Sistemi per l’automazione industriale PROFIBUS

giovedì 19 gennaio 2006

IngIng. Stefano Maggi. Stefano MaggiDottore di RicercaDottore di RicercaDipartimento di ElettrotecnicaDipartimento di Elettrotecnica

PROFIBUS

Sistemi per Sistemi per Sistemi per

l’automazione industrialel’automazione industrialel’automazione industriale

Corso:

Le famiglie di PROFIBUSLe famiglie di PROFIBUS

PROFIBUS: PROcess FIeld BUS

Profibus-DP (Dezentrale Pheripherie):

è stato sviluppato dalla Siemens prevalentemente per estendere il campo applicativo di Profibus all’ambito dei sensori/attuatori. Dal 1993 è disponibile la Norma DIN 19245 parte 3.

Profibus-FMS (Fieldbus Message Specification):

è il risultato di un progetto congiunto promosso dal Ministero tedesco per la Scienza e Tecnica con queste principali aziende: Bosch, Siemens e Moller. La specifica Profibus, emessa nel 1990, è stata recepita un anno dopo nella Norma DIN 19245 parti 1e 2.

Profibus-PA (Automazione di Processo):

nasce per merito di Siemens (e di altre aziende) per migliorare la sicurezza intrinseca e l’interfunzionalità di sistemi nel campo dell’industria di processo.

Architettura generale del protocollo Architettura generale del protocollo ProfibusProfibus

Sono solo implementati i livelli 1, 2 e 7.

Protocollo Protocollo ProfibusProfibus--DPDP

Questo protocollo utilizza i livelli 1, 2 e la User Interface.I livelli da 3 a 7 non sono definiti.La User Interface stabilisce le funzioni applicative utilizzabili, il comportamento del sistema e delle apparecchiature Profibus-DP.Questa snella architettura è adatta alla comunicazione a livello di campo (a basso livello).

Protocollo Protocollo ProfibusProfibus--FMSFMS

Questo protocollo utilizza i livelli 1, 2 e 7.Lo strato applicativo è costituito da FMS (Fieldbus Message Specification) e da LLI (LowerLayer Interface).Il primo contiene il protocollo di utilizzo e mette a disposizione i servizi di comunicazione.Il secondo realizza le diverse relazioni di comunicazione e rappresenta l’interfaccia per il livello precedente.FMS si utilizza per lo scambio dei dati a livello di cella (PLC e PC).Profibus-DP e Profibus-FMS utilizzano la stessa tecnica di trasmissione ed un protocollo di accesso al bus comune (possono quindi funzionare in modo simultaneo sullo stesso bus).

Protocollo Protocollo ProfibusProfibus--PAPA

Questo protocollo utilizza, per la trasmissione dei dati, il protocollo ampliato Profibus-DP.Il comportamento dei dispositivi di campo, è comunque definito dal profilo PA.Le apparecchiature Profibus-PA possono essere integrate in modo semplice in reti Profibus-DP, utilizzando semplicemente un accoppiatore di segmenti.

ProfibusProfibus--DPDP

ProfibusProfibus--DP: sistema singleDP: sistema single--mastermaster

ProfibusProfibus--DP: sistema multiDP: sistema multi--mastermaster

ProfibusProfibus--DP: sistema multiDP: sistema multi--mastermaster

ProfibusProfibus--FMSFMS

Rete mista: Rete mista: ProfibusProfibus--DP e DP e ProfibusProfibus--FMSFMS

ProfibusProfibus--PAPA

Caratteristiche generali del protocolloCaratteristiche generali del protocollo

Il meccanismo ibrido di controllo degli accessi al bus, prevede l’implementazione del “Tokenpassing” fra le stazioni attive (master) e del “polling” fra un master e i rispettivi slave.

Il controllo di accesso al bus è chiamato MAC (Medium Access Control).Il MAC è parte integrante del Fieldbus Data Link (FDL) (cioè il livello 2 in Profibus).

L’autorizzazione all’invio (tempo di mantenimento del token) è detenuta dal master che possiede il token.Il tempo massimo di autorizzazione all’invio dipende dal tempo di circolazione nominale del token, che va settato come parametro.

