PROFIBUS. Índice. Comunicaciones Industriales

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1 PROFIBUS Comunicaciones Industriales Índice TEMA PROFIBUS 1. - Introducción 1.1 Características Generales 1.2 Arquitectura de PROFIBUS 2. Nivel Físico - PHY 2.1 Generalidades 2.2 Topología 2.3 Método de Transmisión 3. - Nivel de Enlace - FDL 3.1 Protocolo de Transmisión 3.4 Tiempos de PROFIBUS 3.4 Servicios FDL 4. Servicios FMA1/2 5. PROFIBUS FMS 5.1 Características FMS 5.2 Elementos FMS 5.3 Servicios FMS 6. Servicios FMA7 7. PROFIBUS DP 7.1 Características DP 7.2 Tipos de Dispositivos 7.3 Tipos de Comunicación

2 Introducción Definición y Estándares Organización de Usuarios de PROFIBUS Características Generales Características Técnicas PROFIBUS & OSI Arquitecturas PROFIBUS Niveles de aplicación Definición y Estándares PROcess FIeld BUS PROFIBUS es un estándar de bus de campo abierto independiente del fabricante Origen Alemán Estándar europeo EN , a partir de la norma alemana DIN Empleado para interconexión de dispositivos de campo de entrada/salida simples con PLCs y PCs Amplio rango de aplicaciones en automatización de fabricación, procesos y construcción

3 Profibus User Organization Administrar y desarrollar la tecnología PROFIBUS Integrar por fabricantes, usuarios e instituciones investigadoras Certificar y asegurar la calidad de los productos que siguen el estándar Crear un catálogo con todos los productos que soportan este estándar Proponer PROFIBUS como estándar internacional Desarrollar herramientas y equipos de mantenimiento Características Generales (I) OBJETIVO de un bus de campo como PROFIBUS Interconexión de dispositivos digitales de campo o sistemas de bajas o medias prestaciones Sensores, actuadores, transmisores, PLCs, Controladores Numéricos, PCs, interfaces hombremáquina, etc.

4 Características Generales (II) Transmite pequeñas cantidades de datos Cubre necesidades de tiempo real Tiene gran compatibilidad electromagnética Qué VENTAJAS ofrece PROFIBUS? Número reducido de estaciones Fácil configuración Ampliación o reducción de elementos Plug & Play Bajos costes de conexión y cableado Pseudoconsistente con OSI Permite integrar los dispositivos menos inteligentes Protocolos simples y limitados Características Generales (III) Dos tipos de estaciones: Maestras (activas): pueden controlar el bus y transferir mensajes sin una petición remota, si está en posesión del testigo Esclavas (pasivas): sólo pueden reconocer mensajes recibidos o transferir datos después de una petición remota La configuración mínima es una de las siguientes: dos maestras una estación maestra y una esclava

5 Características Generales (IV) Anillo Lógico entre Estaciones Maestras Estaciones Activas, Dispositivos Maestros PLC Token Token PLC Maestro-esclavo PROFIBUS Estaciones Pasivas, Dispositivos Esclavos Características Técnicas (I) Topología de red: Redundancia: Transmisión: bus lineal o en árbol con terminadores un segundo medio de transmisión es opcional halfduplex, asíncrona, sincronización por start/stop, sin bit stuffing Acceso al bus: híbrido paso de testigo entre las estaciones maestras maestro/esclavo entre maestra y esclavas Direccionamiento: 7 bits (rango de dirección: de 0 a 127) 127: dirección global para broadcast y multicast Extensión de las direcciones para direcciones regionales, direcciones de segmento y direcciones puntos de acceso a servicios (LSAP)

6 Características Técnicas (II) Servicios de transferencia: Acíclicos: Send Data with/without Acknowledge Send and Request Data with Reply Cíclicos (polling):cyclic Send and Request Data with Reply Longitud de trama: hasta 255 bytes por trama de 0 a 246 octetos de datos de la capa 2 por cada Data Unit sin extensión de dirección Características Técnicas (III) Integridad de los datos: mensajes con distancia Hamming (HD) = 4, detección de deslizamiento de sincronismo, secuencia especial para evitar pérdida y multiplicación de los datos Número de estaciones: 32 por segmento hasta 127 usando repetidores Velocidad de transmisión: depende del medio. Según la norma RS 485, cable tipo A de par trenzado apantallado: Kbits/s 9,6 19,2 93,75 187, Distanc/seg m 1200 m 1200 m 1000 m 600m 200m PROFIBUS-DP, posterior a la norma, puede alcanzar velocidades de hasta 12Mbit/s para distancias de 100 m

7 PROFIBUS & OSI Proceso de Aplicación DIN Parte 2 EN Application Layer Interface (ALI) NIVEL DE APLICACIÓN Fieldbus Message Specification (FMS) Lower Layer Interface (LLI) Fieldbus Management FMA 7 Capas vacías NIVEL DE PRESENTACIÓN NIVEL DE SESIÓN NIVEL DE TRANSPORTE NIVEL DE RED Capas vacías DIN Parte 1 EN NIVEL DE ENLACE Fieldbus Datalink (FDL) NIVEL FÍSICO (PHY) Fieldbus Management FMA 1/2 Familia PROFIBUS EN Volume 2 PROFIBUS-FMS Automatización de Propósito General - Amplio rango de aplicaciones - Nivel de célula - Flexibilidad - Tareas de comunica. complejas - Comunicación Multi-maestro PROFIBUS-DP Automatización de planta - Alta velocidad. Rápida - Plug & Play - Eficiente y barato - Comunicación de sistemas de control y E/S distribuidas a nivel de dispositivo PROFIBUS-PA Automatización de procesos - Orientado a la aplicación - Alimentación de los dispositivos a través del bus - Seguridad intrínseca

