Panoramica completa del protocollo
PROFIBUS: Introduzione
PROFIBUS non è un sistema di comunicazione, ma una varietà di protocolli costruiti sullo stesso pacchetto di tecnologia field-bus. Gli utenti possono combinare varietà di protocolli PROFIBUS con il proprio software e altri requisiti, ottenendo un profilo applicativo unico. Con molti profili disponibili, PROFIBUS può soddisfare esigenze specifiche. Una cosa rimane la stessa, però. Attraverso test approfonditi, i dispositivi PROFIBUS soddisfano un elevato standard di qualità che si addice a una rete di alta qualità.
Storia
PROFIBUS è nato da una spinta congiunta del governo tedesco, aziende tedesche e altri leader del settore alla fine degli anni 1980. Il loro sforzo ha creato una soluzione di automazione che non solo è ancora praticabile oggi, ma ha portato a ulteriori soluzioni. L’orgoglioso patrimonio di PROFIBUS consente a molti clienti europei di rivolgersi all’automazione specifica per le loro esigenze.
Origine
Nel 1987, 21 aziende e istituzioni in Germania hanno unito le forze per creare un nuovo protocollo. Il loro obiettivo era quello di creare un sistema di bus di campo bit-seriale. Affinché il sistema fosse fattibile, avevano bisogno di standardizzare l’interfaccia del dispositivo di campo. Il gruppo, che aveva preso il nome di Associazione Centrale per l’industria elettrica (ZVEI), ha completato il suo obiettivo con la creazione di PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification).
Questo nuovo protocollo ha soddisfatto la standardizzazione dell’Automazione Industriale attraverso un protocollo in grado di inviare comunicazioni complesse. Lo ZVEI non era finito, però. Nel 1993, il gruppo ha introdotto un nuovo standard, PROFIBUS DP (Decentralized Periphery). Questa nuova versione ha caratterizzato più semplicità, tra cui la configurazione più facile e messaggistica più veloce.
La ZVEI continua a servire l’industria elettronica in Germania. Il loro lavoro per creare PROFIBUS era vitale.
Organizzazioni
Gli standard PROFIBUS vengono mantenuti e avanzati tramite un paio di organizzazioni importanti. Nel 1989, i produttori e gli utenti PROFIBUS hanno creato la PROFIBUS User Organization (PNO). Questo gruppo era, ed è ancora, un’impresa non commerciale. I membri lavorano per far progredire PROFIBUS attraverso il supporto e l’istruzione, inclusa la pubblicazione di documenti che aiutano gli utenti a soddisfare le loro esigenze utilizzando la tecnologia esistente.
Un gruppo più grande è stato formato nel 1995 e chiamato PROFIBUS International, o PI. Come la più grande associazione di utenti di bus di campo al mondo, PI è in grado di svolgere molte attività vitali per la progressione di PROFIBUS. Come il PNO, PI educa gli utenti su PROFIBUS e aiuta a far avanzare il suo posizionamento in tutto il mondo. L’organizzazione va oltre, però, aiutando con la garanzia della qualità, la definizione di standard e lo sviluppo di nuove tecnologie PROFIBUS.
Panoramica
PROFIBUS è una tecnologia intelligente, field-bus. I dispositivi sul sistema si collegano a una linea centrale. Una volta connessi, questi dispositivi possono comunicare le informazioni in modo efficiente, ma possono andare oltre i messaggi di automazione. I dispositivi PROFIBUS possono anche partecipare all’autodiagnosi e alla diagnosi della connessione. Al livello più elementare, PROFIBUS beneficia del design superiore dei suoi livelli O e della topologia di base.
Modello O
Le reti PROFIBUS utilizzano tre strati separati del Modello di reteSI . Innanzitutto, PROFIBUS descrive il livello dell’applicazione. Esistono più versioni di PROFIBUS che gestiscono diversi tipi di messaggistica a livello di applicazione. Alcuni dei tipi di messaggistica supportati da PROFIBUS includono lo scambio di dati ciclici e aciclici, la diagnosi, la gestione degli allarmi e la messaggistica isocrona.
