s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 1
Reti di comunicazione
industriali S. Vitturi IEIIT-CNR Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione Università di Padova Via Gradenigo 6/B 35131 Padova [email protected]
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Programma delle Lezioni
Lezione di Lunedì 17 Febbraio Alcuni cenni sui controllori logici programmabili (PLC)
Sistemi di comunicazione usati in ambienti industriali;
Cenni sull’architettura delle reti di comunicazione;
Modello di riferimento ISO/OSI;
Alcuni esempi di reti di comunicazione di campo: - DeviceNet; - Controller Area Network (CAN); - WorldFIP;
Reti di comunicazione di campo specifiche per il collegamento di azionamenti elettrici:
- La rete Sercos
La rete di comunicazione di campo Profibus: - Descrizione; - Profibus FMS; - Profibus PA.
Lezione di Lunedì 24 Febbraio
La rete di comunicazione di campo Profibus DP: - Funzionamento; - Descrizione dei messaggi di Parametrizzazione, Configurazione e Diagnostica; - Tempi di risposta di reti Profibus DP; - Funzioni DP estese; - ASIC per la realizzazione di dispositivi conformi allo standard. - Profilo di Profibus DP per il collegamento di azionamenti elettrici
Prove pratiche su Profibus DP - Configurazione di una rete di prova - Collegamento di un inverter alla rete di prova;
- Start-up della rete di prova; - Esempi di trasferimento dati di ingresso/uscita tra master e slave; - Variazione del riferimento di velocità dell’inverter tramite la rete - Acquisizione dei parametri di funzionamento dell’inverter
- Esempi di lettura dei messaggi diagnostici degli slave.
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CONTROLLORI LOGICI PROGRAMMABILI (PLC)
• Dispositivi a microprocessore progettati in hardware e software per l’automazione di impianto. Essi comprendono:
Struttura hardwareSoftwareSistemi di interfaccia operatore
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STRUTTURA HARDWARE
• CPU, Processori di Comunicazione• Sezione di ingresso\uscita• Interfaccia con altri dispositivi
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Interfaccia verso I/O distribuiti
Unità Centrale
Interfaccia SerialeInterfacce verso reti di comunicazioneMemoria
Schede di ingresso/uscita
Guida profilata
Alimentatore
Guida profilata
Schede di ingresso digitali
Schede di uscita digitali
Interfaccia I/O distribuiti
Guida profilata
Schede di ingresso analogiche
Schede di uscita analogiche
Schede specialiInterfaccia I/O distribuiti
Figura 1: Esempio di struttura hardware di un controllore programmabile
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SOFTWARE
• Sistema di sviluppo• Supporto fisico• Linguaggi di programmazione
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LINGUAGGI DI PROGRAMMAZIONE
• Schema a contatti• Schema funzionale• Lista di istruzioni• Linguaggi di alto livello
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Lista di istruzioni
Schema funzionale
U E 5.1U E 5.2ON E 5.3= A 1.0
E 5.1
E 5.2
E 5.3 A 1.0
Linguaggio a contatti
E 5.1 E 5.2 A 1.0
E 5.3
Sequential Flow Chart
S1
T1
T6
T2
T3 T7
T4 T8
T9
T10
T5
T6
S2
S6
S5 S9
S2
S3
S4
S7
S8 S10
Figura 2: Linguaggi di programmazione di un controllore programmabile
> = 1
Rami simultanei
Rami alternativi
Step
Transizione
&
Salto
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FUNZIONAMENTO DI UN PLC
• Acquisizione degli ingressi• Elaborazione del programma utente• Comando delle uscite• E’ UN FUNZIONAMENTO CICLICO
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Controllore di dispositivo
sensore
attuatore
sensore
Controllore di dispositivo
sensore
sensore
Controllore di dispositivo
sensore
attuatoreattuatore
sensore
Controllore di cella
Controllore di cella
Dispositivo Dispositivo Dispositivo
Cella Cella
AltriImpianti
MagazzinoScorte
Rete di Impianto
Descrizione di un impianto dal punto di vista CIM
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Dispositivo
Cella
AltriImpianti
MagazzinoScorte
Intranet
Uso di reti di comunicazione industriali in ambito CIM
Controllore di dispositivo
sensore
attuatore
sensore
sensore
sensore
Dispositivo
Controllore di dispositivo
Controllore di cella
Controllore di dispositivo
sensore
attuatore
sensore sensore
Dispositivo
BridgeBridge
Cella
Rete di comunicazionedi campo
Rete di comunicazionedi campo
Rete di comunicazionedi campo
Rete di comunicazionedi campo
Repeater
Controllore di cella
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Reti di comunicazione industriali• Reti per la trasmissione di dati ai vari livelli dei
sistemi di automazione industriali• Nel corso degli anni molte sono state le soluzioni
adottate:Internet/IntranetWide Area Networks, WANLocal Area Networks, LANReti MAPReti di comunicazione di campo, fieldbus
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Reti di Comunicazione di Campo
• Caratteristiche fisiche simili alle LAN• I protocolli adottati possono essere anche
molto diversi• Sostituiscono i collegamenti punto-punto tra
controllore di dispositivo e sensori/attuatori• Sostituiscono i collegamenti tra controllori
di dispositivo e controllore di cella
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Vantaggi derivanti dall’uso di una rete di comunicazione di campo
• Possibilità di uso a livello cella e dispositivo• Riduzione dei cablaggi• Uso di tecniche di trasmissione digitali• Possibilità di diagnosi e calibrazione remota• Aggiunta di nuovi nodi molto semplice• Ogni grandezza può essere resa accessibile
a ogni nodo della rete senza cablaggi addizionali
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Prestazioni richieste a una rete di comunicazione di campo
• Scambio di dati ciclico• Traffico urgente aciclico• Messaggistica di alto livello
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Scambio di dati ciclico
• Avviene a livello di dispositivo• Operazione di polling su sensori/attuatori
collegati al controllore• Deve essere una prestazione implicita
