4.3. Канальний рівень Profibus dp
Далі ми розглядатимемо тільки Profibus DP, оскільки він набув незрівнянно ширшого поширення, ніж FMS і PA.
Канальний рівень моделі OSI в Profibus називається FDL-рінем (Field-bus Data Link — промисловий канал зв'язку). Об'єкт MAC (Medium Access Control — управління доступом до каналу) на канальному рівні визначає процедуру передачі даних пристроями, включаючи управління правами на передачу даних через мережу. Протокол канального рівня забезпечує виконання наступних важливих вимог:
в процесі комунікації між головними пристроями необхідно забезпечити виконання кожним з них свого завдання протягом заздалегідь певного інтервалу часу;
взаємодія головних пристроїв (контролерів) з залежними повинна відбуватися максимально швидко.
У мережі Profibus для доступу мастер-пристроїв до мережі використовується метод передачі маркера (рис. 4.1). У цьому методі мережа має логічну топологію кільця (тобто кільця на рівні адрес пристроїв), кожен головний пристрій отримує доступ до мережі тільки при отриманні маркера. Маркер виконує роль арбітра, який надає пристрою право доступу. Після закінчення певного часу цей пристрій повинен передати маркер наступному головному пристрою, який дістає доступ також на якийсь час, поки маркер знаходиться у нього. Таким чином, кожному головному пристрою виділяється точно заданий інтервал часу. Цей інтервал може бути встановлений при конфігурації системи.
Рис. 4.1. Принцип роботи багатомастерної мережі
Кожному мастер-пристрою в мережі призначаються свої слейв-пристрої (рис. 4.1). У методі «головний/залежний» процедуру комунікації з залежними пристроями виконує мастер, який володіє маркером. На час володіння маркером мастер стає таким, що веде також по відношенню до інших головних пристроїв, тобто може виконувати з ними комунікацію типу «мастер-мастер».
Profibus має також широкомовний режим роботи, коли головний пристрій посилає повідомлення «всім», не чекаючи повідомлення про отримання, і багатоабонентський режим, коли провідний пристрій посилає одне і те ж повідомлення відразу декільком учасникам мережі.
У завдання об'єкту МАС активного пристрою (що отримав маркер) входить виявлення наявності або відсутності маркера відразу після початку роботи мережі, передача маркера наступному пристрою в порядку зростання адрес, видалення адрес що вийшли з ладу або вимкнених пристроїв і додавання нових, відновлення втраченого маркера, усунення дублікатів маркерів, усунення дублювання мережевих адрес і забезпечення заданого періоду звернення маркера по мережі.
Комунікаційний профіль DP. Основна функція комунікаційного профілю DP полягає в ефективному обміні даними ПЛК або комп'ютера з датчиками і виконавчими пристроями. Обмін даними з цими пристроями зазвичай виконується періодично, але комунікаційний профіль DР надає також додатковий сервіс аперіодичного обміну для установки параметрів, контролю режимів роботи і обробки сигналів тривоги (алармів).
У звичайному режимі центральний контролер (ведучий) періодично зчитує інформацію, що поступає на входи слейв-пристроїв і записує інформацію для їх виходів. Додатково до цього періодичного обміну даними DP забезпечує потужні засоби для діагностики і інсталяції системи, а також для забезпечення стійкості до зовнішніх дестабілізуючих чинників.
Засоби діагностики БР забезпечують швидке виявлення місця появи помилки і пересилку відповідного повідомлення головному пристрою. Діагностичні повідомлення діляться на три рівні:
1)рівень пристрою (що стосуються загальних ознак працездатності пристрою, таких як перегрів, вихід напруги за допустимі межі і ін.);
рівень модуля введення-виводу, що входить до складу пристрою модульної конструкції;
рівень каналу модуля (наприклад, «к.з. входу 8»).
До однієї мережі можуть бути приєднані до 128 пристроїв (але не більш 32-х в одному сегменті). Специфікація для конфігурації системи включає кількість вузлів мережі, розподіл адрес пристроїв, формат діагностичних повідомлень, параметри шини.
У мережі можуть використовуватися пристрої трьох типів:
DP майстер класу 1 (DPM1) — центральний контролер, який циклічно обмінюється інформацією з ведучими пристроями із заздалегідь певним періодом;
DP майстер класу 2 (DPM2) — пристрій, призначений для конфігурації системи, наладки, обслуговування або діагностики;
слейв-пристрій — пристрій, який виконує збір інформації або видачу її виконавчим пристроям.
Ці пристрої можуть посилати або приймати не більше 256 байт інформації за один цикл обміну.
Комунікаційний профіль DP дозволяє конфігурувати як одномайстрову, так і багатомайстрову мережу. У одномастерній мережі головний пристрій (майстер) може посилати запити і отримувати відповіді тільки від слейв-пристроїв.
У багатомайстровій мережі є декілька провідних пристроїв, які мають свої одномайстерні підмережі і в межах підмережі є пристроями класу DPM1. Головні пристрої в багатомастерній мережі можуть бути також пристроями класу DPM2. Вхідні і вихідні дані залежних пристроїв можуть бути прочитані будь-яким мастер-пристроєм мережі. Проте записувати дані в пристрої може тільки один майстер, який при конфігурації системи був позначений як DPM1.
Головний контролер (DPM1) може знаходитися в одному з трьох станів: Stop — коли не відбувається обміну даними; Clear — коли DPM1 може зчитувати дані, але не може записувати їх і виходи всіх пристроїв переводяться в безпечні стани; Operate — звичайний робочий стан.
