Praktyczne aspekty projektowana sieci komunikacyjnej Profibus DP

28 kwietnia 2020

Sieć Profibus DP jest obecna na rynku sieci komunikacyjnych już od ponad 30 lat. Głównym celem inżynierów opracowujących tytułową sieć było stworzenie rozwiązania pozwalającego na realizowanie kompleksowych zadań komunikacyjnych. Opracowanie prostego i szybkiego standardu protokołu PROFIBUS DP  (ang. Decentralized Periphery) sprawiło, że sieć PROFIBUS DP zyskała miano liderem w zakresie rozproszonych sieci polowych. Od momentu swojego powstania jest ciągle rozwijana spełniając wymagania milionów użytkowników.

Na sukces sieci Profibus złożyło się bardzo wiele czynników:

  • sieć Profibus jest otwarta oraz uniwersalna dla producentów i użytkowników,
  • umożliwia integrację wielu systemów automatyki dzięki powszechności jej zastosowania,
  • pozwala zredukować koszty związane z okablowaniem instalacji rozproszonych,
  • dzięki licznym profilom komunikacyjnym oferuje możliwości zastosowania w różnych aplikacjach przemysłowych.

 

Profibus DP dzięki swojej funkcjonalności i otwartości wspiera komunikację pomiędzy urządzeniami różnych producentów. Początkowo protokół sieci dostępny był w wersji DP-V0 umożliwiając cykliczną wymianę danych oraz diagnostykę stacji i modułów, z czasem pojawiły się rozszerzenia DP-V1 oraz DP-V2 wprowadzając nowe możliwości m.in. acykliczną wymianę danych (DP-V1) czy tryb izochroniczny (DP-V2).

 

Standardy sieci PROFIBUS zdefiniowany jest przez europejskie normy EN 50170 i EN 50254. Wraz z innymi systemami sieciowymi sieć PROFIBUS otrzymała również standaryzację jako międzynarodowa norma IEC 61158

 

STRUKTURA SIECI i TECHNOLOGIE TRANSMISJI

Sieć PROFIBUS DP jako medium transmisyjne wykorzystuje standard RS-485 lub światłowód.

Technologia światłowodowa ta wykorzystywana przy wysokim poziomie zakłóceń elektromagnetycznych, transmisji na duże odległości oraz w przypadku wymagania izolacji galwanicznej. Wykorzystuje się tu światłowody szklane oraz plastikowe.

Na rynku dostępne są również urządzenia zapewniające komunikację pomiędzy stacjami poprzez łącza bezprzewodowe np. fale radiowe, podczerwień. Rozwiązania te nie są jednak objęte standardem.

Podstawową i najczęściej stosowaną technologią transmisji danych w sieci PROFIBUS DP jest RS-485. Technologia ta wykorzystywana jest wszędzie tam, gdzie potrzebna jest duża prędkość transmisji, nie występuje wysoki poziom zakłóceń elektromagnetycznych, a obiekt nie jest zagrożony wybuchem. Jako medium transmisyjne stosowana jest miedziana skrętka jednoparowa w ekranie. W strefie zagrożonej wybuchem Ex można wykorzystać technologię transmisji RS-485 IS spełniającą wymagania odnośnie stref iskrobezpiecznych.

Rys.1. Różnicowa transmisja sygnału w RS 485

 

 

Zgodnie ze standardem, nadajnik RS-485 powinien być wyposażony w wyjście różnicowe zapewniające poziom napięcia minimum 1,5V , podczas gdy odbiornik RS-485 powinien odbierać sygnały różnicowe o wartości co najmniej 200mV . Granice  te pozwalają zrealizować niezawodną transmisję nawet w przypadku wystąpienia znacznych strat sygnału w poszczególnych elementach toru transmisyjnego. Zaletą RS-485 jest transmisja różnicowa (Rys.1.) realizowana za pomocą skrętki dwuprzewodowej, ponieważ w takim przypadku zewnętrzne zakłócenia jednakowo oddziałują na obie linie sygnałowe. Powiązany z tym sygnał wspólny zakłócenia jest eliminowany na wejściu różnicowym odbiornika.