Traffico urgente aciclico
• Avviene a livello di dispositivo e talvolta a livello di cella
• Prestazione necessaria per notificare situazioni di allarme nel più breve tempo possibile
• Richiede la trasmissione di piccole quantità di dati• Deve essere previsto un tempo limite per
l’esecuzione di questa funzione
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Messaggistica di alto livello
• Realizza la comunicazione a livello di cella• Permette il trasferimento di elevate quantità
di dati con caratteristiche temporali non stringenti
• Operazioni tipiche sono lettura/scrittura di variabili, uploading/downloading di aree di memoria
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Modello di riferimento ISO/OSI /1
• ISO (International Standard Organization) ha emanato nel 1984 il modello di riferimento per Open System Interconnection (OSI)
• Lo standard che porta la sigla ISO 7498 fornisce una struttura che permette lo sviluppo di sistemi di comunicazione in grado di garantire l’interoperabilitàtra prodotti di costruttori diversi
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Physical layer
Data Link layer
Network layer
Transport layer
Session layer
Presentation layer
Application layer
1
2
3
4
5
6
7
Modello di riferimento ISO/OSI /2
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Layers 3 to 6 usua lly e mp ty
Layer 1: Phys ical
Layer 2: Data Link
Layer 7: A pplication M essag ing Service
Layers 3 to 6 us ually empty
Cyclic Data Exchange and Asynchronous T raffic (Th ese funct ions do not use
layer 7 p roto co ls)
U se r ta sk # 1
U se r ta sk # n
U se r ta sk # m
U se r ta sk # k
Tipico Profilo di Comunicazione di una rete di di campo
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Situazione normativa
• Standard Europeo EN50170• Standard Europeo EN50254• Standard Europeo EN50295• Standard Europeo EN50325• Standard Internazionale IEC 61158• Standard Internazionale IEC 62026• Standard Internazionale IEC 61784• ………………………….
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Principali standard e prodotti di mercato
IEC CENELEC MARKET IS 61158 - Type 1 EN50170 part 4 Foundation Fieldbus H1
IS 61158 - Type 2 EN50170 part 5 ControlNet
IS 61158 - Type 3 EN50170 part 2 Profibus
IS 61158 - Type 4 EN50170 part 1 P-Net
IS 61158 - Type 5 ---------- Foundation Fieldbus HSE
IS 61158 - Type 6 ---------- SwiftNet
IS 61158 - Type 7 EN50170 part 3 WorldFIP
IS 61158 - Type 8 EN50254 part 2 Interbus
IS 61158 - Type 3 EN50254 part 3 Profibus DP
IS 61158 - Type 7 EN50254 part 4 WorldFIP profile 1
IS 62026 - 2 EN50295 part 2 Actuator Sensor - interface
IS 62026 - 3 EN50325 part 2 DeviceNet
IS 62026 - 5 EN50295 part 3 Smart Distributed System
ADIS 62026 - 6 ---------- Seriplex
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Standard Internazionale IEC61784
Communication Profile Families Communication Profiles
CPF-1 (Fielbus Foundation) CPF-1/1 - H1
CPF-1/2 - HSE
CPF-2 (ControlNet) CPF-2/1 - ControlNet
CPF-2/2 - EtherNet/IP
CPF-3 (PROFIBUS) CPF-3/1 – PROFIBUS (asincrono)
CPF-3/2 – PROFIBUS (sincrono)
CPF-3/3 - PROFINet ( New )
CPF-4 (P-NET) CPF-4/1 - P-NET RS485
CPF-4/2 - P-NET RS232
CPF-5 (WorldFIP) CPF-5/1 - WorldFIP
CPF-5/2 - WorldFIP
CPF-5/3 - WorldFIP
CPF-6 (INTERBUS) CPF-6/1 - INTERBUS
CPF-6/2 - INTERBUS TCP/IP ( New )
CPF-6/3 - ritaglio di CPF-6/1 ( New ) CPF-7 (SwiftNet) CPF-7/1 - SwiftNet Transport
CPF-7/2 - SwiftNet Full Stack
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DeviceNet
• Physical layer e data link layer sono basati sullo standard Controller Area Network, CAN (ISO 11898)
• DeviceNet è un protocollo del livello applicazione di CAN
• Utilizzato in numerosi settori:AlimentareImpianti di distribuzione dell’energia elettricaImpianti chimici
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DeviceNet: Profilo di comunicazione
D e viceN et P ro toco l S pec if icat io n
Layer s 3 to 6 e m pty
P hys ica l La yer S igna ll ing
D e vice Ne t
Co n tro lle r A rea N e tw o rk (CA N ) Pro to co l Sp ec if ic a t io n
Ph y s ica l
D ata L in k
A p p lica t io n
User App licat io ns
Logica l L ink C o ntro l LLC
M ed ium Access C o ntro l M AC
ISO / O S I M o d e l
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Cella
AltriImpianti
MagazzinoScorte
Rete di Impianto
Campo di applicazione di DeviceNet
Cella
Controllore di cella
BridgeBridge
Rete di campo Rete di campo
Controllore di cella
Dispositivo DispositivoDispositivo
sensore
attuatore
sensore
sensore
sensore
sensore
attuatore
sensore sensore
Controllore di dispositivo
Controllore di dispositivo
Controllore di dispositivo
Rete di campo Rete di campoRete di campo
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Caratteristiche di CAN
• Semplice ed economico• Ampia disponibilità di componenti e strumenti
di sviluppo• Molto diffuso: decine di milioni di nodi CAN
attualmente installati
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CAN: Livello fisico• Topologia a bus condiviso• Usa un semplice doppino intrecciato• Estensione fino a 1 Km (a 50 Kbps)• Velocità di trasmissione fino a 1 Mbit/s
(massima estensione in questo caso 50 m)• Interfaccia simile ai circuiti a collettore
aperto:livello sul bus dominante o recessivo
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Medium Access Control• Rete multimaster ad accesso casuale (CSMA)
simile a Ethernet• Le stazioni sulla rete NON hanno indirizzo
fisico• Sulla rete vengono scambiati frame secondo il
principio produttore/consumatore• I frame sono individuati univocamente da un
identificatore
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Collisioni• Due o più frame trasmessi contemporaneamente
causano una collisione
• Essa viene risolta in base alla priorità dei frame
• Fase di arbitraggio non distruttiva per risolvere le contese sul bus
• Comportamento deterministico e prevedibile
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Fase di arbitraggio
BUS
A
B
C
A perde
B perde
C trasmette
A B CBUS
