white space

Profibus

1 Inleiding


Figuur 5: Profibus (bron: profibus.com)

PROFIBUS is het in Europa meest gebruikte open veldbussysteem. PROFIBUS is gestandaardiseerd in de EN50170. Door deze standaardisatie kunnen componenten van verschillende fabrikanten door elkaar gebruikt worden.
Er zijn drie verschillende versies van PROFIBUS:

  • PROFIBUS-DP (Decentral Periphery)
  • PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification)
  • PROFIBUS-PA (Proces Automation)

PROFIBUS-DP
De DP variant heeft een hoge snelheid en lage aansluitkosten. Hij is bedoeld voor communicatie tussen geautomatiseerde procesbesturingssystemen en de in- en uigangen.

PROFIBUS-FMS
De FMS variant is ontworpen voor de communicatie tussen PLC’s en PC’s onderling.

PROFIBUS-PA
De PA variant is speciaal ontworpen voor de procesautomatisering. Hij communiceert met sensoren en actuatoren. De gegevens en voeding kunnen over twee draden getransporteerd worden.

2 Stations

PROFIBUS werkt zowel met actieve als passieve stations. De actieve worden ook wel masters genoemd en zijn de PLC’s, PC’s, enz De passieve stations zijn de slaves. Hier vallen de in- en uitgangen onder.


Figuur 6: stations

3 Segmenten

De stations worden aangesloten op segmenten.
Repeaters kunnen meerdere segmenten aan elkaar koppelen. Een segment zonder station heet een koppelsegment.


Figuur 7: segmenten, repeaters en stations

4 Protocollen

Het PROFIBUS protocol is gebaseerd op het OSI model dat is vastgelegd in de standaard ISO7498. Dit model bestaat uit 7 lagen met elk een eigen taal.

Figuur 8: Protocolimplementatie
  PROFIBUS-FMS PROFIBUS-DP PROFIBUS-PA
Gebruikerslaag FMS apparaatprofielen DP profielen PA profielen
Laag 7 Fieldbus Message SPecification niet gebruikt niet gebruikt
Laag 3 - 6 niet gebruikt niet gebruikt niet gebruikt
Laag 2
Fieldbus Data Link
IEC interface
Laag 1
RS485 of glasvezel
IEC 1158-2

Omdat PROFIBUS-FMS en DP beide dezelfde laag 1 en 2 hebben kunnen ze door elkaar heen op dezelfde kabel werken.

5 Transmissie

Bij PROFIBUS zijn drie verschillende transmissietechnieken mogelijk: RS485, glasvezel of IEC 1158-2.

RS485 voor PROFIBUS-DP en FMS
Deze wordt in de praktijk het meest gebruikt. Hij heeft als eigenschap dat het een hoge transmissiesnelheid heeft. De maximale afstand hangt hierbij van de snelheid af.

Figuur 9: afstanden en snelheden
Baudrate (Kbit/s) Segment met stations(m) Koppelsegment zonder stations(m)
9.6 1200 3300
19.2 1200 2800
93.75 1200 2000
187.5 1000 1600
500 400 1200
1500 200 400
12000 100
Deze tabel is gebaseerd op een kabel met de volgende eigenschappen:
impedantie: 135-165 ohm draad diameter: 0,64 mm
capaciteit: < 30 pF/m draad doorsnede: >0,34 qmm
kring weerstand: 110 ohm/km

RS 485 is een STP kabel (afgeschermde gedraaide kabel), het is van belang dat de kabel aan beide uiteinden geaard wordt, dit om storing te voorkomen.

Glasvezel
Glasvezelkabels worden gebruikt wanneer er grote afstanden overbrugd moeten worden of in een omgeving met grote elektromagnetische storingen.
Er zijn twee soorten glasvezel: goedkope plastic fiber voor afstanden tot 50 m en glasfiber voor afstanden tot 1 km.

IEC 1158-2 voor PROFIBUS-PA
Transmissiekabels die aan de IEC 1158-2 voldoen zijn geschikt voor gebruik in intrinsiek veilige gebieden. Dit is nodig in de (petro) chemische industrie. De veldapparaten kunnen ook via deze kabel gevoed worden.
De eigenschappen van IEC-1158-2 zijn:

  • Elk segment heeft slechts één voeding
  • Er staat geen voeding op de bus als een station aan het zenden is.
  • Elk veldapparaat gebruikt in rust een stroom van minimaal 10 mA
  • Het veldapparaat gebruikt tijdens het zenden ± 19 mA stroom
  • Veldapparaten gedragen zich als passieve stroom gebruikers
  • Passieve bus afsluitingen aan beide einden van de bus

    Figuur 10: passieve afsluiting
  • Lineaire boom en ster netwerken zijn mogelijk
  • Om de berouwbaarheid te vergroten kan een reductante bus worden aangelegd
  • De overgang van RS485 naar IEC 1158-2 gaat via een segment coupler. Deze segment coupler past de signalen aan elkaar aan en voedt ook het IEC 1158-2 segment.

