Transcript
Page 1: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

Facultatea de Electronica, Telecomunicatii si Ingineria Informatiei

RETELE PENTRU COMUNICATII INDUSTRIALE

Miron Mandoiu Master ISC

Universitatea Politehnica Bucuresti2007

1

Page 2: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

Cuprins :

1. Protocolul HART1.1 Istoric 11.2 Protocolul HART – principii de functionare 11.3 Frequency Shift Keying 3

1.4 Moduri de comunicare la protocolul HART 31.5 Retele HART 5

1.5.1 Point-To-Point 51.5.2 Multidrop 6

1.6 Structura protocolului HART 81.6.1 Nivelul 1 HART 81.6.2 Nivelul 2 HART 91.6.3 Nivelul 7 HART 10

1.7 Condiţii de funcţionare ale protocolului HART 111.7.1 Date tehnice 111.7.2 Recomandări hardware 12

1.8 Avantajele utilizării aparatelor de câmp cu protocol HART 12 2. Protocolul LIN 14

2.1.1 Istoric 142.1.2 Caracteristici 142.2 Conceptul de nod 152.3 Conceptul de functionare Master si Slave 162.4 Telegrama 172.5 Transportul datelor 17

2.5.1 Semnale 172.5.2 Mesajele de diagnoza 172.5.3 Schedule Table 172.5.4 Impachetarea semnalelor 182.5.5 Receptia si transmisia semnalului 18

2.6 Transferul telegramelor 192.6.1 Structura telegramei 192.6.1. Campurile header-ului 202.6.2 Lungimea telegramei 21

2.7 Tipuri de telegrame 222.7.1 Telegrame Unconditional 222.7.2Telegrame Event triggered 222.7.3 Telegrame Sporadic 232.7.4 Telegrame Diagnoza 232.7.5 Telegrama Reserved 23

2.9 Modelul de comportare al task-ului 242.9.1 Sarcina master 242.9.2 Sarcina slave 24

2.10 Managementul retelei 252.11 Managementul starilor 26

2

Page 3: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

2.12 Nivelul de Transport 262.12.1 Strucutura PDU – Packet Data Unit 262.12.2 Comunicarea 27

2.13 Serviciile de Configurare si Identificare a Nodului 282.14 Diagnosticarea – specificatii 292.15 Nivelul Fizic 30

2.15.1 Procedura de sincronizare 30 3. Protocolul CAN 31

3.1Istoric CAN 323.2 Protocolul Controller Area Network (CAN) 34

3.2.3 Formatul frame-ului de date 353.2.4 Semnalizarea si detectia erorilor 37

3.3 Structura Nivelelor la CAN 393.4 Nivelul Fizic la CAN 393.5 Standarde ale Nivelului Fizic 42

4. Protocolul PROFIUS 444.1 PROFIBUS-FMS 454.2 PROFIBUS-DP 454.3 PROFIBUS-PA 464.4 Nivelul Fizic 47

4.4.1 Nivelul fizic pentru DP/FMS 47

4.4.2 Nivelul fizic pentru PA 494.5 Nivelul Legaturii de Date 50

4.5.1 Formatele telegramei PROFIBUS 514.6 Nivelul de Aplicatie (nivelul 7) 534.7 Controlul accesului la magistrala intr-o retea PROFIBUS 53

4.6.1 Procedura Token Bus 544.6.2 Procedura Master-Slave 55

4.8 Servicii PROFIBUS 56

5. Protocolul PROFINET 615.1 PROFINET I/O (Distributed I/O) 615.2 PROFINET CBA (Distributed automation) 615.3 Comunicarea la PROFINET 635.4 Distributed I/O cu PROFINET IO 655.5 Servicii PROFINET IO 66

6. Concluzii 7. Bibliografie

3

Page 4: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

RETELE PENTRU COMUNICATII INDUSTRIALE

Protocoale de comunicatie folosite in retele in domeniul industrial si al aplicatiilor cu masini automatizate:

HARTLINCAN PROFIBUSPROFINET

1 Protocolul HART

1.1 Istoric

Protocolul HART (Highway Addressable Remote Transducer), a fost creat de Rosemount la sfarsitul anilor ’80. Protocolul a fost deschis pentru utilizare si altor companii, astfel in 1990 sa format un User Group.

In martie 1993, grupul a votat pentru a crea o organizatie independenta si non-profit pentru o mai buna dezvoltare a protocolului HART. Fundatia va detine tehnologia HART, va administra standardele protocolului, si va asigura ca tehnologia va disponibila (open) in beneficiul industriei.

Astazi, HCF administreaza standardele protocolului si dreptul intelectual al protocolului, detine sectii de training, un site web cu stiri de ultima ora.

1.2 Protocolul HART – principii de functionare

De multi ani standardul comunicatiei de camp pentru echipamentele din procesele de automatizare a reprezentat-o semnalul analogic de curent mA. Acesta variaza in intervalul 4-20 mA in functie de variatia marimii de proces. In aplicatii un semnal de 4 mA corespunde limitei de jos (0%) din scala si 20 mA va corespunde limitei de sus (100%). In principiu toate sistemele instalate folosesc acest standard international pentru a comunica informatiile variabilelor de proces intre echipamentele din automatizare.

4

Page 5: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

Comunicarea HART are loc intre doua dispozitive HART, de obicei un dispozitiv de camp (slave) si un sistem de monitorizare sau de control (master). Comunicarea are loc folosind instrumentatie si cablare standard.

Figura. Comunicarea simultana Analogica si Digitala

HART asigura doua canale de comunicatie simultan : semnalul analog de 4-20 mA si un semnal digital. Semnalul de 4-20 mA comunica valorile masurate primare (in cazul unui instrument din teren) folosind o bucla de curent de 4-20 mA – cel mai rapid si mai sigur standard industrial. Aditional informatii despre dispozitiv sunt comunicate folosind un semnal digital care este suprapus pe semnalul analog. Semnalul digital contine informatii de la dispozitiv care includ starea, diagnoza, masuri aditionale sau valori calculate,etc. Impreuna cele doua canale de comunicatie asigura solutia completa de comunicatie in teren, care este usor de configurat, robusta si la un pret scazut.

Deoarece dispozitivel HART suporta standardul 4-20 mA, pot fi folosite cu orice sistem care lucreaza cu dispozitive 4-20mA.

5

Page 6: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

1.3 Frequency Shift Keying

Protocolul HART se bazeaza pe principiul Bell 202 FSK (Frequency Shift Keying). Semnalul digital este format din doua frecvente 1,200 Hz si 2,200 Hz reprezentate de 1 si 0. Sinusoidele celor doua frecvente sunt suprapuse pe firul de curent continuu al semnalului analog pentru a asigura o comunicare analoaga si digitala simultana. Pentru ca valoarea medie a semnalului FSK este intotdeauna zero, semnalul analog 4-20 mA nu este afectat. Pentru comunicare se impune o impedanta minima a buclei de 230 Ohmi.

Pentru a evita interferenta cu semnalul de comunicatie HART care se suprapune peste semnalul continuu, banda de trecere a semnalului de iesire la un traductor compatibil HART este limitata la 25 Hz. Max, cu un filtru cu alternarea de 40 dB / decada.

Receptorul HART este proiectat sa rejecteze orice semnal dreptunghiular cu amplitudine 16 mA, care trece printr-un astfel de filtru.

1.4 Moduri de comunicare la protocolul HART

Sunt doua moduri de comunicare disponibile cu tehnologia HART: Request-Response Mode si Burst Mode.

Modul Request-Response (master-slave)Partea digitala a comunicarii o constitue protocolul request-response, care in

timpul operarii normale, comunicatia fiecarui dispozitiv este initiata printr-o cerere de la un dispozitiv gazda – cunoscut ca master. Doi masteri pot sa se conecteze de fiecare bucla HART. Primul Master este in general un sistem de control distribuit (DCS), programmable logic controller (PLC), sisteme de management active sau computere personale PC ruland o aplicatie. Al doilea Master este in general un terminal mobil sau

6

Page 7: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

un alt PC cu o aplicatie HART. Dispozitivele HART includ transmitere, servomotoare, debitmetre, valve, analizoare si controlere care raspund comenzilor Master-ului primar sau secundar.

Modul BurstUnele dispozitive HART, suporta modul optional de comunicare burst. Modul

burst face capabila o comunicare mai rapida (3-4 actualizari pe secunda). In acest mod, Master-ul instruieste dispozitivul sa transmita in continuu (broadcast) un mesaj de raspuns standard HART (ex, valoarea unei variabile de proces). Master-ul receptioneaza mesajul la o rata inalta pana cand instruieste dispozitivul sa opreasca transmisia (bursting-ul). Acest mod permite ca dispozitive multiple sa fie conectate intr-o schema multidrop.

7

Page 8: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

1.5 Retele HART

Protocolul HART specifica ca "master"-ul (sistemul central de conducere sau un dispozitiv de comunicare portabil) transmite un semnal de tensiune, in timp ce "slave"- ul (dispozitiv de camp) transmite un semnal de curent.

Semnalul de curent este convertit intr-un semnal corespunzator de tensiune prin intermediul unei rezistente, deoarece toate aparatele utilizeaza sisteme de receptie care sesizeaza nivelul de tensiune.

In tabelul urmator se specifica nivelele de semnal minime si maxime acceptate in sistemele de transmisie folosind protocoale HART. Ideal, semnalul trebuie sa fie sinusoidal, dar se accepta si o forma trapezoidala. Semnalul dreptunghiular nu este acceptat.

HART – nivele de semnal

Semnal transmis de "master" min. 400 mV v-v max. 600 mV v-vSemnal transmis de "slave" min. 0,8 mA v-v max. 1,2 mA v-vSemnal minim "slave" convertit 184 mV v-vprintr-o rezistenta de 230 Ω Semnal maxim "slave" convertit 1320 mV v-vprintr-o rezistenta de 1100 Ω Sensibilitate statie de receptie 120 mV v-v – 2,0 V v-v(pentru receptie corecta)Nivel de ignorare a semnalului 80 mV v-vde catre statia de receptie

Dispozitivele HART pot opera in una din cele doua configuratii de retele : point-to-point sau multidrop.

1.5.1 Point-To-PointIn modul point-to-point, semnalul traditional 4-20 mA este folosit pentru

comunicarea unei variabile de process (analogic), in timp ce o variabila de proces aditionala, (parametrii de configurare, date de masura si alte date de dispozitiv) este transferata digital folosind protocolul HART. Semnalul analogic 4-20 mA nu este afectat de semnalul HART si poate fi folosit pentru control, in modul normal. Semnalul digital de comunicare HART ofera acces la variabilele secundare si la alte date care pot fi folosite pentru operatii, mentenanta si in scopuri de diagnoza, cat si date suplimentare de proces. Instrumentul de putere este reprezentat de interfata de I/O sau o sursa de tensiune externa.

8

Page 9: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

În practică, cele trei elemente (sursa de alimentare PSU, transmiter-ul şi rezistorul) pot fi conectate în orice ordine şi în oricare punct din circuit. Specificaţiile HART impun doar ca resistenta să fie între 230 şi 1100 Ohmi.

Semnalul de comunicatie HART trebuie sa fie introdus in bucla si detectat pe bucla in camp. Sursa de alimentare, de obicei se comporta ca un scurtcircuit pentru semnalele in frecventa tip HART, si de aceea statia de comunicare (statie mobila sau sistem central de comanda) nu poate fi conectata direct la bornele ei. In schimb ea poate fi conectata intre oricare doua puncte din camp (A si B) sau la bornele rezistentei de sarcina (Bsi C), circuitul inchizandu-se prin sursa de alimentare.

O statie de comunicare HART nu poate introduce in bucla orice rezistenta de sarcina in curent continuu. Pentru a evita aceasta, statia va include sau va fi conectata in paralel cu ea o capacitate de aprox. 5μF sau mai mare.

Figura. Conectare punct la punct

1.5.2 Multidrop

Modul multidrop de operare necesita o singura pereche de fire pentru transmiterea informaţiei de la mai multe traductoare, bariere de siguranta si o sursa suplimentara de tensiune pentru pana la 15 dispozitive de camp. Aparatele se montează în paralel şi toate valorile de proces sunt transmise digital, spre deosebire de conexiunea punct cu punct

9

Page 10: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

unde semnalul putea fi citit atat analogic cat si digital. In modul multidrop, toate dispozitivele de camp le sunt asignate adrese comasate si curentul din fiecare dispozitiv este fix, la o valoare minima (tipic 4 mA).

Conectarea multidrop este utila la supervizarea instalatiilor care sunt larg raspandite, spre exemplu conducte, staţii de epurare şi rezervoare de benzină.

In operatiile point-to-point, toate dispozitivele de camp au adresa 0, setand curentul de iesire la 4-20 mA. In modul multidrop, toate adresele sunt mai mari ca zero si fiecare dispozitiv isi seteaza curentul de iesire pe 4 mA. In acest mod indicatoarele si controler-ele trebuie echipate cu modem-uri HART.

Dispozitivele HART pot comunica folosind linii telefonice inchiriate. In aceasta situatie numai o sursa de tensiune locala este necesara dispozitivului de camp si master-ul poate fi la multi km distanta. Majoritatea tarilor europene nu permit ca semnalul Bell 202 sa fie folosit cu echipamentul de transport national. Orice numar de dispozitive pot fi folosite pe liniile inchiriate, atata timp cat sunt alimentate cu surse auxiliare de tensiune individual, independent de comunicatie. Daca doar o singura sursa de tensiune este folosita pentru toate celelate dispozitive, numarul de dispozitive este limitat la 15.

Terminalul “handheld” din figura poate fi conectat oriunde in segment; la terminalele de I/O, la orice dispozitiv.

Figura. Conectare multidrop

10

Page 11: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

1.6 Structura protocolului HART

Protocolul HART are la baza modelul de referinta OSI (Open Systems Interconnection). Modelul OSI asigura structura si elementele sistemului de comunicare. HART foloseste un model OSI redus, implementand doar nivele 1, 2 si 7.

Figura . Implementarea protocolului HART pe structura de niveluri conforme cu recomandarea OSI/ISO.

1.6.1 Nivelul 1 HART Nivelul Fizic, lucreaza pe principiul FSK, bazat pe standardul de comunicare Bell

202: viteza de transfer date : 1200 bit/s frecventa pentru “0” logic : 2200 Hz frecventa pentru “1” logic : 1200 Hz

Marea majoritatea circuitelor existente sunt compatibile cu acest gen de comunicare digitala. Pentru distante mici, se folosesc cabluri cu doua fire de 0.2 mm2, neecranate. Pentru distante lungi (pana la 1500 m) se folosesc cabluri de doua fire rasucite de 0.2 mm2 ecranate. Pentru distante mai mari de 1500 m, pana la 3000 m, se foloseste cablu cu o pereche de fire rasucite de 0.5 mm2 ecranate. Rezistenta de sarcina trebuie sa fie cuprinsa intre 230-1100 ohm in circuitele de comunicare.

11

Page 12: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

1.6.2 Nivelul 2 HARTNivelul Legaturii de Date, stabileste formatul mesajelor HART. Organizeaza

stream-ul de biti in pachete (frame), adauga codurile de detectie a erorilor stream-ului de date si executa Media Access Control (MAC) pentru a asigura accesul ordonat la canalul de comunicatie, atat de catre dispozitivele master cat si de slave. HART este un protocol master/slave. Toate activitatile de comunicare sunt initiate de master. Aceasta adreseaza un mesaj catre un dispozitiv de camp (slave), care interpreteaza comanda din mesaj si trimite un raspuns. Accesul la mediu consta in transmiterea token-ului intre dispozitivele conectate la canal. Trimiterea token-ului este efectuata chiar de catre mesajul transmis. Timer-ul este folosit pentru a delimita perioada dintre tranzactii. Atunci cand timer-ul expira, controlul canalului este abandonat de catre detinatorul token-ului.

