Článek vznikl ve spolupráci se společností Foxon a ve velké míře zohledňuje zkušenosti s diagnostikou a odstraňováním poruch na Profibus sběrnici s využitím Profibus testeru ProfiTrace2.
Základní informace o síti PROFIBUS.
PROFIBUS je průmyslová sběrnice používána při automatizaci výrobních linek a řízení výroby. Mezi nejrozšířenější varianty komunikačního protokolu PROFIBUS patří PROFIBUS DP a PROFIBUS PA.
- PROFIBUS DP najdeme ve většině zařízení průmyslové automatizace, výrobních linkách a CNC strojích, kde jsou do této sběrnice připojeny řídící automaty, frekvenční měniče, vzdálené periferie IO, operátorské panely apod. Kabel pro PROFIBUS DP je tvořen dvěma vodiči (červený/zelený), které zajišťují datový přenos o různých rychlostech (např. 500kB, 1,5Mb, 3Mb, 6Mb, 12Mb). Zařízení připojená do sběrnice PROFIBUS DP mají svoje vlastní napájení.
- PROFIBUS PA se používá v procesní automatizaci a najdeme ho spíše v petrochemických provozech, kde se sbírají data z velkých vzdáleností, kde není kladen důraz na rychlost čtení/zápis hodnoty, kde je výbušné prostředí apod. Na rozdíl od PROFIBUS DP je protokol PROFIBUS PA přenášen pouze jednou rychlostí 31,25kb a po stejných vodičích je zároveň napájeno připojené zařízení PROFIBUS PA.
Jak zajistit správnou funkci sítě PROFIBUS?
PROFIBUS je velmi silný komunikační protokol, který může fungovat i při chybách v síti, elektromagnetickém zarušení, chybách instalace apod. Jinými slovy, PROFIBUS Vám přestane fungovat při jedné fatální chybě (např. zkrat) nebo při více malých chybách (špatné zakončení segmentu, zarušení měniči, nadměrně dlouhém kabelu, špatném konektoru apod.) Často pak programátor sníží rychlost sítě nebo zkontroluje všechny konektory a linka se znovu rozjede. Oba úkony mají za následek pouhé posunutí kompletního výpadku sítě na pozdější dobu, neboť snížením rychlosti programátor pouze zvýšil robustnost sítě (a ta současné chyby ještě překoná). V případě výměny konektorů zase jen odstraní třeba jen jednu chybu, tzn. odstraní jednu chybu ze čtyř, tři další v síti zůstávají.
Pro správnou funkci sítě PROFIBUS a její bezproblémový chod je třeba při její instalaci a provozu dodržovat následující pravidla instalace.
Topologie sítě: PROFIBUS je založen na komunikačním standardu RS485, který spojuje stanice buď lineárně, nebo do hvězdice. Nejčastěji se používá lineární spojení, tzn. stanice jsou propojené PROFIBUS kabelem jedna za druhou a síť je na obou koncích zakončena zapnutými odpory. Příklad zapojení do hvězdice přes PROFIBUS Hub A5/B5. Tento Hub umožňující hvězdicové zapojení PROFIBUS najdete u společnosti Foxon zde. |
|
Kabely pro PROFIBUS: Používá se kroucená-stíněná dvojlinka, přičemž stínění slouží zároveň jako uzemnění. Dvě hlavní žíly jsou barevně odlišeny zelenou a červenou barvou. Zelený je označován jako linka A (přenos/příjem), červený jako linka B (přenos/příjem). Při připojení konektorů je nutné dodržovat stejné uspořádání kabelů (barev) v celé síti. |
|
Různé rychlosti sítě PROFIBUS jsou omezeny maximální délkou jednoho segmentu. Pokud instalace vyžaduje větší délku segmentu, je třeba použít repeater (opakovač). Doporučené délky segmentu PROFIBUS pro všechny rychlosti najdete v tabulce. Kabelů PROFIBUS existuje celá řada a liší se zejména způsobem jejich použití a umístění. Univerzální kabel PROFIBUS DP má fialovou barvu a je určen pro běžnou instalaci ve vnitřních prostorách. Ne vždy se kabel pokládá do žlabů, kde je konstantní suché prostředí, stálá teplota, nulové elektromagnetické rušení, žádné mechanické namáhání apod. Z těchto důvodů je třeba zohlednit okolní prostředí kabelu a použít správný typ kabelu pro instalace typu:
- kabel se zvýšenou odolností proti elektromagnetickému rušení (EMC) Profibus kabely od firmy Leoni najdete tady. Musím si vyptat kousek toho odolného proti hlodavcům a zkusím to dát k micákovi. |
|
Rozdělení sítě na segmenty.