I messaggi possono essere trasmessi con 2 livelli di priorità distinti.

Profibus è in grado di riconoscere i componenti collegati sul bus che si trovano in condizioni di guasto e di contrassegnarli come tali.

La Norma prevede come realizzazione fisica del bus, l’utilizzo di un doppino schermato e intrecciato. La lunghezza della linea dipende (come sempre) dalla velocità di trasmissione selezionata.

L’interfaccia è conforme allo Standard RS-485 e pone un limite al numero dei componenti collegati sul bus.

La codifica dei segnali utilizza il formato NRZ.

I livelli di I livelli di ProfibusProfibus

Livello fisico (livello 1):

per il protocollo DP / FMS con RS-485

per il protocollo DP / FMS con cavo a fibre ottiche

Livello data link (livello 2):

Fieldbus Data Link

Livello applicativo (livello 7):

profilo FMS

interfaccia utente DP e profilo DP

Livello fisico per DP/FMS: RS485Livello fisico per DP/FMS: RS485

Struttura di un segmento di bus:

Questo livello utilizza lo standard RS485 che corrisponde ad una trasmissione dati simmetrica.Il cavo di bus di un segmento è schermato e terminato da entrambi i lati.La velocità di trasmissione è impostabile in un intervallo compreso fra 9.6kbit/s e 12Mbit/s.Questa velocità impostata viene utilizzata da tutte le apparecchiature che si trovano sul bus (segmento).

Terminazione del Bus: RS485Terminazione del Bus: RS485

390 ΩData line B

Data line A

DGND (5)

VP (6)

220 Ω

390 Ω

RxD/TxD-P (3)

RxD/TxD-N (8)

Station 1 Station 2

Schermatura

RxD/TxD-P (3)

DGND (5)

VP (6)

RxD/TxD-N (8)

(3) RxD/TxD-P

(5) DGND

(6) VP

(8) RxD/TxD-N

Il cavo Profibus deve essere terminato ad ogni estremità del bus.Questo per evitare oscillazioni di potenziale e riflessioni di segnale che provocherebbero errori di trasmissione e quindi l’interruzione della stessa.

In aggiunta alla chiusura dei conduttori di bus A e B su entrambe le estremità (prevista nello standard RS485), la chiusura del bus comprende anche una resistenza di pull-down (verso il potenziale di riferimento dei dati DGND) e una di pull-up (verso il positivo dell’alimentazione VP).Queste 2 resistenze assicurano un potenziale definito sul cavo di bus quando nessun nodo trasmette, cioè quando il bus è in stato di Idle.

Rete DP: connessione dei nodi al busRete DP: connessione dei nodi al bus

VP

B

A

DGND

Prima stazione

390 Ω

220 Ω

390 Ω

Terminazione del bus

Ultima stazione

Terminazione del busVP

B

A

DGND

Data line B

Data line A

B BA A

Stazione 2 Stazione 3

390 Ω

220 Ω

390 Ω

BA BA

Assegnazione dei pinAssegnazione dei pin

Pin no Signal Description 3 RxD/TxD-P Data line B + (red wire)

5 DGND Signal Ground

6 VP Power for termination (P5V)

8 RxD/TxD-N Data line A - (green wire)

Vengono utilizzate prese standard a 9 pin.

Cavo del BusCavo del Bus

2 conduttori:

Verde = A

Rosso = B Schermatura

Ottetto: il più piccolo pacchetto di DatiOttetto: il più piccolo pacchetto di Dati

Un ottetto è formato da 1 byte, 1 bit di Start, 1 bit di Stop e 1 bit di parità.

Ho 11 bit per ogni pacchetto.

La trasmissione RS485 è di tipo half-duplex asincrona.

I dati sono trasmessi utilizzando un frame di 11 bit per carattere in codice NRZ (Non Return to Zero).

Idle

Start 1 2 3 4 5 6 7 8 Parity Stop StartSequenza di bit:

1° ottetto

LSB MSB

2° ottetto

LSB

Livello fisico per DP/FMS: trasmissioneLivello fisico per DP/FMS: trasmissione

Durante la trasmissione, un valore logico “1” corrisponde a un livello positivo sul cavo RxD/TxD-P (Receive/Transmit Data-P) rispetto a RxD/TxD-N (Receive/Transmit Data-N).

