Промислові мережі та інтеграційні технології в автоматизованих системах. 7.МЕРЕЖА PROFIBUS
7.2. Реалізація фізичного рівня PROFIBUS DP
PROFIBUS DP на фізичному рівні базується на інтерфейсі RS-485 або на різних типах оптоволоконних з’єднань з бітовою швидкістю до 12 МБіт/с. Дані передаються 11-бітними символами (1 старт, 8 даних, 1 паритет, 1 стоп) методом NRZ. Максимальна кількість вузлів на сегмент – 32, максимальна довжина лінії залежить від бітової швидкості:
- від 9600біт/с до 187500біт/с – до 1000 м;
- 500 кбіт/с – до 500 м;
- 1500 кбіт/с – до 200 м;
- 12 Мбіт/с – до 100 м.
Використовується шинна топологія (рис.7.3). З’єднання вузлів проводиться по 2-провідній схемі (сигнал А та В) без сигнальної землі. На кінцях кожного сегменту виставляються термінатори лінії опором 220 Ом.
В стані покою, коли всі передавачі мовчать, на лінії обов’язково повинна бути логічна „1”. Тобто в мережі необхідно реалізовувати поляризацію лінії (захисне зміщення). Для цього на кінцях лінії, крім термінаторів лінії, до шини підключається живлення 5 В через PullUp та PullDown резистори номіналом 390 Ом. Захисне зміщення з обох кінців забезпечується як правило безпосередньо кінцевими вузлами. Використання зміщення з двох кінців більш надійне порівняно з централізованою схемою, як наприклад у Modbus RTU, оскільки при відключенні одного з кінцевих вузлів мережа залишається робочою.
Підключення пристроїв до загальної шини проводиться способом daisy-chain, тобто без відгалужень. Ці вимоги пов’язані з ефектом відбиття хвиль на коротких ділянках відгалуження. На рис.7.4 видно, що кабель шини повинен „зайти” до кожного і „вийти” з кожного пристрою. На цьому ж рисунку показаний спосіб розділення загальної шини на сегменти, які об’єднуються за допомогою репітерів. Таким чином можна досягнути іншої топології і збільшити кількість пристроїв та загальну довжину мережі. Треба пам’ятати, що наявність репітерів треба враховувати при виборі швидкості передачі даних.
Рис.7.3. Структура шинного сегменту RS-485
Рис.7.4. Сегментація та підключення пристроїв до PROFIBUS шини
Деякі пристрої необхідно підключати тільки в певні періоди часу, наприклад програматори. В цьому випадку дозволяється підключення до шини через активні відгалужувачі (наприклад шинні термінали, репітери, активні кабельні з’єднувачі).
В якості з’єднувача в стандартах IEC 61158-2 і EN 50170-2 рекомендується використовувати 9-піновий SUB-D конектор, призначення контактів якого наведене на рис.7.5. Наявність наведених функцій для контактів 3,5,6 та 8 є обов’язковою. Стандарти дозволяють використовувати інший тип з’єднувачів, або клемну колодку з аналогічними контактами.
Рис. 7.5 Призначення контактів 9-пінового SUB-D конектора
Стандарт IEC 61158-2 визначає два типи кабелів рекомендованих для підключення PROFIBUS шини: виті пари типу А та В. Характеристики цих кабелів і припустимі швидкості передачі даних для них, в залежності від довжини лінії зв’язку, наведені у табл. 7.1 і табл.7.2.
Для шинної топології на базі RS-485 інтерфейсу, для достатнього погашення відбиття сигналів рекомендують мінімізувати довжину відгалужень від магістральної шини. Загальна ємність всіх відгалужень на шині не повинна перевищувати: 0,05 nF для 3 Мбіт/с, 6 Мбіт/с та 12 Мбіт/с; 0,2 nF для 1,5 Мбіт/с; 0,6 nF для 500 кбіт/с; 1,5 nF для 187,5 кбіт/с; 3,0 nF для 93,75 кбіт/с; 15 nF для 9,6 та 19,2 кбіт/с.
