Канальный Уровень (2) протокола PROFIBUS

Второй уровень эталонной модели OSI обеспечивает функции Управления Доступом к Передающей Среде (Medium Access Control) и поддержания целостности информации, а также выполнение протоколов передачи и сообщений. В протоколе PROFIBUS Уровень 2 обозначается как Канал Данных Fieldbus – FDL (Fieldbus Data Link). Функция Управления Доступом к Передающей Среде – MAC (Medium Access Control) определяет, когда станция может передавать данные. Функция MAC должна гарантировать, что в любой момент времени право передачи информации принадлежит только одной станции.

Для Управления Доступом к Передающей Среде в протоколе PROFIBUS учтено два важных требования.

В случае взаимодействия между сложными компонентами автоматизации с равными правами доступа к шине (ведущими устройствами) должна быть гарантия того, что каждая из этих станций для выполнения своих задач взаимодействия получает необходимый доступ к шине в течение точно заданного временного интервала.

В случае взаимодействия между сложными устройствами автоматизации и простыми периферийными устройствами (ведомыми) периодический обмен информацией, осуществляемый в реальном масштабе времени, достигается как можно проще и быстрее.

Для взаимодействия между сложными станциями (ведущими) протокол Доступа к Передающей Среде PROFIBUS включает метод передачи маркера, а для взаимодействия между сложными станциями и простыми периферийными устройствами (ведомыми) – метод ведущий-ведомый. Этот комбинированный метод называется гибридным доступом к передающей среде (рис. 5.5).

 

Рис. 6.5 Гибридный метод управления доступом

Посредством маркера, метод передачи маркера обеспечивает присвоение права доступа к шине в пределах точно определенного временного интервала. Маркер – это специальное сообщение, которое передает права на осуществление передачи информации от одного ведущего устройства к другому. Он циркулирует между всеми ведущими устройствами в пределах (регулируемого) максимального времени оборота маркера. Метод передачи маркера используется в PROFIBUS только для сложных станций (ведущих устройств).

Метод ведущий-ведомый позволяет ведущему устройству (активной станции), которому в настоящий момент принадлежит право передачи информации, взаимодействовать с ведомыми устройствами (пассивными станциями). Каждое ведущее устройство имеет возможность получать данные от ведомых устройств и передавать данные ведомым устройствам.

 

Используемый в PROFIBUS гибридный метод доступа в передающей среде дает возможность реализовать:

– систему, в которой везде применяется метод ведущий-ведомый;

– систему, в которой везде применяется метод ведущий-ведущий (с передачей маркера);

– систему, в которой применяется комбинация этих методов.

На рис. 5.5 показана структура PROFIBUS с тремя активными станциями (ведущими устройствами) и семью пассивными станциями (ведомыми устройствами). Три ведущих устройства образуют логическое маркерное кольцо.

 

После того как активная станция получает маркер, ей на определенное время дается разрешение выполнять на шине функции ведущего устройства. Она может взаимодействовать со всеми ведомыми станциями по методу ведущий-ведомый и со всеми ведущими станциями, участвующими во взаимоотношениях по методу ведущий-ведущий.

 

Маркерное кольцо представляет собой организационную цепь активных станций, образующую некоторое логическое кольцо с адресами входящих в него станций. В этом кольце в заданной последовательности возрастающих адресов циркулирует маркер – право доступа к передающей среде.

В стартовой фазе такой шинной системы задача управления доступом к передающей среде (MAC), работающая в активных станциях, должна обнаружить это логическое назначение и установить маркерное кольцо. В рабочей фазе неисправные или выключенные (активные) станции должны из кольца удаляться, а новые активные станции – в него включаться. Кроме того, программа Управления Доступом к Передающей Среде PROFIBUS (MAC) должна: распознавать неисправности в передающей среде или передатчиках; выявлять ошибки в адресации станций (например, одновременное обращение к нескольким станциям); выявлять ошибки в передаче маркера (например, умножение маркера или его потерю).

Еще одна важная задача Уровня 2 – сохранение целостности информации. Кадры Уровня 2 протокола PROFIBUS обеспечивают целостность информации с высокой надежностью. Все кадры имеют хэммингово расстояние = 4. Для этого, в соответствии с международным стандартом IЕС 870-5-1, используются специальные начальные и конечные разделители, жесткая синхронизация и бит контроля четности для каждого октета.