Structura acestui mesaj este prezentată în figura :

SD – bit de startAD – adrese (sursă şi destinaţie)CD – comenzi (instrucţiuni HART)BC – contor octeţi (stare şi date din câmp)STATUS – octeţi de stareDATA – datePARITY – bit de paritate

Figura Structura unui cadru HART la nivelul legăturii de date

În modul de conectare multidrop, prin aceste mesaje se asigură adresările necesare mai multor dispozitive de câmp (slave). Nivelul 2 mareste siguranta transmisiei prin adaugarea bitului de paritate;

Pentru un aparat din câmp construcţia mesajului este:1 bit de start8 biti de date1 bit pentru paritate1 bit de stop

12

Page 13: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

1.6.3 Nivelul 7 HARTNivelul Aplicatie, cuprinde setul de instrucriuni HART. Master-ul trimite mesaje

cerere pentru valori specificate, valori actuale si orice alta data sau parametru disponibil de la dispozitiv. Dispozitivul din camp (slave) interpreteaza aceste instructiuni dupa cum sunt definite in protocolul HART. Mesajul raspuns asigura master-ului informatia de stare si de date de la slave.

Pentru a face interactiunea dintre dispozitivele HART compatibile, cat mai eficienta cu putinta, au fost stabilite clase de conformitate pentru master, si clase de comanda pentru slave. Sunt 6 clase de conformitate pentru master,ca in figura. Pentru dispozitivele slave, comunicatii logice, uniforme sunt asigurate de urmatoarele comenzi :

Instructiuni (comenzi) universale – sunt intelese si utilizate de toate dispozitivele de camp.

Instructiuni standard (practice comune) – ofera functii care pot fi indeplinite de multe dispozitive, dar nu toate. Impreuna aceste comenzi alcatuiesc o biblioteca ale celor mai comune functii de dispozitive.

Instructiuni specifice dispozitivului – ofera functii care sunt restrictionate unui anumit dispozitiv, permitand incorporarea unor functii speciale care sunt accesibile tuturor utilizatorilor.

În cele mai multe aparate se regăsesc funcţii din toate cele trei clase: instrucţiuni universale, instrucţiuni standard şi instrucţiuni specifice de aparat.

Figura. Clasele de instructiuni si clasele de conformitate

13

Page 14: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

1.7 Condiţii de funcţionare pentru protocolului HART

Protocolul HART impune o protecţie la interferenţe între liniile conductoare de gradul 3 conform IEC 801 – 3 şi 4, de asemenea sunt satisfăcute cerinţele generale privind imunitatea la zgomot. Conectarea sau deconectarea unei unităţi “slave” sau defectarea comunicaţiei ei cu masterul nu afectează transferul de informaţie cu alte aparate. Aplicaţiile unde sunt medii care cer protecţii AntiEx necesită menţiuni speciale. Barierele sau izolatoarele trebuie să poată transmite frecvenţele Bell 202 în ambele direcţii. De asemenea, în conexiunea multidrop este posibil să interconectăm aparatele de câmp în acord cu DIN VDE 0165.

Bariere de sigurantaSistemele folosind bariere de siguranta necesita o tratare aparte. In plus fata de

verificarile uzuale ale caderii de tensiune pe bucla, tensiunea de alimentare se reduce cu 0,6 V la trecerea prin bariera de siguranta.

Aceasta elimina conductia de catre dioda Zenner a varfurilor de semnal care pot introduce erori in semnalul analogic. Rezistenta serie a barierei de siguranta trebuie sa fie inclusa in constanta RC pentru regula celor 65 μS. Pentru barierele de siguranta active, mai complexe, cateva consideratii sunt valabile.

Majoritatea producatorilor ofera bariere repetoare / izolatoare special proiectate sa treaca corect semnalul HART

In functie de capacitatea lor echivalenta si altor parametrii certificati, maxim 4 aparate de camp pot fi conectate multidrop intr-un sistem de siguranta, ramanand totusi o rezerva de capacitate pentru cablurile folosite in zona cu pericol.

1.7.1 Date tehnice

Modul de transfer de date : FSK, Tehnica modularii in frecventa (Frequency shift Keying) conform cu Bell 202, referitor la rata de transfer si de frecventa pentru bitul de informatie “0” sau “1”.

Viteza de transfer : 1200 bit/s Frecventa pentru bit-ului de informatie “0” : 2200 Hz Frecventa pentru bit-ului de informatie “1” : 1200 Hz Stuctura semnalului : 1 bit de start, 8 biti de date, 1 bit pentru paritate, 1 bit de

stop Rata de transfer pentru variabilele simple : aprox. 2/s (poll/raspuns)

aprox. 3/2 (modul burst, optional) Numarul maxim de unitati pe magistrala : cu sursa de tensiune centrala – 15 Specificatii de marimi de masura :

- numarul maxim de variabile pe unitate : 256 (folosind un modem)- numarul maxim de variabile transmise pe mesaj: 4- munărul maxim de staţii “master” într-o buclă: 2

Nivelul fizic : rata de eroare pe circuitul destinatie 1/106bit Nivelul Legaturi de Date : recunoaste toate de grupurile de pana la 3 biti

transmisi eronat si aproape toate grupurile mai lungi si multiple.

14

Page 15: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

Nivelul Aplicatie : starea comunicarii este transmisa in mesajul raspuns.

1.7.2 Recomandări hardware

Tipuri de conexiuni şi limitări de lungime.

Distanţa (m) Tip cablu Secţiune cablu (mm²)< 1500 m 2 fire ecranate 0,2>1500 m<3000 m

2 fire ecranate 0,5

Din recomandările referitoare la forma semnalului rezultă formula de determinare a lungimii maxime pentru o aplicaţie dată:

l = 65 * 1.000.000/ (R*C) – (Cf + 10.000)/C

unde: l = lungimea în metriR = rezistenţa în Ohmi (rezistenţa de sarcină RL + rezistenţa în Ohmi a barierei de siguranţă / izolator)

C = capacitatea liniei (pF/m)Cf = capacitatea maximă internă a modulelor “slave” în pF

1.8 Avantajele utilizării aparatelor de câmp cu protocol HART

Caracteristica Avantaje

Electronică inteligentă Creşte precizia de măsură

HART – protocol deschis Utilizatorul nu este limitat la un singur furnizor

Sistem în conexiune pe două fire Poate utiliza cablarea existentă în instalaţie

Simultan analog şi digital Compatibil cu sistemele analogice existente, dar pregătit pentru trecerea la sisteme complet digitale

Opţiunea multidrop Economie de cabluri în instalaţii

Protocol multimaster Se poate utiliza o staţie portabilă de comunicare în teren fără a afecta funcţionarea sistemului

Autotestare şi ajustare de parametrii de la Foarte importantă pentru instrumentele

15

Page 16: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

distanţă greu accesibile din instalaţii

Acces la datele de diagnostic on-line Cresc performanţele. Reduce costurile de întreţinere

Comenzi practic comune la aparate diferite Poţi oricând opera cu aparate noi

Comenzi specifice de aparat Aduce inovaţie în proiectarea aparatelor de câmp

Se poate citi numărul de identificare al aparatului

Uşor de identificat în instalaţii

Comanda “set output” Pentru testa rea integrităţii buclei

Standardul Bell 202 Costuri mici pentru circuitele modemului disponibile la mulţi producători

Acelaşi limbaj de programare Aparatele de la diverşi producători sunt interschimbabile

16

Page 17: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

2 PROTOCOLUL LIN

LIN (Local Interconnect Network) este un concept pentru retelele de automatizare cu cost redus, care completeaza solutiile existente de retele de automatizare. LIN a fost un factor decisiv pentru implementarea retelelor ierarhice de automobile, cu scopul de a se obtine castiguri viitoare in calitate si reducerea costurilor vehiculelor. Standardizarea va reduce numarul de solutii low-end si va micsora costurile de dezvoltare, productie, service, si logistica in electronica vehiculelor.

2.1.1 IstoricIn 1999 a fost publicata revizia LIN 1.0 si a fost puternic influentata de magistrala

VLITE folosita de companiile automatizate. Standardul LIN a fost actualizat de doua ori in anul 2000, rezultand LIN 1.2 in noiembrie 2000. In noiembrie 2002 consortiul LIN a lansat standardul LIN 1.3. Au fost facute modificari la Nivelul Fizic care urmareau imbunatatirea compatibilitatii dintre noduri. LIN 2.0 este un pas imens fata de predecesorul, LIN 1.3. Nodurile proiectate pentru LIN 2.0 si LIN 1.3 comunica unul cu celalalt cu mici exceptii.

Aparitia reviziei 2.1 a fost datorata credintei ca compatibilitatea este foarte importanta. LIN 2.1 este un superset al lui LIN 1.3. In LIN 2.1 nodul master poate manevra clustere constand atat in slave-uri LIN 1.3 cat si LIN 2.1. Master-ul va evita astfel cererea caracteristicilor de LIN 2.1 de la un slave LIN 1.3 :

Checksum marit; Reconfigurare si diagnoza; Detectie automata de baudrate; Monitorizarea starii Response_error.

Nodurile slave LIN 2.1 nu pot opera cu noduri LIN 1.3 (master-ul LIN 1.3 nu suporta checksum-ul marit de la LIN 2.0)

2.1.2 CaracteristiciStandardul LIN include specificatiile protocolului de transmisie, mediul de

transmisie, interfata dintre utilitarele de dezvoltare si interfata pentru programarea software.

LIN este un protocol serial de comunicatie, care suporta controlul nodurilor mecatronice din aplicatiile de automatizare ditribuita.

Principalele caracteristici ale magistralei LIN sunt:

Conceptul cu un singur master si mai multi slave; Implementarea siliconului la un pret scazut, bazata pe interfata

hardware UART/SCI, un echivalent in software. Sincronizare automata, fara un rezonator de cermica sau quartz in

nodurile slave.

17

Page 18: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

Transmisie determinista de semnal cu calculul apriori a timpului propagarii semnalului.

Implementare cu cablu cu un singur fir (cost redus). Viteze de pana la 20 kbit/s. Reconfigurabilitate Nivel de Transport si suport pentru diagnoza.

LIN ofera o comunicatie de magistrala cu cost scazut, unde latimea de banda si supletea protocolului CAN nu sunt necesare. Specificatiile liniei motor/receptor au la baza standardul ISO 9141 cu unele schimbari referitoare la EMI.

Configuration Language Specification permite o accesare sigura a nodurilor fara a primejdui functionalitatea sistemului LIN prin incompatibilitatea de mesaje sau supraincaracarea retelei. Este un utilitar puternic pentru depanarea unui cluster LIN, inclusiv emularea nodurilor neterminate.

Node Capability Language Specification, ofera o sintaxa standardizada pentru specificatiile nodurilor slave. Aceasta va simplifica obtinerea nodurilor Standard slave cat si posibilitatea de a asigura utilitarelor acea generare automata de clustere. Astfel posibilitati reale de Plug-and-Play a nodurilor slave pot deveni o realitate.

Figura. Exemplu de flux de lucru

Nodurile slave sunt conectate la nodul master formand un cluster LIN. In procesul de proiectare a cluster-ului LIN, fisierul cu capacitatea corespunzatoare a nodului, este analizata de utilitarul de proiectare a cluster-ul LIN, care genereaza un fisier cu descriere LIN (LDF). Fisierul LDF este analizat de generatorul de cluster care genereaza automat functii speciale LIN in nodurile dorite (Nodul Master si nodul Slave3 din exemplul de mai sus). Fisierul LDF este folosit si de un utilitar analizor/emulator de magistrala LIN, pentru a permite depanarea cluster-ului.

2.2 Conceptul de nod

18

Page 19: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

Fluxul de lucru descris mai sus genereaza un modul complet de interactiune de cluster LIN si proiectantul nu trebuie decat sa furnizeze aplicatiei decat functiile logice a unui nod. Desi multe din specificatiile LIN presupun o implementare software a majoritatii functiilor, sunt incurajate si relizari alternative.

Telegramele nu sunt accesate direct de o aplicatie; un nivel interactiune bazat pe semnal este adugat intre aceastea. Complementar exista o interfata a Nivelului de Transport intre aplicatie si manipulatorul de telegrame.

2.3 Conceptul de functionare Master si Slave

Un cluster consta intr-o sarcina master si mai multe sarcini slave. Un nod master contine sarcina master cat si o sarcina slave. Toate celelalte noduri slave contin numai o sarcina slave. Un nod poate participa in mai mult de un cluster. Termenul de nod este asociat unei singure interfete de magistrala a unui nod, daca nodul are mai multe interfete de magistrala.

Figura. Cluster cu un nod master si doua noduri slave.

Sarcina master decide cand si care telegrama va fi transferata pe magistrala. Sarcina slave asigura datele transportate de fiecare telegrama. Atat sarcina master cat si cea slave sunt parti din manipulatorul de telegrame.

2.4 TelegramaO telegrama consta intr-un header (oferit de sarcina master) si intr-un raspuns

(oferit de o sarcina slave).

19

Page 20: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

Header-ul consta intr-un camp de pauza si un camp de sync urmat de identificatorul de telegrama. Identificatorul de telegrama defineste in mod unic scopul telegramei. Sarcina slave numita sa asigure raspuns impreuna cu identificatorul de telegrama, transmite raspunsul. Raspunsul consta intr-un camp de date si un camp de checksum.

Sarcina slave interesata de datele asociate cu identificatorul de telegrama, receptioneaza raspumsul, verifica checksum si foloseste data transportata.

Acestea conduc la urmatoarele caracteristici: Flexibilitatea sistemului: Pot fi adaugate noduri cluster-ului LIN fara a face

modificari hardware sau software in celalalte noduri slave. Rutare de mesaje: Continutul unui mesaj este definit de identificatorul

telegramei (similar cu CAN). Multicast: Oricate de noduri pot receptiona simultan si poate actiona pe o

singura telegrama.

2.5 Transportul datelorDoua tipuri de date pot fi transportate intr-o telegrama: semnale sau mesaje de

diagnoza.

2.5.1 SemnaleSemnalele sunt valori scalare sau array-uri de byte care sunt impachetate in

campul de date din telegrame. Un semnal este prezent intotdeauna in aceeasi pozitie a campului de date pentru toate telegramele cu aceiasi identificator de telegrama.

Un semnal scalar are intre 1 si 16 biti. Semnal scalar de 1 bit este numit semnal boolean. Semnalele scalare cu marimea intre 2 si 16 biti sunt tratate ca intregi fara semn.

Un array de byte este un array de 1-8 biti.Fiecare semnal este scris intotdeauna de acelasi nod din cluster. Nici unul, 1 sau

mai multe noduri pot subscrie semnalului.Toate semnalele au valoari initiale. Valoarea initiala pentru un semnal editor

(publisher) este valabil pana cand este receptionata o noua valoare actualizata de la un alt nod.

2.5.2 Mesajele de diagnozaMesajele de diagnoza sunt transportate in telegrame cu doi identificatori de

telegrama rezervati. Interpretarea campului de date depinde de campul de date cat si de starea nodurilor care comunica.

2.5.3 Schedule Table Sarcina master (din nodul master) transmite header-ele pe baza unui orar. Acesta

specifica telegramele si intervalul dintre inceputul telegramei si inceputul telegramei urmatoare. Aplicatia master poate folosi tabele orar diferite si poate face selectie intre ele.

20

Page 21: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

2.5.4 Impachetarea semnalelorUn semnal este transmis cu LSB la inceput si MSB la sfarsit. Nu este nici o

restrictie la impachetarea semnalelor scalare. Fiecare byte dintr-un array de byte trebuie sa treaca intr-o telegrama cu un singur byte, incepand de la cel mai mic byte de date numerotat.

Intr-o telegrama pot fi impachetatemai multe semnale, atata timp cat nu se suprapun.