8 EN El Protocolo PROFIBUS es Acorde con el Modelo de Referencia para Sistemas Abiertos OSI/ISO FMS DP PA Usuario Layer FMS Device Profiles DP-Profiles PA-Profiles DP-Extensions DP Basic Functions Aplicación (7) Fieldbus Message Specification (3)-(6) Enlace de Datos (2) Físico (1) not used Fieldbus Data Link (FDL) RS-485 / Fiber Optic Interface IEC IEC EN PROFIBUS guidelines + profiles Niveles de Aplicación Nivel de Planta Tiempo de Ciclo de Bus < 1000 ms Ethernet/TCP/IP CNC Controlador de Área TCP/IP/Ethernet PC/VME Nivel de Célula Tiempo de Ciclo de Bus < 100 ms VME/PC PLC PROFIBUS-FMS DCS Nivel de Campo PROFIBUS-DP PROFIBUS-PA Tiempo de Ciclo de Bus < 10 ms

9 Nivel Físico PHY GENERALIDADES TOPOLOGÍA CABLEADO Generalidades Línea Serie RS-485: línea de transmisión balanceada Topología: Bus lineal con terminadores en ambos extremos Medio de transmisión: Par trenzado y apantallado Longitud: <=1200 m, dependiendo de la velocidad Número de estaciones: 32 (maestros, esclavos y repetidores) Velocidad: 9.6 / 19.2 / kbits/s si longitud <=1200 m 187,5 kbit/s si longitud <=1000m 500 kbit/s si longitud <=600m 1500 kbit/s si longitud <=200m 10/12 Mbit/s si longitud <=100m Transceiver chip: SN75176 A, DS3695 u otros

10 Topología (I) Repetidores: La longitud del bus y el nº de estaciones puede ser incrementado mediante el uso de repetidores (amplificadores bidireccionales) Máximo de 32 estaciones (maestras, esclavas o repetidores) por segmento de bus 2 topologías: Lineal, con un máximo de 3 repetidores entre 2 estaciones Árbol, permite más de 3 repetidores Topología (II) LINEAL (3 repetidores y 122 estaciones, config. máx.) Sección 1: máximo de 31 estaciones + 1 repetidor Maestro o esclavo Sección 2: máximo de 30 estaciones + 2 repetidores Repetidor Terminador de bus Sección 3: máximo de 30 estaciones + 2 repetidores Sección 4: máximo de 31 estaciones + 1 repetidor

11 Topología (III) ÁRBOL ( 127 estaciones, nº máx, y 5 > 3 repetidores) Sección 1 max 31 estaciones Sección 2 max 31 estaciones Sección 3 max 28 estaciones Sección 5 max 30 estaciones Maestro o esclavo Sección 4 max 31 estaciones Repetidor Sección 6 max 31 estaciones Terminador de bus Interfaz Nivel Físico - Nivel FDL FDL Fieldbus Data Link Layer PHY Physical Layer FMA1/2 (Fieldbus Management Layers 1 and 2) Medio Físico

12 Interacción y Primitivas estación 1 PHY_DATA.req estación n PHY_DATA.ind 2 primitivas: PHY_DATA.request (FDL_symbol) PHY_DATA.indication (FDL_symbol) FDL_symbol puede tomar los valores: ZERO que correponde al valor binario 0 ONE que correponde al valor binario 1 SILENCE que deshabilitar el transmisor cuando no se envía ningún FDL symbol Nivel de Enlace FDL PROTOCOLO DE TRANSMISIÓN PASO DEL TESTIGO TIEMPOS DE ROTACIÓN DE TESTIGO PRIORIDADES TIEMPOS DE PROFIBUS TRAMAS FDL SERVICIOS FDL

13 Protocolo de Transmisión (I) El intercambio de mensajes tiene lugar en ciclos. Un Ciclo de Mensaje (action frame), consiste en el envío de una trama por una estación maestra y el reconocimiento o la respuesta, por parte de la maestra o esclava correspondiente Las únicas excepciones a este ciclo (ciclo sin reconocimiento) son: la transmisión de datos sin reconocimiento la transmisión del testigo Todas las estaciones, excepto la emisora monitorizan las peticiones y responden cuando son direccionadas Protocolo de Transmisión (II) El reconocimiento o la respuesta llegará dentro de un tiempo predefinido Slot Time, de no ser así el iniciador repite la petición si no es una primera petición. Un reintento o una nueva petición no se emitirá por el iniciador antes de la expiración de un periodo de espera, el Idle Time. Si el esclavo no responde tras un predefinido número de reintentos se marca como no operativo y las siguientes peticiones que se le hagan no habrá reintentos

14 Recepción del Testigo(I) La comunicación es siempre iniciada por la estación que posee el testigo. Todas las estaciones, excepto la iniciadora, monitorizan todas las peticiones, pero sólo responden las que identifiquen su dirección en el mensaje El testigo se pasa de estación en estación según el orden numérico ascendente de las direcciones de estación. La estación con dirección más alta se lo pasa a la de dirección más baja Cada estación (TS=This Station) conoce su predecesora (PS=Previous Station) y su sucesora (NS=Next Station). Estas direcciones han sido determinadas durante la inicialización y, más tarde, se aplica periódicamente un algoritmo para reconocer los cambios Recepción del Testigo(II) TS<NS<PS PS<TS<NS PS<TS<NS NS<PS<TS PROFIBUS Cada estación guarda una lista de estaciones activas (LAS). Si una maestra recibe el testigo de una estación que no está marcada en su LAS como su predecesora (PS), no lo aceptará. Si se produce un reintento de la misma PS, la estación asumirá que el anillo lógico ha cambiado y marcará la nueva maestra en la lista como su predecesora

15 Tiempos de Rotación de Testigo Una vez que una maestra recibe el testigo comienza a contar el tiempo de rotación real del testigo (Real Rotation Time TRR), que acabará cuando se reciba el próximo testigo El tiempo máximo que debería tardar el testigo en volver es el tiempo de rotación objetivo (Target Rotation Time TTR). Se define en función del número de estaciones maestras que pueda haber, la duración de los ciclos de mensajes de alta prioridad y un margen suficiente para los mensajes de baja prioridad y los posibles reintentos (se parametrizan con este valor todas las estaciones activas) El tiempo de mantenimiento de testigo (Token Holding Time TTH) es el tiempo que dispone la maestra para sus tareas, en ese ciclo y es la diferencia de tiempo entre el TTR y el TRR : T TH = T TR -T RR Prioridades El usuario de la capa FDL (la capa de aplicación) puede elegir para los mensajes dos prioridades: baja o alta Cuando una maestra recibe el testigo siempre procesa primero los mensajes de alta prioridad y luego los de baja prioridad Una vez que un ciclo de mensaje, sea de alta o de baja prioridad, es iniciado, siempre debe concluirse, incluyendo los reintentos si son necesarios Independientemente del TRR, por cada recepción del testigo, cada maestra debe ejecutar al menos un ciclo de alta prioridad, incluyendo los reintentos en caso de error La prolongación del TTH provocada por algunos de estos casos dará lugar al acortamiento del tiempo para los ciclos de mensajes en la próxima recepción del testigo

16 Modos de Operación Paso y recepción del token: descrito anteriormente Modo de petición o envío/petición acíclico: el controlador FDL de la estación maestra ejecuta ciclos de mensaje individuales a petición del usuario local, una vez que está en posesión del testigo Modo de envío/petición cíclico: la estación activa sondea varias estaciones cíclicamente para intercambiar datos. El sondeo sigue una secuencia predefinida en la Poll List, suministrada por el usuario local de FDL. El sondeo se realiza siempre después de procesar los mensajes de alta prioridad Petición del estado FDL de todas las estaciones: el usuario local solicita la lista de estaciones existentes (Live List). Se envía cíclicamente una trama Request FDL Status a todas las direcciones posibles excepto las incluidas en la lista LAS. Las estaciones que respondan positivamente y las maestras ya en la LAS forman la Live List. Este proceso se lleva a cabo después de los mensajes de baja prioridad Procedimientos de Manejo de Mensajes Recepción del token Resetear y liberar T RR (up) T TH T TR -T RR Liberar T TH (down) m=p_len? no m =m+1 si m =1 T TH < 0 si no Polling sobre miembro de la Poll_List no Alta prioridad? Alta prioridad? no si T TH < 0 si Procesar mensaje alta prioridad si Procesar mensaje alta prioridad no m=p_len? no no T TH < 0 si no Gap update Baja prioridad? si si Procesar mensaje baja prioridad T TH < 0 no Pasar el token

17 Tiempos de PROFIBUS OBJETIVOS DE LOS TIEMPOS Monitorizar la actividad del bus para determinar errores Sincronizar las diferentes estaciones DEFINICIÓN DE TIEMPOS Bit Time: t BIT (Tiempo de Bit) Idle Time: T ID (Tiempo de Estado Ausente o Idle) Slot Time: T SL Time-out: T OUT GAP Update Time: T GUD (Actualización del GAP) Real Rotation Time: T RR (Tiempo de Rotación Real) Target Rotation Time: T TR (Tiempo de Rotación Objetivo) Tramas FDL Carácter de Trama Cada trama consta de un número de caracteres de trama, caracteres UART (UC). Es un carácter start-stop para transmisión asíncrona Orden de la secuencia de bits 1º 2º 3º 4º 5º 6º 7º 8º 9º 10º 11º LSB MSB 0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 P 1 Bit de start Octeto Bit de stop Bit de paridad par La sincronización de bit del receptor siempre empieza con el flanco descendente del bit de start. Todos los bits se muestrean en la mitad del tiempo de bit

18 Tramas FDL LSAP LSAP Link Service Access Point En el interfaz Usuario FDL - Nivel FDL los servicios se procesan a través de un LSAP. Puede haber varios LSAP activos a la vez en maestros o esclavos Deben transmitirse los LSAP con el mensaje. SSAP (Source Service Access Point) es el LSAP del usuario FDL local y se envía dentro del SAE. Valores de 0 a 62. DSAP (Destination Service Access Point) es el LSAP del usuario FDL remoto y se envía dentro del DAE. Valores de 0 a 63. DSAP = 63 dirección de acceso global (sólo en SDA y SDN) Por razones de eficiencia no se envían los LSAP y todo es procesado en el LSAP por defecto. Servicios FDL Interfaz Usuario FDL - Nivel FDL Introducción Interacción de primitivas Parámetros de primitivas SDA SDN SDR CSRD

19 Interfaz Usuario FDL - Nivel FDL USUARIO FDL Servicio FDL FDL Fieldbus Data Link Layer PHY Physical Layer FMA1/2 (Fieldbus Management Layers 1 and 2) Medio Físico Introducción a FDL Los servicios de transferencia de datos son accesibles a través de la capa 2 (FDL), y los servicios de gestión, a través de la capa FMA1/2 asociada a las capas 1 y 2 Los servicios se llevan a cabo usando una serie de primitivas (con sus correspondientes parámetros) denotadas por FDL_XXXX.request. Tras completar el servicio se devuelve al usuario una primitiva FDL_XXXX.confirm. Si ocurre algo inesperado en la estación remota se le indica al usuario por FDL_XXXX.indication Hay cuatro servicios de transferencia de datos: SDA Send Data with Acknowledge SDN Send Data with No Acknowledge SRD Send and Request Data with Reply CSRD Cyclic Send and Request Data with Reply

20 Interacción de Primitivas Maestra origen Maestra/esclava destino FDL_XXX.req FDL_XXX.ind FDL_XXX.con Usuario local FDL local FDL remoto Usuario remoto Parámetros de Primitivas (I) SSAP LSAP del usuario local DSAP LSAP del usuario remoto Si por razones de eficiencia no se emplean LSAP, los campos anteriores toman el valor NIL y se trabaja con el LSAP por defecto Rem_add (Remote_address) Dirección FDL de la estación remota Loc_add (Local_address) Dirección FDL de la estación local L_sdu (Link_service_data_unit) contiene los datos de usuario que van a ser transferidos por el controlador FDL.

21 Parámetros de primitivas (II) Serv_class (Service_class) define la prioridad de los datos High priority (high): mensajes temporales críticos, como alarmas y datos de sincronización y coordinación Low priority (low): datos menos urgentes;datos de proceso, diagnóstico o programa L_status (Link_status) indica el éxito o fracaso de una primitiva de request o si existen o no errores temporales o permanentes. Update_status especifica si los datos han sido pasados o no al controlador FDL Transmit indica si la actualización (Update) se transmite una vez o varias Poll_list SDA SDA (Send Data with Acknowledgement) Permite al usuario en una estación maestra enviar datos a una única estación remota y recibir inmediatamente la confirmación En la estación remota se entrega el L_sdu al usuario remoto, si se ha recibido sin errores Al usuario local la capa FDL le envía confirmación de la recepción de los datos, si ha recibido reconocimiento de la estación remota. Si dentro del Slot Time no se recibe la confirmación, se realizará el número indicado de reintentos, tras los cuales se remitirá un reconocimiento negativo al usuario local Entre la transferencia de los datos y la recepción de su reconocimiento ningún otro tráfico tiene lugar en el bus

22 SDA (II) FDL_DATA_ACK.req (L_sdu) FDL_DATA_ACK.con maestro (L_pdu) maestro/ esclavo FDL_DATA_ACK.ind (L_sdu) 3 primitivas FDL_DATA_ACK.req(SSAP, DSAP, Rem_Add, L_Sdu, Serv_Class) FDL_DATA_ACK.ind(SSAP, DSAP, Loc_Add, Rem_Add, L_Sdu, Serv_Class) FDL_DATA_ACK.con(SSAP, DSAP, Rem_Add, Serv_Class, L_Status) SDN SDN (Send Data with No Acknowledgement) Además de enviar datos a una única estación, permite enviar a todas las estaciones (broadcast) o a un grupo de ellas (multicast) Para estos dos casos los bits 1 a 7 de la dirección destino deben estar a 1 (dirección global 127). El grupo de estaciones para multicast se identifica por una dirección de LSAP El usuario local recibe confirmación de la transferencia de los datos, pero no de si se han recibido correctamente. No hay reintentos Una vez que los datos son enviados alcanzan todos los usuarios remotos a la vez, pero sólo los controladores FDL que identifiquen su propia dirección y que hayan recibido sin error lo pasarán a su usuario remoto

23 SDN (II) maestro FDL_DATA.req (L_pdu) (L_sdu) FDL_DATA.con maestro/ esclavo n FDL_DATA.ind (L_sdu) 3 primitivas FDL_DATA.req(SSAP, DSAP, Rem_Add, L_Sdu, Serv_Class) FDL_DATA.ind(SSAP, DSAP, Loc_Add, Rem_Add, L_Sdu, Serv_Class) FDL_DATA.con(SSAP, DSAP, Rem_Add, Serv_Class, L_Status) SRD (I) SRD (Send and Request Data with Reply) Permite transferir datos a una única estación remota y al mismo tiempo solicitar datos que el usuario remoto había dejado disponibles previamente. La transferencia de datos, en este caso, es opcional Tan pronto como se recibe la trama sin error, se transmiten los datos solicitados El usuario local recibe los datos pedidos o una indicación de que no estaban disponibles (ambos casos suponen la confirmación de la recepción de los datos transferidos) o una confirmación de la no recepción de los datos transmitidos

24 SRD (II) SRD (Send and Request Data with Reply) Si ocurre un error durante la transferencia, la capa FDL del usuario local repite tanto los datos como la petición Entre la transmisión original y la respuesta ningún otro tráfico tiene lugar en el bus SRD (III) maestro maestro o esclavo FDL_REPLY_UPDATE.req (L_sdu) buffer FDL_DATA_REPLY.req (con/sin L_sdu) (L_pdu) FDL_REPLY_UPDATE.con FDL_DATA_REPLY.ind FDL_DATA_REPLY.con (con/sin L_sdu) 5 primitivas (L_sdu) FDL_DATA_REPLY.req(SSAP, DSAP, Rem_Add, L_Sdu, Serv_Class) FDL_DATA_REPLY.ind(SSAP, DSAP, Loc_Add, Rem_Add, L_Sdu, Serv_Class, Update_Status) FDL_DATA_REPLY.con(mismos parámetros que req + L_Status) FDL_REPLAY_UPDATE.req(SSAP, L_Sdu, Serv_Class, Transmit) FDL_REPLAY_UPDATE.con(SSAP, Serv_Class, L_Status)

25 CSRD (I) CSRD (Cyclic Send and Request Data with Reply) La funcionalidad de este servicio es la misma que la del SRD Las acciones se realizan cíclicamente con cada estación de las incluidas en la lista Poll List definida por el usuario local. En la lista también se deben indicar el número y la secuencia de las transferencias y peticiones. En la lista pueden aparecer repetidas las direcciones FDL, para permitir ordenar las estaciones convenientemente Después de cada transferencia y petición se espera una respuesta o confirmación inmediata Durante un CSRD se permiten los servicios acíclicos SDA, SDN y SRD Servicios FMA1/2 Usuario de FDL FDL (Fieldbus Data Link Layer) PHY (Physical Layer) Interface FDL/FMA Interface PHY/FMA Usuario de FMA1/2 Interface Servicio FMA FMA-User/FMA FMA1/2 (Fieldbus Management Layers 1 and 2) Medio Físico