Уровень 2 PROFIBUS работает в режиме без процедуры установления связи. Он предлагает как передачу точка-точка, так и многопунктовую связь (широковещательную и групповую).

Широковещательная связь означает, что активная станция посылает всем другим станциям (ведущим и ведомым) неподтверждаемое сообщение.

Групповая связь означает, что активная станция посылает неподтверждаемое сообщение группе ведущих или ведомых устройств.

Сервисные функции Канального Уровня (2) PROFIBUS.

Функция SDA. Назначение: Послать Данные с Подтверждением (Send Data with Acknowledge). Используется протоколом FMS.

Функция 3RD. Назначение: Послать и Запросить Данные с Ответом (Send and Request Data with Reply). Используется протоколом FMS и DP.

Функция SON. Назначение: Послать Данные без Подтверждения (Send Data With No Acknowledge). Используется протоколом FMS и DP.

Функция CSRD. Назначение: Периодически Посылать и Запрашивать Данные с Ответом (Cyclic Send and Request Data with Reply). Используется протоколом FMS

 

PROFIBUS-FMS

PROFIBUS-FMS предназначен для взаимодействия между интеллектуальными field-устройствами и контроллерами и для обмена информацией между контроллерами. Поэтому функциональные возможности важнее времени реакции. Как правило, обмен информацией осуществляется по запросу прикладного процесса и не является циклическим.

Прикладной Уровень (7)

Прикладной пользовательский сервис обеспечивается Уровнем 7 эталонной модели ISO/OSI. Благодаря этому сервису возможен эффективный и расширяемый обмен данными между прикладными процессами. Прикладной Уровень протокола PROFIBUS-FMS определяется в стандарте DIN 19245, Часть 2 и состоит из Спецификации Сообщений Fieldbus - FMS (Fieldbus Message Specification) и Интерфейса Нижнего Уровня – LLI (Lower Layer Interface).

В спецификации FMS описываются объекты взаимодействия, прикладной сервис и результирующие модели с точки зрения взаимодействующего партнера. Интерфейс LLI служит для адаптации прикладных функций к разным характеристикам Уровня 2.

Коммуникационная модель

Прикладной процесс – это все программы, ресурсы и задачи, которые не относятся к взаимодействующему с ним Уровню. Коммуникационная модель PROFIBUS с помощью коммуникационных связей позволяет объединить распределенные прикладные процессы в один общий процесс. Та часть прикладного процесса field-устройства, которая осуществляет взаимодействия, называется Виртуальным Field-Устройством – VFD (Virtual Field Device). Все объекты реального устройства, с которыми возможно взаимодействие (переменные, программы, диапазоны информации), называются объектами коммуникации. Они являются частью VFD (рис. 5.6). Отображение функций VFD на реальное устройство обеспечивается в коммуникационной модели PROFIBUS Интерфейсом Прикладного Уровня – ALI (Application Layer Interface). На рис. 6 показана связь между реальным field-устройством и VFD. В этом примере через две коммуникационных связи могут считываться или записываться только переменные "давление", "уровень заполнения" и "температура".

Объекты коммуникации

Все объекты коммуникации в PROFlBUS-станции вводятся в локальный Словарь Объектов этой станции – OD (object dictionary). Для сложных устройств OD конфигурируется и локально или удаленно загружается в устройство. OD содержит описание, структуру и тип данных. Он содержит также внутренние адреса объектов коммуникации устройства и их представление на шине (индекс/имя). OD состоит из:

Заголовка (содержит информацию о структуре данного OD).

Списка Статических Типов (содержит список поддерживаемых типов статических данных).

Словаря Статических Объектов (содержит все статические объекты коммуникации).

Динамического Списка Списков Переменных (содержит действующий список всех списков известных переменных).

Динамического Списка Программ (содержит список всех известных программ).

 

Рис. 5.6 Виртуальное Field-устройство с объектным словарем

 

Специальные части OD реализуются только в случае, если данное устройство поддерживает соответствующие функции.