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CONTROLCONTROL DATADATA CRCCRC ACKACK EOFEOFIDENTIFIERSOF
RTR
1 11 1 6 0-64 16 2 6Numero di bit
Data Frame
Il campo Identifier nella versione estesa di CAN è costituito da 29 bit
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DeviceNet: Physical layer
• Ammette tre delle possibili velocità di trasmissione di CAN: 125, 250 e 500 kbit/s
• Distanze coperte: 500, 250 e 100 metri rispettivamente
• Massimo numero di stazioni presenti sulla rete: 64
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DeviceNet: Application layer
• Basato sul concetto di oggetti di comunicazione• Ogni stazione connessa alla rete è vista come un
insieme di oggetti• DeviceNet introduce le seguenti definizioni:
Class: insieme di oggetti dello stesso tipoInstance: effettiva occorrenza di un oggettoAttribute: caratteristiche dell’oggettoBehaviour: comportamento dell’oggettoService: funzioni (di comunicazione) dell’oggetto
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Connessioni
• DeviceNet stabilisce che qualsiasi comunicazione avvenga tramite connessioni stabilite in precedenza
• Una connessione è un canale di comunicazione virtuale tra due o più nodi
• DeviceNet definisce due tipi di connessioni:I/O connections: usate per trasferire dati in tempo realeExplicit messaging connections: usate per trasferire dati di bassa priorità in tempi non critici
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Predefined Master Slave Connection Set• La procedura per stabilire una connessione
può essere complicata• Il predefined master slave connection set
permette di stabilire facilmente delle connessioni particolarmente adatte allo scambio dati in modalità master-slave
• In pratica il master deve inviare solamente due messaggi per stabilire la connessione
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Modalità di comunicazione master slave
• Con il predefined master slave connection set lo scambio dati può avvenire in quattro diverse modalità:
Bit strobe command/response messagesPoll command/response messagesChange of state/Cyclic messagesExplicit response/request messages
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FIP: Factory Instrumentation Protocol
• Nasce verso la fine degli anni ‘80 come standard nazionale francese
• Nel 1992, con l’adesione di Honeywell, Allen&Bradley, SquareD, viene denominato WorldFIP
• Tipica architettura a tre livelli • Campi comuni di utilizzo:
Produzione di energiaIndustria automobilisticaBuilding AutomationControllo di Processo
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WorldFIP: Profilo di comunicazione
Phys ical Layer
Layers 3 to 6 e mpty
Wo rldFIP
M anufact uring P eriodic/Aperiodic
Serv ices (MP S)
Subset of M anufact uring M essage Specificat ion
(SubM M S)
P eriodic/Aperiodic Serv ices
M essaging Serv ices
Us er A pplications
Us er A pplications
Phys ical
Data Link
A pp lication
ISO/ OS I M odel
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Cella
AltriImpianti
MagazzinoScorte
Rete di Impianto
Campo di applicazione di WorldFIP
CellaDispositivo DispositivoDispositivo
sensore
attuatore
sensore
sensore
sensore
sensore
attuatore
sensore sensore
Controllore di dispositivo
Controllore di dispositivo
Controllore di dispositivo
Rete di campo Rete di campoRete di campo
Controllore di cella
BridgeBridge
Rete di campo Rete di campo
Controllore di cella
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WorldFIP: Physical Layer
• Doppino schermato o fibra ottica• Velocità di trasmissione:
31.25 kbit/s, 1 Mbit/s, 2.5 Mbit/s, 5 Mbit/s• Topologia a segmenti
Massima lunghezza segmento: 1900 mMassimo numero segmenti: 5Massima lunghezza totale: 9500 m
• Numero massimo di stazioni: 128
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WorldFIP: Data link layer/1
• Fornisce i seguenti servizi: Scambio di variabili identificate Trasferimento di messaggi
• Tali servizi possono essere:Ciclici (solo scambio di variabili)Aciclici
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WorldFIP: Data link layer /2
• Definisce un insieme di variabili identificate che possono essere prodotte o consumate
Per ogni variabile definita esistono:• un nodo produttore• uno o più nodi consumatori
• Mette a disposizione i servizi per il trasferimento dei messaggi
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Arbitro del bus
• Richiede la trasmissione delle variabili con periodicità stabilite in fase di configurazione
• In ogni istante sul bus deve essere presente uno e uno solo arbitro
• Necessità di ridondanza
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A 1 0 IN T_ 1 6 1 7 8 B 2 0 U N S _ 3 2 1 9 4 C 3 0 IN T_ 8 1 7 0
V a ria ble Pe rio d ic ity ( m s ) T y pe T i m e ( us )
S ca n ni ng T a b le
A B C
A
A B
A C
A B
A
A B C
A
A B
A C
A B
A
T im e
E le m e n ta ry c y c le
M a c ro c y c le
1 0 m s
T im e a v a i la b le fo r a p e rio d ic t ra ff ic
WorldFIP: Esempio di funzionamento
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Traffico aciclico
• VariabiliUn nodo produttore può richiedere la trasmissione di variabili
• MessaggiUn nodo produttore può richiedere il diritto di trasmettere messaggi ad altri nodi
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Scambio di Variabili
• Durante la fase ciclica il produttore di una variabile comunica all’arbitro del bus di avere delle richieste di scambio aciclico di variabili
• Nel tempo a disposizione per scambio aciclico l’arbitro chiede alla stazione la lista delle variabili da produrre aciclicamente
• Nel tempo a disposizione per scambio aciclico l’arbitro esegue le richieste di produzione delle variabili specificate in precedenza
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Scambio di Messaggi• Durante la fase ciclica il produttore di una variabile
comunica all’arbitro del bus di avere delle richieste di scambio di messaggi
• Nel tempo a disposizione per scambio aciclico l’arbitro fornisce alla stazione che ne ha fatto richiesta il diritto di inviare messaggi