26 Servicios de la Capa FMA1/2 Se llevan a cabo por medio de primitivas del tipo FMA1/2_XXXX.xxxx Los servicios pueden ser opcionales (optional) u obligatorios (mandatory), y referirse a las capas locales o remotas Servicios FMA1/2: Reset FMA1/2 (l, m): resetea (equivalente al power on) las capas PHY, FDL Y FMA1/2. El usuario recibe confirmación Set Value FMA1/2 (l, o): permite asignar nuevos valores a las variables de las capas 1 y 2. El usuario recibe confirmación Read Value FMA1/2 (l, o): permite leer variables de las capas 1 y 2. La rspuestacontiene los valores de las variables especificadas Event FMA1/2 (l y r, m): la capa informa al usuario de sucesos y errores en las capas 1 y 2 Servicios de la Capa FMA1/2 Servicios FMA1/2: Ident FMA1/2 (l y r, o): en una esclava identifica la versión software y hardware de las capas FDL y FMA1/2. En una maestra puede hacer lo mismo co respecto a una estación remota LSAP Status FMA1/2 (l y r, o): permite obtener información sobre los LSAP locales y remotos (en estación pasiva, sólo de los locales) Live List FMA1/2 (r, o): proporciona al usuario en la estación maestra una lista actualizada de las estaciones funcionales en el bus SAP Activate FMA1/2 (l, o): permite habilitar y activar un LSAP local. El usuario recibe confirmación RSAP Activate FMA1/2 (l, o): realiza la misma función que el anterior pero para los servicios con respuesta (SRD y CSRD) SAP Deactivate FMA1/2 (l, o): permite desactivar un LSAP local. El usuario recibe confirmación

27 Nivel de Aplicación FMS CARACTERISTICAS DISPOSITIVO VIRTUAL DE CAMPO OBJETOS DE COMUNICACIÓN RELACION DE APLICACION SERVICIOS FMS EJECUCION DE SERVICIOS RELACIONES DE COMUNICACION Características de FMS (I) Arquitectura Profibus - FMS Proceso de Aplicación Application Layer Interface (ALI) DIN Parte 2 EN NIVEL DE APLICACIÓN Fieldbus Message Specification (FMS) Lower Layer Interface (LLI) Fieldbus Management FMA 7 Capas vacías NIVEL DE PRESENTACIÓN NIVEL DE SESIÓN NIVEL DE TRANSPORTE NIVEL DE RED DIN Parte 1 EN NIVEL DE ENLACE Fieldbus Datalink (FDL) NIVEL FÍSICO (PHY) Fieldbus Management FMA 1/2

28 Características de FMS (II) El nivel de aplicación puede dividirse en: Interfaz de nivel de aplicación (ALI) Relaciona el interfaz del proceso industrial concreto con el interfaz del nivel de aplicación estandarizado en Profibus. Relaciona objetos del proceso industrial con objetos de comunicación que son los conocidos por Profibus Especificación de mensajes de Fieldbus (FMS) Implementa el protocolo entre los dispositivos Genera y codifica las unidades de datos del protocolo (PDU) Decodifica e interpreta la información en recepción Interfaz de bajo nivel (LLI) Relaciona los servicios del nivel 7 aplicación con los servicios de nivel 2 enlace de datos Gestión de red (FMA 7) A través de este parte el usuario accede a las funciones de gestión de red Características de FMS (III) FMS es una normalización de la capa de aplicación diseñada para proporcionar servicios de mensajería entre y con dispositivos programables en entornos CIM. Define un conjunto de objetos FMS que pueden existir dentro de un dispositivo. Define un conjunto de servicios de mensajería para acceder y manipular estos objetos. Define el comportamiento del dispositivo (de los objetos) frente a dicho conjunto de servicios de mensajería.

29 Características de FMS (IV) FMS está optimizado para comunicación de propósito general. Está orientado a la comunicación de objetos entre dispositivos inteligentes a nivel de célula FMS es un subconjunto de las funciones MMS (Manufacturing Message Specification, ISO 9506) definidas en MAP. Comunicaciones orientadas a la conexión pueden ser permanentes o temporales Las principales áreas de aplicación son: Transmisión de gran cantidad de datos p.e. programas, bloques de datos... Integración varias partes del proceso descentralizadas en un proceso común Comunicación entre estaciones inteligentes Dispositivo Virtual de Campo (I) VFD: Virtual Field Device Es el objeto más significativo del FMS. Es un modelo que representa de manera abstracta el comportamiento de las máquinas reales, en sus características comunes, por lo que se refiere a su operación externa visible desde el sistema de comunicaciones La finalidad de este objeto es que todos los servicios se realicen sobre este dispositivo virtual, y por lo tanto, obtener así una independencia de las máquinas reales específicas a las que estos servicios se refieren. La implementación específica de las transformaciones entre las directivas sobre la VFD y las máquinas reales deberán organizarse de manera individualizada para cada máquina real conectada al sistema de conexiones Profibus - FMS.

30 Dispositivo Virtual de Campo (II) Servicios del VFD Servicios de Programas Invocables Bus de campo Programas Dispositivo real PLC Datos de programa Servicios de Dominios Area de Datos Dispositivo virtual Servicios de variables Dispositivo Virtual de Campo (III) Dispositivo de Campo Real Consigna Dispositivo de Campo Virtual (VFD) Presión Nivel Diccionario de Objetos (OD) Temperatura Data Type Dictionary Index Object Code Meaning 1 Data Type Integer 8 2 Data Type Integer 16 6 Data Type Floating Point Static Object Dictionary Index Object Data Internal Symbol code type Address 20 VAR H Presion 21 VAR H Temp. Conexión lógica Conexión lógica Disp. Campo1 VFD Disp. Campo 2 VFD El VFD es la parte visible del Dispositivo Real para la Comunicación

31 Objetos de Comunicación (I) Clasificación de los Objetos de Comunicación Objetos de Comunicación Estáticos Variable Simple: Unidad indivisible Vector: Conjunto de variables simples del mismo tipo Registro: Conjunto de variables simples, no necesariamente del mismo tipo Dominio: Área de memoria conectada lógicamente. Tipo de dato siempre octeto. Evento: Contiene un mensaje importante Objetos de Comunicación Dinámicos Invocación de Programa: Se combinan dominios en una unidad que contiene un programa ejecutable. Lista de Variables: Lista de las descripciones de objetos variables Relación de Aplicación Esquema del Modelo Cliente- Servidor APLICACION CLIENTE Petición Transmisión Recepción PDU de petición PDU de respuesta SERVIDOR Respuesta Recepción Transmisión VMD dominio dominio variable variable

