího signálu v každé jednotlivé stanici musí být několikrát kratší než perioda cyklu sběrnice T_DP, a tudíž i perioda příjmu časové značky (globálního telegramu), a odpovídá době trvání cyklu aplikace na straně podřízené stanice T_SAPC. Perioda TSAPC současně odpovídá minimální době T_{I, min}, popř. T_{O, min}, což vlastně jsou (po řadě) perioda vzorkování vstupů podřízené stanice (příjmu údajů ze senzorů umístěných na regulované soustavě) a perioda obnovování jejích výstupů (ovlivňují např. rychlost regulovaného pohonu).

Při výpadku komunikace, a tedy i globálního synchronizačního telegramu, musí lokální časová základna s dostatečnou přesností zajistit lokální průběh regulačního algoritmu až do doby, než bude komunikace znovu navázána.

Jestliže by bylo třeba využít běžnou komunikaci DP pro řízení pohonů, platí grafické znázornění podle obr. 1 ve variantě s T_M = 0. Cyklus regulace všech tří os (R₁, R₂, R₃ v obr. 1) začíná načtením dat ze senzorů v prvním cyklu sběrnice. Tato data čte podřízená stanice ze vstupů na začátku cyklu sběrnice, takže se do nadřízené stanice dostanou teprve v následujícím (druhém) cyklu sběrnice. Regulační algoritmus v nadřízené stanici již probíhá, takže načtená data jsou vstupními hodnotami do regulačního algoritmu až v následujícím, tzn. třetím cyklu. Regulační algoritmus předá výstupní data na sběrnici opět až v dalším cyklu sběrnice, na jehož konci je podřízená stanice převezme a uloží jako své výstupy. Jinými slovy, určitá vstupní hodnota se projeví případnou změnou odpovídající výstupní hodnoty teprve po čtyřech cyklech sběrnice.

Regulační cyklus lze zkrátit způsobem naznačeným na obr. 2. Jestliže se zpracování regulačního algoritmu na straně nadřízené stanice posune o dobu T_M > 0 tak, aby začalo až po dokončení cyklické výměny dat, mohou být vstupní data ze senzorů zpracována regulačním algoritmem ihned po příchodu do nadřízené stanice. Výstupní data, vypočtená regulačním algoritmem v nadřízené stanici, musí podřízená stanice opět uložit jako své výstupy dříve, než načte hodnoty vstupů pro další cyklus regulace. S použitím symboliky podle obr. 2 je tedy možné říci, že v čase T_O uloží podřízená stanice vypočtená příchozí data jako své výstupy a s následujícím vzorkovacím impulsem v čase T_I přečte hodnoty vstupů. Tímto způsobem se dosáhne zkrácení regulačního cyklu na dva cykly sběrnice.

Dalšího zvýšení efektivity lze dosáhnout překrýváním dat. Vychází se přitom ze skutečnosti, že v cyklu sběrnice, kdy se zpracovávají data regulačním algoritmem, je možné z podřízené stanice předat nová vstupní data pro následující regulační cyklus. Dochází tím k jakémusi „paralelnímu“ neboli proudovému zpracování, neboť v okamžiku, kdy komunikační procesor nadřízené stanice posílá výstupní data k podřízeným stanicím, může regulační algoritmus zpracovávat již nová vstupní data. Jinými slovy, v jednom a tomtéž cyklu sběrnice nadřízená stanice čte vstupní hodnoty získané v předchozím cyklu od podřízených stanic a současně ukládá výstupní hodnoty vypočítané v předchozím cyklu regulačním algoritmem. Díky posunu provádění regulačního algoritmu o dobu T_M oproti začátku cyklické komunikace je možné nově vypočtená výstupní data odeslat již v následujícím cyklu sběrnice. Doba trvání regulačního cyklu se tedy tímto způsobem zkracuje na méně než dvě periody sběrnice (2T_DP).

Jak již bylo uvedeno, fungují lokální časové základny jednotlivých podřízených stanic kromě řízení vzorkování vstupů a výstupů také jako náhrada globálních synchronizačních telegramů při výpadku komunikace. Časová základna řídicí stanice musí pracovat s přesností lepší než 1 µs při frekvenci f_DP = 1/T_DP. Lokální časové základny podřízených stanic musí pracovat s přesností lepší než 100 ns (jsou synchronizovány v okamžicích příchodu globálních synchronizačních telegramů) při frekvencí f_SDP = n/T_DP, kde n je počet vzorků za periodu sběrnice na straně podřízené stanice.

2.3 Výměna dat mezi podřízenými stanicemi
Použitý princip komunikace, nazývaný také písař-čtenář (publisher-subscriber), výrazně zmenšuje zatížení sítě v případech, kdy reakce určité podřízené stanice závisí na datech dodávaných jinou podřízenou stanicí. Za použití běžné cyklické výměny dat bylo v těchto případech nutné realizovat komunikační cyklus Data_exch (žádost a odpověď), který by do nadřízené stanice přenesl požadovaná vstupní data. V dalším komunikačním cyklu, popř. cyklech, byla data uložena jako výstupy další podřízené stanice (stanic).

V komunikačním modelu písař-čtenář zůstává zachován princip nadřízené stanice, jež určuje, které zařízení může přistoupit na sběrnici. Dále mají některé stanice přidělenu úlohu písaře, tzn. že publikují svá vstupní data, aby je mohly další stanice (čtenáři) přečíst. Nadřízená stanice vyšle žádost Data_exch.req (telegram s výstupními daty) určité podřízené stanici. Příslušná stanice by po příjmu uvedeného telegramu běžně odpověděla zprávou Data_exch.res (telegramem se vstupními daty). Jestliže je však stanice nastavena jako písař, odpoví telegramem typu označovaným jako broadcast nebo multicast, do jehož těla vloží svá vstupní data. Tento telegram může přijmout každá stanice připojená na síť, a jestliže je nastavena jako čtenář určitého písaře, může data sama dále přímo zpracovat. Nadřízená stanice může uvedeným způsobem (Data_exch.req) oslovit několik písařů, takže čtenáři dostávají data z několika zdrojů. Výhodou tedy je, že informaci od určitého písaře dostane odpovídající čtenář v nejkratší možné době.

Aby bylo možné jednotlivým podřízeným zařízením přidělovat úlohy písařů a čtenářů, je definován nový parametrizační telegram Ext_User_Set_Prm, který posílá nadřízená stanice během inicializace mezi telegramem Set_Param a telegramem Chk_Cfg (telegramy pro parametrizování a konfigurování v rámci základní komunikace DP). Telegram Ext_User_Set_Prm určený stanici typu čtenář obsahuje adresy zařízení (písařů), od nichž má daný čtenář data přijímat, délku příslušných skupin bitů a jejich pozici vůči začátku bloku dat v telegramu od písaře. Z toho vyplývá, že pro čtenáře lze ke čtení zvolit libovolný souvislý úsek z dat, která písař publikuje.

Úlohy jednotlivých zařízení při komunikaci typu písař-čtenář jsou tyto (všechna zařízení musí podporovat uvedenou komunikaci):

• nadřízená stanice: v parametrizačním telegramu při inicializaci nastaví parametry písaře a při výměně dat v režimu Data_exch posílá telegramy se speciálním funkčním kódem (telegramem Ext_User_Set_Prm musí v příslušných podřízených stanicích nastavit tabulku stanic, které má daná podřízená stanice chápat jako písaře);

• písař: při parametrizaci musí podporovat minimálně jeden uživatelský parametr, kterým nadřízená stanice povoluje funkci písaře; při výměně dat odpovídá telegramem typu broadcast (globální telegram) se standardním označením priority, což umožňuje vyžádat od nadřízené stanice diagnostiku stejně jako při standardní cyklické výměně dat; v popisu vlastností zařízení (souboru GSD) navíc přibývá označení funkce písaře;

• čtenář: musí být v režimu výměny dat Data_exch (tabulku písařů, jejichž data má čtenář přijímat, nastaví nadřízená stanice telegramem Ext_User_Set_Prm).

2.4 Hardwarová podpora
Popsané vlastnosti jsou již podporovány některými komunikační čipy, jež jsou určeny pro Profibus-DP. Jde především o čipy ASPC2 (verze E) pro implementace nadřízené stanice a DPC31 pro implementace podřízené stanice. Tyto čipy podporují jak globální synchronizaci tak i výměnu dat mezi podřízenými stanicemi (mohou tedy fungovat jako čtenáři i jako písaři). Starší čipy SPC 4-1 podporují výměnu dat mezi podřízenými stanicemi a čipy SPC 4-2 navíc také globální synchronizaci.

3. ProfiDrive – řízení pohonů

Profil zařízení ProfiDrive je založen na společných komunikačních vlastnostech skupiny pohonů, přičemž jsou popisovány typy a významy používaných dat a reakce jednotlivých zařízení právě ve vztahu k těmto datům.

Pohony jsou řízeny zařízeními, která v poslední době bývají stále častěji napojena na komunikační sběrnici (Profibus-DP), jejímž prostřednictvím přebírají od nadřízeného systému příkazy pro svou činnost – např. kontrolu, rozběh, automatický provoz atd. ProfiDrive se zabývá dvěma typy takových zařízení. Jsou to:

• zařízení umožňující zadávat příkazy pro řízení momentu nebo rychlosti pohonu (rychlostní vazba);
• zařízení vyžadující zadání požadované konečné polohy (polohová vazba).

Podle typu řízeného procesu se liší i konfigurace komunikačního systému. Jestliže je zapotřebí řídit navzájem provázané pohony s krátkou dobou reakce, přičemž regulační algoritmus bude uskutečňován v řídicím systému, je třeba použít konfiguraci s jednou nadřízenou stanicí s využitím již popsaných metod globální synchronizace a vzájemné komunikace mezi podřízenými stanicemi. V takových případech je požadována perioda regulačního cyklu kratší než 10 ms (typicky to bývají jednotky milisekund).

Konfiguraci s několika nadřízenými stanicemi lze povolit tehdy, je-li řídicí algoritmus částečně implementován již na úrovni lokálních řídicích jednotek, a proto není nutná rychlá výměna dat mezi nadřízenými a podřízenými stanicemi. V těchto komplexnějších případech se požadovaná reakční doba regulační smyčky pohybuje od 10 do 50 ms. V systémech, kde podřízené stanice mají již vysokou úroveň vlastní „inteligence“, mají přesné informace o řízené technologii a jsou schopny zpracovávat jednotlivé technologické instrukce, je požadována reakční doba regulační smyčky v trvání od 50 do 100 ms.

Profil zařízení ProfiDrive definuje pro jednotlivé typy pohonů (řízení rychlosti nebo polohy) význam a strukturu dat, která je třeba vyměňovat mezi nadřízenou a podřízenou stanicí ve fázi inicializace a ve fázi řízení pohonu.

Co se inicializace týče, jsou definovány jednotlivé parametry a jim odpovídající popisné texty – např. přístupová práva operátora, režim provozu, perioda vzorkování, identifikace zařízení, data pro cyklickou výměnu atd. Dále jsou definovány dva režimy opětovného náběhu zařízení (restart), a to s přepsáním nebo bez přepsání původních hodnot ovlivňujících funkci zařízení.

Ve fázi řízení je definován formát řídicích a stavových slov pro jednotlivé typy pohonů, způsob přístupu k jednotlivým parametrům a způsob mapování dat na služby protokolu DP při cyklické komunikaci. Jsou definovány také jednotlivé alarmy a způsoby hlášení chyb.

4. ProfiSafe – zabezpečená komunikace

Profil zařízení ProfiSafe specifikuje soubor komunikačních funkcí, které využívají stávající vlastnosti protokolu Profibus-DP ke zvýšení spolehlivosti přenosu technologických dat. Může být využit především v aplikacích, v nichž je při výpadku komunikace, ať už ze strany přenosového kanálu nebo ze strany komunikujících zařízení, ohrožena bezpečnost lidí nebo v nichž hrozí nebezpečí poškození majetku, jako jsou obsluha např. nouzového tlačítka pro zastavení stroje, čidel pohybu, pohonů a jiné tzv. zabezpečovací funkce.

Profil specifikuje komunikaci zařízení, která mu odpovídají (dále zabezpečená zařízení). Na sběrnici Profibus však mohou být připojena i běžná zařízení, protože použití zabezpečených zařízení jejich použití a připojení nevylučuje. Profil ProfiSafe lze rovněž využít pro zařízení pro Profibus-PA, která využívají stejný komunikační protokol jako zařízení pro Profibus-DP.

Funkce zabezpečeného přenosu se snaží cíleně detekovat možné chyby nebo hazardy, které mohou v systému vzniknout, a udržet pravděpodobnost vzniku poruchy pod určitou mezní hodnotou. Mezi možnými poruchami jsou náhodné výpadky (např. v důsledku působení elektromagnetických vlivů na přenosový kanál), chyby standardního hardwaru a systematické chyby částí standardního hardwaru.

Z hlediska protokolu se rozlišují zprávy zabezpečeného přenosu a zprávy standardní. Oba druhy zpráv mohou být kombinovány a navíc mohou být data ze standardních zařízení přidána do zabezpečených zpráv. V tomto případě musí mít obě oblasti dat různá kódová označení.

Do telegramu jsou pro dokonalejší zabezpečení přenášených dat přidány tyto prvky:

• stavový/řídicí byte: umožňuje informovat nadřízené zařízení o tom, že nastala chyba v zabezpečené komunikaci (např. porušení sledu zpráv, výpadek podřízeného zařízení atd.);

• pořadí zpráv: jeden byte, jehož hodnota roste s každou zprávou od nadřízeného procesoru o jedničku v cyklu od 1 do 255;

• zlepšený cyklický kontrolní kód: aplikuje se na parametrizační údaje zabezpečovacího zařízení (počítá se jednou za určitý časový úsek) a technologická data určená pro přenos zabezpečenou komunikační cestou (počítá se pro každý telegram).

Každé zařízení schopné zabezpečené komunikace obsahuje blok zvaný zabezpečená nadstavba (F-driver), který zajišťuje zprávy zabezpečené komunikace. Zabezpečená komunikace je znázorněna na obr. 3. Blok zabezpečené nadstavby nejprve synchronizuje zařízení vysláním zprávy s pořadovým číslem 0 a při každé další zprávě je pořadové číslo inkrementováno modulo 256, přičemž se přeskočí hodnota 0. Dále blok zabezpečené nadstavby kontroluje dobu, během které musí přijít odpověď na jeho zprávu se správným pořadovým číslem. V průběhu tohoto intervalu se toleruje jedna chyba (se špatným pořadovým číslem nebo kontrolním součtem), je-li následně opravena. Jestliže není opravena, přepne se nadřízená stanice do bezpečného režimu. Sledováním pořadového čísla lze tedy odhalit chyby typu ztráta zprávy, vložení jiné zprávy a zpřeházení zpráv.

Doba mezi rozpoznáním chyby na straně vstupního zařízení a odpovídající reakcí na straně výstupního zařízení je při zabezpečené komunikaci ovlivněna komunikací mezi podřízenou a nadřízenou stanicí a aplikací zabezpečeného řízení. V porovnání se standardní komunikací DP zde navíc přibývá ještě doba zpracování události v bloku zabezpečené nadstavby (doba cyklu nebo doba zpracování v procesorové jednotce).

V současné době je aktuální verze 1.0 profilu ProfiSafe, která definuje zabezpečenou komunikaci mezi nadřízenou a podřízenou stanicí. Na veletrhu v Hannoveru na jaře 2001 by měla být představena verze 2.0, která navíc definuje zabezpečenou komunikaci mezi podřízenými stanicemi.

5. Závěr

Nové komunikační vlastnosti popsané v tomto článku výrazně rozšiřují možnosti použití protokolu Profibus-DP v různých oblastech průmyslové komunikace. Cílem článku bylo stručně popsat tyto vlastnosti a ukázat jejich použití na příkladu řízení pohonů. Druh dat a způsob jejich výměny při řízení pohonů jsou popsány v profilu ProfiDrive a nově vzniklá oblast zabezpečené komunikace prostřednictví protokolu Profibus-DP je popsána v profilu ProfiSafe. Další podrobnosti lze nalézt v dále uvedené literatuře nebo na internetových stránkách organizací Profibus International nebo Profibus CZ.

Ing. Pavel Burget absolvoval FEL ČVUT na katedře počítačů v oboru výpočetní technika v roce 1996. Působí jako pedagog na katedře řídicí techniky na FEL ČVUT. Jeho odborný zájem se soustřeďuje na průmyslové komunikační sběrnice. Aktivně se podílí na činnosti sdružení Profibus CZ.