• La stazione che ne ha fatto richiesta invia i messaggi alle destinazioni
• La stazione restituisce all’arbitro il diritto di trasmettere
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WorldFIP: Application Layer
• Costituito da due componentiMPS (Manufacturing periodical\aperiodical services)SubMMS
• MPS fornisce servizi del tipo:Gestione dell’integrità e della consistenza delle variabili consumatelettura\scrittura di variabili locali o remote
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SubMMS
• Fornisce un subset dei servizi previsti dallo standard ISO MMS, fra i quali:
Gestione degli allarmiMonitoraggio delle variabiliGestione dei messaggiUpload\Download di programmi
SERCOS
SErial Real-time Communication SystemStandard IEC 61491
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SERCOS
• Sistema di comunicazione digitale progettato per il collegamento tra controllore e drives
• Utilizzato esclusivamente per azionamenti elettrici
• La norma standardizza molti dei parametri che possono essere scambiati e permette l’introduzione di altri definibili dall’utente
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Slave #1
Drive
Slave #1
Drive
Slave #1
Drive
Controllore(Master)
Controllore(Master)
Configurazione tipica di SERCOS
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Livello Fisico• La configurazione tipica di SERCOS consiste in una
topologia ad anello in fibra ottica• Una stazione ha funzioni master, le altre sono slave• Il numero di slave dipende dalla velocità di trasmissione,
dalla quantità di dati trasmessi e dal tempo di ciclo richiesto
• Distanza massima tra stazioni:60 m con fibra di plastica; 250 m con fibra di vetro
• Velocità di trasmissione: fino a 4 Mbit/s• Tempi di ciclo selezionabili tra:
0.062 ms; 0.125 ms; 0.25 ms e multipli di 0.25 ms
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Funzionamento• Due fasi:
InizializzazioneScambio dati ciclico
• Inizializzazione:Configurazione del sistemaAssegnazione dei time-slot agli slave
• Scambio dati ciclico:Master Sync Telegram (MST)Drive Telegram (AT)Master Data Telegram (MDT)
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Master Sync Telegram
• Inviato dal master contemporaneamente a tutti gli slave all’inizio di ogni ciclo
• Costituisce il trigger di inizio ciclo• Comprende un solo byte che riporta lo stato
della rete
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Drive Telegram
• Inviato da ogni slave al master• L’istante in cui il messaggio viene spedito è
specificato in base al time-slot ricevuto nella fase di inizializzazione
• Contiene 4 byte di stato e un numero variabile di byte di dati
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Master Data Telegram
• Inviato dal master a tutti gli slave dopo la ricezione dei Drive Telegram
• L’istante in cui il messaggio vine spedito è specificato nella fase di inizializzazione
• E’ costituito da 4 byte di stato e, per ogni slave, da un data record contenente i dati da inviare
• Inizio e lunghezza del data record sono specificati in ogni slave durante la fase di inizializzazione
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Esempi di Dati Ciclici Scambiati
• Dal master agli slave:Riferimento di coppiaRiferimento di velocitàRiferimento di posizione
• Dagli slave al master:Valore di feedback di coppiaValore di feedback di velocitàValore di feedback di posizione
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Dati Aciclici
• SERCOS permette anche lo scambio di dati aciclici
• Per svolgere tale funzione sono a disposizione 2 dei 4 byte di stato nei messaggi MDT e AT
• Il trasferimento può aver luogo sempre e soltanto su iniziativa del master
• Possono essere trasferiti solo dati predefiniti
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 62
PROFIBUS: un po’ di storia• Nasce nel 1991 come standard nazionale tedesco:
norma DIN 19245 parti 1 e 2• Nel 1994 viene aggiunta allo standard la parte 3:
Profibus DP• Nel 1995 viene pubblicata la parte 4 della norma
DIN 19245: Profibus PA• Nel 1996 le parti 1, 2 e 3 diventano standard
europeo EN50170, successivamente anche PA entra in EN50170, mentre DP viene inglobato in EN 50254
• Nel 1999 entra a far parte dello standard internazionale IEC61158
PROFIBUS: Normativa
• Nasce nel 1991 come standard nazionale tedesco: norma DIN 19245 parti 1 e 2
• Nel 1994 viene aggiunta allo standard la parte 3: Profibus DP
• Nel 1995 viene pubblicata la parte 4 della norma DIN 19245: Profibus PA
• Nel 1996 le parti 1, 2 e 3 diventano standard europeo EN50170
Profibus e modello ISO/OSI
physical layer
data link layer
network layer
transport layer
session layer
presentation layer
application layer
physical layer: RS 485
data link layer: FDL
application layer: FMS
Modello ISO/OSI Profibus
livelli 3-6 vuoti
Physical Layer
• Caratteristiche elettriche dei segnali conformi allo standard EIA RS 485
• Topologia a bus a più segmenti collegati da repeater: sono collegabili massimo 32 stazioni per segmento e 127 stazioni in totale
• Mezzo trasmissivo: doppino (eventualmente) schermatofibra ottica disponibile in alternativa
Physical Layer• Velocità di trasmissione da 9,6 a 1500 kbit/s• Lunghezza massima di un segmento:
1200 m a 93,75 kbit/s200 m a 1500 kbit/s
• Tra due nodi possono essere presenti al massimo 3 repeater e quindi la distanza massima è 4800 m
Baudrate in kBit/s 9.6 19.2 93.75 187.5 500 1500 12000
Line Length 1200 1200 1200 1000 400 200 100in m (Cable Type A)
PROFIBUS - Transmission Line Length RS 485
Data Link Layer: FDL
• Specifica le modalità di accesso al bus• Garantisce l’integrità dei dati trasmessi • Realizza un accesso di tipo ibrido
combinando tecniche di accesso di tipoToken passingMaster-slave
Features of the PROFIBUS Data Link Layer (FDL)
• Master or Slave stations may be added or removed at any point of time. The FDL will automatically reconfigure the logical token ring.