32 Servicios FMS Los servicios FMS se han diseñado especialmente para los dispositivos de fabricación, para su monitorización y control. Manejo del Contexto Initiate Abort Reject Acceso a Variables Read ReadWithType Write WriteWithType PhysicalRead PhysicalWrite InformationReport InformationReportWithType DefineVariableList DeleteVariableList Manejo de OD Soporte del VFD Get OD Status Initiate Put OD UnsolicitedStatus Put OD Identify Terminate Put OD Manejo de Eventos Manejo del Dominios EventNotification InitiateDownloadSequence EventNotification With Type DownloadSegment AcknowledgeEventNotificaton TerminateDownloadSequence AlterEventConditionMonitoring InitiateUploadSequence UploadSegment Manejo de Programas Invocables TerminateUploadSequence CreateProgramInvocation RequestDomainDownload DeleteProgramInvocation RequestDomainUpload Start, Stop, Resume Reset, Kill Ejecución de un Servicio Confirmado CLIENTE Servicio de petición Suministrador del servicio SERVIDOR Servicio de indicación Servicio de confirmación Servicio de respuesta Object Dictionary Index Typ Addr. Name 20 Var 4711 Temp. 21 Var 5000 Press. Service Requester (Client) Application Service Responder (Server) Application 1. Request: Read.req, index = Confirmation: Read.con, with Data 3. Response: Read.res with Data 2.Indication: Read.ind (Index 20) Layer 7 (FMS+LLI) Layers 1/2 (FDL+PHY) Layer 7 (FMS+LLI) Layers 1/2 (FDL+PHY) BUS

33 Ejecución de un Servicio no Confirmado Service Requester (Server) Application 1. Request: Information Report.req (Daten) Layer 7 (FMS+LLI) Layers 1/2 (FDL+PHY) Service Responder (Client) Application 2.Indication: Information Report.ind (Daten) Layer 7 (FMS+LLI) Layers 1/2 (FDL+PHY) BUS Relaciones de Comunicación Relaciones de Comunicación Orientado a Conexión Sin Conexión Maestro - Maestro Maestro - Esclavo Broadcast Multicast Acíclicas Cíclicas Cíclicas Acíclicas

34 Servicios FMA 7 (I) Gestión de Red a Nivel de Aplicación (FMA 7) La gestión de red se encuentra ubicada en la capa FMA 7. Esta capa tiene interfaz con la capa de aplicación, FMS, LLI y FMA ½ Se pueden clasificar: Por su localización: Locales o Remotos Por su tipo: Servicios de gestión de errores, de configuración o de contexto Servicios FMA 7 (II) Gestión de Contexto: Inicialización y liberación de conexiones de gestión Gestión de Errores: Evaluación y diagnóstico de errores en el bus o las estaciones Gestión de Configuración: Todos los parámetros que relacionan una estación con el resto de las estaciones del bus Manejo del contexto FMA7-Initiate FMA7-Abort (sólo del remoto) Manejo de fallos Reset Event (sólo en local) Manejo de Configuración Initiate Load CRL Load CRL Terminate Load CRL Read CRL Set Value Read Value Ident Get Live List LSAP Status (en local y remoto) (sólo local)

35 Servicios FMA 7 (III) Servicios de Gestión Locales Permiten al usuario manipular los objetos de gestión locales a la estación. No provocan actividad en el bus Se pueden clasificar en : Carga, lectura y escritura de la lista CRL de la máquina Lectura y escritura de las variables de gestión (contadores estadísticos) Lectura de la identificación del dispositivo local Lectura de los estados de los LSAPs Reinicialización de la capa FMA 7 Notificación de eventos FMA 7 al usuario Servicios de Gestión Remotos Permiten al usuario manipular los objetos de gestión pertenecientes a otros dispositivos. Se realizan mediante una comunicación orientada a la conexión específica Se pueden indicar los siguientes servicios: Inicialización y terminación de FMA 7 Lectura y escritura de entradas en la CRL remota Lectura y escritura de variables de la capa FDL Lectura del estado de los SAPs del dispositivo PROFIBUS DP CARACTERISTICAS ACCESO AL MEDIO TIPOS DE DISPOSITIVOS TIPOS DE COMUNICACION DESCRIPCION DE DISPOSITIVOS DESARROLLO DE APLICACIONES

36 Características PROFIBUS-DP Requerimientos Tiempo de reacción corto Operación Monomaestro o Multimaestro Protocolo simple, con interfaz de comunicación de bajo coste Excelente diagnóstico Características Cambio de más de 1000 Entradas y Salidas con 32 dispositivos en menos de 10 ms. Método de acceso híbrido Funcionalidad reducida, solución con ASIC sin microprocesador Varios diagnósticos en maestro y esclavo Interfaz de usuario simple Conjunto básico de parámetros y datos de configuración Uso del cableado existente Misma tecnología de transmisión en todas las aplicaciones Tipos de Dispositivos Maestro Clase 1 controlador central que intercambia datos con los dispositivos de I/O conectados (esclavos) determina la velocidad maneja el Testigo (Token) son permitidos varios maestros de clase 1 en una configuración los dispositivos típicos maestros DP clase 1 son PLC, PC Maestro Clase 2 herramienta de diagnosis y arranque, normalmente herramienta de configuración también puede controlar esclavos Estación Esclava estación pasiva que reconoce mensajes o contesta a peticiones

37 Tipos de Comunicación Dos tipos de comunicación uno a uno uno a muchos (Multicast) Pueden darse comunicaciones entre M-DP (clase 1 o 2) y E-DP entre M-DP (clase 2) y M-DP (clase 1) Iniciadores de comunicación el iniciador de comunicación maestro-esclavo es siempre el M-DP el iniciador de la comunicación M-M es siempre el M-DP clase 2 no está definida la comunicación M-DPs de la misma clase Acceso al Medio (I) Protocolo de Transmisión y Acceso al Medio Sistema Monomaestro Estación activa Maestro-DP Clase 1 PLC token

38 Acceso al Medio (II) Procesado Lista de Sondeo Esclavo A Esclavo B Maestro DP Datos de salida Datos de entrada Datos de salida Datos de entrada Petición Respuesta Datos de entrada Datos de salida Esclavo A Esclavo X Esclavo Y Datos de salida Datos de entrada Datos de salida Datos de entrada Petición Respuesta Datos de entrada Datos de salida Esclavo Y Acceso al Medio (III) Protocolo de Transmisión y Acceso al Medio Sistema Multimaestro Maestro-DP clase 1 Maestro-DP clase 2 Maestro-DP clase 1 Token PROFIBUS-DP Esclavo 1Esclavo 2 Esclavo 3 Esclavo 15 Esclavo 20 Esclavo 30 Esclavo 23

39 Tipos de Dispositivos (I) Maestros DP - Clase 1 El maestro DP clase 1 intercambia datos con los esclavos DP cíclicamente. Ejecuta las tareas usando las siguientes funciones del protocolo: Set_Prm and Chk_Cfg. Para la fase de arranque. Para transmitir parámetros a los esclavos-dp. El número de bytes de datos de E/S con un esclavo DP se define durante la configuración Data_Exchange. Realiza el intercambio cíclico de datos de E/S con el esclavo DP asignado Slave_Diag. Lee información de diagnosis del esclavo DP durante el arranque o durante el intercambio cíclico de datos Global_Control. El maestro DP usa comandos de control para informar a los esclavos DP de estados de operación. Los comandos de control pueden enviarse a un esclavo individual o a un grupo especifico de esclavos DP. Tipos de Dispositivos (II) Maestros DP - Clase 2 Los maestros DP clase 2 son dispositivos como, unidades de programación y dispositivos diagnosis y mantenimiento del bus. Además de las funciones descritas para los maestros clase 1 soportan las siguientes funciones: RD_Inp and RD_Outp. Permite lee datos de E/S de los esclavos DP Get_Cfg. Permite lee los datos de configuración actuales de un esclavo DP Set_Slave_Add. Permite al maestro DP asignara una nueva dirección a un esclavo DP, siempre que el esclavo soporte este método de fijar la dirección Adicionalmente, los maestros DP clase 2 soportan funciones para la comunicación con maestros DP clase 1

40 Tipos de Dispositivos (III) Esclavos DP Un esclavo DP sólo intercambia datos de usuario con el maestro DP cuando el maestro DP ha cargado los parámetros y la configuración. Un esclavo DP tiene permitido interrumpir la comunicación para procesar información de diagnosis local e interrumpir al proceso en el maestro DP. Funciones PROFIBUS-DP (I) El bus Profibus-DP ofrece las siguientes funciones básicas Master-Diagnostic Read: Maestros-DP (c1) pueden obtener información de diagnosis de los esclavos-dp asociados. Parameter Up-/Download: Permite la transferencia de parámetros entre dos maestros-dp Activate Bus Parameter: Activa un conjunto de parámetros previamente cargados. Activate/Desactivate DP-slaves: Un maestro-dp puede ser forzado a parar el sondeo de un esclavo-dp o a comenzar de nuevo el sondeo con un esclavo-dp. DP-Slave-Diagnostic Informatión Read: Desde una aplicación se puede leer información de diagnosis de un esclavo-dp Set Parameters of the DP-slave: Activa los parámetros de los esclavos- DP en el arranque del sistema o después de un reset

41 Funciones PROFIBUS-DP (II) Data exchange of the input/output: Permite el intercambio cíclico de datos de E/S entre un maestro-dp (c1) y los esclavos-dp asociados Check configuratión of a DP-slave: El esclavo-dp puede chequear la configuración Send control commands to DP-slaves: Un maestro-dp puede enviar comandos de control especiales a uno o varios esclavos-dp Read configuration data of a DP-Slaves: Un maestro-dp puede leer datos de configuración de un esclavo-dp Read inputs and outputs of DP-slaves: Permite que todos los M- DP puedan leer E/S de un E-DP bajo el control de otro maestro-dp Change station address of a DP-slave: Permite la activación de la dirección de la estación durante la inicialización Funciones PROFIBUS-DP (III) Funciones asociadas a Maestro y Esclavo-DP Un esclavo DP sólo intercambia datos de usuario con el maestro DP cuando el maestro se lo solicita Función Esclavo-DP Maestro_DP Número Servicio Requ Resp Requ Resp de SAP nivel 2 Data_Exchange - M M - SAP-De SRD RD_In - M SRD RD_Outp - M SRD Slave_Diag - M M - 60 SRD Set_Prm - M M - 61 SRD Chk_Cfg - M M - 62 SRD Get_Cfg - M SRD Global_Control - M M - 58 SRD Set_Slave_Add - O SRD M-M-Communication - - O O 54 SRD/SDN DP V1 Services - O O - 51/50 SRD Requ = Petición, Resp = Respuesta, M = Mandatory O = Optional

42 Funciones PROFIBUS-DP (IV) Comunicación Maestro-Maestro, Maestro-Esclavo Maestro Clase 1 - Read Diagnostic Information of DP-S - Parametrization and Configuration checking - Submit Control Commands - Cyclic User Data Exchange Mode - Read the DP-M (c-1) Diagnostic Information of the assoc. DP-S - Upload and download of parameters - Activate Bus Parameters. - Activate / Deactivate DP-S - Select the Operating Mode of DP-M - Reading Diagnosis Parameter Assignment - Configuring Esclavo Maestro Clase 2 - Address-assignment to DP-S - Read Configuration of a DP-S - Read I/O values Un dispositivo puede soportar múltiples funciones, clase 1 y clase 2, clase 1 y esclavo Descripción del Dispositivo Permite una Configuración Abierta Plug and Play Configuración del Sistema Herramienta de configuración PROFIBUS PLC GS D GS D GS D Hojas de Datos de los Dispositivos Electronicos (ficheros- PROFIBUS GSD) GS D GS D GS D

