serijska komunikacija Archives - Automatika.rs

Profibus DP protokol – Povezivanje, komunikacija i mreža

Marko Nikolić — Fri, 22 Dec 2017 00:00:53 +0000

Kao što je pre spomenuto, PROFIBUS DP protokol je specijalno projektovan da zadovolji potrebe brze komunikacije između distribuiranih periferija u automatizovanim postrojenjima industrije.

Fizički medijum za PROFIBUS DP zasniva se na RS-485 standardu koji definiše upotrebu oklopljenog, uvijenog, dvožilnog kabla, koji je prikazan na slici br.1. Mogu se odabrati brzine prenosa u opsegu od 9.6Kbit/s do 12Mbit/s, pri čemu se ta brzina odnosi na sve uređaje koji su priključeni na magistralu.

Slika br.1 Bakarni kabl za PROFIBUS komunikaciju

Povezivanje uređaja na PROFIBUS mrežu omogućeno je korišćenjem 9-pinskog sub-D konektora (slika br.2). U konektore su ugrađeni otpornici za terminaciju bus-a. Pomeranjem prekidača koji se nalazi na kućištu konektora u ON položaj vrši se terminacija.

Slika br.2 Izgled 9-pinskog sub-D konektora (levo-prolazni, desno-standardni konektor)
i otpornici za terminaciju bus-a

Kao što je na slici br.2 prikazano, terminacija bus-a je ostvarena korišćenjem tzv. ”pull-down” otpornika prema DGND potencijalu i ”pull-up” otpornika prema napajanju -Vp potencijal. Ova dva otpornika služe za definiciju potencijala na bus-u između dva telegrama. Linija A i linija B predstavljaju oznake krajeva PROFIBUS kabla.

Tabela 1: Raspored pinova na 9-pinskom sub-D konektoru

RS 485 tehnologija prenosa se odlikuje jednostavnošću i niskom cenom, a primenjuje se u sistemima gde se zahteva velika brzina prenosa. Moguće brzine prenosa su između 9.6 kbit/s i 12Mbit/s . Maksimalan broj uređaja koji se može povezati na jedan segment linije je 32. Veći broj uređaja zahteva korišćenje repetitora između pojedinačnih segmenata. Maksimalna dozvoljena dužina linije unutar jednog segmenata zavisi od brzine prenosa i manja je što je brzina prenosa veća.

Topologija mreže

Osnovni elementi, koji pored kablovske veze, sačinjavaju mrežu mogu se podeliti u dve osnovne grupe:

Master uređaji
Slave uređaji

S obzirom da je RS485 komunikacija half duplex (označava dvosmernu komunikaciju u kojoj jedan čvor-uređaj trenutno priča). Iz tog razloga je mreža organizovana tako da master ima kontreolu nad njom. Primer master uređaja može biti PLC, a kao primer slave elementa može se uzeti distribuirana periferija, drugi PLC i slično. Kod PA mreže slave uređaji mogu biti senzori, aktuatori i sl.

Ovde se mora napomenuti da postoje dve vrste DP Master uređaja:

DP Master Class 1 (DPM1) – ovo je centralni kontroler koji ciklično razmenjuje podatke sa slave uređajima, u zadatom ciklusu. Tipični uređaji ovog tipa su programabilni logički kontroleri. DPM1 ima aktivni pristup magistrali, preko kojeg može vršiti očitavanja ulaza sa distribuiranih uređaja, kao i zapisivanje odgovarajućih rezultata na njihove izlaze.
DP Master Class 2 (DPM2) – služi za konfigurisanje, sakupljanje podataka, kao i održavanje dijagnostiku i upravljanje priključenih uređaja, kao na primer PC.

Tipična DP konfiguracija ima mono-master strukturu što se može videti na slici br.3.

Slika br.3 DP mono-master struktura

Komunikacija između DP master i DP slave uređaja je bazirana na master-slave principu. Ovo znači da DP slave uređaji mogu biti aktivni na magistrali samo onda kada je to zahtevano od strane master-a. Komunikacija se odvija ciklično u tačno određenom vremenu. DP slave uređaji su adresirani u rastućem redosledu od DP master-a preko liste poziva (polling list). Slika br.4 pokazuje kao se lista poziva obrađuje na DP master-u. Vidi se ciklično procesiranje slave uređaja slanjem zahteva i dobijanjem odgovora od njih.

Slika br.4 Obrada liste poziva na DP master uređaju

DP sistem može imati i multi-master strukturu što je prikazano na slici br.5:

Slika br.5 DP multi-master struktura

Ovo podrazumeva da nekoliko DP master uređaja može biti povezano na jednu magistralu. Kod ove strukture master uređaji pristupaju magistrali u skladu sa rastućim vrednostima svojih adresa. Ukoliko je završena komunikacija jednog mastera, on daje znak sledećem da može da pristupi magistrali, odnosno da koristi resurse. U PROFIBUS terminologiji se to naziva ”token ring”. Da bi se ovakva procedura izvršila, pri inicijalizaciji mreže detektuje se broj mastera kojima se dodeljuju sledeće adrese: PS (Previous Station) – predhodna stanica i NS (Next Station) – sledeća stanica.

Dalja upustva i pojašnjenja pojmova možete prinaći u sledećoj literaturi: Realizacija elektromotornog pogona primenom PROFIBUS i USS komunikacije, autor: Milorad Kaplarević

The post Profibus DP protokol – Povezivanje, komunikacija i mreža appeared first on Automatika.rs.

Serijska komunikacija – Struktura telegrama, PWK i PZD oblast

Marko Nikolić — Mon, 04 Dec 2017 00:00:05 +0000

USS protokol (Universal Serial Interface Protocol) je jednostavan serijski protokol, definisan od strane kompanije Siemens AG. Protokol je naparavljen da odgovori potrebama upravljanja i nadzora Siemens-ovih SIMOVERT i SIMOREG frekventnih regulatora. Protokl definiše tehniku pristupa prema master-slave principu, za komunikaciju preko serijskog bus-a. Point-to-point konekcija je moguća u podmreži. Komunikcija se odvija generalno ciklično razmenom telegrama između jednog master-a i najviše 31-og slave-a. Konfiguracija USS mreže je prikazana na Slici br.1.

Slika br.1 Topologija USS mreže

U funkciji master-a može biti npr. PLC ili PC, dok su SIMOVERT i SIMOREG frekventni regulatori uvek u funkciji slave-a.

Bitne odlike USS komunikacije su:
• podržava:
-multi-point konekciju, npr. EIA RS 485 hardver, ili
-point-to-point konekciju, npr. EIA RS 232
• master-slave pristup
• singl master sistem
• max. 31 slave i 1 master
• koristi telegrame sa fiksnom ili promenljivom dužinom
• jednostavan i pouzdan telegram format
• informacije se prenose na isti način kao i kod Profibus DP (profil promenjljive brzine)
• može se lako implementirati u postojeće sisteme

Medijum za prenos podataka i bus interfejs su oderđeni u zavisnosti od načina korišćenja bus-a. U osnovnoj verziji USS protokola, interfejs je zasnovan na RS485 standardu. Point-to-point konekcija je zasnovana na RS232 standardu. Takođe moguće je korišćenje i fiberoptičkog kabla. Siemens za SIMOVERT MASTER drives konvertore definiše korišćenje 9-pinskih SUB D konektora i dvožilni zaštićeni uvijeni kabl koji zadovoljava određene mehaničke, termičke i električne karakteristike. Terminacija bus-a na krajevima se i ovde podrazumeva.

Dužine kablova kojim se prenose podaci zavise od brzine prenosa podataka, karakteristika kabla, uslova stredine, kao i od broja konektovanih uređeja. U Tabeli 1 prikazana je zavisnost brzine prenosa podataka od dužine kabla.

Tabela 1 – Zavisnost brzine prenosa podataka od dužine kabla

Struktura USS telegrama

Master putem adresnog karaktera u telegramu vrši izbor pojedinačnog slejva. Adrese slejva ADR se nalazi upisana u ”polling” listi koju master koristi za selekciju uređaja. Slave vrši transfer podataka samo na zahtev master-a, tako da je komunikacija između dva slave-a onemogućena. Svaki telegram se sastoji iz:

STX – startni karakter (Start character)
LGE – dužina telegrama (Length specification)
ADR – adresni bajt , adresa slejva (Address byte)
Net data block – PKW (Parameter ID Value area) i PZD (Proces Data), kao kod
PROFIBUS DP profila promenljive brzine
BCC-karakter provere bloka (Block check character)

Slika br.2 Struktura USS telegrama

Informacije koje se razmenjuju između master-a i slave-a putem telegrama su smeštene u posebnu oblast, takozvanu net data oblast. Struktura net data oblasti je ne zavisna od karakteristike protokola kojim će se net data prenositi. Iz ovoga se može zaključiti da je isti mehanizam pristupa procesnoj oblasti (control/status word i setpoint/actual value) kao kod PROFIBUS DP profila promenljive brzine. PKW oblast služi za čitanje i promenu vrednosti parametara frekventnog regulatora, dok PZD oblast sadrži informacije o procesu. Strukturu net data bloka čine obe oblasti nezavisno da li je telegram poslat od master-a prema slave-u ili obrnuto slika br.3.

Slika br.3 Struktura net data bloka

Parametarski deo – PKW oblast

PKW oblast omogućava pristup parametrima frekventnog regultora, odnosno njihovu promenu ili očitavanje korišćenjem USS bus-a. Kao što je prikazano na Slici 15, PKW oblast sačinjavaju:

PKE (Prameter ID) i IND (Index) – sadrže informacije o tipu zadatka koji master šalje slejvu ili o tipu odgovora koji slejv šalje masteru, takođe definiše i broj parametara.
PKW elements (Parameter value) – sadrži vrednosti parametara, tekst, ili opis parametara koji se prenosi. Dužina ove oblasti se može menjati u zavisnosti od zadatka i može iznositi 0 word-a, 1 word, 3 word-a, 4 word-a kod telegrama sa fiksnom dužinom, ili može iznositi između 1 i 124 word-a kod telegrama sa promenjljivom dužinom.

Procesni deo – PZD oblast

PZD oblast (Process data area) omogućava upravljanje i nadzor frekventnog regulatora, u ovom radu je to MM 440 preko USS bus-a. Struktura PZD oblasti je prikazana na Slici br.4.

Slika br.4 Struktura PZD oblasti

Maksikalna veličina PZD oblasti je 16 word-a. Ukoliko je telegram poslat od master-a ka slave-u, to podrazumeva da će telegram sadržati Control Word/Main setpoint pomoću kojih master upravlja frekventnim regulatorom npr. start, stop, zadavanje brzine. Ukoliko je telegram poslat od slave-a ka master-u, to podrazumeva da će telegram sadržati Status Word/Main actual value koji nose informacije o statusu frekventnog regulatora, kao i čitanje određenih veličina sa frekventnog regulatora, npr brzina, struja i slično, a to možete videti u Tabeli 2.

Tabela 2 – Sadržaj PZD oblasti

Bitno je napomenuti da definicije bita od 0-10 za control/status word koji se prenose USS bus-om, odgovaraju definiciji bitova od 0-10 koji se prenose PROFIBUS-om, profil promenljive brzine. Bitovi od 10 do 15 zavise od specifikacije konvertora.

Dalja upustva i pojašnjenja pojmova možete prinaći u sledećoj literaturi: Realizacija elektromotornog pogona primenom PROFIBUS i USS komunikacije, autor: Milorad Kaplarević

The post Serijska komunikacija – Struktura telegrama, PWK i PZD oblast appeared first on Automatika.rs.

Serijski RS485 protokol

Marko Nikolić — Tue, 08 Dec 2015 23:00:00 +0000

Posle RS232 protokola, RS485 je najrasprostranjeniji serijski metodi. RS232 je jedan od najboljih protokola a koristi se i danas jer je primenjen na skoro svim kompjuterima i uređajima. Ali, u nekim situacija RS232 nije odgovarajući. RS232 je osmišljen za konekciju jednog data terminala (PC) sa jednom opremom za komunikaciju (modem) uz maksimalnu moguću brzinu prenosa od 20 kb/s i maksimalnom dužinom kabla 15 metara.

RS232 nije odgovarajući protokol ako povezujemo dva udaljena PC računara bez modema, vezujemo više PC na mrežu, komuniciramo sa senzorima i opremom koji su veoma udaljeni ili želimo da razmenimo više podataka (ostvarimo veću brzina prenosa). RS485 standard je definisan od strane EIA da bi se dobio odgovor na sve ove nove kombinacije povezivanja. Time RS485 postaje najšire korišćen serijski protokol u sistemima za akviziciju i prenos podataka, za kontrolne aplikacije koje rade u realnom vremenu i za opštu komunikaciju izmeñu više udaljenih čvorova.

Prenos podataka primenom RS – 485 protokola

RS 485 je polu-dupleks, asihnrona veza. Podaci mogu da se prenose u oba smera, ali ne u isto vreme. RS485 prenos podataka se vrši preko dve oklopljene upletene parice (RxD/TxD-P i RxD/TxD-N), prikazani na slici 11a. Moguće su brzine prenosa od 9.6 kbit/s do 2 Mbit/s. Dozvoljena dužina kabla izmeñu dva repetitora je od 100 do 1200 m, zavisno od korišćene brzine prenosa. Svi ureñaji su spojeni u zajedničku sabirnu strukturu, a po segmentu je dozvoljeno paralelno povezati maksimalno do 32 ureñaja. Na početku i kraju linije mora postoji terminator linije (slika 11b). Oba terminatora imaju sopstveno napajanje koje osigurava prenos bez greške. Podaci se prenose kao niz bitova kao na slici br.1 (Serijski protokol – RS232 protokol), s tim da RS485 koriste različite fizičke nivoe (slika br.1).

Slika br.1 RS485 prenos

a) Primer logičke sekvence b) Odgovarajući naponski nivoi RxD/TxD –P i RxD/TxD –N linije

Veća udaljenost i brzina prenosa RS485 prenosa

Jedan od najvećih prednosti RS485 protokola u odnosu na RS232 je otpornost na smetnje na prenosnim linijama. RS232 prijemnik poredi signal postavljen na liniju za podatke od strane predajnika sa zajedničkom signalnom masom. Nejednaki naponski nivo signalne mase na dve strane kabla, ili šum pokupljen na liniji, lako dovode do greške u prijemu. Zato je i triger nivo podešen relativno nisko ±3V. RS485 ne poznaje signalnu masu kao referencu. Razlika od nekoliko volti izmeñu signalnih masa na prijemu i predaji ne predstavlja problem za RS485. RS485 signali plivaju relativno u odnosu na Sig+ i Sig- liniju. RS485 prijemnik poredi razliku napona izmeñu ove dve linije i donosi odluku. Ovim je isključen uticaj petlji u signalnoj masi, koje su najznačajni izvor greške u komunikaciji. Najbolji rezultati se ujedno postižu ako se linije Sig+ i Sig- meñusobno uvežu, kao što je prikazano na sledećoj slici. Ovim se uticaj spoljnih magnetnih polja i indukovane smetnje dovode na minimalni nivo.

Slika br.2 Ilustracija uvećane otpornosti na šum prepletanjem Sig+ i Sig- linija.

Ukoliko su linije postavljene paralelno, indukovana struja usled stranog magnetnog polja teče uvek u istom smeru i formira se petlja u kojoj se efekat akumuliše. Kada su linije isprepletene u kablu, smer struje šuma se menja u zavisnosti od dela kabla čime se efekat poništava i rezultujući nivo šuma smanjuje za red veličine. Oklopljavanje kabla je pokušaj da se spoljno magnetno polje zadrži izvan kabla, prepletanje žica daje dodatni imunitet i mnogo je bolji način za borbu protiv šuma. Najbolja je kombinacija ove dve metodu primenjena u STP (shielded twisted pair) i FTP (foiled twisted pair) mrežnim kablovima.. Sa svim ovim dodacima, plus naravno primena diferencijalnih signala, RS485 komunikacije se uspe[no ostvaruje i na 1200 metara udaljenosti. Primena diferencijalnih signala takoñe omogućuje mnogo veće brzine prenosa koje u slučaju RS485 dostižu i do 35 mb/s (udaljenost 12m).

Uporedne karakteristike RS232, RS422 i RS85

Jasno je da su na diferencijalnom prenosu bazirani RS422 i RS485 superiorniji u odnosu na RS232 po pitanju brzine prenosa i dužine linije. Takoñe se može uočiti da je brzina porasta signala na izlazu predajnika (slew rate) limitirana za RS232 da bi se izbegla refleksija signala na kablu. U slučaju RS422 i RS485 slew rate nije limitiran a da bi se izbegla refleksija neophodan je terminacioni otpornik. Iako su maksimalne vrednosti napona slične, triger signal nivo je mnogo manji za RS422 i RS485 (200mV). Time je moguće ostaviti brže promene nivoa signala i samim tim brže prenose. Ovako nizak triger nivo je moguć zbog diferencijalnog transfera i eliminisanog problema petlje mase.

Sa druge strane, jedini protokol koji i dalje podržava potpuni dupleks je RS232. U slučaju RS422 posedujemo više prijemnika, a u slučaju RS485 i više mogućih predajnika, i svi dele istu liniju. Time je jasno da potpun dupleks nije moguć jer bi doveo do kolizije na liniji. U slučaju RS232 postoje odvojene linije za prijem i predaju i sa dobro napisanim protokolom nema potrebe za zahtev za prenos i čekanje na odobrenje zahteva, sve u cilju provere aktivnosti linije i izbegavanja kolizije. Kod svih RS485 baziranih potokola se ovo mora predvideti i time se ipak malo gubi na vremenu i propusnom opsegu.

Mrežna topologija RS485 veze

Mrežna topologija je jedan od najvažnijih razloga za uspeh RS485 i njegovu široku primenu u merno-akvizicionim i kontrolnim aplikacijama. RS485 mrežnom topologijom dozvoljava povezivanje više primopredajnika na isto mrežu.

Slika br.4 Mrežna topologija RS485 veze

Slika prikazuje N primopredajnika povezano u multipoint RS485 network. Da bi se postigle velike brzine terminalni otpornici su neophodni na obe strane mreže da bi se eliminisala refleksija signala.

Postaviti R=120 Ω otpornike na oba kraja mreže. RS485 mreža mora uvek da se projektuje kao mreža sa više poveznih tačaka (multiple drops) ka jednoj liniji i sa dva otpornika na obakraja linije. Zvezda topologija, u kojoj se refleksija signala ne može suzbiti i koja umanjuje kvalitet veze se ne preporučuje.

Ako se koriste prijemnici sa 12 kΩ ulaznom otpornosti moguće je povezati do 32 primopredajnika na istu mrežu. Postoje i RS485 primopredajnici veće ulazne impedance kojom se ovaj broj uvećava do 256. Postoje i RS485 pojačavači (repeaters) koji spajaju dve mreže i omogućuju ukupan broj povezanih primopredajnika i do 1000 i to na udaljenosti i nekoliko kilometara.

Mrežna topologija predviña samo jednu liniju za prenos. Time je jasno da RS485 može biti samo half duplex veza kojom se ne može obezbediti istovremeni prijem i predaja. Samo jedan podatak može biti prisutan na liniji. Ono što je dobro je da nije bitno ni ko šalje taj podatak, ni ko ga prima, sve kombinacije su dozvoljene.

Ono što jeste bitno, software višeg nivoa koji koristi RS485 protokol kao bazični nivo (low level protocol) za komunikaciju mora da obezbedi dodatne funkcije kao što je provera aktivnosti linije pre slanja (izbegavanje kolizije), adresu prijemnika unutar poslatog paketa kojem se šalje podatak, mogućnost broadcast poruke, itd.

Po definiciji, svi RS485 predajnici su u stanju visoke impedance i na liniji nema signala. U većini protokola višeg niova (high level protocols), jedan od primopredajnika se definiše kao gazda linije (master) koji počinje komunikaciju slanje poruka tipa pitanja (query) i komande (command) preko RS485 mreže. Svi primopredajnici primaju ovu poruku i u zavisnosti od informaciju unutat te poruke i adrese prijemnika jedan od čvorova odgovara masteru. Primenom komunikacije preko mastera se maksimalno iskoriščava propusni opseg linije i izbegava kolizija. Ipak , mogućnosti komunikacije su donekle ograničene jer svaka poruka da biti inicirana u master kontroleru.

Postoje i protokoli višeg nivoa bez master primopredajnika (čvora) u kome svaki čvor može da počne komunikaciju. To je uglavnom urañeno u ethernet mrežama. Iako su ovim kombinacije za razmenu informacija umnogome uvećane, sada se javlja i mogućnost kolizije (dva predajnika počnu da šalju u isto vreme) koja se mora detektovati, jedan mora da odustane a drugi mora poruku ponoviti. Teorija kaže da se sada koristi samo 37% posto propusnog opsega. RS485 low level linijski driveri (primopredajnici) se automatski prebacuju u stanje visoke impedance kada je poruka koju su slali poslata (u toku nekoliko mikro sekundi).

Dalja objašnjejna termina i pojmova možete pronaći na sajtu Katedre za energetsku elektroniku i pretvarače, Fakultet tehničkih nauka u Novom Sadu.

The post Serijski RS485 protokol appeared first on Automatika.rs.