Síť PROFIBUS je tvořena tzv. segmenty, v kterých jsou připojena jednotlivá zařízení. Za jeden segment se považuje takový úsek kabelu PROFIBUS, který je zakončen tzv. zapnutými odpory. Ve většině instalací je použito méně než 32 zařízení a jsou kratší než maximální doporučená délka, proto se v praxi setkáváme více se sítěmi o jednom segmentu.
PLATÍ PRAVIDLO:
- Maximální počet stanic na jeden segment je 32.
- Maximální počet segmentů je 9 (odděleny např. repeaterem)
Schéma 1 – síť s jedním segmentem: Na obrázku vidíte jednoduchou síť PROFIBUS DP, která je tvořena jedním segmentem. Segment je na obou koncích zakončen tzv. zapnutým odporem. Tento odpor je vestavěn v konektoru PROFIBUS a je možné ho zapnou i vypnout. Pro správnou funkci zakončovacího odporu je nutné, aby poslední konektor byl napájený, tzn, že poslední zařízení se zapnutým odporem musí být neustále pod proudem! PLATÍ PRAVIDLO:
- Konektory na koncích segmentu mají vždy zapnutý odpor |
|
Druhý a další segment vznikne nejen při překročení zapojení max. 32 stanic /segment, ale také zapojením tzv. opakovače (repeateru) nebo OLM modulu (optického modulu) apod. Zapojením těchto zařízení dojde k rozdělení sítě na dva segmenty, které jsou od sebe galvanicky odděleny. Základní důvody použití repeateru:
- máme v segmentu více než 32 stanic. Repeater Procentec jsme měli v našem testu, viz odkaz na konci článku, v nabídce jej najdete tady. Už jsem zažil situaci kdy, tento repeater zachránil stroj s výpadky sítě, které se řešily bezvýsledně už rok. Každý servis by jej měl mít v autě. |
|
Schéma 2 – síť s více segmenty (ve schématu máme 2 segmenty): Použitý repeater rozdělí síť na více segmentů, a rovněž plní funkci zakončení segmentu/sítě (zapnutý odpor). Všimněte si zapnutého odporu na obou stranách opakovače. |
|
Schéma 3 – oddělení jednoho zařízení od segmentu, kde na následujícím schématu si všimněte dvou zajímavostí:
- Stanice MASTER není na konci segmentu, ale uprostřed. Není to chyba, záleží vždy na návrhu zapojení projektanta sítě. |
|
Schéma 4 – využití aktivního zakončení: V předchozích schématech jsme používali poslední stanice v segmentu jako zakončovací, tzn. že v konektoru PROFIBUS byl zapnutý odpor. Víme také, že tento konektor musí být napájený, napětí si bere z portu daného zařízení. V praxi však může nastat situace, kdy je třeba vyměnit koncové zařízení za jiné. Odpojením konektoru dojde ke vzniku odrazů v síti a síť přestane pravděpodobně správně fungovat. Z tohoto důvodu se na konec segmentu doporučuje použít tzv. aktivní zakončení. |
|
Aktivní zakončení je de facto poloviční repeater (opakovač), tzn. signál PROFIBUS zde končí, dále již nepokračuje. Je to malá krabička, do které připojíme kabel PROFIBUS a externí napájení 12-24V. Toto zařízení nevykonává žádno jinou činnost a je velmi pravděpodobné, že bude správně fungovat po celou dobu provozu sítě PROFIBUS (což se o koncových stanicích v segmentu PROFIBUS nedá vždy tvrdit). Výhoda je jasná - mezi aktivními zakončeními je možno odpojit libovolnou stanici aniž bychom způsobili odrazy signálů v síti. Navíc se můžeme přes aktivní zakončení připojit např. testerem ProfiTrace2 do sítě PROFIBUS a provést diagnostiku sítě. Stejně jako repeater najdete aktivní zakončení zde. Mimochodem tohle bývá častý zdroj poruch a nestability sítě, a sice vyvedený nezakončený konec sběrnice třeba pro programátora. |
|
Stanice MASTER (řídící stanice)
Síť PROFIBUS DP je většinou řízena jednou stanicí MASTER (tzv. MONO-MASTER). Od doby, co PROFIBUS využívá metodu token ring, může být v jedné síti více řídících stanic MASTER (tzv. MULTI-MASTER). Řídící člen sítě "MASTER" po ukončení komunikace s podřízeným (-mi) účastníkem (-y) "SLAVE" nebo jiným Masterem uvolní řízení sběrnice pro další řídící členy sítě (Mastery), tento postup předávání se opakuje, až se kruh předávání přístupu k síti uzavře). Stanici Master by měla být umístěna na začátku segmentu, pod adresou např. 1 nebo 2. Adresa 0 je rezervována pro programování nebo diagnostiku sítě/zařízení (např. pomocí testeru ProfiTrace2).