• The Token Passing procedure ensures that each Master will have enoughtime to fulfill its communication tasks. Therefore, the user has to calculatethe overall Target Token Rotation Time (TTR).
• The Bus Access Protocol is able to detect defective stations, lost Token, double Token, transmission errors and all other possible network failures.
Principle of the Token Passing Procedure
• In Multi Master Networks the Token Passing procedure must ensure that each master has enough time to fulfill it´s communication tasks.
• The user therefore configures the overall Target Token Rotation Time (TTR) taking into account the communication tasks of all masters.
• Each Master calculates the available amount of time for its communication tasks at token receipt according to the following rule:
TTH = Token Hold TimeTTR = Target Token Rotation TimeTRR = Real Token Rotation Time
TTH = TTR - TRR
Servizi FDL
• Send data with acknowledge, SDA• Send and request data with reply, SRD• Send data with no acknowledge, SDN• Cyclic send and request data with reply,
CSRD
FDL_DATA_ACK.request
FDL_DATA_ACK.confirm
FDL_DATA_ACK.indication
FDL Stazione X(SAP n)
FDL Stazione Y(SAP m)
Servizio SDA
Service Access Point (SAP)
• Usati assieme all’indirizzo fisico di rete per identificare univocamente le entità che richiedono/ricevono servizi
• Presenti in tutti i livelli del modello di riferimento OSI
FDL_DATA_REPLY.request
FDL_DATA_REPLY.confirm
FDL_DATA_REPLY.indication
FDL Stazione X(SAP n)
FDL Stazione Y(SAP m)
Servizio SRD
FDL_DATA_UPDATE.request
FDL_DATA_UPDATE.confirm
Structure of important PROFIBUS Telegrams
Token Message
FDL Status Request Telegram
Data Telegram
Legenda:
DA = Destination AddressDU = Data UnitDSAP = Destination Service Access PointED = End DelimiterFC = Function CodeFCS = Frame Check SequenceLE = LengthLEr = Repeated LengthSA = Source AddressSD2 = Start Delimiter 2SD4 = Start Delimiter 4SSAP = Source Service Access Point
SD4 DA SA
SD1 DA SA FC FCS ED
SD2 LE LEr SD DA SA FC DSAP SSAP DU FCS ED
FDL State Diagram
PON
0: Offline1: Listen Token2: Active Idle3: Claim Token4: Use Token5: Await Data Response
6: Check Access Time7: Pass Token8: Check Token Pass9: Await Status Response10: Passive Idle
PassToken
7
Claim Tok3
A Idle2
Use Token4
Await5
Check6Ch To
8
Aw St9
Li To1
Off0
P Idle10
CSRD• E’ il servizio di Profibus che permette lo
scambio di dati ciclico • Una stazione master in possesso del token
può comunicare al proprio controllore FDL la “polling list”
• Successivamente, ogni volta che la stazione riceve il token, automaticamente il controllore FDL invia dati ai nodi della polling list e riceve i dati da questi
Application Layer: FMS
• Deriva dallo standard internazionale MMS (ISO 9506-1-2)
• FMS si basa sulla definizione di oggetti di comunicazione che possono essere scambiati tra nodi della rete
• Gli oggetti di comunicazione sono contenuti nel Virtual Fieldbus Device (VFD) e descritti nel Dizionario degli Oggetti
• La comunicazione è di tipo client-server
PROFIBUS - FMS Protocol Architecture
Data-Link-Layer (2)
Physical-Layer (1)
Application-Layer (7)EN 50 170
Vol 2Part 2
EN 50 170Vol 2Part 1
Application Process
PROFIBUS Transmission Medium
Fieldbus Message Specification (FMS)
Lower Layer Interface (LLI)
Fieldbus Data Link (FDL)
Application Layer Interface (ALI)
Layer 3 to 6are not explicit
Esempi di oggetti di comunicazione
• Variabili• Eventi• Dizionario degli oggetti• Domain• Program Invocation
Servizi FMS
• I servizi FMS sono orientati alla gestione degli oggetti; pertanto a ogni tipo di oggetto corrisponde un gruppo di servizi.