Acelasi semnal poate fi impachetat in mai multe telegrame atata timp cat editorul semnalului este acelasi. Daca un nod receptioneaza un semnal impachetat in mai multe telegrame, ultima valoare de semnal receptionata este valida.

2.5.5 Receptia si transmisia semnaluluiMomentul in care semnalul este transmis/receptionat trebuie definit pentru a ajuta

utilitarele de proiectare si testare in analiza timpilor semnalelor. Timing-ul este diferit pentru un nod master fata de slave, pentru ca nodul master

controleaza orarul si stie care telegrama va fi trasnmisa. Un nod slave primeste informatia atunci cand este transmis header-ul pe magistrala.

Un semnal este considerat receptionat si disponibil pentru aplicatie dupa cum urmeaza:

Nod master – la urmatorul time base tick dupa lungimea maxima a telegramei. Nodul master actualizeaza periodic semnalele receptionate la inceputul time base.

Nodul slave – cand checksum-ul pentru telegrama receptionata este validat. Nodul slave actualizeaza semnalul receptionat direct dupa ce telegrama este terminata.

Figura. Timing-ul receptiei semnalului

Un semnal este considerat transmis in situatiile:

Nod master – inainte ca transmisia telegramei sa fie initiata. Nod slave – cand ID-ul pentru aceeasi telegrama este receptionat.

21

Page 22: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

Figura.Timing-ul transmisiei semnalului

2.6 Transferul telegramelor

2.6.1 Structura telegramei

Telegrama este alcatuita din mai multe campuri: un camp de pauza urmat de 4-11 campuri de byte.

Timpul in care este trimisa o telegrama este timpul insumat al timpilor pentru a trimite fiecare byte plus raspunsul si inter-byte-ul.

Figura. Structura unei telegrame

Fiecare camp de byte, exceptie facand campul de pauza, este trimis ca in figura de mai jos. Primul trimis este LSB, ultimul fiind MSB. Bit-ul de start este codat ca bit cu valoarea 1 (regresiv).

22

Page 23: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

2.6.1.1 Campurile header-ului

Brake FieldFolosit pentru a semnaliza inceputul unei noi telgrame. Este intotdeauna generat

de sarcina master (in nodul master) si trebuie sa fie de cel putin 13 bit time din valoarea dominanta, urmat de un delimitator de pauza (cel putin 1 bit time).

Figura. Breake Field

Campul byte-ului de SyncContine informatia pentru sincronizarea de ceas. Are valoarea de 0x55,

caracterizat prin cinci creste (regresive si dominante) intr-o distanta de 8 bit time.

Figura. Campul byte-ului de Sync

Campul identificatorului de protectieConsta din doua subcampuri: identificatorul telegramei si paritatea. Biti 0-5 sunt

identificatorul telegramei, iar biti 6-7 sunt paritatea.

Figura. Campul identificatorului

Identificatorul de telegrama are valori cuprinse intre 0 si 63: 0-59 (0x3B) folosit pentru telegramele transportoare de semnal; 60 (0x3C) si 61 (ox3D) folosit pentru transportul datelor de diagnoza

si configurare; 62 (0x3E) si 63 (0x3F) sunt rezervate pentru implementari viitoare ale

protocolului. Paritatea este calculata astfel :

23

Page 24: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

Campul de DateO telegrama transporta 1-8 byte de date. Pentru transmisii de date mai mari de 1

byte, LSB este continut in byte-ul trimis primul iar MSB in byte-ul trimis ultimul.

Figura. Numerotarea de byte de date intr-o telegrama cu 8 byte.

ChecksumContine suma celor 8 biti inversata, supra toti bitii de date transportati cu sau fara

identificator. Calculul checksum fara identificator este folosit pentru telegrama de cerere a master-ului, a slave-ului si comunicatia cu slave-urile LIN 1.x si se numeste clasic checksum. Calculul cu identificator este folosit pentru comunicatia cu slave-urile LIN 2.x si se numeste enhanced checksum.

2.6.2 Lungimea telegrameiValoarea exacta a unui frame transmis coincide cu numarul de biti trimisi (fara

spatiu de raspuns sau de inter-byte). Campul de break nominal este de 14 biti (+1 bit delimitatorul).

unde TBit este timpul nominal necesar pentru transmiterea unui bit.

Spatiul maxim dintre byte este cu 40% mai lung comparat cu timpul nominal de transmisie. Durata aditionala este impartita intre header (al sarcinii master) si telegrama raspuns (o sarcina slave).

24

Page 25: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

2.7 Tipuri de telegrameBitii nefolositi sau nedefiniti dintr-o telegrama sunt regresivi.

2.7.1 Telegrame UnconditionalTransporta semnale a caror identificatori sunt in intervalul 0-59 (0x3B).Header-ul este intotdeauna transmis cand un spatiu telegrama alocat telegramei

unconditional, fiind procesat de catre o sarcina master. Editorul telegramei unconditional (sarcina slave) trebuie intotdeauna sa asigure raspunsul catre header. Toti abonatii la telegrama unconditional vor receptiona telegrama si trebuie sa o faca disponibila catre aplicatie.

Un transfer este initiat intotdeauna de master. Are un singur editor si unul sau mai multi abonati.

Figura. O secventa de 3 telegrame unconditional.

2.7.2Telegrame Event triggered Scopul unei astfel de telegrame este de a mari responsabilitatea cluster-ului LIN

fara a atribui prea mult din latimea de banda, la apelarea selectiva a nodurilor slave cu evenimente ce apar rar.

Toti abonatii la telegrama event triggered vor receptiona telegrama si vor folosii datele ca si cum telegrama unconditional asociata a fost receptionata. Daca telegrama unconditional asociata cu telegrama event triggered este prevazuta ca o telegrama unconditional, raspunsul va fi intotdeauna transmis.

Header-ul unei telegrame event triggered este transmis cand slotul telegramei alocat telegramei event triggered este procesat. Editorul al unei telegrame unconditional va transmite numai raspunsul daca cel putin un semnal transportat in telegrama unconditional este actualizat. Daca raspunsul este transmis, semnalul nu mai este considerat a fi actualizat.

Daca nici un nod slave nu raspunde la header, restul slotului telegramei este “silent” si header-ul este ignorat. Daca mai mult de un nod slave raspunde la header in acelasi slot telegrama ,va rezulta o coliziune.

Nodul master trebuie sa rezolve coliziunea intr-o tabela orar de rezolvare de coliziuni. Fiecare telegrama event triggered are asociata o tabela orar de rezolvare a coliziunilor. Trecerea la aceasta tabela se face automat de catre driver-ul din nodul master. Tabela va fi activata la inceputul slotului telegrama urmator dupa coliziune.

In aceasta tabela vor aparea toate telegramele unconditional asociate. Tabela poate contine si alte telegrame unconditional decat cele asociate (acestea pot fi de lungimi diferite).

25

Page 26: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

2.7.3 Telegrame SporadicSunt grupuri de telegrame unconditional care impart acelasi slot telegrama. Cand

o telegrama spoardic este asteptata pentru transmisie telegramele unconditional sunt verificate daca au semnale de actualizate. Daca nici un semnal nu este actualizat , nici o telegrama nu va fi transmisa si slotul va fi gol. Daca un semnal a fost actualizat, telegrama corespunzatoare va fi transmisa. Daca sunt mai multe semnale actualizate este trimisa telegrama cu prioritatea cea mai mare. Telegramele netransmise un vor fi pierdute.

2.7.4 Telegrame DiagnozaTransporta datele Nivelului de Transport si contin 8 biti de date. Identificatorul

este fie 60, numit telegrama raspuns master, sau 61, numit telegrama raspuns slave. Inainte de transmiterea unei telegrama raspuns master, sarcina master interogheaza modulul de diagnoza daca sa transmita sau daca magistrala va fi “silent”. O telegrama raspuns slave este trimisa neconditionat.

2.7.5 Telegrama ReservedNu sunt folosite in cluster-ul LIN 2.x . Au identificatorul 62 si 63.

Schedule tables Tabelele orar asigura ca magistrala nu va fi supraincarcata, si garanteaza

periodicitatea semnalelor. Comportamentul determinist este facut posibil de faptul ca toate transferurile

dintr-un cluster LIN sunt initiate de master. Este deci responsabilitatea master-ului sa se asigure ca toate la telegramele relevante le este dat un timp suficient pentru a fi transferate.

2.8 Definitii de timpiUnitatea de timp minima care este folosita intr-un cluster LIN este time base

(Tbase) . Time base este implementat in nodul master, si este folosit pentru controlul coordonarii tebelei orar. Uzual este de 5 sau 10 ms.

Punctul de inceput al time base este definit ca time base tick. Un slot telegrama intotdeauna insepe la un time base tick.

2.8.1 Jitter-ul specifica diferenta dintre intarzierea maxima si minima de la time base tick la punctul de inceput al header-ului trimis.

Spatiul inter-frame, este timpul de la sfarsitul telegramei si pana la inceputul telegramei urmatoare (trebuie sa fie pozitiv).

2.8.2 Frame slot Este timpul care controleaza coordonarea tabelei orar. Este timpul de la intrarea

unei tabele orar (va fi initiata tranmisia telegramei) si pana la urmatoarea intrare asteptata. Este definit ca:

Un slot telegrama trebuie sa aiba o durata destul de mare pentru a permite jiter-ului introdus de catre sarcina master si de TFrame_Maximum definit in ecuatie.

26

Page 27: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

Figura. Frame Slot

Manevrarea tabelei orarTabela orar activa va fi procesata pana cand o alta tebela orar ceruta este selectata.

Cand este atins sfarsitul orarului tabelei curente, orarul este pornit din nou de la inceput. Trecere la un nou orar este facut la inceputul slot-ului telegrama. Deci cererea de trecere la un nou orar nu va intrerupe transmisia pe magistrala.

2.9 Modelul de comportare al task-ului2.9.1 Sarcina masterSarcina master este responsabila cu generarea corecta de header, decide ce

telegrame vor fi trimise, si mentine unui timing corect intre telegrame, conforme cu tabela orar.

Figura.Starile masinii pentru sarcina master

2.9.2 Sarcina slaveEste resposabila cu transmiterea telegramelor raspuns cand este editorul si pentru

telegrama raspuns receptionata cand este un abonat. Este modelata cu doua stari:

Break/sync field sequence detector – o sarcina slave trebuie sa fie sincronizata la inceputul identificatorului unei telegrame. Fiecare telegrama incepe cu o secventa cu un camp pauza

27

Page 28: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

urmat de un camp de biti de sincronizare. Acesta secventa este unica in toata comunicatia LIN si asigura suficienta informatie pentru orice sarcina, pentru detectia inceputul unei telgrame noi si posibilitatea de a fi sincronizata la inceputul campului de identificator.

Frame processor – are doua stari: Idle si Active.

2.10 Managementul retelei

Managementul retelei intr-un cluster LIN, se refera doar la starile cluster-ului de wake-up si sleep (detectarea configuratiei este lasata aplicatiei).

2.10.1 Diagrama starii de comunicare a slave-uluiInitializareaStarea intra dupa reset sau dupa wakeup. Nodul slave va face initializarea

necesara si apoi va intra in satrea Operationala. OperationalComportamentul protocolului LIN (transmitere si receptia de telegrame)

specificat se aplica numai starii Opertionale.Modul sleep al magistraleiNivelul pe magistrala este setat pe regresiv. Numai semnalul de wake up mai

poate fi transmis pe cluster.2.10.2 Wake-upOrice nod dintr-un cluster LIN sleeping, poate cere wake-up (trezirea), prin

transmiterea unui semnal de wake –up. Acest semnal este transmis prin fortarea magistralei in starea dominanta pentru 250 μs pana la 5 ms. Nodul master poate emite un camp de pauza, spre exemplu emiterea unui header, deoarece pauza va actiona ca semnal de wake-up.

Fiecare nod slave va trebui sa detecteze semnalul de wake-up, si sa fie pregatit pentru comenzile magistralei in 100 ms. Daca nodul care a transmis semnalul de wake-up este slave, va fi gata sa receptioneze sau sa transmita telegrame imediat. Nodul master va trebui sa fie si el “treaz” cand nodurile slave sunt disponibile, pentru a transmite header-e pentru a afla cauza wake-up-ului.

Daca nodul master nu transmite campul de pauza sau daca nodul care a emis semnalul de wake-up nu receptioneaza semnalul de wake-up de la alt nod, in intervalul 150-250 ms, nodul care a emis semnalul de wake-up va transmite un nou semnal de wake-up. In cazul in care nodul slave transmite un semnal de wake-up in acelasi timp in care master-ul transmite un camp de pauza, slave-urile vor trebui sa receptioneze si sa recunoasca acest camp. Dupa trei cereri nereusite nodul va astepta minim 1.5 secunde inainte de a emite un al patrulea semnal de wake-up. Motivul este de a permite cluster-ului sa comunice in cazul in care nodul slave are probleme.

2.10.3 Go To SLEEPMaster-ul seteaza cluster-ul in modul sleep prin transmiterea comenzii de sleep.

Cererea un va obliga nodurile slave sa intre intr-un mod low-power.In cazul in care magistrala este inactiva un nod slave trebuie sa fie capabil sa

receptioneze /transmita telegrame pentru 4 s.

28

Page 29: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

Nodul slave trebuie sa intre automat in modul magistralei, de sleep nu mai devreme de 4 s si cel tarziu 10 s de inactivitate pe magistrala (nici o transmisie intre valorile de bit dominante si regresive).

2.11 Managementul starilorScopul este de a detecta erori in timpul operarii.Managementul starii cluster-ului central este realizata in nodul master. Nodul

master monitorizeaza rapoartele de stare de la fiecare nod si filtreaza rapoartele pentru a verifica daca un nod este defect. Aplicatia fiecarui nod poate deasemenea sa monitorizeze interactia cu magistrala LIN.

2.11.1 Raportarea catre clusterNodul master va monitoriza stare cluster-ului prin verificarea starii unui semnal

specific emis de toate slave-urile. Fiecare slave trebuie sa emita un semnal scalar de 1 bit catre master, numit response_error, la trasnmiterea uneia din telegramele unconditional. Semnalul response_error este emis cand o telegrama care a fost transmisa sau reaceptionata de catre nodul slave, contine o eroare in telegrama raspuns.

Figura. Interpretarea Semnalul response_error

2.11.2 Raportarea in interiorul propriul nodNodul ofera 2 biti de stare in interiorul propriului nod: error_in_response si

successful_transfer. Aplicatia propriului nod receptioneaza si ea identificatorul ultimei telegrame recunoscute de nod.

error_in_response – cand o telegrama receptionata de nod sau transmisa de nod contine o eroare in campul de raspuns;successful_transfer - cand o telegrama a fost transmisa corect de nod.

2.12 Nivelul de Transport

Defineste transportul de date din telegrame. Mesajele Nivelului de Transport, sunt transportate de telegramele de diagnoza. Mesajele sunt identice cu cele specificate in ISO 15765-2.

2.12.1 Strucutura PDU – Packet Data UnitUnitatile care sunt transportate intr-o telegrama se numesc PDU (Packet Data

Unit). Un PDU poate fi un mesaj complet sau doar o parte de mesaj. Mesajele emise de de client (tester, nod master) sunt numite cereri si mesajele emise de server (nod master, slave) se numesc raspuns.

Primul byte este folosit ca adresa nodului (NAD). Telegramele Nivelului de Transport au identificatori ID ficsi. Ceea ce insemna ca adresarea unui nod este facuta utilizand NAD.

29

Page 30: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

Figura. PDU suportate de Nivelul de Transport LIN

Byte-ul NAD (din stanga) este trimis primul si byte-ul D4, D5 sau D6 (din dreapta) sunt trimisi ultimii.

Cererile (Request) sunt trimise in telegrame cerere master si raspunsurile sunt trimise intotdeauna in telegrame raspuns slave.

