PROFIBUS PA

1
PROFIBUS PA
2
Základné charakteristiky

• PROFIBUS je normou definovaný otvorený štandard,
  použitelný v rôznych aplikáciách, ako je
  priemyselná výroba, riadenie výrobných procesov,
  riadenie technológií, riadení dopravy,
  zabezpecení prevádzky budov a pod.

3

• Otvorenost systému a takisto aj kompatibilita
  medzi výrobcami je zabezpecená štandardom EN 50
  170 a EN 50 254.
• PROFIBUS PA
• navrhutý pre procesnú automatizáciu,
• dovoluje pripojit senzory a akcné cleny na jednu
  spolocnú zbernicu v nebezpecných prostrediach,
• využíva na prenos informácií a napájanie len dva
  vodice podla štandardu IEC 1158-2.

4
Štruktúra protokolu

• PROFIBUS špecifikuje technické a funkcné
  chrakteristiky priemyselných komunikacných
  systémov, využívajúcich sériovú komunikáciu od
  najnižšej úrovni decentralizovaných zariadení až
  po skupinovú úroven. Definuje sa MASTER a SLAVE
  zariadenie.
• MASTER zariadenie rozhoduje o komunikácii na
  zbernici. Ak má právo na vysielanie (token), môže
  poslat 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. Vysielat 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.

5
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 mechaniz
  mus prístupu na siet
• 7. vrstvu - APLIKACNÚ táto vrstva definuje služby 
  potrebné pre realizáciu komuni -kácie
  z hladiska užívatela (aplikacné funkcie)

6

• PROFIBUS-PA využíva rozšírený PROFIBUS DP
  protokol. Profil PA je definovaný štandardom IEC
  1158-2 (prúdová slucka) pre nebezpecné
  prostredia, ktorý taktiež umožnuje napájat
  zariadenia priamo zo zbernice. Zariadenia
  PROFIBUS PA môžu byt lahko zlúcitelné so
  zariadeniami PROFIBUS DP použitím väzobných
  clenov.

7
Architektúra protokolu PROFIBUS
8
Médiá fyzickej vrstvy

• Rôzne podmienky (bezpecnost prenosu, rozlahlost
  siete, prenosová rýchlost, napájanie aj
  komunikácia po spolocnom vedení, nebezpecné
  prostredia, ale aj cena) predurcujú použitie
  rôznych médií pre fyzickú vrstvu. Pretože je teda
  nemožné vyhoviet súcasne všetkým požiadavkám,
  poskytuje štandard PROFIBUS nasledovné varianty
• zbernica RS 485 pre DP/FMS
• prúdová slucka IEC 1158-2 pre PA
• optické vlákno

9
Prúdová slucka IEC 1158-2 pre PA

• Zbernica podla štandardu IEC 1158-2 splnuje
  požiadavky aplikácií v chemickom a petrochemickom
  priemysle. Zarucuje iskrovú bezpecnost a takisto
  umožnuje napájat 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 kludovom stave odoberá každé zariadenie
  konštantný prúd,
• každé zariadenie pracuje ako pasívny prúdový
  spotrebic,
• segment je ukoncený na oboch koncoch pasívnym
  terminátorom,
• štruktúra siete môže byt zbernicová, stromová,
  alebo hviezdicová,
• na zvýšenie spolahlivosti sa vytvára redundantný
  sietový segment.
• Pre moduláciu sa predpokladá kludový prúd
  minimálne 10 mA pre napájanie každého zariadenia
  na sieti. Logické úrovne sú generované
  vysielajúcim zariadením moduláciou 9 mA na
  kludový prúd.