• Tra i più importanti vi sono:Servizi di gestione del dizionario degli oggettiServizi di accesso alle variabiliServizi di gestione degli eventiServizi di gestione domain e program invocation
Gestione Dizionario degli Oggetti
• Mantiene la descrizione degli oggetti presenti nel VFD
• Gli oggetti sono identificati da un indice numerico e opzionalmente da una stringa
• I servizi messi a disposizione da FMS permettono di:
Leggere le caratteristiche di un oggettoInserire un nuovo oggetto nel dizionario
Accesso alle variabili
• FMS definisce 5 tipi di variabili:Variabili sempliciArrayRecordListe di variabiliAccesso fisico
• I servizi a disposizione sono tipicamente Read e Write
Gestione degli Eventi
• Sono oggetti usati per inviare messaggi importanti quali allarmi
• Il servizio usato in questo caso è denominato Notifica
Gestione Domain e Program Invocation
• Un oggetto di tipo domain descrive un’area di memoria contenente dati o programmi
• Un oggetto di tipo program invocation è un insieme di domain che costituiscono un programma eseguibile
• I servizi relativi ai domain sono:DownloadingUploading
Servizi relativi alle Program Invocation
• Creazione• Cancellazione• Avvio• Arresto• Ripartenza• Reset
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 87
Profibus DP
• Progettato per scambio dati ciclico ad alta velocità tra master e slave
• Velocità di trasmissione massima 12 Mbit/s• Physical layer e Data link layer sono gli
stessi di Profibus
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 88
Profibus PA
• Progettato per collegare controllori a strumentazione di processo anche in ambienti a sicurezza intrinseca
• Physical layer conforme a IEC 61158-2• Data link layer: FDL• Sfrutta le funzioni estese di Profibus DP
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 89
Profibus PA e modello ISO/OSI
Profibus PA
Anche in questo caso sono assentifunzioni di livello 7
Profibus PA si basa sul concetto diProfilo che consente di caratterizzarecompletamente i tipi di dispositivo collegabilidata link layer: FDL
physical layer: IEC 1158-2
livelli da 3 a 7 VUOTI
Profibus DP esteso
Profili Profibus PA
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 90
Profibus PA: Physical layer• Specificato dalla norma IEC 1158-2• Velocità di trasmissione fissa 31.25 kbit/s• Prevede la possibilità di operare in ambienti a
sicurezza intrinseca• Le stazioni possono essere alimentate
direttamente dalla rete• Massimo 32 stazioni possibili per segmento
per un totale di 126• Massima lunghezza del segmento 1900 m.
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 91
Profibus PA: Data link layer
• E’ conforme a FDL, data link layeroriginario di Profibus
• Cambia, ovviamente, la parte di interfaccia al physical layer
PROFIBUS-PA: Line Topology
PROFIBUS-PAIEC 1158-2
Terminationshielded, twistedpair cable
RS 485PROFIBUS-DP
Segment coupler/link I
DCS / PLC
PROFIBUS-PA provides a large Scaleof Network Topologies
Field multiplexer
PROFIBUS-PAIEC 1158-2
Termination
RS 485PROFIBUS-DP
Segment coupler/link I
DCS / PLC
PROFIBUS-PAIEC 1158-2
I
Segment coupler/link
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 94
Profilo
• Fornisce la standardizzazione delle funzioni tipiche di un dispositivo
• Profibus PA definisce due classi di profili: A e B
• Il profilo A descrive le funzioni base dei dispositivi
• Il profilo B è un estensione della classe A con funzioni più complesse
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 95
DM
PB
FBTB
DM: Device Management PB: Physical Block FB: Function Block TB: Transducer Block
Descrizione di un dispositivo
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Blocchi• Device Management: contiene la struttura del
dispositivo e alcuni parametri quali ad esempio l’indirizzo di rete
• Physical Block: fornisce i parametri necessari per il funzionamento hardware del dispositivo
• Function Block: Descrive le funzioni del dispositivo. Esempi di blocchi di questo tipo sono Analog Input, Analog output, ecc.
• Transducer Block: Descrive i parametri di collegamento al processo, ad esempio tipo di sensore, tipo di conversione usata, ecc.
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 97
12 bar
8 bar
0 bar
-12 bar
Measuring range limit
Physical limit of the measuring sensor
Measuring range limit
Physical limit of the measuring sensor
HI-HI-LIM (Upper alarm limit)
HI-LIM (Upper warning limit)
LO-LIM (Lower warning limit)
LO-LO-LIM(Lower alarm limit)
PV_SCALE(Scaling of the
measuring range)
Mea
surin
gra
nge
(bar
)
OUT(Measured value)
Esempio di Function Block: Analog Inputcon dati provenienti da un sensore di pressione
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 98
PA-ProfilesFMSDevice Profiles
IEC Interface
FMSFMS
IEC 1158-2
PAPA
EN 50 170 DIN E 19245 part 4 PROFIBUS guidelines
DPDP
DP-Extentions
Fieldbus Data Link (FDL)
DP-Profiles
RS-485
NOT USED
DP Basic Functions
FMS
12
7Livelli
ISO/OSI
Applicazione
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 99
Profibus DP
• Progettato per scambio dati ciclico ad alta velocità tra Master e Slave
• Velocità di trasmissione massima 12 Mbit/s
• Physical layer e Data link layer sono gli stessi di Profibus
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Profilo di Comunicazione
Profibus DP
Non esistono funzioni di livello 7
Profibus DP usa solamente i servizidel data link layer
Le funzioni DP accessibili all’utenteattraverso la User Interface vengonomappate nel data link layer dal Direct Data Link Mapper (DDLM)data link layer: FDL
physical layer: RS 485
livelli da 3 a 7 VUOTI
Direct Data Link Mapper
User Interface
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 101
PROFIBUS-DP defines three device types
DP-Master Class 1 (DPM1)• Central Controller which exchanges data
with the distributed I/O devices (DP-Slaves)• Several DPM1 are permitted, typical
devices are PLC, PC, VME
DP-Master Class 2 (DPM2)• Configuration, Monitoring or Engineering
tool which is used to set up the network or parametrize / monitor the DP-Slaves
DP-Slave• Peripherial device directly interfacing
the real I/O signals • Typical devices are Inputs, Outputs,
Drives, Valves, Operator Panels...