Nella letteratura tecnica i conduttori dati Profibus, vengono spesso denominati anche come conduttore A e B.

(Il conduttore A corrisponde a RxD/TxD-N e quello B a RxD/TxD-P).

Livello fisico per DP/FMS: cavo del busLivello fisico per DP/FMS: cavo del bus

La lunghezza massima ammessa del cavo (lunghezza del segmento) in una rete, dipende dalla velocità di trasmissione scelta.

Un segmento può contenere al massimo 32 componenti (repeater compreso).

Velocità di trasmissione

(kbit/s)9.6 – 187.5 500 1500 12000

Lunghezza segmento (m) 1000 400 200 100

Stazioni, Stazioni, repeaters repeaters e segmentie segmenti

Terminazione

Terminazione

2 3 30 31

62 61 33 32

Terminazione

Repeater

Repeater

Stazione 1

Ogni nodo ha un unico indirizzo, rappresentato da un numero fra 0 e 126.Non possono esserci più di 127 stazioni in una stessa rete.Se la rete è ampia o il numero di stazioni supera 32, è necessario l’utilizzo di repeater ed ogni segmento deve essere terminato.

Livello fisico per DP/FMS: cavo a fibre ottiche Livello fisico per DP/FMS: cavo a fibre ottiche (1)(1)

Un’evoluzione del livello 1 di Profibus (secondo le direttive “Profibus Nutzer Organisation” PNO), è la trasmissione ottica dei dati supportata da cavi in fibra ottica.

Con la tecnica “Licht Wellen Leiter” LWL (Fiber Optic Cables), è possibile raggiungere un’estensione massima di 15km fra nodi di rete.

La tecnica LWL è raccomandabile contro i disturbi elettromagnetici ed assicura sempre una separazione di tensione fra i singoli nodi.

Come mezzo trasmissivo si utilizzano cavi in fibra ottica con fibra di plastica o di vetro.

Per il collegamento del nodo al mezzo trasmissivo LWL, esistono diverse tecniche:

tecnica OLM (Optical Link Module)

tecnica OLP (Optical Link Plug)

collegamento LWL integrato nel modulo del nodo


Tecnica OLM:

come per i repeater RS485, anche i moduli OLM dispongono di 2 canali elettrici funzionalmente disaccoppiati e di uno o 2 canali ottici.Gli OLM vengono collegati con i singoli nodi tramite il cavo RS485.


Tecnica OLP:

con questa tecnica si possono collegare fra loro i nodi slave tramite un anello ottico monofibra.Gli OLP vengono alimentati direttamente dal nodo e quindi non necessitano di una propria alimentazione esterna.E’ comunque sempre necessario un OLM per il collegamento del master a un anello OPL.

Livello Data Livello Data LinkLink: formato dei messaggi: formato dei messaggi

Status / Request Telegram

Data Telegram

Token passing Telegram

Tempi di trasmissione: esempioTempi di trasmissione: esempio

Supponiamo di volere trasmettere 2 bytes di dati a 1.5Mbit/s:

(1/1.5 106 )Tbit = tempo di trasmissione di un bit, 1 bit = 0.6667µs

Ottetto : 11 Tbit = 7.3 µs

Token passing t. (3 ottetti): 33 Tbit = 22 µs

Status / Request t. (6 ottetti): 66 Tbit = 44 µs

Data t. : Head (7 ott.) + Servizio (2 ott.) + Data (n ott.)

