Основные характеристики многоуровневой сетевой модели Process Field Bus (стр. 1 из 2)

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Уфимский государственный нефтяной технический университет

Курсовая работа

тема: Основные характеристики многоуровневой сетевой модели ProcessFieldBus

Уфа 2010

Введение

PROFIBUS (Process Field Bus) — открытая промышленная сеть, прототип которой был разработан компанией Siemens AG для своих промышленных контроллеров SIMATIC, на основе этого прототипа Организация пользователей PROFIBUS разработала международные стандарты, принятые затем некоторыми национальными комитетами по стандартизации. Очень широко распространена в Европе, особенно в машиностроении и управлении промышленным оборудованием. Сеть PROFIBUS — это комплексное понятие, она основывается на нескольких стандартах и протоколах. Сеть отвечает требованиям международных стандартов IEC 61158 и EN 50170. Поддержкой, стандартизацией и развитием сетей стандарта PROFIBUS занимается PROFIBUS NETWORK ORGANISATION (PNO).

PROFIBUS объединяет технологические и функциональные особенности последовательной связи полевого уровня. Она позволяет объединять разрозненные устройства автоматизации в единую систему на уровне датчиков и приводов.

PROFIBUS использует обмен данными между ведущим и ведомыми устройствами (протоколы DP и PA) или между несколькими ведущими устройствами (протоколы FDL и FMS). Требования пользователей к получению открытой, независимой от производителя системе связи, базируется на использовании стандартных протоколов PROFIBUS.

Сеть PROFIBUS построена в соответствии с многоуровневой сетевой моделью ISO 7498. PROFIBUS определяет следующие уровни:

· 1 — физический уровень — отвечает за характеристики физической передачи;

· 2 — канальный уровень — определяет протокол доступа к шине;

· 7 — уровень приложений — отвечает за прикладные функции.

Основные характеристики: Интерфейсы реализованы в виде специализированных микросхем (ASIC), которые выпускаются множеством поставщиков. Основывается на спецификации интерфейса RS485 и европейской электрической спецификации EN50170. Разновидности: Profibus DP (главный/подчиненный), Profibus FMS (несколько главных устройств/одноранговые устройства), Profibus PA (внутренне безопасная шина). Максимальное число узлов: 127. Длина соединения: от 100 м до 24 км (с ретрансляторами и оптоволоконными кабелями). Скорость передачи: от 9600 бит/с до 12 Мбит/с. Размер сообщения: до 244 байт на сообщение для одного узла. Методы обмена сообщениями: опрос (DP/PA) и одноранговый (FMS). Поддерживаемые стандарты

Открытость и независимость от производителя гарантирует стандарт EN 50170, всё остальное реализовано в соответствии со стандартом DIN 19245 (а именно: техника передачи данных, методы доступа, протоколы передачи, сервисные интерфейсы для уровня приложений, спецификация протоколов, кодирование, коммуникационная модель и т. д.). С помощью PROFIBUS, устройства разных производителей могут работать друг с другом без каких-либо специальных интерфейсов. Семейство PROFIBUS состоит из трех совместимых друг с другом версий: PROFIBUS PA, PROFIBUS DP и PROFIBUS FMS.

1. Уровни сетевой модели OSI

1.1 Физический уровень PROFIBUS

Физически PROFIBUS может представлять из себя:

· электрическую сеть с шинной топологией, использующую экранированную витую пару, соответствующую стандарту RS-485;

· оптическую сеть на основе волоконно-оптического кабеля;

· инфракрасную сеть.

Скорость передачиможет варьироваться от 9,6 Кбит/сек до 12 Мбит/сек.2.1.1 RS-485

Интерфейс RS-485 (другое название - EIA/TIA-485) - один из наиболее распространенных стандартов физического уровня связи. Физический уровень - это канал связи и способ передачи сигнала (1 уровень модели взаимосвязи открытых систем OSI).Сеть, построенная на интерфейсе RS-485, представляет собой приемопередатчики, соединенные при помощи витой пары.

Стандартные параметры интерфейсов	RS-485
Допустимое число передатчиков / приемников	32 / 32
Максимальная длина кабеля	1200 м
Максимальная скорость связи	10 Мбит/с
Диапазон напряжений "1" передатчика	+1.5...+6 В
Диапазон напряжений "0" передатчика	-1.5...-6 В
Диапазон синфазного напряжения передатчика	-1...+3 В
Допустимый диапазон напряжений приемника	-7...+12 В
Пороговый диапазон чувствительности приемника	±200 мВ
Максимальный ток короткого замыкания драйвера	250 мА
Допустимое сопротивление нагрузки передатчика	54 Ом
Входное сопротивление приемника	12 кОм
Максимальное время нарастания сигнала передатчика	30% бита

Преимущества:

• Гибкая шинная или древовидная топология с повторителями, шинными терминалами и шинными штекерами для подключения узлов PROFIBUS

• Исключительно пассивная передача сигналов, которая обеспечивает отключение узлов без оказания влияния на сеть (за исключением узлов, питающих нагрузочные сопротивления)

• Простота прокладки и подключения шинного кабеля, не требующая специального опыта.