43 Desarrollo de Aplicaciones Tipos de Dispositivos en una Aplicación Maestro Clase 1 Maestro Clase 2 terminación terminación Tipos de Esclavos-DP Compactos Modulares Inteligentes Interacciones Maestro-Esclavo (I) Máquina de estados del esclavo Power_ON/ Reset WAIT_PRM Parametrización Set_Prm, OK WAIT_CFG DATA_EXCH Chk_Cfg, OK Configuración Diagnóstico Intercambio de Datos

44 Interacciones Maestro-Esclavo (II) Fase de inicialización Maestro-DP Esclavo-DP Esclavo DP en el bus preparado para asignación de parámetros y configuración Y Asignación de parámetros al esclavo Configuración del esclavo N Slave diagnosis request (Slave_Diag) Slave_Diag Slave diagnosis response Slave parameter request (Set_Prm) Acknowledgment Set_Prm Check configuration request (Chk_Cfg) Acknowledgment Chk_Cfg Esclavo DP preparado para intercambio de datos Y N Slave diagnosis request (Slave_Diag) Slave diagnosis response Slave_Diag Interacciones Maestro-Esclavo (III) Intercambio de datos (Data_Exchange) I Maestro-DP Esclavo-DP Maestro DP transmite datos de salida a esclavo DP User data request (Data_ Exchange) Reconocimiento del esclavo DP con datos de entrada User data response, low priority

45 Interacciones Maestro-Esclavo (IV) Intercambio de datos (Data_Exchange) II Maestro-DP Esclavo-DP Maestro DP transmite datos de salida a esclavo DP User data request (Data_ Exchange) Reconocimiento del esclavo DP con datos de entrada y llamada de diagnosis a través de respuesta de alta prioridad Maestro DP busca datos de diagnosis del esclavo DP User data response, high priority Slave diagnosis request (Slave_Diag) Slave diagnosis response PROFIBUS-DP V2 (I) Ciclo Profibus-DP variable Ciclo DP Ciclo DP Ciclo DP Parte Cíclica tfijo Parte Acíclica tvariable - Intercambio de datos de E/S t VARIABLE - Servicios de manejo del bus - Inicialización de los esclavos DP - Funciones de diagnosis y alarmas - Lectura y escritura de datos no cíclicos - Comunicación PG/TD/OP - Repetición de telegramas en caso de fallos

46 PROFIBUS-DP V2 (II) Ciclo Profibus-DP constante Ciclo DP constanteciclo DP constanteciclo DP constante t CONST. t t CONST. CONST. Comienzo de ciclo DP constante Parte CíclicaParte Acíclica tfijo t FIJO t VARIABLE Pausa tvariable PROFIBUS-DP V2 (III) Intercambio de datos cruzados Maestro-DP Clase 1 Petición Petición Respuesta Respuesta Respuesta Esclavo DP Esclavo DP Conexión maestro-esclavo (one-to-one) Conexión comunicación cruzada (one-to-many)

47 PROFIBUS-DP V2 (IV) Sincronización Sync_Mode_supp=1 sincronización de datos de salida p.e. arrancar accionamientos en el mismo momento Freeze_Mode_supp=1 sincronización de datos de entrada p.e. lanzar foto de agrupación de entradas Sync y Freeze son dirigidos desde la aplicación El interfaz a la aplicación debe ofrecer la capacidad al usuario para activar estos comandos bajo demanda Los comandos Sync y Freeze están relacionados con grupos PROFIBUS-DP V2 (V) Sync Maestro Esclavo Salidas Físicas ciclo bus 1 DX dato a a Esclavo 1 (2) dato a a Esclavo 2 (2) dato a a Esclavo 3 (1) dato a a Esclavo 4 (2) Sync broadcast a todos Esclavos (group 2) dato a a salidas dato a a salidas dato a a salidas dato a a salidas t ciclo bus 2 DX dato b a Esclavo 1 (2) dato b a Esclavo 2 (2) dato b a Esclavo 3 (1) dato b a Esclavo 4 (2) Unsyncbroadcast a todos Esclavos (group 2) dato a a salidas dato a a salidas dato b a salidas dato a a salidas t

48 PROFIBUS-DP V2 (VI) Sync Maestro Esclavo Salidas Físicas Unsyncbroadcast a todos Esclavos (group 2) b b b dato b a salidas dato b a salidas dato b a salidas dato b a salidas t sincronizado Ciclo bus 3 DX dato c a Esclavo 1 (2) dato c a Esclavo 2 (2) dato c a Esclavo 3 (1) dato c a Esclavo 4 (2) dato c a salidas dato c a salidas dato c a salidas dato c a salidas t PROFIBUS-DP V2 (VII) Freeze ciclo bus 1 DX Freeze Maestro Esclavo Entradas Físicas dato a del Esclavo 1 (2) dato a del Esclavo 2 (2) dato a del Esclavo 3 (1) dato a del Esclavo 4 (2) broadcast a todos Esclavos (group 2) dato a en entradas dato a en entradas dato a en entradas dato a en entradas t ciclo bus 2 DX Unfreeze dato a del Esclavo 1 (2) dato a del Esclavo 2 (2) dato b del Esclavo 3 (1) dato a del Esclavo 4 (2) broadcast a todos Esclavos (group 2) dato b en entradas dato b en entradas dato b en entradas dato b en entradas t

49 PROFIBUS-DP V2 (VIII) Freeze Unfreeze Maestro Esclavo Entradas Físicas broadcast a todos Esclavos (group 2) b b b dato b en entradas dato b en entradas dato b en entradas dato b en entradas t sincronizado Ciclo bus 3 DX dato c del Esclavo 1 (2) dato c del Esclavo 2 (2) dato c del Esclavo 3 (1) dato c del Esclavo 4 (2) dato c en entradas dato c en entradas dato c en entradas dato c en entradas t