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PROFIBUS-DP Monomaster System
DP-Master (Class 1) Monomaster Systems reach the shortest bus cycle time
They consist of:- 1 DP-Master (Class 1)- 1 to max. 125 DP-Slaves- DP-Master (Class 2) - optional
Distributed Inputs and Outputs
DP - Slaves
PROFIBUS-DP
PLC
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 103
PROFIBUS-DP Multimaster SystemDP-Master(Class 2)
DP-Master(Class 1)
DP-Master(Class 1)
PROFIBUS-PDP - Slaves
PLC
PROFIBUS - DP
PC
CNC
Diagramma di stato di un Master
OFFLINE
STOP
CLEAR
OPERATE
Master non in rete
Master presente in retenessuna attività sugli slave
Master acquisisce ingressinon comanda uscite
Master acquisisce ingressie comanda uscite
Diagramma di stato di uno Slave
Set_Slave_AddSlave_Diag
POWER_ON
WAIT_PRM
WAIT_CFG
DATA_EXCH
Chk_Cfg, not okSet_Prm, not ok
Slave_DiagGet_Cfg
Slave_DiagSet_PrmGet_Cfg
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 106
Principali funzioni Master-Slave
• Lettura della diagnostica• Set dei dati di parametrizzazione• Controllo dei dati di configurazione• Lettura configurazione• Cambio indirizzo di uno slave• Scambio ciclico di dati• Emissione comandi di controllo globali
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 107
Implementazione delle funzioni Master-Slave
• E’ compito del DDLM tradurre le funzioni in servizi del data link layer
• DDLM usa il servizio SDN per l’emissione di comandi di controllo globali
• DDLM usa il servizio SRD per tutte le altre funzioni
• L’identificazione delle funzioni avviene per mezzo dei Service Access Points (SAP)
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 108
Servizio SRD
FDL_DATA_REPLY.request
FDL_DATA_REPLY.confirm
FDL_DATA_REPLY.indication
FDL Stazione X(SAP n)
FDL Stazione Y(SAP m)
FDL_DATA_UPDATE.request
FDL_DATA_UPDATE.confirm
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 109
FDL_DATA.request
FDL_DATA.indication
Stazione X(SAP n)
Stazione Y
Servizio SDNStazione Z Stazione W
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 110
Syn = Synchronisation TimeSD2 = Start Delimiter 2LE = LengthLEr = repeated Length DA = Destination Address
SA = Source Address FC = Function CodeDU = Data UnitFCS= Frame Check SequenceED = End Delimiter
SRD-Request, variable length of user data
SRD-Response, variable length of user data
DP-
Mas
ter
DP-
Slav
e
SYNSD2 LE SD2 DA SA FC DU FCS EDLEr
SD2 LE LEr DA SA FC DU FCS EDSD2
DP-
Slav
eD
P-Sl
ave
DP-
Mas
ter
Trasferimento dati tra master e slave
header dati di uscita trailer
header dati di ingresso trailer
Servizio SRD frame di richiesta
Servizio SRD frame di risposta
Uso dei Service Access Points (SAP)in Profibus DP
SAP 55: Cambio indirizzo di uno slaveSAP 56: Lettura ingressiSAP 57: Lettura usciteSAP 58: Comandi di controllo globaliSAP 59: Lettura dati di configurazioneSAP 60: Lettura diagnosticaSAP 61: Set dei dati di parametrizzazioneSAP 62: Controllo dei dati di configurazione
Il SAP sorgente è sempre il numero 62il SAP destinazione ha i seguenti significati:
SAP sorgente = SAP destinazione = 255 : scambio dati ciclico
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 112
Comandi di controllo globali
• Vengono inviati dal master a tutti gli slave o a gruppi di slave specificati nel messaggio di parametrizzazione. Essi consentono di:
Sincronizzare gli ingressi: FREEZESincronizzare le uscite: SYNCEseguire il reset di tutte uscite: CLEAR
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 113
Messaggio di diagnostica
• Il messaggio di diagnostica è composto da:
6 byte obbligatori di informazioni generali specificate dallo standardfino a 238 byte opzionali di diagnostica estesa dello slave il cui formato è specificato dallo standard
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 114
Byte di diagnostica # 1
• Slave parametrizzato da un master diverso• Parametrizzazione errata• Diagnostica invalida• Funzione non supportata dallo slave• Presenza di diagnostica estesa dello slave• Configurazione errata• Slave non operativo• Slave non esistente
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 115
Byte di diagnostica # 3
• Slave disattivato• Comando sync ricevuto• Comando freeze ricevuto• Richiesta di nuova parametrizzazione
Byte di diagnostica # 2
• Overflow nella diagnostica estesa
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 116
Byte di diagnostica # 5 e 6
• Indirizzo del master che ha parametrizzato lo slave
Byte di diagnostica # 4
• Ident_Number
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 117
Messaggio di parametrizzazione
• Il messaggio di parametrizzazione è composto da:
7 byte obbligatori specificati dallo standardfino a 237 byte opzionali liberamente definibili dall’utente
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 118
Byte di parametrizzazione # 1
• Slave accessibile da un master diverso• Abilitazione al funzionamento in modo sync• Abilitazione al funzionamento in modo freeze• Abilitazione della funzione di watch-dog
Byte di parametrizzazione # 2 e 3 • Definizione del tempo di watch-dog
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 119
Byte di parametrizzazione # 4• Definizione del minimo tempo di risposta
dello slave (min TSDR)
Byte di parametrizzazione # 5 e 6 • Ident_number
Byte di parametrizzazione # 7• Assegnazione dello slave a un gruppo
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 120
Configurazione
• Con questo messaggio il master specifica la configurazione di input/output dello slave
• Se lo slave ha una configurazione diversa, non accetta il messaggio
• Il messaggio contiene al massimo 244 byte
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 121
Struttura del messaggio di configurazione
• Viene usato un byte detto identifier per specificare gli ingressi/uscite Esso fornisce le seguenti informazioni:
numero degli I/Otipobyte o wordconsistenza
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 122
Funzioni DP estese
• Si tratta di un estensione dello standard che permette funzioni quali:
lettura/scrittura aciclica sugli slavericonoscimento allarmi provenienti dagli slave
• Le funzioni DP estese sono OPZIONALI
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 123
Lettura/scrittura aciclica
• La richiesta viene inviata dal master tramite il servizio SRD specificando il SAP 51
• I dati da leggere/scrivere sono identificati per mezzo di slot_number e index
• Successivamente alla richiesta, il master continua a interrogare lo slave fino a che non ottiene la risposta
DP
-MA
STER
Request Telegram
Response Telegram
Sequence of a Read Service
FunctionNumber
SlotNumber Index Length
Function
NumberSlot
NumberIndex Length Data
DP
-SLA
VE
eventually some Poll Cycles withoutData, until Data is available
Extended DP Functions
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 125
Riconoscimento allarmi• Uno slave può comunicare al master una
situazione di allarme• La comunicazione avviene tramite il
messaggio di diagnostica dove:Slot_number identifica la sorgenteAlarm_type identifica il tipo
• Con la funzione DDLM_ALARM_ACK il master segnala allo slave il riconoscimento dell’allarme
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 126
File descrizione dispositivi Profibus DP: GSD
• Ogni dispositivo Profibus DP ha un file con estensione GSD associato che ne specifica tutte le caratteristiche
• Il file viene usato dal master per conoscere le caratteristiche degli slave
• Il file deve essere fornito dal costruttore del dispositivo
• E’ disponibile un tool “GSD editor”
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 127
File GSD: Contenuto
• Velocità di trasmissione permesse• Max lunghezza dei messaggi permessa• Numero di I/O del dispositivo• Eventuali opzioni di modularità• Significato del messaggio di diagnostica
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 128
Profili
• Esistono dei profili definiti per ProfibusDP
• Un profilo caratterizza completamente una classe di dispositivi
• Dispositivi appartenenti a un profilo sono intercambiabili
• Sono stati standardizzati profili per encoder, azionamenti, controlli numerici, dispositivi di visualizzazione
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 129
Funzioni DP estese
• Si tratta di un estensione dello standard che permette funzioni quali:
lettura/scrittura aciclica sugli slavericonoscimento allarmi provenienti dagli slave
• Le funzioni DP estese sono OPZIONALI
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 130
Tempi di Trasmissione• A ogni byte da trasmettere vengono associati altri 3 bit (start, stop, parità)
• Header e trailer di ogni messaggio sono in totale 9 o 11 byte
• Si definisce Tbit il tempo necessario per trasmettere un bit:
a 1,5 Mbit/s 1 Tbit = 0,6667 µs
a 12 Mbit/s 1 Tbit = 83 ns
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 131
Trasmissione di un messaggio
Tsyn = 33 Tbit
min TSDR = 11 Tbit
max TSDR = 60 - 800 Tbit
TSDR
Frame di risposta =Header + Dati di ingresso + Trailer
Tid1 = 75 Tbit
Frame di richiesta =Header + Dati di uscita + Trailer
Tempo di ciclo di un master
TC = [ ( TSYN + TID1 + TSDR + Header + Trailer ) x n° Slave +(n° byte In x 11Tbit) + (n° byte Out x 11Tbit) ]
TSYN = Tempo di sincronizzazione = 33 TbitTID1 = Idle Time del Master, valore tipico = 75 TbitTSDR = Ritardo alla risposta di uno slave, valore tipico = 11 TbitHeader+ Trailer = 22 byte (11 in richiesta, 11 in risposta) = 242 Tbitn° byte In = Numero totale di byte di ingresso (tutti gli slave)n° byte Out = Numero totale di byte di uscita (tutti gli slave)n° Slave = Numero di slave
E’ il tempo necessario a eseguire un ciclo di polling sugli slave
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 133
Esempi di calcolo del tempo di ciclo
Tempo di ciclo[ms]
12 MBit/s
1.5 MBit/s
500 kBit/s
2
6
10
14
18
5 10 20 30
n° slave
IPOTESI: Ogni slave ha 2 byte di ingresso e 2 byte di uscita
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 134
Dispositivi ASIC
• Dispositivi in commercio che implementano i protocolli dello standard
• Sono disponibili prodotti con funzionalità Master e altri con funzionalità Slave
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 135
ASIC per Master• Il componente più usato è prodotto
da Siemens ed è denominato ASPC2
• Si tratta di un Master Profibusgenerico per il quale sono disponibili i software per i protocolli DP, FMS e PA
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 136
ASIC per Slave
• Anche in questo caso i componenti più usati sono prodotti da Siemensessi sono:
LSPM2SPC3
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 137
LSPM2 - Caratteristiche
• Funzionamento stand-alone • Collegamento con il campo per mezzo di 32
linee di ingresso\uscita configurabili a gruppi di 8
• Velocità di trasmissione fino a 12 Mbit\s• Funzioni diagnostiche limitate
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 138
LSPM2
IMPIANTO
Max 32 linee I/O
Profibus
Master Profibus DP
Slave Profibus DP
LSPM2 - Collegamento
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 139
SPC3 - Caratteristiche• Collegamento con il campo per mezzo di un
microprocessore• Interfaccia SPC3-microprocessore
attraverso una dual port RAM • Nessuna limitazione al numero di I/O• Vengono fornite le routine di accesso alla
dual port RAM• Velocità di trasmissione fino a 12 Mbit\s• Sono implementati tutti i servizi dello
standard
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 140
SPC3
IMPIANTO
Profibus
Slave Profibus DP
SPC3 - Collegamento
µP
DPRAM
Master Profibus DP
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 141
ASICs VIPA
• VPC 3+:Completamente compatibile con SPC3
• VPC LS: Completamente compatibile con LSPM2
s. vitturi corso azionamenti elettrici uniud 17 e 24 Febbraio 2003 142
Certificazione di prodotto• I prodotti Profibus possono essere certificati presso
dei laboratori autorizzati• La certificazione garantisce che i prodotti siano
completamente conformi allo standard• Esistono laboratori di certificazione a:
NorimbergaKarlsrhueJhonson City (USA)MonacoBejing (Cina)Tokio
………..