Статические объекты коммуникации должны определяться в статическом Словаре Объектов (OD). Они могут определяться заранее производителем данного устройства или во время конфигурирования системы с описываемой шиной. Статические объекты коммуникации используются, в основном, в field-области.

Динамические объекты коммуникации вводятся в динамическую часть OD. Они могут предопределяться во время конфигурирования или динамически определяться, удаляться или изменяться прикладными службами во время работы.

 

PROFIBUS поддерживает следующие объекты коммуникации:

– вызов Программы;

– список Переменных (последовательность простых переменных, массивов или записей).

Для адресования объектов коммуникации предпочтителен метод логической адресации. Доступ к ним осуществляется с помощью короткого адреса, называемого индексом. Индекс представляет собой шестнадцатеричное число без знака.

При этом возможна эффективная передача сообщений и минимизируются накладные расходы протокола. В OD индекс определяется для каждого объекта коммуникации. Все объекты PROFIBUS должны поддерживать метод логической адресации.

Кроме того, для специальных приложений PROFIBUS-FMS позволяет другие варианты методов адресации:

Адресация по имени. (Через шину передается символическое имя объектов связи.)

Физическая адресация. (Доступ к любой ячейке физической памяти в field-устройствах можно получать с помощью служебных функций PhysRead и PhysWrite).

Для каждого объекта коммуникации есть возможность установить защиту от несанкционированного доступа. Доступ к объекту или определенной группе устройств возможен только через пароль. Пароль и группа устройств могут задаваться индивидуально для каждого объекта в OD. Кроме того, по определению в OD можно ограничивать объем прав сервиса на доступ к объекту (например, разрешается доступ только на чтение).

 

 

Рис. 5.7 Сводка прикладных сервисных функций PROFIBUS

Сервисные функции FMS

С точки зрения прикладного процесса коммуникационная система является поставщиком различного прикладного сервиса – FMS-служб. Выполнение этих сервисных функций описывается сервисными примитивами. Сервисная примитива представляет в некоторой форме взаимодействие между запросчиком (requester) и ответчиком (responder). На рис. 5.7 дается сводка сервисных функций PROFIBUS-FMS.

Рис. 5.8 Выполнение подтверждаемых сервисных функций

 

Во взаимодействиях, ориентированных на установление соединения, допускаются только подтверждаемые сервисные функции. Последовательность подтверждаемых сервисных функций показана на рис. 5.8.

Во взаимодействиях, при которых соединение не устанавливается (широковещательные или групповые передачи), могут также использоваться неподтверждаемые сервисные функции. Они могут передаваться с высоким или низким приоритетом. Неподтверждаемая сервисная функция запускается с помощью примитива службы запросов. После завершения передачи через шину для пользователей Приемников издается "примитив службы индикации". Для неподтверждаемых функций "примитивы служб подтверждения/ответа" опускаются.

FMS-службы подразделяются на следующие группы:

1. Службы Управления Контекстом позволяют устанавливать и отменять логические соединения, а также отвергать недопустимые сервисные функции.

2. Службы Доступа к Переменным позволяют осуществлять доступ к простым переменным, записям, массивам и спискам переменных.

3. Службы Управления Доменами разрешают передачу больших областей памяти. Прикладная программа расщепляет эти данные на передаваемые сегменты.

4. Службы Управления Выполнением Программ позволяют управлять ходом выполнения программы.

5. Службы Управления Событиями позволяют передачу сигнализирующих сообщений. Эти неподтверждаемые сервисные функции могут использоваться с низким или высоким приоритетом. Сообщения о событиях могут также передаваться по широковещательной или групповой связи.

6. Службы Поддержки VFD (Виртуальных Field-Устройств) позволяют идентифицировать устройства и сообщать об их состоянии. По широковещательной или групповой связи по инициативе участвующего во взаимодействиях устройства могут передаваться непредусмотренные Статусные сообщения.

7. Службы Управления OD позволяют читать или записывать в Словари Объектов (Object Dictionaries).

Для удовлетворения разнообразных требований field-устройств во взаимодействии можно реализовать большое количество прикладных служб PROFIBUS-FMS. Обязательна реализация всего лишь нескольких прикладных служб. Выбор остальных зависит от конкретного приложения и специфицируется в так называемых "Профилях" ("Profiles").