PROFIBUS non definisce i livelli da tre a sei. Tuttavia, definisce il collegamento dati e i livelli fisici, i livelli uno e due. Il livello di collegamento dati viene completato tramite un collegamento dati bus di campo o FDL. Il sistema FDL combina due schemi comuni, la metodologia master-slave e il passaggio di token. In una rete master-slave, i master, di solito controllori, inviano richieste a slave, sensori e attuatori. Gli schiavi rispondono di conseguenza. PROFIBUS include anche il token passing, un sistema in cui viene passato un segnale “token” tra i nodi. Solo il nodo con il token può comunicare. Il concetto di passaggio di token è come la conchiglia parlante; solo la persona con la conchiglia è autorizzata a parlare.
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Infine, PROFIBUS definisce un livello fisico, anche se lascia spazio alla flessibilità. I sistemi PROFIBUS possono avere tre tipi di supporti. Il primo è un sistema di cablaggio twisted-pair standard, in questo caso RS485. Sono inoltre disponibili due sistemi più avanzati. I sistemi PROFIBUS possono ora operare utilizzando la trasmissione in fibra ottica nei casi in cui ciò sia più appropriato. Un sistema di sicurezza potenziato chiamato Manchester Bus Power, o MBP, è disponibile anche in situazioni in cui l’ambiente chimico è soggetto a esplosioni.
Topologia
PROFIBUS utilizza la topologia bus. In questa topologia, una linea centrale, o bus, è cablata in tutto il sistema. I dispositivi sono collegati a questo bus centrale. Un bus elimina la necessità di una linea a tutta lunghezza che va dal controller centrale a ogni singolo dispositivo.
In passato, ogni dispositivo PROFIBUS doveva collegarsi direttamente al bus centrale. I progressi tecnologici, tuttavia, hanno reso possibile un nuovo sistema “a due fili”. In questa topologia, il bus centrale PROFIBUS può connettersi a un sistema Ethernet ProfiNet. In questo modo, più bus PROFIBUS possono connettersi tra loro.
Tipi di PROFIBUS
PROFIBUS ha avanzato attraverso una manciata di revisioni. In alcuni casi, i progressi hanno portato a un nuovo tipo di PROFIBUS. In altri casi, nuove revisioni significano versioni diverse dello stesso tipo di PROFIBUS. In ogni caso, la varietà di soluzioni PROFIBUS significa che il sistema può essere adattato alle diverse esigenze dei diversi settori.
PROFIBUS FMS
La versione iniziale di PROFIBUS era PROFIBUS FMS, Fieldbus Message Specification. PROFIBUS FMS è stato progettato per comunicare tra controllori programmabili e PC, inviando informazioni complesse tra di loro. Sfortunatamente, essendo lo sforzo iniziale dei progettisti PROFIBUS, la tecnologia FMS non era così flessibile come necessario. Questo protocollo non era appropriato per messaggi meno complessi o comunicazioni su una rete più ampia e complicata. Nuovi tipi di PROFIBUS soddisferebbero tali esigenze. PROFIBUS FMS è ancora in uso oggi, anche se la stragrande maggioranza degli utenti trova soluzioni più recenti più appropriate.
PROFIBUS DP
Il secondo tipo di PROFIBUS è più universale. Chiamato PROFIBUS DP, per periferia decentralizzata, questo nuovo protocollo è molto più semplice e veloce. PROFIBUS DP è utilizzato nella stragrande maggioranza dei profili applicativi PROFIBUS attualmente in uso. I profili delle applicazioni consentono agli utenti di combinare i loro requisiti per una soluzione specifica e saranno discussi in modo più dettagliato a breve.
PROFIBUS DP ha, di per sé, tre versioni separate. Ogni versione, da DP-V0 a DP-V1 e DP-V2, fornisce funzionalità più recenti e più complicate.
PROFIBUS PA
PROFIBUS PA è un protocollo progettato per l’automazione di processo. In realtà, PROFIBUS PA è un tipo di profilo applicativo PROFIBUS DP. PROFIBUS PA standardizza il processo di trasmissione dei dati misurati. Ha una caratteristica unica molto importante, però. PROFIBUS PA è stato progettato specificamente per l’uso in ambienti pericolosi.