2 bytes of data : 11 x 11 Tbit = 121 Tbit = 80.7 µs

” Idle time ” del master : typical 75 Tbit = 50 µs” Station delay time ” degli slave : typical 11 Tbit = 7.3 µs

In totale per 2 bytes di dati : (33+66+121+75+11=)Tbit = 0.204 ms[(306)Tbit]

Errori riconosciutiErrori riconosciuti

Errore di formato (il più frequente è l’errore di parità)

Errore di protocollo (errata codifica)

Errore di Start e di End Delimiter

Errore di byte check frame

Errore di lunghezza telegramma

Il rilevamento di un errore comporta le seguenti reazioni:

le chiamate (telegrammi) riconosciuti come errati sono rifiutati e vengono ripetuti. Esiste la possibilità di impostare la ripetizione dei telegrammi all’interno del livello 2 (“retry”)

le risposte che presentano disturbi, comportano anch’esse la ripetizione della chiamata

se un componente collegato sul bus non risponde, viene contrassegnato come “non funzionante”. Se alla chiamata successiva risponde correttamente, viene riconsiderato automaticamente come “funzionante”

Servizi di trasmissioneServizi di trasmissione

I servizi di trasmissione dati del livello 2, vengono utilizzati come interfaccia verso il livello 7.

• SDA (Send Data with Acknowledge) invio dati con conferma

• SRD (Send and Request Data with Acknowledge) invio e ricezione dati con conferma

• SDN (Send Data with no Acknowledge) invio dati senza conferma

• CSRD (Cyclic Send and Request Data with reply) invio e ricezione ciclica di dati con conferma

Nel protocollo FMS sono presenti tutti e 4 i servizi.

In DP sono solo presenti i servizi SRD e SDN.

Sulla base del servizio elementare SRD, il servizio CSRD esegue un polling ciclico al livello 2.

Profibus utilizza la trasmissione senza shift: cioè tra l’ultimo bit del primo byte ed il primo bit del secondo byte, non c’è spazio vuoto.

In caso di perdita del token o di errore nella sequenza di token, il master provvede a generare un nuovo token.

Livello applicativo: profilo FMSLivello applicativo: profilo FMS

Il livello 7 del modello di riferimento ISO/OSI, mette a disposizione i servizi di comunicazione utilizzabili dall’utente.Questo livello applicativo è costituito dall’FMS (Field Message Specification) e dall’interfaccia LLI (Lower Layer Interface).

----- Profili:sono stati definiti dalla “Profibus Nutzer Organization” (PNO) al fine di armonizzare i servizi di comunicazione alle funzioni relative ad applicazioni per apparecchiature.Quindi questi Profili garantiscono che apparecchiature di costruttori diversi, possiedono la stessa funzionalità di comunicazione.

Per FMS sono stati definiti i seguenti Profili:

comunicazione fra controller: questo profilo stabilisce quali servizi FMS vengono utilizzati per la comunicazione fra controllori (PLC).

building automation: questo è un profilo di settore ed è un punto di partenza per l’applicazione in ambito automazione degli edifici (domotica). Esso descrive come avvengono la sorveglianza, il comando, la regolazione, la supervisione, il trattamento degli allarmi, ecc… nei sistemi di automazione degli edifici.

apparecchiature di manovra in bassa tensione: anche questo è un profilo di settote. Stabilisce il rapporto applicativo delle apparecchiature di manovra in bassa tensione nella comunicazione.

Livello applicativo: profilo DPLivello applicativo: profilo DP

Non esiste il livello 7, quindi è l’interfaccia utente che definisce le funzioni applicative utilizzabili ed il comportamento dei diversi dispositivi Profibus-DP.Questo profilo stabilisce il significato dei dati.I singoli componenti di costruttori diversi, utilizzando il relativo profilo, sono interscambiabili attraverso i parametri definiti in relazione all’applicazione.

Per DP sono stati definiti i seguenti Profili:

profilo per CN/CR: descrive come si possono comandare tramite Profibus-DP robot di montaggio e manipolatori in genere.

profilo per encoder: descrive il collegamento al Profibus-DP di encoder di vario genere.

profilo per azionamenti a velocità variabile (ProfiDrive): stabilisce come devono essere parametrizzati gli azionamenti, come si devono trasmettere i riferimenti e i valori reali. Si possono quindi scambiare azionamenti di costruttori diversi.

profilo per servizio e supervisione HMI (Human Machine Interface): stabilisce il collegamento fra queste apparecchiature-utente ai relativi sistemi di automazione, tramite Profibus-DP.

profilo per la trasmissione di dati sicura da errori: vengono qui fissati meccanismi aggiuntivi di sicurezza dei dati per la comunicazione. Esempio, per dispositivi di OFF di emergenza.

Topologia del Bus: tecnica RS485 Topologia del Bus: tecnica RS485 (1)(1)

Una rete Profibus è costituita, dal punto di vista topologico, da una struttura di bus lineare chiusa alle due estremità con elementi terminali: questa linea (con i 2 terminali) viene anche chiamata segmento di bus RS485.Ad un singolo segmento di bus è possibile collegare fino a 32 nodi (standard RS485).

Repeater:

se si devono collegare più di 32 nodi o la dimensione di rete diventa eccessiva, si deve operare con più segmenti di bus.Questi segmenti vengono collegati fra loro attraverso amplificatori di linea (repeater).Il repeater amplifica il livello dei segnali da trasmettere e in alcuni casi realizza anche un “rinfresco” del segnale.E’ possibile attivare in serie solo al max 3 repeater (in generale), a causa delle distorsioni presenti e dei ritardi dei bit di segnale. Il numero di repeater che possono essere attivati in serie, dipende quindi dal tipo di repeater e dal costruttore.La max distanza fra 2 nodi, dipende dalla velocità di trasmissione.I repeater possono essere anche utilizzati per strutture ad albero e a stella.


Esempio di estensione massima possibile di una configurazione Profibus, realizzata con 9 repeater (di Siemens):

Velocità di trasmissione

(kbit/s)

9.6 – 187.5 500 1500 12000

Lunghezza di tutti i

segmenti (m)

10000 4000 2000 1000

Anche un repeater rappresenta un carico per l’interfaccia RS485.

Quindi ogni repeater utilizzato riduce di 1 il numero dei nodi gestibili su un segmento di bus.

Il repeater non occupa ovviamente nessun indirizzo logico del sistema, l’indirizzo appartiene solo ai nodi (master/slave).


Configurazione con repeater:


Linee derivate:

si riferiscono all’inserzione diretta dei nodi al bus (senza l’utilizzo di repeater), creando così linee derivate.

Sono ammesse linee derivate di lunghezza inferiore a 6.6m per segmento, con una relativa velocità di trasmissione dati di 1.5 Mbit/s.

Le linee derivate possono provocare, a seconda del numero e della lunghezza, riflessioni sui conduttori e quindi disturbi nel traffico di rete.

Infatti con velocità di trasmissione superiore a 1.5 Mbit/s, le linee derivate non sono più ammesse.

Topologia del Bus: tecnica LWLTopologia del Bus: tecnica LWL

Utilizzando la tecnica LWL (Licht Wellen Leiter) si può realizzare, oltre alle già note strutture di bus (lineare, ad albero, a stella…), la struttura ad anello.

Con gli OLM si possono realizzare anche anelli ridondanti (a 2 fibre, non rappresentati in fig.).

Con una struttura ad anello semplice, se si verifica un guasto (interruzione del bus o malfunzionamento di un OLM), tutto l’anello è soggetto al guasto.

Nel caso di un anello ridondante, gli OLM collegati fra loro (ognuno con 2 conduttori LWL) possono riconoscere l’interruzione di un tratto e riconfigurare autonomamente il sistema di bus in struttura lineare.

Meccanismo di accesso al BusMeccanismo di accesso al Bus

Il meccanismo di accesso al bus (di Profibus) soddisfa 2 importanti esigenze:

da un lato occorre essere certi, per la comunicazione tra apparecchiature, che ogni nodo abbia la possibilità di sviluppare i propri compiti di comunicazione in un definito intervallo di tempo.

dall’altro viene richiesto, per lo scambio dei dati fra un’apparecchiatura complessa ed una semplice periferica decentrata, un veloce scambio dei dati mediante un protocollo il più semplice possibile.

Profibus ha un meccanismo di accesso “ibrido”:

>> accesso decentrato (Token-passing) fra i nodi attivi (master) >> accesso centralizzato (master/slave) fra il nodo attivo e nodi passivi (slave)

Un nodo attivo che è in possesso del token assume durante questo tempo, la funzione di master del bus per comunicare con i nodi attivi e passivi.Lo scambio dei dati sul bus, avviene tramite un indirizzamento dei nodi: ad ogni nodo è assegnato un indirizzo univoco di bus (l’area di indirizzamento max.: 0 – 126).