PCI (Protocol Control Information)Contine informatia de flow control, existand trei interpretari :

Figura.Structura byte-ului PCI Tipul SF (Single Frame) indica ca mesajul transportat incape intr-un singur

PDU (max 5 byte). Tipul FF (First Frame) indica inceputul unui mesaj multi PDU. Tipul CF (Consecutive Frames) numerotate 1, 2, …;daca sunt necesare mai

mult de 15 CF pentru transportulmesajului se reia de la 0, 1, …LEN Este folosit numai in FF; contine 8 cei mai putin semnificativi biti din mesaj

(lungimea max a mesajului 4095 byte).SID (Service Indetifier)Specifica cererea care trebuie facuta de adresa nodului slave. 0 la 0xAF si 0xB8 la

0xFE sunt folosite pentru diagnoza, iar 0xB0 si 0xB7 pentru configurarea de nod.RSID (Response Service Identifier) specifica continutul raspunsului.D1 - D6Interpretarea byte-ilor de date.

2.12.2 ComunicareaDoar un mesaj poate fi activ la un moment dat. Daca un nod receptioneaza un

mesaj cu NAD-ul acelasi cu al sau, sau cu NAD-ul de broadcast si nici un alt mesaj nu este activ, mesajul va fi receptionat si procesat. Daca o adresa de mesaj este receptionata

30

Page 31: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

si nici un alt mesaj nu este activ, mesajul este receptionat si procesat. Adresele de mesaj vor fi ignorate daca nodul slave receptioneaza un alt mesaj.

Transmiterea telegramelor SFTransmiterea de mesaje de pana la 6 bytes trebuie realizata prin transmiterea

unuei singure telegrame PDU (SF).Transmiterea de telegrame multipleTransmiterea de mesaje cu mai mult de 6 bytes si pana la maximul 4095 bytes,

este realizata printr-o segmentare si transmitere de PDU multiple. O transmisie segmentata incepe cu First Frame (FF) si continua cu Multiple Consecutive Frame (CF).

2.12.3 Tratarea ErorilorO telegrama SF cu dimensiunea mai mare de 6 bytes va fi ignorata de destinatar.O telegrama FF cu dimensiunea mai mica de 7 bytes va fi ignorata de destinatar. O telegrama FF cu dimensiunea mai mare decat maximul dimensiunii buffer-ului

receptionat va fi ignorata de destinatar si destinatarulnu va incepe receptia mesajului segmentat.

Telegramele cu tipuri PCI neasteptate de la orice nod vor fi ignorate exceptie facand Insgle Frame si First Frame.

Dupa receptia unei telegrame SF sau FF, cu NAD care nu este egal cu NAD-ul functional, in timpul transmiterii unui mesaj, receptia curenta va fi anulata.

La receptionarea de telegrame consecutive (CF) cu numarul de secvente (SN) neasteptat, receptia mesajului va fi anulata de receptor.

2.13 Serviciile de Configurare si Identificare a Nodului

Definesc cum se configureaza un nod, si cum se identifica un nod slave folosind serviciul de identificare. Sunt transportate de Nivelul de Transport.

Configurarea nodurilor este folosita prin setarea nodurile slave intr-un cluster. Este un set de servicii creat pentru a evita conflictele dintre nodurile slave dintr-un cluster. Configurarea este facuta prin detinerea unui spatiu de adrese, constand int-un Identificator de Produs LIN si un NAD initial pentru nodurile slave. Folosind aceste valori este posibil schitarea de identificatori de telegrame unici pentru toate telegramele trasnportate in cluster.

Memoria unui nod slave: VRAM – invalida dupa reset; NVRAM – se mentine dupa resetsi poate fi modificata prin procese

interne; ROM – memorie constanta care nu poate fi modificata prin procese

interne.Sunt definite trei tipuri de noduri slave :

Noduri slave Neconfigurate – dupa reset nodurile slave nu contin o configuratie valabila, acesta trebuie configurat de master.(config este memorata in VRAM)

Noduri slave Preconfigurate – aceste noduri au dupa reset o configurare valida.(config este memorata normal in ROM)

31

Page 32: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

Noduri slave Configurate Complet – nodul slave memoreaza configuratia in NVRAM, care va fi activa dupa reset.

Toate cererile sunt transportate in telegrame master cerere, si toate raspunsurile sunt transportate in telegrame raspuns slave, folosesc numai telegrame SF. Un nod slave isi va aminti raspunsul la o cerere pana ce o noua cerere este receptionata de la nodul master.

Servicii Asignare NAD (Node Address) – folosit pentru a rezolva conflictele de adrese NAD

din cluster folosind noduri slave noi sau refolosite. Conditional change NAD – folosit pentru a detecta noduri slave necunoscute intr-un

cluster si de a le separa NAD-ul. Aparitia acestor noduri necunoscute, este datorata asamblarii incorecte la crearea cluster-ului sau o inlocuire incorecta a unui slave in timpul service-ului.

Data dump – folosit pentru configurarea initiala a nodului slave de catre furnizorul de noduri.

Salvarea configuratiei – acest serviciu informeaza nodul slave ca aplicatia slave va salva configuratia curenta.

Asignarea clasei de identificare pentru telegrama – folosit pentru a elimina PID-uri de pana la patru telegrame.

2.14 Diagnosticarea – specificatii

Sunt definite metode de implementare a transferului de date de diagnoza intre nodul master, respectiv un tester de diagnoza, si noduri slave. Sunt definite trei clase de diagnoza in nodurile slave :

1. Clasa IDispozitive simple si inteligente (senzori) care necesita o cantitae mica sau

chiar deloc de functionalitate de diagnoza. Indicarea de fault este intotdeauna bazata pe semnalizare. Folosirea acestor telegrame de diagnoza este limitata la configurarea de nod si sunt transportate cu telegrame SF.2. Clasa II

Similara cu clasa I dar asigura suport pentru identificarea de nod. Pentru transport este necesara implementarea completa de la Nivelul de Transport pentru transmisie de multi-telegrame.

Trebuie sa suporte un set de servicii ISO 14229-1: Identificarea de nod Citirea parametrilor (temperatura ulei, viteza vehicului) Scrierea parametrior

3. Clasa IIISunt dispozitive cu functii de aplicatie implementate, care isi fac in mod

normal propria procesare de informatie. Acestea au memorie interna pentru fault, impreuna cu servicii de citire si deblocare. Este posibila si reprogramarea nodului slave.

Acestea necesita un NAD unic in cluster.

32

Page 33: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

2.15 Nivelul Fizic

Ratele de bit la magistrala LIN este specificata in domeniul 1-20 kbit/s. Rata de bit specifica folosita pe magistrala LIN este definita ca rata de bit nominala FNom.

2.15.1 Procedura de sincronizareCampul Byte-ul de sincronizare consta in data ‘0x55’ in interiorul campului de

byte. Procedura de sincronizare se bazeaza pe masurarea timpului dintre creste. Acestea sunt disponibile in distante de 2, 4, 6 si 8 bit times care permit un calcul simplu al bit-ului timpului de baza Tbit.

Figura. Campul byte-ului de sync.

2.15.2 Linia motor/receptorMagistrala motor/receptor se bazeaza pe standardul ISO 9141. Consta intr-o linie

de magistrala LIN bidirectionala care este conectata de motor/receptor din fiecare nod din magistrala, si conectat printr-un rezistor si o dioda la polul pozitiv al bateriei VBAT. Dioda este obligatorie pentru a preveni o tensiune necontrolata de pe magistrala in cazul consumarii bateriei.

LIN se refera la tensiuni ale conexiunilor electrice externe si nu interne.

2.15.3 Specificatii de semnalPentru transmisie si receptie corecta a bit-ului, trebuie ca semnalul sa fie

disponibil cu un nivel de tensiune corect (dominant sau regresiv) la bit sampling time al receptorului. Trebuie luate in considerare punerile la pamant si caderile de tensiune .

Figura. Nivelele de tensiune pe linia de magistrala.

33

Page 34: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

2.16 Interfata programului aplicatie

Aplication Program Interface (API) LIN, este un software la nivel de retea care ascunde detaliile de configurare a retelei LIN. In schimb utilizatorului ii este oferit un API, care este orientat pe transportul semnalelor pe retea. Este folosit un utilitar care are face pasul de la configurarea de retea la codul programului gata facut.

2.17 Limbajul Nodului

Scopul de putea descrie posibilitatile unui nod slave intr-un mod standardizat sub forma de sintaxe citibile specifice masinii.

Disponibilitatea nodurilor slave gata facute, se asteapta sa creasca in urmatorii ani. Daca ar fi insotite si de un fisier cu caracteristicile nodului, ar fi posibila generarea atat a unui fisier descriere LIN (LDF) cat si a unui cod de initializare pentru nodul master.

Daca setarea si configurarea cluster-ului ar fi complet automata, s-ar face un mare pas catre dezvoltarea plug-and-play LIN.

3 Controller Area Network (CAN)

CAN (Controller Area Network) este un sistem de magistrala seriala, care a fost dezvoltat pentru aplicatii din industria automobilelor la inceputul anilor ’80. Protocolul CAN a fost introdus ca standard international in 1993 ca ISO 11898-1 si include Nivelul de Legaturii de Date din cele sapte nivele ale modelului ISO/OSI. CAN, prevede doua servicii de comunicare : trimiterea unui mesaj (transmitere de frame-uri de date), si cererea unui mesaj (RTR, remote transmision request). Toate celelalte servicii, ca semnalarea erorilor, retransmiterea automata a frame-urilor cu erori sunt transparente utilizatorului, adica cipul CAN realizeaza automat aceste servicii. Controler-ul CAN este comparabil cu o imprimanta sau o masina de scris. Utilizatorii de CAN trebuie sa defineasca limbajul / gramatica si cuvintele / vocabularul pentru a comunica.

CAN este o magistrala de broadcast cu o arhitectura multimaster capabila de functii real-time si tolerante la erori, foarte necesar pentru control si automatizare.

Exemplu de de folosire a protocolului CAN la autovehicule:Industria autovehiculelor foloseste CAN , ca o retea in-vehicle (IVN) pentru

administrarea motorului, componentele electronice spre exemplu controlul usilor sau al trapei, aerul conditionat si lumina, cat si controlul dispozitivelor audio/video. Majoritatea producatorilor europeni folosesc retele IVN bazate pe CAN. Aceste retele conecteaza mai multe unitati de control electronic (ECU). Multi producatori de automobile folosesc retele CAN de mare viteza (500 kbit/s) in sistemele de putere ale motorului, dar si sisteme multiplex care conecteaza mai multe ECU. Aceste retele multiplex functioneaza cu rate de transfer mai mici, 125 kbit/s. Se mai folosesc transmitatoare–receptoare tolerante la erori conform cu ISO 11898-3. In America de Nord sunt folosite retele CAN cu un singur fir.

34

Page 35: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

CAN prevede:-o ierarhie multi-master,care permite realizarea de sisteme inteligente si

redundante. Daca un nod din retea este defect, reteaua este inca capabila sa lucreaze.-comunicatie broadcast. Transmitere de date la toti din retea. Toate

dispozitivele receptoare citesc mesajul si apoi decid daca mesajul este relevant pentru ei. Acest lucru garanteaza integritatea informatiei pentru ca toate dispozitivele din sistem folosesc aceasi informatie.

-mecanisme de detectie a erorii si retransmiterea mesajelor eronate. Acest lucru garanteaza deasemenea integritatea informatiei.

3.1 Istoric CAN

In februarie 1986, Robert Bosch a introdus sistemul de magistrala seriala CAN (Controller Area Network) la congresul SAE (Society of Automotive Engineers) in Detroit. CAN este un protocol dominant, poate chiar cel mai folosit sistem pe magistrala seriala din lume.

Fig. Grafic cu statistica vanzarilor CAN

Uwe Kiencke, Siegfried Dais and Martin Litschel au introdus protocolul de retea multi-master. Avea la baza un mecanism nedistructiv de arbitraj, care acorda acces la magistrala mesajelor cu prioritatea cea mai mare fara intarzieri. Nu avea un master central pe magistrala. Alaturi de creatorii CAN, angajatii de la Bosch au implementat mecanisme de detectie a erorilor. Manipularea erorilor includea si deconectarea automata a nodurilor cu erori pentru a mentine operationala comunicatia dintre nodurile ramase. Mesajele transmise nu erau identificate prin adresa nodului transmitatorului sau receptionerului mesajului (ca in majoritatea distemelor cu magistrala), ci prin continutul

35

Page 36: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

lor. Identificatorul reprezentand continutul mesajului avea si functia de a specifica prioritatea mesajului in cadru sistemului.

La jumatatea anului 1987 Intel lansa primul cip controler CAN, 82526. Era prima implementare hardware al protocolului CAN. La scurt timp Philips Semiconductors a introdus 82C200. Aceste doua cip-uri erau diferite in privinta manevrarii mesajelor si filtrarea accesului la magistrala. Pe de o parte, conceptul FullCAN promovat de Intel solicita o incarcare mai mica a CPU-ului, de catre microcontrolerele conectate, de cat implementarea BasicCAN aleasa de Philips. Pe de alta parte, dispozitivul FullCAN era limitat din punct de vedere al numarului de mesaje care puteau fi receptionate. Controler-ul BasicCAN necesita mai putin silicon. Controler-ele CAN de astazi, au concepte diferite in privinta manevrarii mesajelor si filtrarea accesului la magistrala implementate in aceleasi module, facand conceptele BasicCAN si FullCAN sa fie expirate.

Specificatiile CAN ale lui Bosch (v 2.0) au fost prezentate pentru standardizare internationala in 1990. Dupa mai multe dispute, in legatura cu Vehicle Area Network (VAN) dezvoltata de francezi, in 1993 a aparut standardul ISO 11898 pentru CAN. Pe langa protocolul CAN, se definea si Nivelul Fizic pentru rate de baud de pana la 1 Mbit/s. In paralel, o modalitate de transmitere toleranta la erori, a datelor prin CAN, a fost standardizata in ISO 11519-2. In 1995, standardul ISO 11898 a fost extins prin introducerea specificatiilor identificatorului pe 29 biti CAN.

Standardul ISO 11898-1 descrie Nivelul Legaturii de Date CAN, ISO 11898-2 defineste Nivelul Fizic CAN “Non-fault-tolerant”, si ISO 11898-3 specifica Nivelul Fizic CAN “Fault-tolerant”. Standardele ISO 11992 (truck and trailer interface) si 11783 (agriculture and forestry machines) definesc aplicatii care au la baza profilul CAN bazat pe protocolul american J1939, oricum acestea sunt incompatibile.

Inca din 1992, Mercedes-Benz a folosit CAN in clasa de sus a automobilelor sale. Intr-o prima faza, unitatile de control care administreaza motorul au fost conectate prin intermediul CAN, apoi si celelate unitati de control necesare pentru celelalte parti electronice ale masinii. Au fost implementate doua sisteme de magistrale separate CAN, conectate prin gateway-uri. Acum si BMW, Fiat, Renault, Saab, Volkswagen, si Volvo folosesc CAN in vehiculele lor.

Allen-Bradley si Honeywell au dezvoltat proiecte referitoare la controlul si comunicatia bazata pe CAN. Aceasta a condus la doua protocoale de nivel inalt DeviceNet si Smart Distributed System (SDS), foarte similare cel putin la nivelele de comunicare. Allen-Bradley a dat specificatiile DeviceNet catre Open DeviceNet Vendor Association (ODVA), care a marit popularitatea protocolului. DeviceNet a fost dezvoltat special pentru automatizarea industriala, oferind functionalitate off-the-shelf plug-and-play .

In 1995, a fost lansat profilul de comunicatie CANopen complet revizuit,acesta devenind in numai 5 ani cel mai important standard de retea din Europa. Primele retele CANopen au fost folosite in comunicarea interna a masinilor, in special la motoare. Protocolul de nivel inalt a fost standardizat in EN 50325-4.

CANopen defineste nu numai Nivelul Aplicatie si profilul de comunicatie, dar si un cadru pentru sistemele de programare,cat si diferite profiluri de interfete si aplicatii. Protocolul a fost foarte folosit in anii ’90.

36

Page 37: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

DeviceNet si CANopen , doua standarde de nivel Aplicatie (EN50325), care adreseaza piete diferite. DeviceNet este optimizat pentru automatizari industriale, iar CANopen pentru retele dedicate controlului masinilor.

La inceputul anului 2000, mai multe companii au inceput un proiect referitor la un protocol pentru transmisii time-triggered a mesajelor CAN, asa a aparut protocolul Time-triggered communication on CAN (TTCAN).

Aceasta extensie CAN, care a trebuit implementata in silicon, a permis transmisii time-equidistant de mesaje si implementarea controlului in bucla inchisa pe CAN, dar si folosirea CAN in aplicatii x-by-wire. Pentru ca protocolul CAN nu a fost modificat, este posibil transmisia de mesaje time-triggered cat si event-triggered pe acelasi sistem de magistrala.

3.2 Protocolul Controller Area Network (CAN)

Protocolul CAN este un standard international definit in ISO 11898. In ISO 16845 este definit testul de conformitate al protocolului CAN, care garanteaza permutabilitatea cip-urilor CAN.

3.2.1 Principiul schimbului de dateCAN se bazeaza pe un mecanism de comunicare broadcast, care consta intr-un

protocol de transmisie orientat pe mesaje. Defineste continutul mesajelor si nu statiile sau adresele statiilor. Fiecare mesaj are un identificator, care este unic in intreaga retea, avand in vedere ca defineste continutul cat si nivelul de prioritate al mesajului. Lucru foarte important atunci cand mai multe statii concureaza pentru a obtine accesul pe magistrala (bus arbitration).

Ca rezultat al schemei de adresare orientata pe continut, sau obtinut sisteme avansate si configuratii flexibile. Este usor de adugat o statie noua, unei retele existente CAN, fara a face modificari hardware sau software statiilor existente, atata timp cat statiile noi sunt doar receptoare. Acest lucru permite un concept modular cat si receptia de date multiple si sincronizarea proceselor distribuite. Deasemenea transmiterea datelor nu se bazeaza pe disponibilitatea diferitelor statii, ceea ce permite o simpla mentenanta si upgradare a retelei.

37

Page 38: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

3.2.2 Transmisia de date real-time

In procesele real-time, urgenta schimbului de mesaje pe retea poate diferii mult: o dimensiune care se modifica rapid (inacarcarea motorului - curentul), trebuie transmisa mai frecvent si deci cu mai putine intarzieri decat alte dimensiuni (temperatura motorului).

Prioritatea cu care mesajele sunt transmise comparativ cu un alt mesaj mai putin urgent, este specificata in identificatorul fiecarui mesaj. Prioritatile sunt lasate deoparte in timpul proiectarii sistemului sub forma de valori binare corespunzatoare si nu pot fi schimbate dinamic. Identificatorul cu cel mai mic numar binar are cea mai mare prioritate.

Conflictele de acces la magistrala sunt rezolvate prin bit-wise arbitration a identificatorilor fiecarei statii implicate, observand nivelul magistralei bit cu bit. Magistrala poate avea doua valori logice: “dominant” si “regresiv“. Acest lucru are loc in concordanta cu mecanismul wired-AND, prin care starea dominanta inlocuieste starea cea mai putin dominanta(regresiva). Toate aceste statii (noduri), cu transmisii regresive si observatii dominante, pierd competitia pentru accesul la magistrala. Toti acesti “pierzatori” devin automat receptori ai mesajului cu prioritatea cea mai mare si nu incearca retransmiterea, pana cand magistrala este disponibila din nou.

Cererile de transmitere sunt manevrate in ordinea importantei pentru intreg sistemul. Acest lucru este avantajos in situatii de supraincarcare. De vreme ce accesul la magistrala este prioritizat la nivelul mesajelor, este posibil garantarea unor timpi de latenta mici in sistemele real-time.

3.2.3 Formatul frame-ului de date

Protocolul CAN suporta doua formate de frame-uri de mesaje, singura diferenta este in lungimea identificatorului. “CAN base frame” suporta o lungime de 11 biti pentru identificator, si “CAN extended frame” suporta o lungime de 29 biti pentru identificator.

3.2.3.1 Formatul frame-ului de baza CANFrame-ul de baza al mesajului CAN incepe cu bit-ul de start numit “Start Of

Frame (SOF)", marcheaza inceputul frame-ului de date si remote, este alcatuit dintr-un singur bit dominant. Urmat de "Arbitration field" care este alcatuit din identificator si bit-ul "Remote Transmission Request (RTR)", bit folosit pentru a face diferenta dintre frame-ul de date si frame-ul cerere de date numit remote frame. "Control field" contine bit-ul "IDentifier Extension (IDE)" cu ajutorul caruia se face diferenta intre formatul de baza al frame-ului CAN si formatul extins al frame-ului, cat si "Data Length Code (DLC)" folosit pentru a indica numarul bitilor urmatori din "Data field". Daca mesajul este folosit ca remote frame , DLC va contine numarul de biti de date cerut. "Data field"

38

Page 39: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

poate contine pana la 8 biti de date. Integritatea frame-ului este garantata "Cyclic Redundant Check (CRC)". "ACKnowledge (ACK) field" are lungimea de 2 biti, contine slotul ACK si delimitatorul ACK. Bit-ul din slotul ACK este trimis ca bit regresiv si este suprascris ca bit dominant de catre acei destinatari indiferent de rezultatul testului de acceptare. Cel de-al doilea bit ACK delimiter trebuie sa fie regresiv. Sfarsitul mesajului este indicat prin "End Of Frame (EOF)". "Intermission Frame Space (IFS)" reprezinta numarul minim de biti care separa mesaje consecutive. Afara de cazul cand o statie incepe sa transmita, magistrala ramane idle dupa aceasta.

3.2.3.2 Formatul frame-ului extins CANDiferenta intre un format extins de frame de date si unul de baza este lungimea

identificatorului folosit. Identificatorul de 29 biti este alcatuit din 11 biti ai identificatorului (identificatorul de baza) si o extensie de 18 biti (extensia identificatorului). Diferenta dintre frame-ul de baza si cel extins o constitue bit-ul IDE, care este transmis ca dominant in cazul farme-ului de 11 biti, si transmis ca regresiv in cazul frame-ului de 29 biti. Cum cele doua formate trebuie sa coexiste pe o magistrala, este memorat mesajul care are prioritatea cea mai mare pe magistrala. Mesajul de 11 biti are intotdeauna prioritate fata de cel de 29 biti.

Formatul extins are unele compromisuri: timpul de latenta al magistralei este mai mare (cu minim 20 bit-times), mesajele in formatul extins necesita mai multa lungime de banda (cu aproape 20%), si detectia erorilor are performante mai slabe (pentru ca polinomul ales pentru 15 bit CRC este optimizata pentru un frame de lungime de 112 biti).

Controler-ele CAN, care suporta mesaje cu formatul frame-ului extins, pot deasemenea sa trimita si sa receptioneze mesaje in formatul de baza. Cotroler-ele CAN acopera doar formatul de baza neputand interpreta corect formatul extins. Totusi, sunt controler-e CAN care suport numai formatul de baza, dar care pot recunoaste mesajele in formatul extins dar le ignora.

3.2.3.3 Remote frameO statie care se comporta ca receptor pentru o anumita data, poate initia

transmisia datei respective prin trimiterea unui frame remote. Este compus din 6 campuri de biti: start of frame, arbitration field, control field, crc field, ackfield, end of frame. Fata de frame-urile de date, bitul RTR este regresiv. Nu este exista Data Field, independent de valorile DATA LENGTH CODE, care poate lua orice valoare intre 0…8. Valoarea este DATA LENGTH CODE corespunzatoare frame-ului de date. Polaritatea bitului RTR indica daca se transmite un frame de date (bit RTR dominant) sau frame remote (bit RTR regresiv).

39

Page 40: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

3.2.3.4 Frame eroareFormat din doua campuri: ERROR FLAGs si ERROR DELIMITER. Pentru a

termina un frame eroare corect, un nod “error pasive” va avea nevoie ca magistrala sa fie idle pentru cel putin 3 biti de timp (daca este o eroare locala la un destinatar “error passive”). Deci magistrala nu trebuie sa fie incarcata 100%.

3.2.4 Semnalizarea si detectia erorilor

Fata de alte sisteme de magistrala, protocolul CAN nu foloseste mesaje de acknowledgement, dar in schimb semnalizeaza erorile imediat ce apar. Pentru detectia erorilor, protocolul CAN are implementate trei mecanisme la nivel de mesaj:

Cyclic Redundancy Check (CRC): pazeste informatia in telegrama prin adaugarea unei secvente Frame Check Sequence (FCS) la sfarsitul transmisiei. La destinatar acest FCS este recalculat si testat fata de FCS-ul receptionat. Daca nu coincid, a avut loc o eroare CRC.

Frame check: Acest mecanism verifica structura telegramei transmise, prin verificarea campului de biti fata de dimensiunea telegramei si fata de un

40

Page 41: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

format fix. Erorile detectate prin verificarea frame-urilor sunt marcate ca "format errors".

ACK errors: Receptionerii mesajelor confirma frame-urile receptionate. Daca transmitatorul nu receptioneaza confirmarea se indica o eroare ACK.

Protocolul CAN implementeaza doua mecanisme de detectie a erorii la nivel debit:

Monitorizare: Abilitatea unui transmitator de a detecta erori, prin monitorizarea semnalului de magistrala. Fiecare statie care transmite si observa nivelul magistralei, detecteaza diferenta dintre bit-ul trimis si cel receptionat. Acest lucru conduce la o detectie sigura a erorilor globale si locale catre transmitator.

Bit stuffing: Codarea individuala a bitilor este testata la nivel de bit. Reprezentarea de bit folosita de CAN este codarea "Non Return to Zero (NRZ)". Sincronizarea varfurilor este generata prin mijloace de bit stuffing. Acest bit stuffing are o valoare complementara, care este indepartata de destinatar.

Daca una sau mai multe erori sunt descoperite de catre cel putin o statie, transmisia curenta este abandonata prin trimiterea unui "error frame". Acesta impiedica ca alte statii sa accepte mesajul si deci sa asigure consistenta datelor peste toata reteaua. Dupa transmiterea unui mesaj eroare care a fost intrerupt, emitatorul retransmite automat (automatic re-transmission). Nodurile pot concura din nou pentru accesul pe maistrala.

In cazul unei statii defecte, aceasta poate determina ca toate mesjale (inclusiv cele corecte) sa fie abandonate. Daca nu se ia nici o masura pentru propria monitorizare, sistemul magistrala se va bloca. De aceea protocolul CAN prevede un mecanism de distingere a erorilor sporadice de cele permanente si de avariile locale ale statiilor. Acesta este realizat prin impunerea unei statistici a situatiilor de avarie a statiilor, cu scopul ca statia sa-si recunoasca singura defectele si daca posibil sa intre intr-o stare de operare, in care restul retelei CAN sa nu fie afectata negativ. Se poate merge pana acolo unde statia sa se inchida singura pentru preveni alte noduri sa recunoasca eronat mesaje ca fiind incorecte. Stari ale nodurilor:

Error-Active –starea de functionare normala. In aceasta stare nodul poate transmite si receptiona telegrame si participa la semnalarea erorilor.

Error-Pasive –nodul mai poate transmite si receptiona telegrame, dar dupa transmiterea unei date sau a unui telegrame remote, nodul necesita o perioada de 8 biti suplimentari pe magistrala urmati de intermission (perioada de 3 biti regresivi care precede transmisia datelor sau a telegramelor remote), inainte de a putea transmite din nou; semnalizarea erorilor este realizata prin emiterea unui passive error flag , deci are garantia reusitei doar daca nodul transmite.

Bus-Off –nodul nu executa nici o activitate pe magistrala, ne putand transmite sau receptiona telegrame.

41

Page 42: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

3.3 Structura Nivelelor la CAN

Nivelul Fizic defineste modul in care semnalele sunt transmise.

Nivelul de Transfer reprezinta nucleul protocolului CAN. Prezinta mesajele receptionate, Nivelului Obiect si accepta transmiterea mesajelor de la Nivelul Obiect.

Nivelul Obiect se ocupa cu filtrarea mesajelor, cat si manevrarea si starea mesajelor.

3.4 Nivelul Fizic CAN

Nivelul Fizic este responsabil cu transferul biti-lor intre diferite noduri din retea; defineste cum semnalele sunt transmise si deci trateaza probleme ca timpul, codarea si sincronizarea stream-ului de biti.

Protocolul CAN defineste nivelul Legaturii de Date si o parte a Nivelului Fizic din modelul OSI, care consta in sapte nivele. International Standards Organization (ISO) a definit un standard, care incorporeaza si specificatiile protocolului CAN cat si o parte a Nivelului Fizic: semnalizarea fizica, care cuprinde codarea si decodarea de bit (Non-Return-to-Zero, NRZ) cat si “bit timing” si sincronizare.

3.4.1 Codare de bitIn codarea de bit Non-Return-to-Zero (NRZ), nivelul semnalului ramane constant

peste timpul de bit si astfel un singur slot de timp este necesar pentru reprezentarea unui bit (alte metode de codare de bit sunt Manchester sau Pulse-width-modulation). Nivelul semnalului poate ramane constant pe o perioada mai mare de timp, astfel ca trebuie facute masuratori pentru a asigura ca intervalul maxim de timp dintre doua varfuri de semnal sa nu fie depasit. Acest lucru este important in scopuri de sincronizare. Bit stuffing – se realizeaza prin introducerea unui bit complementar dupa 5 biti de valuare egala. Destinatarul trebuie sa despacheteze bitii impachetati (stuffed), pentru ca datele originale sa fie procesate.

42

Page 43: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

Fig. NRZ comparat cu Manchester

3.4.2 Sincronizarea si Bit-timing La nivel de bit (Nivelul unu in modelul OSI, nivelul fizic) CAN foloseste

transmisii de bit sincronizate, care inbunatateste transmiterea de date. Sincronizarea de bit intr-o transmisie orientata pe caractere, este realizata inainte de receptia bitului de start din fiecare caracter, un singur bit fiind disponibil la inceputul unui frame. Pentru ca receiver-ul sa citeasca corect mesajul este nevoie de o resincronizare continua a acestuia. Astfel sunt introduse segmente de buffer de faza inainte si dupa punctul nominal de sample dintr-un interval de bit..

Protocolul CAN regleaza accesul la magistrala prin “bit-wise arbitration”. Transmiterea semnalului de la trimitator la destinatar si inapoi trebuie sa se faca intr-un bit time. Pentru sincronizare se mai foloseste un segment de inarziere a propagarii semnalului, pe langa segmentele de rezervare de timp, pentru sincronizare si al celui de buffer de faza. Segmentul de inarziere a propagarii actioneaza asupra propagarii semnalului pe magistrala cat si asupra intarzieri generate de transmiterea si receptia din noduri.

Figura. Nominal bit-time

43

Page 44: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

NOMINAL BIT TIME = 1 / NOMINAL BIT RATENominal bit rate – este numarul de biti transmisi pe secunda in lipsa

resincronizarii de catre un transmiter ideal.

Tipuri de sincronizare: sincronizare hard la inceputul frame-ului si resincronizare in interiorul frame-ului.

Dupa o sincronizare hard, timpul de bit este restartat la sfarsitul segmentului sincronizat. Deci varful, care determina sincronizarea hard, se afla in segmentul sincronizat al timpului de bit restartat.

Resincronizarea scurteaza sau mareste timpul de bit, pentru ca punctul de sample sa fie deplasat in concordanta cu varful detectat.

Dependenta dintre rata de transmisie si lungimea magistraleiIn functie de dimensiunea propagarii segmentului de delay, se poate calcula

dimensiunea maxima a magistralei la o anumita rata a transferului de date. Timpul de propagare este determinat de doua noduri din sistem, cele mai indepartate unul de celalalt. Este timpul necesar semnalului sa calatoreasca dintr-un nod catre cel mai indepartat (luand in considerare intarzierea cauzata de transmiterea si receptia din nod), sincronizarea si timpul ca semnalul sa calatoreasca inapoi de la cel de-al doilea nod catre primul. Numai atunci primul nod poate decide daca nivelul semnalului propriu (regresiv in acest caz), este nivelul actual pe magistrala sau a fost inlocuit de nivelul dominant de catre un alt nod.

3.4.3 Mediul fizic

Baza CAN a transmiterii a mesajelor si concurenta pentru accesul la magistrala, o constituie ablitatea de a scoate in evidenta bitul cel mai reprezentativ si bit-ul cel mai putin reprezentativ (regresiv), (valabil pentru mediul electric si optic, cat si pentru wireless si pe cabluri de putere). La mediul electric tensiunile pe iesirile distinctive ale magistralei sunt definite in ISO 11898-2 si ISO 11898-3, in SAE J2411, si ISO 11992. La mediul optic nivelul regresiv este reprezentat de “intuneric”, iar nivelul dominant de “lumina”. Mediul fizic cel mai folosit in retelele CAN este cablul cu 2 fire. La partile electronice de la vehicule se foloseste cablu cu un singur fir. S-au facut cercetari pentru a putea transmite semnale pe aceeasi linie cu tensiunea de alimentare.

Parametrii mediului electric devin importanti cand lungimea magistralei este mare. Propagarea semnalului, rezistenata liniei si dimensiunea sectiunii cablului sunt factori importanti cand se dimensioneaza reteaua. Pentru a putea obtine o rata de bit cat mai mare este necesara o lungime si o viteza mare a semnalului. Pentru magistralele de dimensiuni mari tensiunea scade odata cu lungimea liniei. Sectiunea cablului este calculata astfel incat cadrea de tensiune a nivelului semnalului dintre doua noduri, cele mai indepartate, sa fie la un nivel acceptat, si rezistenta totala a receiver-elor conectate. Caderea de tensiune acceptata trebuie sa fie in asa fel incat nivelul semnalului sa fie interpretat corect la orice nod destinatar.

44

Page 45: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

3.4.4 Topologia retelei

Pentru ca nodul sa citeasca nivelul magistralei corect este necesar ca reflexiile semnalului sa fie evitate. Acest lucru este realizat cu ajutorul unei rezistor la capatele magistralei. Cea mai mare rata de transmisie si lungime de magistrala se obtine prin mentinerea cat mai aproape de o structura cu o singura linie si prin inchiderea liniei la ambele capete (ISO 11898-2 and -3).

Este posibil ca limitarile topologiei linie sa fie depasite prin utilizarea de repetoare, bridges sau gateways. Un repetor transfera un semnal electric de la un segment al magistralei catre altul. Semnalul este numai actualizat si repetorul poate fi privit ca un element pasiv, comparabil cu un cablu. Un repetor imparte magistrala in doua segmente independente, aceasta adaugand un timp de propagare al semnalului suplimentar. Un bridge leaga doua retele separate logic la nivelul Legaturii de Date. De aceea identificatorii CAN sunt unici, bridge-urile au implementate functie de depozitare si pot retrimite mesajele mai departe (forward) sau parti ale acestuia intr-o transmisie time-delay independenta. Bridge-urile difera de repetoare prin aceea ca retrimite mesajele (forward), care nu sunt locale, in timp ce repetoarele retrimit toate semnalele electrice inclusiv identificatorul CAN. Un gateway asigura conexiunea intre retele cu protocoale de nivel inalt diferite, realizand o traducere a protocolului intre doua sisteme de comunicare. Aceasta traducere are loc la Nivelul Aplicatie.

Sunt disponibile o varietate de cipuri transmitatoare-receptoare (transceiver) CAN, conexiuni dintre cipul controler-ului CAN si magistrala cu doua fire, conforme cu diferite standarde de Nivele Fizice (ISO 11898-2 si 3). Aceasta interfata consta intr-un amplificator transmitator si unul emitator. Pe langa adaptarea la reprezentarea semnalului dintre cip si mediul magistralei, tranceiver-ul trebuie sa indeplineasca si alte cerinte. Ca transmiter acesta asigura capacitatea necesara pe iesire a motorului si protejeaza cipul din controler-ul motorului impotriva suprasarcinii. Reduce totodata si radiatia electromagnetica. Ca destinatar, transceiver-ul CAN asigura un nivel de semnal regresiv definit, si protejeaza intrarea comparatorului cipului din controler impotriva supratensiunii de pe linia magistralei. Acesta extinde scala folosita usual a comparatorului de intrari din controler-ul CAN si asigura o precizie suficienta pe intrare. Mai mult, detecteaza erorile de magistrala ca intreruperea liniei, scurtcircuite, puneri la masa, etc. O functie viitoare a transceiver-ului ar putea fi izolatia galvanica a nodurilor CAN si a liniei magistralei.

3.5 Standarde ale Nivelului Fizic

ISO 11898-2 high speedISO 11898-2 este cel mai folosit standard al Nivelului Fizic pentru retelele CAN.

Descrie functiile unitatatii de acces la magistrala cat si cateva caracteristici ale interfetei. In acest standard rata de transfer este de pana la 1 Mbit/s cu dimensiune teoretica a magistralei de 40 m la 1Mbit/s. Standardul specifica o magistrala cu doua fire diferentiale, unde numarul de noduri este limitat de incarcarea electrica a magistralei. Impedanta liniei este 120 Ohm, tensiunea -2V pe CAN_L la +7V pe CAN_H.. Valorea nominala a intarzierii propagarii pe magistrala cu 2 fire este de 5ns/m. Toate aceste valori sunt valabile pentru o rata de transfer de 1 Mbit/s si un maxim a lungimii retelei de 40 m.

45

Page 46: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

Pentru a atinge compatibilitatea fizica, toate nodurile din retea trebuie sa foloseasca aceasi sau aproape acelasi bit-timing. La aplicatiile cu automobile SAE a publicat specificatia SAE J2284. Pentru aplicatiile industriale si non-autovehicule se folosesc recomandarile CiA 102. Aceasta specificatie defineste bit-timing de 10 kbit/s pana la 1 Mbit/s, cat si recomandari referitoare linia magistralei, conectori si asezarea pinilor.

ISO 11898-3 fault-tolerantO alternativa la interfata magistralei si aranjarea liniei magistralei este specificata

in ISO 1898-3 (fault-tolerant CAN). Acest standard este in general folosit pentru componentele electronice din industria automobilelor. Pentru aceasta specificatie a fost atribuita o retea mica, problema reflexiei semnalului nu este importanta decat in cazul liniilor lungi. Aceasta conduce la folosirea unei linii deschise de magistrala. Ceea ce inseamna ca pot fi folosite motoare mici pe magistrala pentru retele cu un consum foarte redus de curent, si topologia magistralei nu mai este limitata la o structura liniara. Estae posibila transmiterea asimetrica a datelor pe o singura linie in cazul avriei electrice a uneia dintre liniile magistralei.

ISO 11898-3 defineste rate de transfer de pana la 125 kbit/s cu un maxim al lungimii depinzand de rata de transfer folosita si de incarcarea magistralei. Sunt specificate pana la 32 de noduri pe retea. Tensiunea -2 V si +7 V. Tensiunea de alimentare este de 5 V.

Cipurile transceiver-elor, care suporta acest standard, sunt disponibile de la mai multi producatori. Transceivers fault-tolerant suporta administrarea completa a erorilor inclusiv detectia erorilor magistralei si trecerea automata pe transmisia asimetrica a semnalului.

SAE J2411 single wireStandardul este tot pentru aplicatiile pe retelele CAN cu cerinte scazute, din punct

de vedere al ratei de bit si a lungimii magistralei. Comunicarea are loc pe o singura linie cu rata de 33,3 kbit/s (83,3 kbit/s pentru diagnoza in modul de mare viteza). Standardul defineste pana la 38 de noduri pe retea. Domeniul de aplicatie este in retelele electronice de confort in vehicule cu motor.

Ca mediu de magistrala se foloseste un cablu ne-ecranat cu un singur fir. O structura topologica linie nu este necesara. Standardul cuprinde posibilitati ale nodurilor de “sleep”, care permit o comunicare normala sa aiba loc, intre mai multe noduri in timpce altele sunt lasate sa “doarma”.

ISO 11992 point-to-pointO alta abordare a folosiri retelelor CAN de viteza mica cu functionalitate toleranta

la avarii (fault-tolerant) este specificata in acest standard. Defineste o conexiune punct la punct pentru utilizare spre exemplu la remorcarea vehiculelor si a rulotelor acestora. Pentru un vehicul cu rulota lui se defineste o conexiune punct la punct. Pentru un vehicul cu doua rulote, se defineste o conexiune daisy-chain. Rata de transfer 125 kbit/s pe o lungime de 40m. Standardul defineste administrarea erorilor si tensiunea de alimentare (12 V sau 24 V). Mediul fizic folosit doua perechi de fire ne-ecranate si rasucite.

46

Page 47: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

AlteleNestandardizata este fibra optica de transmitere CAN a semnalelor. Datorita

cuplarii directe in mediul optic, liniile de transmitere si receptie trebuie sa fie separate. Deasemenea fiecare linie care receptioneaza trebuie cuplata extern de fiecare linie transmitatoare pentru a putea monitoriza bitii. Folosirea pasive star este posibila cu un numar mic de noduri, deci este limitata in dimensiuni. Extensia retelei CAN cu mediul optic este limitata de puterea luminii si atenuarea puterii dealungul liniei si a cuplari stea.

4 Protocolul PROFIBUS

PROFIBUS (Process Field Bus) este cel mai popular tip de “fieldbus” cu mai mult de 14 millioane de noduri (in 2006) de lucru in lume. PROFIBUS defineste capabilitatile functionale si tehnice a unei magistrale seriale, cu ajutorul careia dispozitivele digitale automatizate pot fi legate in retea, de la senzor sau indicator de nivel pana la celule de distributie de curent. PROFIBUS-ul face diferenta intre dispozitivele master si slave

Din punct de vedere al utilizatorului, PROFIBUS asigura trei versiuni ale protocolului de comunicatie PROFIBUS:

Profile PNOpentru aparate DP Profile PNO

Pentru aparate FMS

Profile PNOpentru aparate PA

Functii de bazaFunctii extinse

Functii de bazaFunctii extinse

Interfata DP-utilizatorDirect Data LinkMapper (DDLM)

Interfata nivelului deAplicatie (ALI)

Interfata DP-utilizatorDirect Data LinkMapper (DDLM)

Nivelul 7(Aplicatie)

nu sunt implementateNivelele 3-6

Nivelul 2(Conexiune)

Nivelul conexiunii de dateFieldbus Data Link (FDL)

Nivelul conexiunii de dateFieldbus Data Link (FDL)

Interfata IEC

Nivelul 1(Fizic)

Nivelul fizic(RS 485/LWL)

Nivelul fizic(RS 485/LWL)

IEC 1158-2

Figura. Arhitectura protocolului PROFIBUS

47

Nivelul de aplicatieFieldbus Message

Specification (FMS)

Page 48: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

4.1 PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification)Sunt implementate nivelele 1, 2 si 7. Nivelul de aplicatie se compune din FMS

(Fieldbus Message Specification) si LLI (Lower Layer Interface). FMS contine protocolul aplicatiei si asigura, pentru FMS, accesul independent al aparatelor la Nivelul 2.

PROFIBUS-FMS si PROFIBUS-DP folosesc aceeasi tehnologie de transmisie si acelasi protocol de acces la magistrala. Din acest motiv pot functiona simultan pe aceeasi cablu.

Profilele FMS au fost definite de PNI (PROFIBUS User Organisation) pentru a adapta serviciile de comunicatie la gama actuala a necesitatilor functionale, precum si pentru a defini functiile aparatelor astfel incat acestea sa corespunda aplicatiei. Aceste profile FMS asigura ca aparatele diversilor producatori sa aiba aceleasi functionalitati de comunicatie.

Profiluri FMS: Profil pentru comunicatia intre automatele programabile

-precizeaza care dintre servicii, parametrii si tipul de date trebuie suportate de acestea;

Profil pentru automatizarea cladirilor -se descrie modul cum se realizeaza moitorizarea, controlul buclelor de reglare, controlul operarii, alarmele intr-o cladire automatizata;

Dispozitive de comutare de joasa tensiune-specifica raspunsul aparatelor de comutare de joasa tensiune in timpul comunicatiei datelor prin FMS.

4.2 PROFIBUS-DP (Decentrallised Periphery) Foloseste nivelele 1 si 2 alaturi de interfata pentru utilizator. Nivelele 3-7 nu sunt

implementate. Aceasta arhitectura asigura o viteza foarte mare pentru transmisia datelor. Serviciul DDLM (Direct Data Link Mapper) permite accesul la Nivelul 2.

Functiile disponibile ale aplicatiilor, precum si caracteristicile aparatelor si sistemelor diferitelor tipuri de aparate PROFIBUS-DP sunt specificate in interfata pentru utilizator, care defineste functiile disponibile pentru aplicatie, precum si comportamentul sistemului si al aparatelor pentru diverse tipuri de dispozitive PROFIBUS-DP.

Optimizat pentru transferul foarte rapid de date, acest protocol PROFIBUS, este special conceput pentru comunicatia dintre automatul programabil si aparatajul distribuit de tip I/O, amplasat la nivelul campului.

Profiluri PROFIBUS-DP: Profil pentru NC/RC

-profil pentru componente simple HMI (Human Machine Interface) defineste conectarea la componente cu un nivel mai ridicat de automatizare prin PROFIBUS-DP. Pentru comunicatii de date, acest profil utilizeaza setul extins de functii. Descrie cum sunt controlate prin PROFIBUS-DP robotii si instalatiile de manipulare.

Profil pentru encoder-descrie cum pot fi cuplate la PROFIBUS-DP ecoderele;

Profil pentru actionari cu viteza variabila (PROFIDRIVE)

48

Page 49: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

- specifica cum trebuie definiti parametrii actionarii si cum sa se efectueza transmisia datelor referitoare la valorile prescrise si a valorilor masurate. Profilul mai contine si specificatii necesare modului de operare : “controlul vitezei” si “pozitionare”. Se explica functiile de baza ale actionarii, ale aplicatiei, si de dezvoltare.

Profil pentru controlul operational si monitorizarea de proces Profil pentru transmisii de date fara eroare

4.3 PROFIBUS-PA (Process Automation) Foloseste pentru transmisia datelor, protocolul extins PROFIBUS-DP.

Suplimentar aceasta implementeaza profilul PA care specifica caracteristicile aparatajului de camp. Tehnica de transmisie, conforma cu standardul IEC 1158-2, asigura siguranta intriseca , precum si alimentarea aparatelor conectate in retea. Aparatele PROFIBUS-PA pot fi integrate usor in retelele PROFIBUS-DP prin intermediul unor dispozitive de cuplare a segmentelor de retea.

Protocolul PROFIBUS-PA este special creat pentru comunicatiile de mare viteza si fiabilitate, solicitate de automatizarea proceselor industriale. Prin intermediul PROFIBUS-DP pot fi conectate traductoare si elemente de executie, la o linie comuna de magistrala, chiar si in zonele cu potential pericol de explozie.

Standardele internationale IEC 61158 si IEC 61784-1, definesc PROFIBUS ca un standard deschis. PROFIBUS face posibila conectarea in retea a diferitelor dispozitive, fara nevoia unei interfete speciale,fiind ideala pentru comunicatii complexe.

La nivel de senzor sau indicator de nivel, semnalele (binare) sunt transmise ciclic.La nivel de camp, dispozitivele periferice spre exemplu motoare, convertori de

masura, valve, terminale pentru operatori, comunica cu dispozitivele de automatizare ale celulei prin intermediul unui puternic sistem de comuncare real-time. Datele de proces sunt in general transmise ciclic.

Dispozitivele de automatizare ca PLC, comunica intre ele la nivelul de celula. Fluxul de informatie necesita pachete de dimensiuni mari si puternice forme de comunicare.

Protocolul PROFIBUS are la baza modelul ISO / OSI , standardizat la nivel international pentru task-uri de comunicatie industriala. Cele 7 nivele definesc servicii si reguli de executie pentru comunicatia dintre doua aplicatii. Sunt nivele dedicate utilizatorului (nivelele de la 5 la 7) si nivele dedicate retelei (nivelele de la 1 la 4). Nivelele 1-4 descriu transportul datelor de la o locatie la alta, pe cand nivelele 5-7 permit utilizatorului un acces adecvat la sistemul de retele.

49

Page 50: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

Figura.Implementarea modelului ISO/OSI la PROFIBUS

4.4 Nivelul Fizic PROFIBUS4.4.1 Nivelul Fizic pentru protocoalele DP/FMS

In versiunea de baza, pentru cabluri ecranate si torsandate, Nivelul 1 al PROFIBUS implementeaza o trasmisie simetrica a datelor conform cu standardul EIA RS 485, cunoscut si H2. Linia magistralei, din cadrul unui segment de magistrala, este realizata dintr-o pereche de conductoare ecranate si torsandate terminate la ambele capete. Viteza de transmisie a datelor poate fi stabilita intre 9,6 kbit/s si 12 Mbit/s. Rata de transfer selectata este valabila pentru toate dispozitivele conectate la magistrala.

Procedura de transmisie folosita pentru PROFIBUS este de tip semi-duplex, asincrona, bazata pe o sincronizare fara intreruperi denumita “gap free”. Datele sunt transmise intr-o grupare de caractere de 11 biti, in cod NRZ (Non Return to Zero). Forma semnalului, in timpul tranzitiei binare de la “0” la “1”, nu se modifica in timpul transmisiei bitilor.

Figura. Gruparea de caractere PROFIBUS

50

Page 51: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

In timpul transmisiei, “1” binar corespunde unui nivel pozitiv pe linia RxD/TxD-P (Receive/Transmit-Data-P) numita si linia A, in opozitie cu RxD/TxD-N (Receive/Transmit-Data-N) numita si linia B. Starii de pauza dintre doua telegrame independente ii corespunde “1” binar.

Figura. Forma semnalului in timpul transmisiei NRZ

Linia de magistrala Lungimea maxima permisa pentru o retea sau segment PROFIBUS depinde de viteza de transmisie selectata. Numarul maxim de noduri (statii) care pot functiona impreuna pe un segment PROFIBUS este de 32.

Rata de transfer (kbit/sec) 9.6 la 187.5 500 1,500 12,000Lungimea segmentului (m) 1.000 400 200 100

Figura. Lungimea maxima a segmentului..

Impedanta 135 la 165 Ohmi, la o frecventa masurata de 3 la 20 MHzCapacitatea cablului < 30 pF pe metruSectiunea transversalaa miezului > 0,34 mm2, conform cu AWG 22Tipul cablului Pereche torsadata, 1x2 sau 2x2 sau 1x4 conductoareRezistenta buclei < 110 Ohmi pe 1 KmAtenuarea semnalului 9 dB max. Pe intreaga lungime a cabluluiEcran Ecran din plasa de cupru, ecran impletit sau ecran din folie

Figura.Caracteristicile cablului PROFIBUS RS 485, de tip A

Liniile de date A si B trebuie terminate conform standardului EIA RS 485 cu un rezistor “pull-down” fata de DGND, respectiv cu un rezistor “pull-down” fata de VP. Acesti doi rezistori asigura o intrerupere (pauza) de potential bine definita in situatiile cand nici o statie nu emite pe linia de magistrala (atunci cand linia de magistrala se afla intr-o pauza intre doua telegrame).

Cablurilor de fibra optica din plastic sau sticla pot fi folosite deasemenea ca mijloc de transport a datelor, pentru distante de pana la 15 Km cele din fibra de sticla, si 80 m cele din fibra de plastic. Conectarea cablului de fibra optica se folosesc module dedicate OLM (Optical Link Module), care prezinta un sau doua canale electrice RS 485, si unul sau doua canale optice.

Linia A

Semnal binar 1 1 1 10 0

Linia A

51

Page 52: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

4.4.2 Nivelul fizic pentru PA

PROFIBUS-PA foloseste o tehnologie de transmisie in concordanta cu standardul IEC 1158-2. Aceasta tehnologie asigura o siguranta intriseca la alimentarea dispozitivelor de camp direct de pe magistrala. Transmisia de date este de fapt o modulare de curent continuu de tip “DC-free” care este bazata pe sincronizarea bitilor pe linie si este codificata conform protocolului Manchester.

La transmisia de date prin codificare de tip Manchester, un semnal “0” binar este transmis pentru schimbarea pozitiva de front a semnalului, adica de la 0 la 1, iar semnalul “1” binar este transmis pentru schimbarea negativa de front a semnalului, adica de la 1 la 0. Datele sunt transmise printr-o modulare de curent +/- 9 mA fata de curentul de baza IB al magistralei. Viteza de transfer este de 31,25 kbit/s. Ca mediu de transmisie este utilizat un cablu torsadat ecranat sau neecranat. Linia magistrale este terminata la capetele segmentului printr-o linie pasiva de tip RC. La un segment PA pot fi conectate pana la 32 de statii. Lungimea maxima a segmentului depinde intr-o mare masura de sursa de alimentare, de tipul liniei si de consumul de curent al statiilor conectate.

Linia magistralei. Ca mediu de transmisie pentru PROFIBUS-PA este necesar un cablu cu doua fire. Proprietatile acestuia nu sunt specificate sau standardizate. Totusi, caracteristicile cablului determina lungimea maxima a magistralei PA, numarul maxim de statii care pot fi conectate, precum si sensibilitatea acestuia la interferentele electromagnetice.

Figura. Transmisie de date PROFIBUS-PA (modulare de curent in codul Manchaster II)

52

Page 53: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

4.5 Nivelul Legaturii de Date

La Nivelul Legaturii de Date, sunt realizate functiile de control al accesului la magistrala, securitatea datelor si procesarea protocoalelor de transmisie si a telegramelor. Nivelul 2 se numeste FDL (Fieldbus Data Link) asigura mai multe servicii pentru trimiterea si receptionarea mesajelor pe magistrala.

Protocoalele de linie si transmisie ale nivelelor 1 si 2, concorda cu standardul american IEC 870-5-1 (Electronic Industries Association) RS 485, cu standardul international EN 60 870-5-1. Procedura de adresare a magistralei precum si managementul si transmisia datelor sunt bazate pe standardele DIN 19241, partile 1, 2 si 3, respectiv IEC 955 (Process Data Highway/ Type C).

Controlul accesului la magistrala MAC(Medium Access Control) specifica momentul cand un dispozitiv de pe magistrala poate transmite date. Trebuie sa se asigure ca doar un singur dispozitiv are aceasta autorizatie. Sunt folosite pentru control atat prin metoda de master-slave cat si metoda de token passing.

Un task important al Nivelului 2 este data backup. In plus pe langa controlul de byte si verificarea de bit, orice corupere a transferului de informatie care necesita recunoastere acknowledgement), este detectata garantat (Harmming Distance = 4) si frame-urile se vor repeta automat, daca este necesar.

Pentru transmisia de date pe PROFIBUS, Nivelul 2 defineste servicii de transmitere, a caror functie indeplineste diferite cerinte.

Serviciul Functia DP PA FMSSDA (Transmisi de date cu confirmare) xSRD (Transmisi si Receptie de date cu confirmare) x x xSDN (Transmisi de date fara confirmare) x x x

CSRD (Transmisi si Receptie de date fara confirmare) xTabel. Serviciile de date oferite de nivelul 2

53

Page 54: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

Serviciul SDA (Send Data with Acknowledge) trimite date catre dispozitive adresate individual si le solicita sa trimita un frame cu “acknowledgement” imediat.

Serviciul SRD (Send and Request Data with Reply) trimite date catre dispozitive adresate individual si simultan solicita date de la ele. Dispozitivul recunoaste telegrama si trimite data ceruta imediat, fara a avea propriul acces la magistrala. Acest serviciu este implementat in comunicarea master/ slave.

Serviciul SDN (Send Data with NoAcknowledge) trimite date catre unul sau mai multe dispozitive. Dispozitivele slave, nu recunosc acesta telegrama de date. Acest serviciu este folosit in telegramele de tip broadcast (unul catre toti) si in telegramele multicast (unul catre mai multi).

4.5.1 Formatele telegramei PROFIBUS

Format cu lungime fixa a campului

SD 1 DA SA FC FCS ED

L=3 (fixat)Format cu lungime fixa a campului de informatii cu date

SD 3 DA SA FC Data Unit FCS ED

L=11 (fixat)

Format cu lungime variabila a campului de informatii

SD 2 LE LEr SD2 DA SA FC Data Unit FCS ED

L=4 la 429Scurta confirmare

Telegrama Token

SD 4 DA SA

L Lungimea campului de informatiiSC Caracter simplu(Single Character);

folosit numai pentru confirmareSDI (delimitator Start) la SD4-Byte de start;

Identifica formatul telegrameiLE/LEr (Lungime) precizeaza lungimea campului de informatii

la telegramele cu lungime variabilaDA (Destination Address/ este byte-ul care contine adresa de destinatie;Adresa Destinatie) Indica statia care receptioneaza mesajul

SC

54

Page 55: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

SA (Source Address/ este byte-ul care contine adresa sursei;Adresa sursei) indica sursa care emite mesajulFC (Frame Control) este byte-ul de control; contine informatii despre

serviciul folosit pentru acest mesaj, precum si prioritatea mesajului.

Data Unit Unitatea de date; contine informatii utile despre telegrama, posibilitatea extinderii adresei

FCS bit-ul de control; contine rezultatul verificarii de (Frame Check Sequence) paritate a telegramei

ED(End Delimitator) bit-ul de Stop; indica sfarsitl telegramei.

Calea de identificare intr-o telegrama (cel mai semnificativ bit = 1) se gaseste in adresa sursa (SA) si in adresa destinatie(DA), si alte adresari sunt posibile pentru formatul frame-urilor cu date(DAE, SAE), care constitue o parte integrala a informatiei. Prin urmare, un dispozitiv poate preciza o varietate de destinatii si surse.

Fiecare dintre protocoalele PROFIBUS-PA si PROFIBUS-DP folosesc un set de servicii specifice Nivelului 2. De exemplu PROFIBUS-DP foloseste exclusiv serviciile SRD si SDN.

Nivelele de ordin mai inalt acceseaza aceste servicii, prin intermediul unor servicii de acces la punct (nod al retelei) - LSAP(Link Service Access Points), adesarea se poate face de la 0 la 62. Punctul sursa al LSAP este denumit SSAP(SourceSAP) iar cel al partenerului de comunicare este numit DSAP (DestinationSAP)– ale Nivelului 2. Prin PROFIBUS-FMS, aceste servicii de acces la punct sunt folosite pentru a se ajunge la relatii logice de comunicatii. Cu PROFIBUS-DP, si PROFIBUS-PA fiecare serviciu de acces la punct are rolul sau bine definit.

Toate statiile active si pasive permit functionarea simultana a mai multor servicii de acces la punct.

Pentru a ruta si sorta datele, un dispozitiv poate mentine pana la 63 canale fixe, logice si bidirectionale de date cu alte terminale de comunicare ale altor dipozitive. Astfel relatii de comunicare pot fi realizate si intre doua dispozitive in paralel.

55

Page 56: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

Nivelele 3-6 nu sunt folosite de PROFIBUS.

4.6 Nivelul de Aplicatie ( nivelul 7 ) Nivelul 7, nivelul de aplicatie al modelului de referinta ISO/OSI, asigura

serviciile de comunicatie necesare utilizatorului. Nivelul 7 consta in interfata FMS (Fieldbus Message Specification) si interfata LLI (Lower Layer Interface).

La PROFIBUS DP, nivelul 7 nu este specificat. Cu aceasta arhitectura simpla, comunicatia este extrem de rapida si eficienta. La interfata cu utilizatorul, accesul direct la functiile Nivelului 2 este realizat cu ajutorul DDLM (Direct Data Link Mapper).

4.7 Controlul accesului la magistrala intr-o retea PROFIBUSControlul accesului la magistrala intr-o retea PROFIBUS trebuie sa indeplineasca

doua cerinte vitale : 1. Comunicatia dintre PLC-uri sau PC-uri trebuie sa permita ca fiecare statie

(nod) conectata la magistrala sa poata procesa toate sarcinile sale legate de comunicatie intr-o perioada definita de timp;

2. Traficul de date complex dintre PLC-uri si PC-uri si periferia descentralizata de tip “I/O” trebuie sa fie rapid si de aceea este necesar totusi un protocol simplu.

Toate dispozitivele master trebuie sa imparta timpul de acces pe magistrala. PROFIBUS reuseste acest lucru prin folosirea unui mecanism hibrid de control al accesului la magistrala. Aceasta consta intr-o procedura descentralizata numita “token-passing”, care se utilizeaza la comunicatiile intre nodurile active (master) si o procedura centralizata “master-slave”, folosita la comunicatiile intre nodurile active si pasive (slave).

Atunci cand un nod activ are “token-ul”, preia functia de master pe magistrala pentru a comunica cu toate nodurile (active sau pasive). Schimbul de mesaje pe magistrala se realizeaza organizat prin adresarea nodurilor. Fiecarui nod PROFIBUS i se atribuie o adresa care trebuie sa fie unica in acel sistem de comunicare. Gama maxima de

56

Page 57: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

adrese folosibile intr-un sistem magistrala de comunicatie este intre 0 si 126. Asta inseamna ca in sistem pot fi maxim 127 de noduri (statii conectate pe magistrala).

Aceasta metoda de control a accesului la magistrala permite urmatoarele configuratii ale sistemului de comunicatie:

Master-Master (token passing) Master- Slave Combinatie intre cele doua proceduri

Procedura de acces la magistrala nu este dependenta de mediu de transmisie folosit. Din acest punct de vedere nu este important daca magistrala este construita din cabluri de Cu sau fibra optica. Controlul accesului la magistrala PROFIBUS corespunde procedurilor “token-bus” si “master-slave” ale standardului european EN 50170,Vol 2.

4.7.1 Procedura Token BusNodurile active sunt conectate intr-o forma de inel logic “token” in ordinea

crescatoare a adreselor. Un inel “token” este o succesiune de noduri active in care controlul “token” este intotdeauna trecut de la o statie la urmatoarea. “Token-ul” ofera dreptul de a accesa mediul de trasnmisie, iar comutarea intre statiile active se face prin intermediul unei telegrame speciale numita “token”. Aceasta are loc dupa adresa dispozitivului, in ordine numeric ascendenta. Nodul activ cu adresa de bus cea mai mare HSA (High Station Address), acesta trimite doar “token-ul” la nodul cu adresa cea mai joasa pentru a inchide inelul. Fiecare master determina independent lista statiilor active de pe magistrala (LAS) si memoreaza propria adresa (This Station), urmatoarea adresa (Next Station), si precedenta adresa (Previous Station). Frame-ul token este intotdeauna trimis catre adresa NS si receptionata de adresa PS.

