Praktická teorie

Praktická teorie

Základní informace o průmyslové sběrnici PROFIBUS – část I.

Tímto článkem chceme seznámit čtenáře s průmyslovou sběrnicí PROFIBUS, správným zapojením kabeláže, repeaterů, konektorů apod. Vzhledem k šíři tématu není cílem zpracovat celou problematiku detailně. Chceme naopak jednoduchou a stručnou formou popsat základní informace a pravidla, které vám pomůžou zajistit bezchybnou komunikaci v síti PROFIBUS.

I. 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 a zelený), které zajišťují datový přenos o různých rychlostech (např. 500 kB, 1,5 Mb, 3 Mb, 6 Mb, 12 Mb). 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/zápisu hodnoty, kde je výbušné prostředí apod. Na rozdíl od PROFIBUS DP je protokol PROFIBUS PA přenášen pouze jednou rychlostí 31,25 kb a po stejných vodičích je zároveň napájeno připojené zařízení PROFIBUS PA.

A) 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:

a. 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.


b. 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 následující tabulce.

Srovnávací tabulka pro doporučené délky segmentu PROFIBUS pro všechny rychlosti

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),
  • kabel se zvýšenou odolností proti ohybu (umístěn na pohyblivém rameni robota apod.),
  • kabel s ochranou proti hlodavcům,
  • kabel se zvýšenou odolností proti žáru,
  • kabel do potravinářských prostor
  • a další.

 c. Rozdělení sítě na segmenty

Síť PROFIBUS je tvořena tzv. segmenty, ve kterých jsou připojená 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.

PRAVIDLO
  • Maximální počet stanic na jeden segment je 32.
  • Maximální počet segmentů je 9 (odděleny např. repeaterem).


Schéma 1 – síť s jedním segmentem
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 zapnout 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!

PRAVIDLO

  • Konektory na koncích segmentu mají vždy zapnutý odpor.
  • Ostatní konektory uvnitř segmentu mají odpor vypnutý.

Druhý a další segment vznikne nejen při překročení zapojení max. 32 stanic, 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. 

Repeater (čti [rypítr], česky opakovač) obecně zesiluje přenášený signál na síti PROFIBUS a navíc rozdělí síť na jednotlivé segmenty.

Základní důvody použití repeateru:

  • Máme v segmentu více než 32 stanic.
  • Potřebujeme zvýšit povolenou délku kabelu mezi jednotlivými stanicemi.
  • Potřebujeme galvanicky oddělit nějaké zařízení od sítě (např. frekvenční měniče, z důvodu elektromagnetického rušení).


Repeater-B1

O správném zapojení repeateru (opakovače) se dočtete dále.

Schéma 2  – síť se dvěma segmenty s využitím repeateru (opakovače)
Schéma 2 – síť s více segmenty (v našem schématu máme 2 segmenty)

Rozdělení sítě na více segmentů docílíme použitím repeateru (opakovače), který rovněž plní funkci zakončení segmentu/sítě (zapnutý odpor). Všimněte si zapnutého odporu na obou stranách opakovače.

Schéma 3 – síť se dvěma segmenty s využitím repeteru (opakovače) pro oddělení frekvenčníh o měniče
 
Schéma 3 – oddělení jednoho zařízení od segmentu
 
V následujícím schématu si všimněte dvou zajímavostí:
  • Stanice MASTER není na konci segmentu, ale uprostřed. Není to chyba, záleží vždy na návrhu zapojení projektanta sítě.
  • Repeater (opakovač) odděluje frekvenční měnič od zbytku stanic, a to z důvodu odstranění elektromagnetického rušení v síti PROFIBUS. Díky galvanickému oddělení obou segmentů opakovačem neprochází rušení od měniče do prvního segmentu. V tomto případě opakovač není koncová stanice segmentu č. 1, kabel z něho dále pokračuje, a tudíž zakončovací odpor segmentu 1 na opakovači je vypnutý, na straně segmentu 2 naopak zapnutý. Daná topologie má tedy 2 segmenty.

Schéma 4 – využití aktivního zakončení

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 12–24 V. 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.

Terminitor

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 řídicích stanic MASTER (tzv. MULTI-MASTER). Řídicí člen sítě „MASTER“ po ukončení komunikace s podřízeným (-mi) účastníkem (-y) „SLAVE“ nebo jiným Masterem uvolní řízení sběrnice pro další řídicí 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. 500 kbps, 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 1,5 MB a vyšší dojde při vypnutí zakončovacího odporu s velkou pravděpodobností ke ztrátě zpráv v síti, k opakování dotazů a dalším chybovým stavům.

TIP:

  • 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 např. tester ProfiTrace 2 a změříte signál v síti. Programovací port je vyveden z druhé strany konektoru PROFIBUS, na aktivním zakončení, na repeateru, OLM modulu apod.

DP konektor

Tímto dnes ukončíme náš úvodní díl týkající se základních informací a pravidel průmyslové sběrnice PROFIBUS. V dalším díle se podíváme na základní doporučení při instalaci sítě PROFIBUS, hlavních zásad použití profibusových kabelů či konektrů nebo také správné použití repeateru (opakovače).

Související produkty

Novinky
z naší firmy

Stačí 2 e-maily měsíčně a neunikne vám nic podstatného. 
Přihlaste se a každou druhou středu čtěte přímo ve své poště.

Váš e-mail je u nás v bezpečí. Vždy ctíme Zásady zpracován osobních údajů.

Společnost FOXON je držitelem certifikátu ISO 9001:2018

Sledujte nás i na sociálních sítích.

Made by FOXON s.r.o. © 2019

Rychlý dotaz


Typ vašeho dotazu