Verdere eigenschappen zijn:

Figuur 11: andere eigenschappen van IEC-1158-2
Data transmissie digitale, bit synchroon, Manchester codering
Transmissie snelheid 31,25 Kbit/s, spannings mode
Data veiligheid preamble foutloze start en eind aanduiding
Aantal stations tot 32 per segment totaal maximaal 126
Repeaters maximaal 4 repeaters

Kabeleigenschappen PROFIBUS
Voor PROFIBUS-PA worden de volgende kabeleigenschappen aanbevolen:

  • STP kabel
  • Draaddoorsnede van 0,8 mm2
  • Kringweerstand van 44 W/km
  • Impedantie bij 31.25 KHz van 100 W ± 20 %
  • Verzwakking bij 39 KHz van 3 dB/km
  • Capacitieve asymmetrie van 2 nF/km

Er kunnen maximaal 32 stations op een segment aangesloten worden. Wanneer het vermogen van de voeding beperkt is moet dit aantal echter omlaag gebracht worden. Zie onderstaande tabel.

Figuur 12: aantal stations bij een vermogen
Type Toepassingsgebied Voedingsspanning Maximale voedingsstroom Maximaal vermogen Aantal stations
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 niet intrinsiek-veilig 24 V 500 mA 12 W 32

6 Dataoverdracht

Er zijn voor verschillende PROFIBUS systemen verschillende manieren van dataoverdracht. In dit verslag wil ik met beperken tot de dataoverdracht bij de DP versie.
Er zijn bij PROFIBUS-DP vier verschillende busacties mogelijk:

  • Communicatie tussen master en systeem configuratie en bedieningsapparatuur.
  • Communicatie tussen configuratie en bedieningsapparatuur en slaves.
  • Communicatie tussen masters onderling.
  • Communicatie tussen master en slaves.

Wanneer er op de bus meerdere masters aangesloten zijn wordt van een multi-master systeem gesproken. Bij het multi-master systeem wordt onderling het token bussysteem toegepast.
Een master kan daarbij alleen communiceren wanneer hij de token heeft. De token wordt steeds, binnen een ingestelde tijd, tussen de verschillende masters, doorgegeven.
Bij de communicatie wordt het master-slave principe toegepast.
In het onderstaande figuur staat de opbouw van de frames weergegeven.


Figuur 13: frameopbouw

De transmissie tussen de master en de slave is in drie fasen te verdelen:

  • Parameterinstelling
  • Configuratie
  • Dataoverdracht

Tijdens de parameterinstelling en de configuratiefase wordt de configuratie van de slave vergelijken met de gegevens die in de master zijn ingesteld. Wanneer deze overeenkomen gaat het systeem over naar de overdrachtsfase. Deze test voorkomt parameterfouten tijdens het proces.
Ook bij PROFIBUS moet elke deelnemer een eigen adres hebben.
PROFIBUS maakt op twee niveaus gebruik van adressen:
Het netwerk adres 0 t/m 126 en per netwerkadres een aantal LSAP’s (Local Service Acces Points) 0 t/m 63, 128 en 255.
Het netwerknummer geeft de deelnemer aan en de ISAP de functie binnen de deelnemer.
Het is dus mogelijk dat een PROFIBUS deelnemer meerdere functies heeft, dit wordt door de fabrikant bepaald.

7 Overdrachtsprotocol

De overdracht van data is bij PROFIBUS, teken georiënteerd. Elk overgedragen teken bestaat uit 11 bits, 3 stuurbis en 8 databits. Dit wordt een UART-teken genoemd.


Figuur 14: pakket

De overdracht gaat altijd bloksgewijs n z.g.n. telegrammen. De telegrammen komen in vier formaten voor:

  • Met vaste informatie veldlengte zonder data (L=3, zie het gekleurde vak).
  • Met vaste informatie veldlengte (L=11) met data.
  • Met variabele informatie veldlengte (L= 4 tot 249)
  • Token-telegram.
Figuur 15: Tekenverklaring
Tekenverklaring:
SD1 ... SD4 Startbyte (Start Delimiter)
FCS Testbyte (Frame Check Sequence)
DA Doeladres (Destination Address)
SA Bronadres (Source Address)
FC Controlebyte (Frame Control)
LE, Ler Lengtebyte (Length)
ED Eindbyte (End Delimiter)

8 Beveiliging

Wanneer er in een telegram een fout vastgesteld wordt doordat bijvoorbeeld de testbyte niet de juiste waarde heeft, dan wordt de opdracht niet uitgevoerd.
De opdracht moet nu herhaald worden. PROFIBUS is in staat om dit zelf te regelen.

9 Literatuuropgave

Welkom op Engineering-online.nl
hier ben je nu: Bussystemen / Profibus