Ограничения:

• Охватываемое расстояние снижается при увеличении скорости передачи

• При наружной установке требуются дополнительные меры по молниезащите

1.2 Волоконно-оптический канал

Топология сети	Шинная топология при искользовании встроенных оптических портов и OBT; Шинная топология, топология типа «звезда» или «кольцо» при использовании OLM
Среда передачи	Волоконно-оптические кабели с волокнами из стекла, с пластиковым покрытием или с пластиковыми волокнами
Возможные длины сегментов	До 15 км
Количество узлов	Не более 127 в сети
Скорость передачи	9,6 кбит/с 19,2 кбит/с 45,45 кбит/с 93,75 кбит/с 187,5 кбит/с 500 кбит/с 1,5 Мбит/с 3 Мбит/с 6 Мбит/с 12 Мбит/с

Схема приемо-передающей аппаратуры ВОЛС выглядит следующим образом:

Преимущества:

• Независимо от скорости передачи, достигаются большие расстояния между двумя терминалами передачи данных (ТПД) (расстояния между двумя модулями OLM достигают до 15 км)

• Узлы и среда передачи данных электрически развязаны между собой

• При соединении компонентов, имеющих разные потенциалы относительно земли, отсутствуют токи экрана

• Отсутствие электромагнитных помех

• Не требуются дополнительные средства молниезащиты

• Простота прокладки волоконно-оптических кабелей

• Высокая надёжность ЛВС благодаря использованию кольцевой топологии

• Чрезвычайно простая техника подключения при использовании пластиковых волоконно- оптических кабелей на коротких дистанциях.

Ограничения:

• Общее время передачи пакета увеличено по сравнению с сетями на витой паре

• Для монтажа стеклянных волоконно-оптических кабелей к штекерам требуется специальный опыт и инструменты

• Отсутствие питания в точках сочленения (в приспособлениях для подключения узлов, в OLM, или в OBT) приводит к прерыванию передачи сигнала

1.3 Инфракрасная сеть

Топология сети	Точка-точка Точка-многоточка
Среда передачи	Открытое пространство с прямой видимостью
Возможные длины сегментов	До 15 м
Количество узлов	Не более 127 в сети
Скорость передачи	9,6 кбит/с 19,2 кбит/с 45,45 кбит/с 93,75 кбит/с 187,5 кбит/с 500 кбит/с 1,5 Мбит/с 3 Мбит/с 6 Мбит/с 12 Мбит/с

Преимущества:

• Высокая мобильность подключенных компонентов производственного участка (например, тележек)

• Отсутствие износа при подключении и отключении в сетях с фиксированными компонентами

• Объединение узлов без монтажа кабеля (временное подключение, подключение к труднодоступным участкам)

• Не зависит от протокола

• Электрическая развязка между узлами и проводной сетью

Ограничения:

• Скорость передачи <= 1.5 Мбит/с

• Требуется открытое пространство и прямая видимость между узлами

• Максимальное расстояние не превышает 15 м

• В сетях может быть только одно ведущее устройство

2. Канальный уровень

2.1 Протокол доступа к шине

Для всех версий PROFIBUS существует единый протокол доступа к шине. Этот протокол реализуется на 2 уровне модели OSI (который называется в PROFIBUS-FDL). Данный протокол реализует процедуру доступа с помощью маркера (token). Сеть PROFIBUS состоит из ведущих (master) и ведомых (slave) станций. Ведущая станция может контролировать шину, то есть может передавать сообщения (без удалённых запросов), когда она имеет право на это (то есть когда у неё есть маркер). Ведомая станция может лишь распознавать полученные сообщения или передавать данные после соответствующего запроса. Маркер циркулирует в логическом кольце, состоящем из ведущих устройств. Если сеть состоит только из одного ведущего, то маркер не передаётся (в таком случае в чистом виде реализуется система master-slave). Сеть в минимальной конфигурации может состоять либо из двух ведущих, либо из одного ведущего и одного ведомого устройства.

Еще одна важная задача канального уровня - сохранение целостности информации. Кадры Уровня 2 протокола PROFIBUS обеспечивают целостность информации с высокой надежностью. Все кадры имеют хэммингово расстояние равно 4. Для этого, в соответствии с международным стандартом IЕС 870-5-1, используются специальные начальные и конечные разделители, жесткая синхронизация и бит контроля четности для каждого октета. Канальный уровень PROFIBUS работает в режиме без процедуры установления связи. Он предлагает как передачу точка-точка, так и многопунктовую связь (широковещательную и групповую). Широковещательная связь означает, что активная станция посылает всем другим станциям (ведущим и ведомым) неподтверждаемое сообщение. Групповая связь означает, что активная станция посылает неподтверждаемое сообщение группе ведущих или ведомых устройств. Сервисные функции канального уровня PROFIBUS: