PROFIBUS PA

Základné charakteristiky PROFIBUS je normou definovaný otvorený štandard, použiteľný v rôznych aplikáciách, ako je priemyselná výroba, riadenie výrobných procesov, riadenie technológií, riadení dopravy, zabezpečení prevádzky budov a pod.

Otvorenosť systému a takisto aj kompatibilita medzi výrobcami je zabezpečená štandardom EN 50 170 a EN 50 254.

PROFIBUS PA • navrhutý pre procesnú automatizáciu, • dovoluje pripojiť senzory a akčné členy na jednu

spoločnú zbernicu v nebezpečných prostrediach,

• využíva na prenos informácií a napájanie len dva vodiče podľa štandardu IEC 1158-2.

Štruktúra protokolu • PROFIBUS špecifikuje technické a funkčné chrakteristiky

priemyselných komunikačných systémov, využívajúcich sériovú komunikáciu od najnižšej úrovni decentralizovaných zariadení až po skupinovú úroveň. Definuje sa MASTER a SLAVE zariadenie.

• MASTER zariadenie rozhoduje o komunikácii na zbernici. Ak má právo na vysielanie (token), môže poslať správu bez externej požiadavky.

• V PROFIBUS protokole sa takéto zariadenie nazýva aj aktívna stanica.

• SLAVE zariadenie je periférne zariadenie (vstupy/výstupy, ventily, pohony, prevodníky a pod.), ktoré nemá práva na vysielanie dát na zbernicu. Vysielať môže, len ak je o to žiadané MASTER zariadením, alebo ak sa jedná o potvrdenie prijatých dát. V protokole PROFIBUS sa takéto zariadenie nazýva aj pasívna stanica.

Architektúra protokolu• PROFIBUS je založený na architektúre protokolu, ktorý je

orientovaný na model OSI (Open System Interconnection) v súlade s medzinárodným štandardom ISO 7498. V tomto modeli sú presne definované vrstvy, z ktorých PROFIBUS využíva:

• 1. vrstvu - FYZICKÚ: táto vrstva definuje fyzické prepojenie medzi zariadeniami

• 2. vrstvu - LINKOVÚ: táto vrstva definuje mechanizmus prístupu na sieť

• 7. vrstvu - APLIKAČNÚ táto vrstva definuje služby potrebné pre realizáciu komuni -kácie z hľadiska užívateľa (aplikačné funkcie)

PROFIBUS-PA využíva rozšírený PROFIBUS DP protokol. Profil PA je definovaný štandardom IEC 1158-2 (prúdová slučka) pre nebezpečné prostredia, ktorý taktiež umožňuje napájať zariadenia priamo zo zbernice. Zariadenia PROFIBUS PA môžu byť ľahko zlúčiteľné so zariadeniami PROFIBUS DP použitím väzobných členov.

Architektúra protokolu PROFIBUS

Médiá fyzickej vrstvy

• Rôzne podmienky (bezpečnosť prenosu, rozľahlosť siete, prenosová rýchlosť, napájanie aj komunikácia po spoločnom vedení, nebezpečné prostredia, ale aj cena) predurčujú použitie rôznych médií pre fyzickú vrstvu. Pretože je teda nemožné vyhovieť súčasne všetkým požiadavkám, poskytuje štandard PROFIBUS nasledovné varianty:

• zbernica RS 485 pre DP/FMS • prúdová slučka IEC 1158-2 pre PA • optické vlákno

Prúdová slučka IEC 1158-2 pre PA Zbernica podľa štandardu IEC 1158-2 splňuje požiadavky aplikácií v chemickom a petrochemickom priemysle. Zaručuje iskrovú bezpečnosť a takisto umožňuje napájať zariadenia zo zbernice. Niekedy sa nazýva tiež H1.

• Prenos dát je založený na nasledujúcich princípoch: • každý segment má vždy len jeden zdroj prúdu, • pri vysielaní stanica nedodáva do siete žiadny prúd, • v kľudovom stave odoberá každé zariadenie konštantný prúd, • každé zariadenie pracuje ako pasívny prúdový spotrebič, • segment je ukončený na oboch koncoch pasívnym terminátorom, • štruktúra siete môže byť zbernicová, stromová, alebo hviezdicová, • na zvýšenie spoľahlivosti sa vytvára redundantný sieťový segment.

Pre moduláciu sa predpokladá kľudový prúd minimálne 10 mA pre napájanie každého zariadenia na sieti. Logické úrovne sú generované vysielajúcim zariadením moduláciou 9 mA na kľudový prúd.

Vlastnosti siete • Typ prenosu číslicový, synchrónny, Manchesterské kódovanie • Prenosová rýchlosť 31.25 kbit/sec, napäťový mód • Ochrana dát kontrolné start a end bity • Vedenie krútená dvojlinka (tienená/netienená) • Napájanie možné aj cez datové vodiče • Nebezpečné prostredia iskrová bezpečnosť • Topológia zbernicová, alebo stromová a ich kombinácie • Počet staníc max. 32 na jeden segment, celkovo 126 • Opakovač (repeater) možné použiť max. 4 opakovače

Pokyny pri inštalácii siete IEC 1158

• Sieť IEC 1158 sa pripája k zbernici RS 485 (Profibus DP) cez prevodník, ktorý prevádza signály RS 485 na prúdovú slučku. Napájanie slučky je obmedzené použitým zdrojom prevodníka.

• Profibus PA umožňuje použiť zbernicovú a stromovú topológiu siete, prípadne ich kombináciu (obr.5). V prípade zbernicovej štruktúry sa zariadenia (napájané zo zbernice, alebo zo samostatného zdroja) pripájajú k zbernici pozdĺž vedenia. Pri stromovej štruktúre sú všetky zariadenia segmentu pripojené paralelne na sieťový rozdelovač.

Zapojenie siete IEC 1158. Kombinácia oboch topológií optimalizuje sieť pre existujúce požiadavky (dĺžka siete, počet zariadení).

Doporučené vlastnosti vedenia pre IEC 1158

• Typ káblu krútená tienená dvojlinka • Prierez vodiča (nominálny) 0.8 mm2 (AWG 18) • Odpor slučky 44 W / km • Impedancia pri 31.25 kHz 100 W _ 20% • Útlm na 39 kHz 3 dB / km • Kapacitná nesúmernosť 2 nF / km • Možné je použiť kábel s väčším prierezom, podrobnosti sú uvedené

v inštalačnej príručke PROFIBUS PA(2.092). • Oba konce hlavného vedenia sú ukončené pasívnym terminátorom,

ktorý obsahuje RC člen (rezistor R = 100W zapojený do série s kondenzátorom C = 1mF). Funkčnosť siete neovplyvní polarita sieťovej stanice, je však doporučené vybaviť zariadenie automatickou detekciou polarity. Potom zariadenie pracuje správne pri akejkoľvek polarite stanice.

• Počet staníc pripojených na jeden segment je maximálne 32. Toto číslo je ďalej obmedzené typom iskrovej bezpečnosti a napájaním siete. Pri iskrovej bezpečnosti sú max. napätie a prúd špecifikované definovanými hodnotami.

Štandardné napájacie zdroje

Typ Oblasť aplikácie

Napájacie napätie

Maximálny prúd

Maximálny výkon

Počet staníc *

I EEx ia/ib IIC

13.5 V 110 mA 1.8 W 8

II EEx ib IIC 13.5 V 110 mA 1.8 W 8

III EEx ib IIB 13.5 V 250 mA 4.2 W 22

IV bezpečná 24 V 500 mA 12 W 32

* pri predpoklade, že každé zariadenie odoberá 10 mA.

Tab. 1

Jednoducho možno určiť maximálnu dĺžku vedenia nasledovne:Vypočíta sa požadovaný prúd, z tab. 1 sa vyberie napájací zdroj a z tab. 2 sa určí maximálna dĺžka vednia. Požadovaný prúd je sumou prúdov všetkých zariadení(procesné zariadenia, ručné operátory, opakovače, oddeľovač siete a prahový prúd pre FDE (Fault Disconnect Equipment)) Tento prúd može byť vypočítaný pre každé zariadenie pripojené na sieť ako rozdiel medzi prúdom v prípade poruchy a prúdom pri funkčnej sieti. Zariadenie s najvyšším prahovým prúdom má prednosť.

Externé napájanie zariadení

Typ nap. zdroja Typ I Typ II Typ III Typ IV Typ IV Typ IV

Nap. napätie 13.5 V 13.5 V 13.5 V 24 V 24 V 24 V

požadovaného prúdu

110 mA

110 mA

250 mA

110 mA

250 mA

500 mA

Dĺžka vedeniapre q=0.8 mm (ref)

900 m

900 m

400 m

1900 m

1300 m

650 m

Dĺžka vedeniapre q=1.5 mm (ref)

1000 m

1500 m

500 m

1900 m

1900 m

1900 m

Pripojenie zariadení s externým napájaním k sieti v nebezpečnom prostredí je dovolené ak je zariadenie zabezpečené dostatočnou izoláciou a spĺňa podmienky normy EN 50 020.

Tab. 2 - Dĺžky vodičov pre typy nap. zdrojov (IEC 1158-2).

Prenosový protokol PROFIBUS PA

• Na prenos nameraných a hodnôt a stavov využíva PROFIBUS PA základné funkcie PROFIBUSu DP a na parametrizáciu a riadenie využíva rozšírené PROFIBUS DP funkcie (pozri kapitolu 3.2).

• Na prenos sa používa dvojvodičová technológia v súlade s normou IEC 1158-2. Prepojenie medzi prístupovým protokolom PROFIBUS (vrstva 2) a technológiou IEC 1158-2 (vrstva 1) je špecifikované v dodatku 2 štandardu EN 50 170.

• Na prenos v segmente IEC 1158-2 je telegram doplnený o START a END znaky. Obr. ilustruje princíp prenosu dát.

Obr. Prenos dát v PROFIBUSe PA

Realizácia PA zariadení

Pri realizácii PA zariadení je nevyhnutné zabezpečiť nízku spotrebu samotného zariadenia (10 mA pre zariadenie použité v nebezpečnom prostredí). Preto bol navrhutý špeciálny čip SIEMENS SIM1. Napájanie pre celé zariadenie získava z IEC 1158-2 vedenia. Obr. 24 ukazuje zapojenie obvodu.

Obr. Realizácia PA zariadenia s SIM1 a SPC4