Le configurazioni di sistema che è possibile realizzare sono:

sistemi master-master (token passing)

sistemi master-slave (master/slave)

combinazione delle precedenti

Meccanismo di accesso al Bus: modalità Meccanismo di accesso al Bus: modalità tokentoken--busbus

I nodi attivi collegati al bus rappresentano, nella sequenza numerica crescente del loro indirizzo, un token-ring logico, cioè una sequenza organizzata di nodi attivi, nella quale il token viene passato da un nodo al successivo.Il token (e quindi il diritto di accedere al mezzo trasmissivo) viene inoltrato a tutti i nodi attivi tramite il telegramma di token.Il nodo attivo con il più alto indirizzo di bus, consegna il token solo al nodo attivo con il più basso indirizzo per chiudere l’anello logico.Il tempo impiegato per un giro completo del token, viene definito come il tempo di rotazione del token (Time Target Rotation).Il meccanismo di accesso nella fase di inizializzazione e di avviamento, determina anche gli indirizzi di tutti i nodi attivi presenti sul bus, inserendoli in una lista: LAS (List of Active Station).Questa lista serve per la gestione del token ed inoltre, è necessaria per escludere dall’anello (in un normale funzionamento) un nodo attivo guasto o per registrare un nuovo nodo aggiunto.

Meccanismo di accesso al Bus: modalità masterMeccanismo di accesso al Bus: modalità master--slaveslave

Se un anello logico è formato da un solo nodo attivo e si trovano sul bus diversi nodi passivi, si parla in questo caso di un sistema master-slave.Questa modalità consente al master, che in quel momento possiede il diritto di comunicare, di interrogare i nodi slave a lui assegnati.A questo punto il master ha la possibilità di inoltrare dati agli slave o di ricevere dati dagli slave.

Struttura DP Struttura DP monomastermonomaster

E’ la tipica configurazione DP, nella quale la comunicazione fra master-DP e gli slave-DP avviene secondo il principio master/slave.

Gli slave-DP possono diventare attivi sul bus su richiesta del master e vengono interrogati dal master secondo una lista di interrogazione (lista di polling).

I dati vengono scambiati ciclicamente fra il master-DP e gli slave-DP senza tenere conto del loro contenuto.

Polling Polling del master DPdel master DP

E’ uno schema di principio dell’eleborazione di una lista di polling in un master-DP.

La lista di polling contiene l’elenco di tutti gli slave di quel master, con i relativi indirizzi fisici (logici).

Un ciclo di informazioni fra il master e uno slave è formato da un telegramma di richiesta (request-frame) del master-DP e dal relativo telegramma di risposta (response-frame) dello slave-DP.

Struttura DP Struttura DP multimastermultimaster

Sul cavo bus possono essere collegate più stazioni master-DP, anche con diversa classe.

Tutti gli slave vengono collegati al bus, ma ogni master-DP ha i “propri” slaves.

E’ possibile la coesistenza sullo stesso bus di master-DP e slave-DP, anche di master-FMS e di slave-FMS e di ulteriori nodi attivi o passivi.

Tipi di dispositivi DP Tipi di dispositivi DP (1)(1)

Master-DP (classe 1):

scambia ciclicamente dati utili con gli slave.

Attraverso le funzioni di protocollo, deve eseguire i seguenti compiti:

• parametrizzazione degli slave nella fase di avvio, di riavvio e di trasferimento dei dati, al fine di trasmettere dati-parametri specifici di slave e di bus. Vengono per esempio, stabiliti il numero di byte di ingresso e di uscita per ogni singolo slave-DP.

• scambio ciclico dei dati di ingresso/uscita con i relativi slave.

• lettura delle informazioni diagnostiche provenienti dallo slave, sia durante la fase di avvio, sia durante uno scambio ciclico.

• informare gli slave del suo stato operativo (per es. controlli sulla sincronizzazione dei dati)

Slave-DP:

scambia dati con il master-DP che in precedenza lo aveva configurato e parametrizzato.

Lo slave può segnalare al master eventi di diagnostica e di processo locali.

Tipi di dispositivi DP Tipi di dispositivi DP (2)(2)

Master-DP (classe 2):

questo master rappresenta le apparecchiature di programmazione, di diagnostica e di gestione del bus.

Oltre ai compiti eseguiti dal master di classe 1, si aggiunge:

• lettura dei dati di configurazione di uno slave-DP.

• assegnare allo slave-DP un nuovo indirizzo logico di bus.

• lettura contemporanea allo scambio dei dati in ingresso/uscita provenienti dallo slave con il master-DP (classe 1).

In una rete Profibus è possibile la coesistenza contemporanea di questi 3 dispositivi.

Scambio dati fra i dispositivi DPScambio dati fra i dispositivi DP

Si definisce:

Requester (richiedente del servizio): chi attiva una comunicazione con Profibus-DP.

Responder (fornitore del servizio): è il corrispettivo partner della comunicazione attivata.

Tutti i telegrammi request (telegrammi di richiesta) del master-DP (classe 1) vengono gestiti nel livello 2 con la classe di servizio dei telegrammi “high-prio”.

I rispettivi telegrammi response (telegrammi di risposta) dello slave-DP hanno la classe di servizio dei telegrammi “low-prio” nel livello 2.

Lo slave ha comunque la possibilità di informare il master di un cambio della classe di servizio dei telegrammi di risposta (da “low-prio” a “high-prio”).

(Vedi tabella sulla dispensa a pag. 24)

Fase di Fase di inizializzazioneinizializzazioneIl master deve parametrizzare e configurare lo slave prima di scambiare con esso dati utili.Questo avviene appena si verifica che uno slave è presente sul bus.Viene verificata l’operatività dello slave attraverso i dati di diagnostica richiesti dal master.Se lo slave si annuncia pronto, il master gli invia i dati di parametrizzazione e di configurazione.Successivamente il master può scambiare ciclicamente i dati utili con lo slave.

Funzioni di protocollo

Dati di Dati di parametrizzazioneparametrizzazione

Tramite i dati di parametrizzazione sono comunicati allo slave-DP parametri, caratteristiche, funzioni locali (del nodo) e globali (della rete).

Questo si effettua con un tool di progettazione del master e dello slave.

I contenuti più importanti di un telegramma di parametrizzazione sono:

• Station-Status: contiene funzioni e impostazioni specifiche di slave. Per es. viene definito se deve essere attivato il “watchdog”, se l’accesso allo slave è abilitato o vietato da altri master, ecc…

• Watchdog: deve riconoscere il “fuori servizio” di un master. Se è stato attivato il watchdog e lo slave riconosce il fuori servizio del master, i dati locali in uscita vengono cancellati o temporaneamente posti in un buffer.

• Ident_Number: è il numero identificativo dello slave, assegnato dal PNO (Profibus Nutzer Organisation) nella fase iniziale di certificazione. Per evitare errori, uno slave accetta un telegramma di parametrizzazione solo se il numero identificativo in esso contenuto, corrisponde al proprio.

Dati di configurazioneDati di configurazione

Tramite il telegramma dati di configurazione, il master-DP informa lo slave-DP sull’insieme e sulla struttura delle aree di ingresso/uscita da scambiare.

Queste aree (moduli) vengono stabilite dal master e dallo slave in forma di strutture a byte.

Attraverso queste strutture vengono definite le aree di ingesso, le aree di uscita o le aree di ingresso-uscita (per master e slave).

Uno slave può essere dotato di aree di ingresso-uscita statiche, dinamiche o definite da formati specifici del costruttore.

Questi dati di configurazione sono registrati in un file che viene creato dal tool di progettazione.

Dati di diagnosticaDati di diagnostica

Tramite i dati di diagnostica, il master-DP verifica nella fase di avvio se sono presenti slave-DP e se questi sono pronti per la parametrizzazione.

Con questi dati di diagnostica, lo slave informa il master sul proprio stato operativo.

Uno slave ha la possibilità di segnalare al master un evento locale di diagnostica, tramite la priorità del telegramma al livello 2 “high-prio” del telegramma di risposta.

Nel caso non siano presenti eventi di diagnostica, il telegramma di risposta manda semplicemente un identificativo di “low-prio”.

