Výukový panel sítě Profibus-PA

Výukový panel sítě Profibus-PA

Současné řídicí systémy jsou složité celky typicky tvořené distribuovanými řídicími jednotkami typu např. programovatelných automatů (Programmable Logic Controller – PLC) s jednotkami vstupů a výstupů a inteligentními přístroji (snímači a akčními členy) propojenými odpovídající průmyslovou komunikační sítí. Zvládnout všechny aspekty jejich chování v předstihu před reálnou aplikací není snadné. Pro účely výuky a výcviku se v praxi s výhodou používají různé výukové pomůcky imitující skutečné instalace. Jednou z nich je demonstrační model průmyslového technologického zařízení, který je řízený a sledovaný moderními snímači a akčními členy s rozhraním Profibus-PA. Tento panel je nainstalován v Laboratoři průmyslové automatizace ústavu automatizace a měřicí techniky Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií Vysokého učení technického (UAMT FEKT VUT) v Brně.

Průmyslová síť Profibus

Způsoby, jakými jednotlivé stanice komunikují v síti Profibus, jsou specifikovány v normě EN 50170, Volume 2. Jsou to metoda token bus pro aktivní a metoda master-slave pro pasivní stanice. Metoda přístupu k síti přitom není závislá na přenosovém médiu.

Pro přenos dat po metalickém médiu je normou sítě Profibus specifikováno rozhraní RS-485, odpovídající standardu podle EIA-485. Optická verze Simatic NET Profibus je realizována s optickými spojovacími moduly a optickými spoji.

Sítě Simatic NET Profibus mohou být provozovány s rychlostí přenosu od 9,6 kb/s do 12 Mb/s.

Profibus-DP
Výměna dat v síti Profibus-DP je možná řídicí jednotkou třídy 1 (master class 1) a jedním nebo několika PC (master class 2). Řídicí jednotka třídy 1 má úplný přístup ke všem přiřazeným stanicím (slave) prostřednictvím cyklických zpráv. S řídicí jednotkou třídy 2 lze uskutečňovat výměnu dat prostřednictvím acyklických zpráv. V závislosti na vlastnostech použité fyzické vrstvy může být v síti Profibus-DP propojeno až 126 stanic.

Profibus-PA
Síť Profibus-PA je rozšířením standardu sítě Profibus-DP o fyzickou vrstvu podle normy IEC 61158-2 při zachování komunikačních funkcí vlastních síti Profibus-DP. Stanice s rozhraním podle standardu Profibus-PA mohou být použity i v prostředí s nebezpečím výbuchu.

Přechod mezi Profibus-DP a Profibus-PA
Přechod mezi sítěmi Profibus-DP (RS-485) a Profibus-PA (IEC 61158-2) umožňují dvě síťové komponenty, kterými jsou DP/PA Coupler a DP/PA Link.

DP/PA Coupler mění formát dat z asynchronního (jedenáct bitů) na synchronní (osm bitů). Současně mění rychlost přenosu ze 45,45 na 31,25 kb/s. Jednotka DP/PA Coupler není konfigurovatelná a nemůže být stanicemi v síti detekována. Toto zařízení také napájí stanice připojené k síti Profibus-PA.

K modulu DP Link, součásti DP/DA Link, spojenému s nadřízenou stanicí prostřednictvím sběrnice Profibus-DP, může být připojeno až pět jednotek DP/PA Coupler. V sítích Profibus představuje DP/PA Link podřízenou stanici (slave), která přizpůsobí přenosové rychlosti ze sítě Profibus-DP na konstantní rychlost sítě Profibus-PA. Úhrnem lze k jednotce DP/PA Link připojit až 31 zařízení.

Demonstrační panel technologického zařízení

Demonstrační panel průmyslového technologického zařízení je schematicky naznačen na obr. 1.Technologický diagram zahrnuje vodovodní obvod (velmi tlustá čára), elektrické měřicí obvody analogových signálů (tlustá čára – proudové smyčky; čerchovaná čára – ostatní připojení), síť Profibus-PA a síť Profibus-DP. Pneumatický pohon akčního členu je znázorněn čárkovanou čarou.

Hardware řidicího systému

Elektrické schéma na obr. 2 zachycuje způsob připojení jednotlivých zařízení k PLC (Simatic S7-300) a jednotce DP/PA Link. Snímač tlaku Sitrans P, ultrazvukový průtokoměr Sitrans F a celek tvořený elektropneumatickým ovladačem polohy Sipart PS2 a regulačním ventilem komunikují po síti Profibus-PA s jednotkou DP/PA Link. Dvě proudové smyčky (4 až 20 mA) přímo spojují indukční průtokoměr Sitrans FM a analyzátor pH typu Sipan 32X s analogovými vstupy PLC. Snímač teploty Pt100 je čtyřvodičově připojen k dalšímu modulu analogových vstupů PLC. Programovatelný automat je konfigurován, programován a sledován prostřednictvím sítě MPI z PC.

Řídicí software

Řídicí program, který je navržen ve vývojovém prostředí STEP7, ovládá PLC. Na obr. 3 je ukázána konfigurace hardwaru demonstračního panelu, jak se jeví v prostředí STEP7. Příklad cyklického běhu úloh v organizačním bloku OB1 je na obr. 4: jde o přenos údajů ze snímače tlaku Sitrans P do paměťové oblasti PLC při použití systémové funkce SFC14 „DPRD_DAT“. Délka bloku dat je pět bytů. První čtyři byty (číslo v plovoucí desetinné čárce) reprezentují hodnotu absolutního tlaku vody proudící v potrubí a pátý byt nese informaci o stavu snímače tlaku.

Závěr

Demonstrační panel průmyslového technologického zařízení je umístěn v Laboratoři průmyslové automatizace UAMT. Umožňuje studentům získat zkušenosti v programování a nastavování parametrů skutečných zařízení , která se nasazují při řízení kontinuálních technologických procesů (snímač teploty, snímač tlaku, ultrazvukový průtokoměr, indukční průtokoměr, analyzátor pH, regulační ventil s elektropneumatickým pohonem). Studenti se naučí pracovat v prostředí STEP7, konfigurovat PLC, vytvářet programy pro PLC, získávat skutečné hodnoty z technologického procesu a vytvářet potřebné vizualizace v dalších vývojových prostředích. Počítá se s využitím panelu také při diplomních pracích.

Poděkování

Demonstrační panel byl vybudován za sponzorské podpory firmy Siemens s. r. o. a grantu FRVŠ H/1858/2002.

Ing. Radek Štohl
(stohl@feec.vutbr.cz),
Ing. Luděk Černý
(cernyl@feec.vutbr.cz),
Ústav automatizace a měřicí techniky, FEKT VUT v Brně