Nella maggior parte degli ambienti, PROFIBUS PA opera su supporti twisted pair RS485. Questo supporto, insieme con il profilo dell’applicazione PA supporta il potere sopra il bus. In ambienti esplosivi, però, che il potere può portare a scintille che inducono esplosioni. Per gestire questo, PROFIBUS PA può essere utilizzato con Manchester Bus Powered technology (MBP).
Tecnologia MBP
Il supporto MBP è stato progettato specificamente per essere utilizzato in PROFIBUS PA. Consente la trasmissione di dati e potenza. La tecnologia passi il potere verso il basso, però. Una potenza minore riduce, o quasi elimina, la possibilità di esplosione. Gli autobus che utilizzano MBP possono raggiungere i 1900 metri e possono supportare i rami. Profili applicativi
PROFIBUS può essere adattato alle esigenze specifiche utilizzando i profili applicativi. Ci sono molti profili che combinano standard per i media di trasmissione, protocollo di comunicazione (FMS, DP-V0, ecc protocols), e protocolli unici. Ogni profilo di applicazione è su misura per un uso specifico, e nuovi profili appaiono regolarmente. Elencarli tutti sarebbe ingombrante.
Alcuni profili di applicazione sono diffusi, però. Due esempi sono PROFIsafe e PROFIdrive. PROFIsafe
PROFIsafe utilizza software aggiuntivo per creare una rete ad alta integrità. Questa rete è utile in situazioni in cui un’elevata sicurezza è un requisito. Affinché fornitori e produttori siano certificati in PROFIsafe, devono mantenere elevati standard di qualità.
PROFIdrive
PROFIdrive è stato creato per le applicazioni di controllo del movimento. Il software aggiunto alla specifica PROFIBUS DP consente alla rete di ottenere un controllo preciso dei servomotori e di altre apparecchiature. Così PROFIdrive può raggiungere la sincronizzazione attraverso la rete.
Garanzia della qualità
L’organizzazione utenti PROFIBUS ha creato un programma di test di conformità per garantire che i dispositivi soddisfino standard elevati. In questo programma, un dispositivo viene inviato a un laboratorio indipendente per i test. Il dispositivo viene quindi sottoposto a una serie completa di test, tra cui hardware, Conformità e test di funzionalità, tra gli altri. I risultati dei test sono documentati
Quando un dispositivo supera tutti i test, il produttore può richiedere un certificato di conformità. Il certificato è valido per tre anni e può essere rinnovato con ulteriori test.
| Attribute | Rating |
| PRIMARY VENDOR | Siemens |
| PRIMARY ADVANTAGES | Very Fast and Simple Integration to Siemens PLCs | Acceptance in Europe |
| PRIMARY ADVANTAGES | Expensive ASIC Required, No Power over the Bus, Expensive Connectors |
| NETWORK SPEED | 12 Meg |
| DUPLICATE ADDRESS DETECTION | None |
| MAXIMUM FRAME SIZE | 244 Bytes |
| CONNECTORS | Enhanced DB-9 for Profibus Speed |
| CONNECTORS | None – Half Duplex Protocol |
| BANDWIDTH UTILIZATION | Medium to Low | Frame Size larger than most applications require |
| MAXIMUM NUMBER NODES | 126 with 32 Maximum per segment |
| MESSAGING TYPES | Two Types (Messaging and I/O) |
| PRIMARY COMMUNICATION METHODS | Half Duplex Master Slave |
| MAX I/O PER PACKET | 244 Bytes |
| LARGE MESSAGE FRAGMENTATION | No |
| TYPICAL CYCLE TIMES | 10 mec |
| SPONSORING ORGANIZATION | Profibus User Organization (PNO) |
| CONNECTOR COST | Expensive Drivers and Interface for 12Meg Speed |
| TYPICAL FLASH REQUIRED | ASIC Plus 5K in Processor |
| TYPICAL RAM REQUIRED | 5K | Varies with I/O Supported |