Dati utiliDati utili

Se non sono presenti errori e se le impostazioni volute dal master-DP sono ammesse, lo slave-DP segnala (tramite i dati di diagnostica) che è pronto per lo scambio ciclico dei dati utili (cioè quelli che portano l’informazione “vera”).

Nello scambio dei dati utili, lo slave reagisce solo al telegramma di richiesta del master che lo ha configurato. Altri telegrammi di dati utili, vengono rifiutati dallo slave.

Dati utili ed eventi di diagnosticaDati utili ed eventi di diagnostica

Lo slave-DP può segnalare al master-DP, variando la classe di servizio del telegramma all’interno del telegramma di risposta (da “low-prio” a “high-prio”), che sono disponibili eventi di diagnostica o di segnalazioni di stato correnti.

Successivamente le effettive informazioni che devono essere trasferite, vengono comunicate dallo slave tramite il telegramma di diagnostica richiesto dal master.

Dopo questo trasferimento, vengono nuovamente scambiati i dati utili con lo stesso slave.

Struttura di un ciclo Struttura di un ciclo ProfibusProfibus--DPDP

Telegrammi aciclici

Esempio di un sistema bus monomaster.Il ciclo DP è costituito da una parte fissa e da una parte variabile.

La parte fissa è rappresentata dal telegramma ciclico contenente il comando di accesso al bus (token-management e stato del nodo) e dallo scambio dati con gli slave.

La parte variabile del ciclo è rappresentata da una sequenza di telegrammi aciclici attivati su evento.

La durata della sezione aciclica dipende dalla + o – presenza di questi telegrammi aciclici.In un ciclo DP è sempre presente una sezione ciclica fissa, mentre può essere assente la sezione aciclica.

Struttura di un ciclo Struttura di un ciclo ProfibusProfibus--DP equidistanteDP equidistante

In certe applicazioni (per es. nel settore automazione) è vantaggioso disporre di un ciclo DP esattamente uguale dal punto di vista temporale ed avere quindi uno scambio dati sempre costante.

Questo ciclo è utilizzato per es. per la sicronizzazione di più azionamenti.

In questo ciclo viene riservato dal master-DP un definito intervallo di tempo per la sezione aciclica.

Il master fa in modo che questo intervallo di tempo riservato non venga superato, consentendo solo un numero definito di telegrammi aciclici.

Se il tempo riservato non viene utilizzato, il master annulla la differenza riscontrata, rispetto al tempo di equidistanza impostato, con telegrammi che invia a se stesso (pause).

Le differenti durate dalla pausa compensano la variabilità della sezione aciclica, formando una sezione costante.

Scambio dei dati con traffico trasversale Scambio dei dati con traffico trasversale (1)(1)

Un’altra possibilità per lo scambio dei dati, è rappresentata dalle relazioni di comunicazione “trasversali”.

In questo caso uno slave-DP risponde al master non con un telegramma “one-to-one” (slave/master), ma con uno speciale telegramma “one-to-many” (slave/x).

I dati di ingresso dello slave, contenuti nel telegramma di risposta, sono a disposizione non solo del master di appartenenza, ma anche a tutti gli altri nodi presenti sul bus.


Traffico incrociato: comunicazione master/slave

Es.: 3 master-DP e 4 slave-DP.

Tutti gli slave rappresentati inviano i loro dati di ingresso come telegrammi “one-to-many”.

Il master A, al quale sono stati assegnati gli slave 5 e 6, riceve anche i dati di ingresso degli slave 7 e 8.

Il master B, al quale sono stati assegnati gli slave 7 e 8, riceve anche i dati di ingresso degli slave 5 e 6.

Al master C, anche se non è stato assegnato nessuno slave, riceve i dati di ingresso di tutti gli slave in funzione sul bus (5,6,7 e 8).


Traffico incrociato: comunicazione slave/slave

Utilizzando slave-DP di tipo “smart” è possibile ricevere dati di ingresso da altri slave.

La principale caratteristica dello slave-DP “intelligente” è che l’area ingresso/uscita messa a disposizione per il master, corrisponde non a una periferica reale disponibile, ma a un’area di ingresso/uscita mappata da una CPU che preelabora il segnale.

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