10
Vlastnosti siete

• Typ prenosu
• císlicový, synchrónny, Manchesterské kódovanie
• Prenosová rýchlost
• 31.25 kbit/sec, napätový mód
• Ochrana dát
• kontrolné start a end bity
• Vedenie
• krútená dvojlinka (tienená/netienená)
• Napájanie
• možné aj cez datové vodice
• Nebezpecné prostredia
• iskrová bezpecnost
• Topológia
• zbernicová, alebo stromová a ich kombinácie
• Pocet staníc
• max. 32 na jeden segment, celkovo 126
• Opakovac (repeater)
• možné použit max. 4 opakovace

11
Pokyny pri inštalácii siete IEC 1158

• Siet IEC 1158 sa pripája k zbernici RS 485
  (Profibus DP) cez prevodník, ktorý prevádza
  signály RS 485 na prúdovú slucku. Napájanie
  slucky je obmedzené použitým zdrojom prevodníka.
• Profibus PA umožnuje použit 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 pozdlž vedenia. Pri
  stromovej štruktúre sú všetky zariadenia segmentu
  pripojené paralelne na sietový rozdelovac.

12
Zapojenie siete IEC 1158. Kombinácia oboch
topológií optimalizuje siet pre existujúce
požiadavky (dlžka siete, pocet zariadení).
13

• Doporucené vlastnosti vedenia pre IEC 1158
• Typ káblu krútená tienená dvojlinka
• Prierez vodica (nominálny) 0.8 mm2 (AWG 18)
  
• Odpor slucky 44 W / km
• Impedancia pri 31.25 kHz 100 W _ 20
  
• Útlm na 39 kHz 3 dB / km
• Kapacitná nesúmernost 2 nF / km
• Možné je použit kábel s väcším prierezom,
  podrobnosti sú uvedené v inštalacnej prírucke
  PROFIBUS PA(2.092).
• Oba konce hlavného vedenia sú ukoncené pasívnym
  terminátorom, ktorý obsahuje RC clen (rezistor R
  100W zapojený do série s kondenzátorom C
  1mF). Funkcnost siete neovplyvní polarita
  sietovej stanice, je však doporucené vybavit
  zariadenie automatickou detekciou polarity. Potom
  zariadenie pracuje správne pri akejkolvek
  polarite stanice.
• Pocet staníc pripojených na jeden segment je
  maximálne 32. Toto císlo je dalej obmedzené typom
  iskrovej bezpecnosti a napájaním siete. Pri
  iskrovej bezpecnosti sú max. napätie a prúd
  špecifikované definovanými hodnotami.

14
Štandardné napájacie zdroje
Tab. 1
Typ Oblast aplikácie Napájacie napätie Maximálny prúd Maximálny výkon Pocet 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 bezpecná 24 V 500 mA 12 W 32
pri predpoklade, že každé zariadenie odoberá 10
mA.
15

• Jednoducho možno urcit maximálnu dlžku vedenia
  nasledovneVypocíta sa požadovaný prúd, z tab. 1
  sa vyberie napájací zdroj a z tab. 2 sa urcí
  maximálna dlžka vednia. Požadovaný prúd je sumou
  prúdov všetkých zariadení(procesné zariadenia,
  rucné operátory, opakovace, oddelovac siete a
  prahový prúd pre FDE (Fault Disconnect
  Equipment)) Tento prúd može byt vypocítaný pre
  každé zariadenie pripojené na siet ako rozdiel
  medzi prúdom v prípade poruchy a prúdom pri
  funkcnej sieti. Zariadenie s najvyšším prahovým
  prúdom má prednost.

16
Externé napájanie zariadení
Pripojenie zariadení s externým napájaním k sieti
v nebezpecnom prostredí je dovolené ak je
zariadenie zabezpecené dostatocnou izoláciou a
splna podmienky normy EN 50 020.
Tab. 2 - Dlžky vodicov pre typy nap. zdrojov (IEC
1158-2).
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
S požadovaného prúdu 110 mA 110 mA 250 mA 110 mA 250 mA 500 mA
Dlžka vedenia pre q0.8 mm (ref) 900 m 900 m 400 m 1900 m 1300 m 650 m
Dlžka vedenia pre q1.5 mm (ref) 1000 m 1500 m 500 m 1900 m 1900 m 1900 m
17
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 dvojvodicová 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.

18
Obr. Prenos dát v PROFIBUSe PA
19
Realizácia PA zariadení

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

20
Obr. Realizácia PA zariadenia s SIM1 a SPC4