 

Rys.2. Transmisja sygnału w sieci PROFIBUS DP wykonanej na RS-485

 

 

Symetryczna (różnicowa) transmisja sygnału w standardzie RS-485 zwiększa odporność sygnału na zakłócenia. Aby uzyskać wysoką skuteczność przy zakłóceniach o dużej częstotliwości ekran kabla PROFIBUS powinien być uziemiony przy każdym urządzeniu. Zazwyczaj połączenie ekranu kabla do uziemienia urządzenia zapewniane jest poprzez konektor. Należy pamiętać o prawidłowym uziemieniu urządzenia (Rys.2.).

 

Brak lub nieprawidłowo wykonane uziemienie jest często przyczyną problemów warstwy fizycznej komunikacji.

 

Standard transmisji danych RS-485 wykorzystywany w sieci PROFIBUS DP przeznaczony jest do wielopunktowych linii transmisyjnych. W systemie wiele urządzeń może nadawać i odbierać dane jednak nie w tym samym czasie (transmisja półdupleks). W rzeczywistości tylko jedno urządzenie w danym momencie pełni rolę nadajnika podczas gdy pozostałe pełnią rolę odbiorników. Ze względu na obciążenie magistrali nadajnik RS-485 umożliwia wysterowanie 31 odbiorników, czyli w jednym segmencie sieci RS-485 mogą znajdować się maksymalnie 32 urządzenia. Segmenty sieci można łączyć ze sobą przy pomocy wzmacniaczy sygnałów, modułów optycznych itp. Należy pamiętać o tym, że port wzmacniacza jest liczony jako urządzenie (Rys. 3).

Rys.3. Przykładowy podział na segmenty sieci PROFIBUS DP wykonanej na RS-485

Należy pamiętać o prawidłowej terminacji linii na końcach segmentów. Rezystory terminujące umieszczane na końcach segmentu sieci RS-485 dopasowują impedancję linii redukując w ten sposób odbicia sygnału.

Układ terminatora w standardowym przypadku konektora DB9 lub M12 do poprawnej pracy wymaga zasilania 5 V. Terminacja linii zapewnia również wstępną polaryzację linii.

 

 

 

 

Przykład konektora z wbudowanym przełącznikiem do załączenia terminacji (Rys.4.)
Rys.4.Terminacja w sieci Profibus DP

W zależności od aplikacji należy odpowiednio dobrać prędkość transmisji sieci. Należy pamiętać, że z prędkością sieci powiązana jest maksymalna długość kabla w pojedynczym segmencie. Używając wzmacniaczy, można wydłużyć dopuszczalną długość sieci. W tabeli 1 podane są długości dla pojedynczego segmentu. Prędkość transmisji jest ustalana przez jednostkę MASTER zarządzającą siecią i jest taka sama dla wszystkich węzłów sieci. Teoretycznie maksymalna prędkość transmisji ograniczana jest przez najdłuższy segment sieci.

Sieć PROFIBUS DP można organizować według różnych topologii, w zależności od użytego do transmisji medium.

Przy zastosowaniu kabla miedzianego można zrealizować topologię liniową. Możliwe jest również utworzenie odgałęzienia uzyskując w ten sposób topologie drzewa. Do tworzenia odgałęzienia należy wykorzystywać wzmacniacze sygnału lub specjalne wzmacniacze wieloportowe.

Używając światłowodu, możliwe jest tworzenie dowolnych topologii – liniowej, gwiazda, ring i ich pochodne.