Якщо в системі з'являється повідомлення про помилку, то DPM1 встановлює виходи всіх пристроїв виводу в безпечний стан, а сам переходить в стан «Сlеаг». Безпечним вважається такий стан, при якому виконавчі пристрої знаходяться в безпечному (для людини або системи) стані. Такий стан самоконтролю системи може бути встановлено чи ні при її конфігурації. При відключеному стані самоконтролю система продовжує працювати не дивлячись на появу помилок.
При конфігурації системи користувач призначає кожному мастер-пристрою свої слейв-пристрої і черговість їх опитування, а також вказує пристрої, які не треба опитувати періодично.
Передача даних між майстром DPM1 і залежними пристроями ділиться на три фази: параметризація, конфігурація і передача даних. У фазі параметризації і конфігурації перевіряється, чи відповідає конфігурація і параметри слейв-пристрою запланованим в DPM1 установкам. Перевіряється тип пристрою, формат і довжина передаваних повідомлень, кількість входів або виходів.
Profibus DP має режим синхронізації виводу. Для цього посилається широкомовна команда синхронізації керування при отриманні якої відбувається одночасна зміна станів виходів всіх пристроїв виводу. Є також команда «заморожування», під час вступу якою входи всіх пристроїв введення зберігають свій поточний стан і перестають реагувати на зміну сигналів, що поступають на входи, поки не поступить команда «розморожування». Ці команди використовуються для синхронізації введення. Команди синхронізації можуть посилатися всім пристроям мережі, групі або одному пристрою.
Для виявлення помилок в передавальних пристроях передбачений механізм тимчасового моніторингу (спостереження), який діє як у слейв, так і мастер-пристроях. Інтервал моніторингу встановлюється при конфігурації системи. Головний (DPM1) контролює процес передачі даних залежним пристроям за допомогою таймера. Для кожного залежного використовується свій таймер. Якщо протягом інтервалу спостереження не приходять коректні дані, видається діагностичне повідомлення для користувача. Якщо включений режим автоматичної реакції на помилки, то мастер-пристрій встановлює всі виходи в безпечні стани, а сам переходить в стан «С1еаг».
Слейв-пристрій також виконує контроль головного пристрою або лінії передачі. Для цього використовується сторожовий таймер. Якщо від головного пристрою не приходять дані протягом періоду сторожового таймера, слейв-пристрій автоматично переводить свої виходи в безпечні стани. Для більшого ступеня захисту виходів в багатомастерній системі тільки один головний пристрій має прямий доступ до зміни станів виходів пристрою. Всі інші мастер-пристрої можуть зчитувати тільки «зображення» сигналів на входах і виходах пристрою.
У Profibus є також розширені DP-функції, які дозволяють передавати аперіодичні функції читання і запису, а також сигнали тривог паралельно і незалежно від періодичної пересилки даних, встановленої користувачем при конфігурації системи. Це дозволяє, наприклад, за допомогою DPM2 змінювати параметри знов приєднаних слейв-пристроїв або зчитувати стан будь-яких пристроїв мережі без зупинки системи. Ці службові функції виконуються аперіодично з низьким пріоритетом, паралельно з робочим процесом передачі даних в системі. Для забезпечення такої можливості при параметризації всієї мережі встановлюють збільшений цикл звернення маркера, щоб шина на була завантажена на 100 %.
Передача повідомлень. Profibus використовує два типи сервісів для передачі повідомлень: SRD (Send and Receive Data with — відправка і прийом даних з повідомленням) і SND (Send Data with No acknowledge — відправка даних без повідомлення).
Сервіс SRD дозволяє відправити і отримати дані в одному циклі обміну. Цей спосіб обміну найбільш поширений в Profibus і дуже зручний при роботі з пристроями введення-виводу, оскільки в одному циклі можна і відправити, і отримати дані.
Сервіс SSND використовується, коли треба відправити дані одночасно групі слейв-пристроїв (багатоабонентський режим) або всім залежним пристроям (широкомовний режим). При цьому слейв-пристрої не відправляють свої повідомлення майстрові.
Повідомлення в Profibus називається телеграмою. Телеграма може містити до 256 байтів, з них 244 байти даних, плюс 11 службових байт (заголовок телеграми). Всі телеграми мають заголовки однакової довжини, за винятком телеграми з назвою Data-Exchange. Відмітимо, що 11 байтів службової інформації роблять Profibus дуже неефективним при передачі коротких повідомлень. Проте при великих об'ємах даних такий формат телеграми достатньо ефективний.
|
SD |
LE |
LEr |
SD |
DA |
SA |
FC |
DSAP |
SSAP |
DU(1...244байт) |
FCS |
ED |
Рис. 4.2. Структура телеграми Profibus
Поля телеграми на рис. 4.2 мають наступний зміст:
SD — стартовий роздільник. Використовується для вказівки початку телеграми і її формату. Є чотири типи роздільників для телеграм запиту і відповіді і один тип для короткого повідомлення. Коротке повідомлення має поле SD, але не на початку телеграми;
LE — довжина передаваних даних (DA +SA + FC + DSAP + SSAP + DU);
LEr — повторення поля LE з метою його резервування;
DA — адреса пристрою-одержувача телеграми;
SA — адреса відправника;
FC — код типу телеграми (запит, повідомлення, відповідь, діагностичні дані, тип пристрою - майстер або слейв, пріоритет, повідомлення);
DSAP — пристрій-одержувач використовує це поле, щоб визначити, який тип сервісу потрібно виконати;
SSAP — СОМ-порт відправника;
DU — дані завдовжки від 1 до 244 байт;
FCS — контрольна сума телеграми (сума значень полів DA + SA + FC + DU по модулю 255);
ED — ознака кінця.