Stanice SLAVE
Přídavná vstupní/výstupní zařízení by měla začínat např. adresou 3, vhodné je také dodržovat posloupnost adres tak, jak jsou jednotlivá zařízení v síti umístěna ve směru od stanice MASTER.
Zakončení
Velmi důležitým bodem při budováni sítě PROFIBUS je určení kde a jak bude umístěno zakončení. Každý jednotlivý segment musí být na svém konci a začátku zakončen (zapnutým odporem). Vypnutý odpor na konci segmentu způsobuje odrazy signálu v síti PROFIBUS a následné výpadky komunikace. Pokud je síť zdravá a rychlost komunikace např. 500kbps, síť při vypnutém odporu z velké pravděpodobnosti nezkolabuje a pojede dál. Je ale jen otázka času, kdy se v síti objeví další chyba, kterou už protokol PROFIBUS nezvládne. Při rychlosti 1,5MB a vyšší dojde při vypnutí zakončovacího odporu s velkou pravděpodobností ke ztrátě zpráv v síti, k opakování dotazů a dalším chybovým stavům.
PLATÍ PRAVIDLO:
- Pokud do konektoru nebo zařízení vede jeden kabel, je to konec segmentu a odpor musí být zapnutý
- Pokud do konektoru nebo zařízení vedou dva kabely, jedná se o stanici uvnitř segmentu a odpor musí být vypnutý
Otevřený programovací port v každém segmentu (piggy port): Pro diagnostiku sítě PROFIBUS by měl každý segment obsahovat nejméně jeden programovací port (PG port), na který připojíte programovací zařízení a nebo tester ProfiTrace2 kterým změříte signál v síti. Programovací port je vyveden z druhé strany konektoru PROFIBUS, na aktivním zakončení, na repeateru, OLM modulu apod. |
|
Závěr:
Tímto ukončíme naši část týkající se základních informací a pravidel průmyslové sběrnice PROFIBUS. Někdy příště se podíváme na základní doporučení při instalaci sítě PROFIBUS, hlavních zásad použití profibusových kabelů či konektrů, nebo také správné použití repeateru (opakovače).
Jaroslav Blažek
Doplňující odkazy k článku:
Společnost Foxon PROFIBUS komponenty: http://www.foxon.cz/profibus-profinet-c-6.html
Článek o PROFIBUS repeatru: http://automatizace.hw.cz/profibus-repeater-zesiluje-oddeluje-nebo-posiluje-co-vlastne-dela
Články o dalších zařízení pro PROFIBUS a PLC Simatic najdete také tady: http://www.blaja.cz/index.php?option=com_content&task=blogcategory&id=0&Itemid=114
Další články, testy, recenze o PLC, Scada/HMI systémech, pohonech, profi-software a komponentech nejen pro průmyslové aplikace jsou na stránkách http://automatizace.hw.cz
Komentáře
profibus
Výborný článok. V jednoduchosti je krása.