 

 

ZALECENIA ODNOŚNIE PRZYGOTOWANIA I WYKONANIA SIECI

Ważnym aspektem już na etapie projektowania sieci komunikacyjnej jest uwzględnienie wszystkich zaleceń związanych z prawidłowym przygotowaniem i wykonaniem sieci Profibus. Podczas fazy projektu należy rozważyć jaka będzie struktura sieci, jakie będą maksymalne dopuszczalne odległości pomiędzy węzłami sieci przy ustalonej prędkości, czy istnieje potrzeba dzielenia sieci na segmenty w przypadku dużej liczby urządzeń, czy przewidziano złącza umożliwiające podpięcie urządzeń diagnostycznych, itp.

Projekt elektryczny powinien uwzględniać prowadzenie kabli z uwzględnieniem podziału na kategorię oraz dopuszczalne odległości. Prowadzenie kabli różnych kategorii obok siebie może powodować powstawanie zakłóceń, szczególnie w kablach komunikacyjnych. Zasadniczo im większa odległość pomiędzy kablami różnej kategorii lub gdy korytka kablowe nie są układane równolegle obok siebie tym ryzyko interferencji jest mniejsze.

 

Po wprowadzeniu kabla PROFIBUS do szafy sterowniczej należy ekran kabla połączyć do szyny uziemiającej w szafie najbliżej jak to możliwe zaraz po wpuście kablowym. Dzięki temu minimalizuje się możliwość wprowadzenia zakłóceń do szafy sterowniczej poprzez ekran kabla.

 

W przypadku instalacji wewnątrz szafy sterowniczej należy pamiętać o kilku zaleceniach:

  • w przypadku kiedy kable muszą się przecinać wtedy pomiędzy kablami w miejscu przecięcia należy zachować kąt prosty
  • jeżeli wymagany odstęp pomiędzy kablami jest niewystarczająca dla poszczególnych kategorii, wtedy kabel musi być prowadzony w oddzielnym, metalowym korytku. W każdym korytku powinny znajdować się tylko kable tej samej kategorii. Korytka te można następnie prowadzić równolegle jedno obok drugiego
  • korytka metalowe powinny być przykręcane do konstrukcji lub obudowy szafy, co około 50 cm. Należy zapewnić dobrze przewodzące połączenie pomiędzy szafą, a korytkiem. W przypadku kiedy szafa jest pomalowana lub powlekana wtedy należy usunąć farbę lub powłokę
  • ekrany wszystkich kabli powinny być uziemione w miejscu wprowadzenia do szafy. Ekran należy połączyć do uziemienia szafy na możliwie największej powierzchni. Do tego celu można wykorzystać różnego rodzaju objemki montażowe. Aby zapobiec mechanicznemu uszkodzeniu kabla, należy go również przymocować nad i pod objemką uziemienia
  • przy przepustach kablowych należy stosować gwintowane dławiki

Aby zapewnić skuteczne ekranowanie przed zakłóceniami EMC ekran kabla musi być uziemiony na obu końcach. Niekiedy zdarza się, że potencjał punktu uziemienia różni się w odległych częściach instalacji, co może przyczyniać się do przepływu prądu poprzez ekran kabla.

 

Należy unikać przepływu prądu przez ekran kabla PROFIBUS ponieważ sytuacja ta może powodować zakłócenia i nieprawidłową pracę urządzeń. W takim przypadku należy poprowadzić połączenie wyrównujące potencjały pomiędzy poszczególnymi elementami systemu posiadającymi różne potencjały odniesienia (Rys.5)

Rys.6. Złącze diagnostyczne w konektorze

Projektując sieć PROFIBUS DP należy przewidzieć potrzebę podpięcia urządzeń programujących czy diagnostycznych.

Wiele konektorów dostępnych na rynku wyposażonych jest w przelotowe złącze PG do podłączania tego typu urządzeń (Rys. 6.) Podczas projektowania sieci PROFIBUS wykorzystującej warstwę RS 485 warto uwzględnić możliwość wymiany każdej stacji DP bez zakłócania komunikacji. Należy wtedy zastosować aktywne terminatory.