Таблиця 7.1 Характеристики кабелів
| Параметр кабелю | Тип А | Тип В |
|---|---|---|
| Характеристичний імпеданс | 135-165 Ом (при частотах від 3 до 20 МГц) | 100-130 Ом (при частотах більше 100 кГц) |
| Ємність | <30 пФ.м | <60 пФ.м |
| Погонний опір | <110 Ом/км | не визначено |
| Переріз проводу | >= 0.34 мм2 | >= 0.22 мм2 |
| Колір ізоляції для не IS застосування | фіолетовий | не визначено |
| Колір ізоляції для IS застосування | синій | не визначено |
| Колір проводу A (RxD/TxD-N) | зелений | не визначено |
| Колір проводу B (RxD/TxD-P) | червоний | не визначено |
Таблиця 7.2 Залежність швидкості передачі даних від довжини лінії зв’язку
| Бітова швидкість (кбіт/с) | 9.6 | 19.2 | 93.75 | 187.5 | 500 | 1500 | 3000 | 6000 | 12000 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Макс. довжина кабелю типу А (м) | 1200 | 1200 | 1200 | 1000 | 400 | 200 | 100 | 100 | 100 |
| Макс. довжина кабелю типу В (м) | 1200 | 1200 | 1200 | 600 | 200 | 70 | не допустима | не допустима | не допустима |
Таким чином, для бітової швидкості порядку 1500 Кбіт/с сумарна довжина всіх відгалужень на кабелі типу А не повинна перевищувати 6,6 м, а для швидкості 3/6/12 Мбіт/с – 1,6 м. При високих швидкостях (3-12 Мбіт/с) необхідно включити додатковий імпеданс на лінії зв’язку відгалужувачів або в шинні з’єднувачі. Стандарт рекомендує використати для цього додаткові індуктивності (рис.7.6)
Рис.7.6. Використання індуктивностей в якості додаткових імпедансів
Для кабелю типу А, індук-тивності L1-L4 мають мати значення від 110±22 нГн. Значення індуктив-ностей розраховуються відповідно до імпедансу між B та B’, А та А’, ємнісних характеристик з’єднувача, трансиверу та інших деталей. Тобто при відключенні пристрою від шини (з’єднувача від пристрою), в даній точці може відбутись відбиття сигналу, що спотворює корисний сигнал на загальній шині. На рис. 7.7 показана конструкція мережного з’єднувача, при підключенні по типу daisy-chain.
Слід зазначити, що у випадку використання кабеля типу В, термінатор лінії повинен мати опір 150 Ом замість 220 Ом (для кабеля типу А).
У випадку прокладки лінії передачі у місцях з потужними електромагнітними завадами, необхідно використати екранований кабель та правильно виконати заземлення екрану. Екран кабелю повинен бути з’єднаний з корпусом штекера (рис.7.7).
Рис.7.7. Схема мережного з’єднувача для мереж з бітовою швидкостю >1500 біт/с
Згідно стандартів PROFIBUS заземлення екрану необхідно проводити в усіх точках підключення кабелю через відповідне виконання роз’ємів (рис.7.8) або по загальним правилам заземлення кабелів з високочастотним сигналом (див. розділ 3).
Приклад 7.1. PROFIBUS. Побудова схеми мережних з’єднань для PROFIBUS DP на базі RS-485.
Завдання. Підібрати необхідні технічні засоби та розробити схему мережних з’єднань для PROFIBUS DP відповідно до наведеної структури рис.7.8.
Рис.7.8. Структурна схема системи до прикладу 7.
Рішення. PLC1 – Speed7 має вбудований PROFIBUS DP інтерфейс, який можна використати в якості Ведучого. PLC2 вибираємо з таким розрахунком, щоб в процесорному модулі теж був інтегрований інтерфейс ROFIBUS-DP (VIPA 215-2BP02), що значно дешевше ніж купувати окремий модуль. Модулі розподіленого вводу виводу RIO1 повинні бути PROFIBUS DP Веденими (VIPA 153-4PH00). Для підключення до мережі частотного перетворювача Lenze необхідний відповідний комунікаційний модуль E82ZAFPC001. Таким чином схема мережних з’єднань буде мати вигляд показаний на рис.7.9. Специфікація мережних засобів та вузлів дана в таблиці 7.3. На рис. 7.10 приводиться схема підключень кабелів КМ1-КМ3 до мережних з’єднувачів КК1-КК3.
Рис.7.9. Схема мережних з’єднань до прикладу 7.1.
Рис.7.10. Схема підключення кабелів до мережних з’єднувачів (до прикладу 7.1).
Таблиця 7.3. Специфікація мережних засобів та вузлів
| № | Позна-чення | Назва | Тип | Кіль-кість | Фірма |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | PLC1 | ПЛК VIPA Speed7 | VIPA 314-6CF02 | 1 шт. | VIPA |
| 2 | PLC2 | ПЛК VIPA 200 | VIPA 215-2BP02 | 1 шт. | VIPA |
| 3 | RIO1 | Модуль віддаленого вводу/виводу VIPA 100 | VIPA 153-4PH00 | 1 шт. | VIPA |
| 4 | PDS1 | Частотний перетворювач Lenze 8200 Vector для управління асинхронним двигуном 0,37 кВт | E82EV371K2C | 1 шт. | LENZE |
| 5 | MK1 | комунікаційний модуль для роботи в мережі PROFIBUS DP частотних перетворювачів Lenze 8200, з вбудованим термінатором | E82ZAFPC001 | 1 шт. | LENZE |
| 6 | KK1-KK3 | мережний з’єднувач Easy Conn PB 90° для мережі PROFIBUS DP з вбудованим термінатором | VIPA 972-0DP10 | 3 шт. | VIPA |
| 7 | KM1 | Кабель екранована вита пара для PROFIBUS DP (тип „Стандарт”) | VIPA 830-0LE00 | 30 м | VIPA |
| 8 | KM2 | Кабель екранована вита пара для PROFIBUS DP (тип „Стандарт”) | VIPA 830-0LE00 | 40 м | VIPA |
| 9 | KM3 | Кабель екранована вита пара для PROFIBUS DP (тип „Стандарт”) | VIPA 830-0LE00 | 15 м | VIPA |