 

 

 

Kolejnym ważnym aspektem podczas projektowania sieci jest odpowiedni dobór kabla Profibus. Na rynku dostępne są różne odmiany kabla dobierane pod kątem zastosowania np.:

  • kabel standardowy (w tym przeznaczony do systemu fast conect)
  • kabel przeznaczony do wykorzystania w przemyśle spożywczym, chemicznym
  • kabel o wzmocnionej budowie
  • kabel do układania w ziemi itp.

 

Dokumentacja projektowa sieci komunikacyjnej powinna zawierać rozmieszczenie poszczególnych stacji wraz z adresacją, topologię sieci oraz odległości pomiędzy stacjami, zaznaczenia miejsc gdzie powinna być załączona terminacja, zaznaczenie konektorów z możliwością podłączenia urządzeń diagnostycznych.

Uwzględnienie tych wszystkich aspektów pozwala uniknąć długotrwałych i kosztownych przestojów wynikających z awarii sieci Profibus. Ponieważ żadne urządzenie ani sieć nie jest doskonała, nie należy tutaj zapominać o okresowym przeglądzie i kontroli całej sieci zarówno przy użyciu standardowym narzędzi jak i przy wykorzystaniu dedykowanych urządzeń takich jak  testery sieci.

 

 

POMIARY PRZY URUCHOMIENIU I OKRESOWA KONTROLA SIECI PROFIBUS DP

Po montażu i uruchomieniu sieci komunikacyjnej a przed oddaniem jej do użytku powinny zostać przeprowadzone testy i pomiary potwierdzające prawidłowe wykonanie i działanie tej sieci. Pierwszym etapem jest wizualna ocena wykonania sieci zgodnie z zaleceniami i projektem. Następnie do oceny jakości warstwy fizycznej sieci Profibus DP wykorzystywane są dedykowane przenośne testery okablowania oraz opcjonalnie odpowiedni oscyloskop do wyświetlenia przebiegu sygnału sieci Profibus. Aby ocenić czy w sieci nie występują problemy   na poziomie warstwy komunikacji przydatny może okazać się analizator protokołu, który umożliwia podgląd i rejestrację ramek komunikacyjnych wraz z ich interpretacją (Rys.7.).

 

Przy analizie jakości sygnału warstwy elektrycznej należy wziąć pod uwagę

  •  napięcia różnicowe na poszczególnych stacjach
  • czasy narastania/opadania zboczy sygnału
  • występowanie zakłóceń i odbić w przebiegu sygnału

 

Rys.7. Przykład oceny jakości sygnału elektrycznego mierzonego przez PROFIBUS Tester 5 firmy Softing

 

Podgląd i ocena sygnału wybranej stacji DP Slave na oscyloskopie, pozwala w prosty sposób wykryć problemy związane z zakłóceniami, nieprawidłową terminacją czy wzrostem rezystancji połączeń (Rys.8.).
Kolejnym krokiem w ocenie czy sieć Profibus pracuje prawidłowo jest analiza na poziomie warstwy komunikacji pozwalająca na wykrycie i ocenę zdarzeń które mają miejsce w sieci m.in.
  • powtórzenia transmisji dla poszczególnych stacji DP
  • nieprawidłowy format odpowiedzi stacji DP
  • informacje diagnostyczne zwracane przez stacje DP Slave
  • czas cyklu sieci.

 

Rys.10. Analiza ramek komunikatów w sieci Profibus

Bardzo często problemy w sieci Profibus korygowane są na poziomie protokołu (powtórzenie zapytania) bez sygnalizowania tej sytuacji w jednostce DP Master w wyniku czego użytkownik nie podejrzewa możliwych kłopotów z siecią. Przeprowadzenie analizy sieci przy pomocy dedykowanych urządzeń pozwala wcześnie wykryć możliwe błędy i zapobiec kosztownym awariom i przestojom.

 

Szukasz więcej informacji? Zapisz się na nasze szkolenia.

admin