Lista statiilor active (LAS) este necesara in timpul functionarii pentru a inlatura din inel un nod activ defect, sau pentru a aduga un alt nod in inel fara a perturba comunicatia datelor pe magistrala.

Fiecare statie din fata unei brese de adresa rezultata in urma unei erori sau configurari creeaza o lista GAP. Statia verifica aceste adrese cand are token-ul si verifica daca timpul de transmisie este inca disponibil cu FDL (Fieldbus Data Link). In consecinta nici o bresa nu trebuie configurata, astfel se obtine circulatia optima a token-ului.

Figura.Procedura Token Bus

57

Page 58: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

Fiecare master masoara constant timpul de rotatie al “token-ului” prin toate nodurile active, timpul dintre receptia token-ului si urmatoarea receptie a acestuia. Timpului de circulatie a token-ului este timpul de acces la magistrala, care este timpul maxim disponibil master-ului. Timpul ajustabil al token-ului TTR (Time Traget Rotation) este un parametru folosit pentru a specifica timpul maxim permis de sistemul magistralei pentru o rotatie completa. Timpul nefolosit poate fi automat utilizat de catre ceilalti masteri.

Fiecare master poate intotdeauna manipula o secventa de mesaj foarte important la o receptie de token indiferent daca are inca asignat timpul de acces la magistrala in concordanta cu timpul de circulatie masurat al token-ului sau nu.

Daca o statie activa lipseste sau daca este adugata, token ring-ul intotdeauna se reconfigureaza fara a afecta schimbul de date transmis pe magistrala.

Lista cu adresele dispozitivelor poate fi restrictionata in partea superioara, prin configurarea parametrului HAS (Highest Station Address). HAS contine statia cu adresa cea mai mare din token ring. Adresele dispozitivelor active in general trebuie sa fie in parte inferioara a domeniului de adresare.

Frame-ul token-ului, care contine byte-ul de start (DC hexa), adresa destinatie (DA = NS), si adresa sursa (SA = TS), nu este recunoscut. Totusi, statia care transmite verifica daca statia ce receptioneaza, efectueaza vreo activitate pe magistrala. Daca nu, dupa doua incercari, token-ul este trimis urmatorului dispozitiv.

4.7.2 Procedura Master-SlaveO retea in care exista cateva noduri pasive, dar al carei inel “token” are doar un

nod activ, este un sistem master-slave.Daca pe magistrala este un singur master, token-ul este trimis catre el insusi.

Acest sistem mono-master este ideal pentru comunicarea rapida cu dispozitive descentralizate periferice, si o transmitere ciclica uniforma a mesajelor. Din acest motiv, sunt cele mai intalnite configuratii pentru PROFIBUS DP.

Figura. Procedura Master-Slave

58

Page 59: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

Comunicarea master/slave este supusa rotatiei token-ului. Oricand un master de pe magistrala are token-ul, are optiunea de a trimite mesaje catre slave-uri sau poate receptiona mesaje. Slave-urile pasive nu pot trimite mesaje fara acordul prealabil.

Master-ul realizeaza comunicarea pe magistrala de PROFIBUS. Un master poate trimite mesaje fara a astepta acces extern, daca are autorizatia de acces(token). In protocolul PROFIBUS, master-ul poarta denumirea de statie activa.

Un master poate trimite mesaje adresate unui singur dispozitiv, sau unui grup, sau la toate dispozitivele. Numai la transmisiile catre un singur dispozitiv se asteapta confirmarea mesajului, prin trimiterea imediata a acknowledgement-ului catre transmitator.

Pentru ca toti master sa poata accesa magistrala, token-ul este trimis catre urmatorul master de pe magistrala dupa un anumit timp. Fiecare master poate trimite date atata timp cat are token-ul.

Slave-urile nu primesc autorizatie de acces la magistrala, ei pot trimite confirmare de mesaj primit (ack), sau pot transmite mesaje la cererea master-ului. Sunt statii pasive. Fiecare slave este asignat unui master. Un master poate adresa un slave atata timp cat are token-ul.

4.8 Servicii PROFIBUS

Data Excenge Broadcast Acyclic Data Exchange intre PLC si slave Cyclic Data Exchange intre PLC si slave

Pentru controlul nodurilor de retea, PROFIBUS foloseste comunicatia datelor ciclica. Acest nivel de protocol poarta numele de DP-V0.

Daca trebuie efectuate si task-uri de mentenanta si monitorizare datele trebuie transferate aciclic. Aceasta functie extinsa poarta numele de DP-V1.

Celelalte servicii asigurate de DP-V2 includ si time stamping si time sincronization.

59

Page 60: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

4.8.1 DP-V0 Asigura functinaliatea DP-ului (Descentralized Periphery), aceasta include

schimbul ciclic de date, de module, de diagnoza specifica a canalului intre statii.Performanta maxima a PROFIBUS DP este atinsa la sistemele mono-master,

unde avem un acces nelimitat la magistrala. Controlul centralizat al dispozitivelor, necesita un timp ciclic (perioada de timp in care toate slave-urile sunt adresate o data), care este mai mic decat timpul intern de procesare al controler-ului.

In cazul unui sistem multi-master, controlul centralizat al dispozitivelor trebuie sa imparta accesul la magistrala. Acest lucru conduce la cereri de rata de transfer mai mare (costul) sau cantitati de date mai mici (performanta), pentru a garanta timpul ciclic necesar pe magistrala.

60

Page 61: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

Inainte de inceperea transferului de date, are loc initializarea intre DP master si DP slave. Este efectuata o verificare pantru a stabilii daca configuratia setata corespunde cu configuratia dispozitivelor existente, tipul dispozitivului, formatul si lungimea informatiei, numarul de intrari si iesiri, etc.

La primul pas, master-ul DP trimite cerinta de diagnoza catre DP slave. Raspunsul contine starea statiei, adresele de PROFIBUS ale DP master cu ajutorul carora slave-urile vor fi parametrizate, identificatorul constructorului si diagnoza specifica dispozitivului.

Dupa parametrizare, master-ul DP trebuie sa trimita setul cu configuratia catre slave-ul DP. Daca DP slave descopera o deviere de la configuratia existenta, genereaza informatia de diagnoza potrivita si apoi nu mai este disponibil pentru comunicarea cu utilizatorul.

In functionarea normala, schimbul ciclic de date are loc intre DP master si slave. Cu ajutorul serviciului SRD (Send and Request Data) sunt schimbati pana la 224 byte de date pe iesire si pana la 224 byte de date pe intrare intr-un singur frame.

In cazul mesajelor multicast, care sunt trimise direct catre toate dispozitivele, adresa de receptie 127 este rezervata in fiecare dispozitiv PROFIBUS indiferent daca este master sau slave.

Pentru mesajele care sunt directionate de o statie pe PROFIBUS catre toate statiile sau un grup de statii (broadcast sau multicast), este rezervata adresa de receptie 127 pentru fiecare statie.

4.8.2 DP-V1 Este orientat catre procesul de automatizare, in special comunicare aciclica de

date pentru parametrizare, controlul operatorului, monitorizare, si lucrul cu alarmele pentru dispozitivele inteligente din teren, in paralel cu o comunicare de date ciclica a utilizatorului.

In acest caz pentru master-ul DP, sunt doua clase. Un master DP clasa 1 (DPM1) in general aici avem control centralizat al sistemului (PLC) cu mesaje ciclice periodice pentru scimbul de informatii cu statiile slave descentralizate. Si un master DP clasa 2 (DPM2) avem dispozitive controlate de operator. Sunt folosite cand se necesita acest lucru, in timpul lucrarilor de mentenanta, si diagnoza. Un DPM2 poate configura dispozitivele conectate pe magistrala, poate evalua masuratorile si parametrii, si poate vedea starea dispozitivului.

Performantele sistemului cu PROFIBUS DP sunt determinate de starea de operare a DPM1. Acesta poate fi controlat de dispozitivul de configurare atat local cat si de pe magistrala. Are trei stari: Stop, Clear si Operate.

Stop, nu are loc schimb de date intre DPM1 si slave. Clear, DPM1 citeste informatia ce vine de la slave si tine iesirea catre slave

intr-o stare protejata. Operate, DPM1 este in faza de transfer. La comunicarea, intrarile sunt citite

de slave, iar informatia de la iesiri este trimisa catre slave.La DP-V1 importanta este comunicarea aciclica aditionala a datelor. Aceasta

stabileste ce este necesar pentru a seta parametrii dispozitivului (aria de masura, unitatea de masura, scala) pe magistrala, in timpul functionarii si ce este necesar pentru introducerea confirmarii mesajelor de alarma.

61

Page 62: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

4.8.3 DP-V2 Este orientat catre cerintele de ingineria cotrolului miscarii. Are functionalitati ca

operatiile sincrone cu dispozitive slave si comunicatii secundare cu slave-urile (Data Exchange Broadcast, DXB) etc.

Slave-urile DP inteligente pot asculta intrarile de date de la alte DP slave, pe cand cele de la urma sunt ascultate de master DP. Acest transfer de date direct, slave catre slave (lateral communication), permite configurarea de puncte cheie in cascada pentru motoarele sincronizate.

Daca iesirile mai multor slave-uri DP trebuie sincronizate, acestea sunt trecute in modul SYNC cu o comanda de SYNC. Datele sunt trimise pe iesire consecutiv catre slave, sunt puse intr-un loc temporar, si nu sunt trimise in proces pana la urmatoarea comanda de SYNC.

Daca intrarile trebuie sa fie citite sincronizat, sunt salvate in slave-uri DP simultan de o comanda FREEZE si apoi transferate catre master-ele DP unul dupa altul. Atat FREEZE cat si SYNC sunt servicii SDN care fac broadcast catre toate slave-urile sau catre un grup.

Doar atunci cand este trimisa comanda de control UNSYNC si UNFREEZE de catre un master DP sau de catre un slave DP, iesirile si intrarile sunt actualizate din nou in cicluri. Atat UNSYNC cat si UNREEZE sunt servicii SDN care sunt transmise catre toate slave-urile sau catre un grup.

DP-V2 contine servicii de citire aciclica si mecanisme de acces. Cu ajutorul acestor servicii, datele pot transferate de la un master catre un slave sau de la un slave catre master, executia aplicatiilor poate fi controlata de slave, sau pot fi apelate functii in slave.

Pentru integrarea dispozitivelor cu PROFIBUS, exista doua concepte: GSD, EDD.

GSD(General Station Data) este un “id card” obligatoriu pentru fiecare dispozitiv PROFIBUS (dedicat dispozitivelor mai putin complexe din teren). Contine date cheie despre dispozitiv, detalii legate de posibilitatile lui de comunicare, descrierea de baza a dispozitvului pentru a putea fi integrat in sistem.. GSD-ul este furnizat de fabricantul dispozitivului, si reprezinta o descriere simpla a proprietatilor dispozitivului pentru a realiza comunicarea pe PROFIBUS (este un fisier text).

EDD(Electronic Device Description) este o descriere textuala a dispozitivului, care nu depinde de sistemul de operare al sistemului. Descriere functiile dispozitivului care sunt comunicate aciclic, include optiuni grafice si informatii despre dispozitiv (mesaje de mentenanta, data fabricarii,etc). Este furnizat de catre fabricantul dispozitivului si este folosi alaturi de GSD.

62

Page 63: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

Exemplu de configurare a magistralei PROFIBUS :

Fig 1.

In figura 1, avem utilitarul SIMATIC NET de la Siemens, cu ajutorul caruia se realizeaza configurarea hardware a retelei. In acest caz avem un model mono-master. Cu ajotorul acestui utilitar se poate alege tipul magistralei (PROFIBUS, Industrial Ethernet), tipul de master (automat Siemens CPU 416-2 DP) cu toate componentele sale (rack, Procesorul de comunicatie, si placi de intrare / iesire), adresele acestor componente in rack-ul propriu.Pe magistrala PROFIBUS sunt legate slave-urile(motoare, cu sau fara convertizor, ET-uri module de I/O in care vor legate motoare, senzori,etc) . Toate componentele sunt introduse dintr-o librarie, dupa incarcarea prealabila a GSD-ului.

63

Page 64: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

5 Profinet

PROFINET este membru al familiei PROFIBUS de protocoale. PROFINET poate manvevra simultan atat transmisii standard TCP/IP cat si transmisii real-time la viteze de sub o milisecunda. PROFINET foloseste standarde industriale ca Ethernet, TCP/IP, XML, and OPC. Folosind tehnologia proxy conecteaza alte tipuri de fieldbus pe langa PROFIBUS; astfel sunt protejate investitiile in echipamente si retele existente in fabrica. PROFINET este o metoda de integrare a echipamentelor de control fara legatura intre ele, nu necesita programare.

Este un standard pentru implementarea solutiilor de automatizare bazate pe Ethernet-ul industrial. Acest standard introdus de PROFIBUS, ofera noi facilitati la nivel superior de performanta, pentru schimbul bidirectional de informatii, de la nivel de camp la nivelul ierarhic de conducere a procesului tehnologic. Cu PROFINET, Distributed I/O (intrari / iesiri) si aplicatiile (time-critical) pot fi integrate in comunicatia Ethernet, la fel ca un sistem distribuit de automatizare pe baza de componente automatizate.

Caracteristicile noului standard: PROFINET este standardul deschis Industrial Ethernet elaborat de

PROFIBUS International (PI, PNO in Germania); PROFINET se bazeaza pe Industrial Ethernet; PROFINET utilizeaza standardele TCP/IP si IT; PROFINET este Ethernet in timp real; PROFINET permite integrarea sistemelor cu magistrala de camp.

5.1 PROFINET I/O (Distributed I/O)Distributed I/O sunt conectate in comunicatie prin PROFINET I/O. Specificatiile

I/O de la PROFIBUS sunt pastrate, in care datele periferice de la dispozitivele din camp sunt trasnmise periodic in modelul de proces al controlului de sistem.

PROFINET I/O descrie un model de dispozitiv orientat catre cadrul PROFIBUS, constand in slot-uri (locuri de insertie) si grupuri de canale de I/O (subslot-uri). Caracteristicile tehnice ale dispozitivelor de camp sunt descrise de GSD (General Station Description) pe baza de XML.

5.2 PROFINET CBA (Distributed automation)Modelul PROFINET este ideal pentru dispozitivele de camp inteligente cu

functionalitate programabila cat si controlere. Modelul descrie comportarea independenta a unor parti de masini sau fabrici ca module tehnologice. Un sistem de automatizare distribuit, proiectat pe baza modulelor tehnologice, simplifica mult modularizarea fabricilor si a masinilor, si deci refolosirea unor parti din fabrici sau masini.

PROFINET bazat pe acest model este descris folosind PCD (PROFINET Component Description). Se bazeaza pe XML, si poate fi generat cu ajutorul utilitarului specific de configurare al fabricantului.

PROFINET CBA este un concept pentru automatizarea industriala care indeplineste cerintele constructorilor de fabrici si a operatorilor, pentru un sistem mare si

64

Page 65: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

procese de inginerie independente. PROFINET CBA are un puternic model runtime, iar pentru implementarea acestuia in dispozitive se foloseste un sistem de operare independent.

Multe sisteme de automatizare pot fi impartite in mai multe segmente autonome si functionale, functionand autonom si coordonandu-se intre ele folosind un numar redus de semnale handshake.

PROFINET CBA se bazeaza pe modelul obiect-orientat al modulelor tehnologice. Pe baza acestui model, fabricile si masinile sunt structurate in PROFINET sub forma de module. Functionalitatea acestora este incapsulata in componente uniforme PROFINET. Aceste componente sunt accesate din exterior prin intermediul unor interfete definite.

Comunicarea este realizata cu ajutorul unui utilitar de configurare a conexiunilor retelei. Relatiile de comunicare sunt stabilite prin trasarea de linii intre diferitele componente care trebuiesc conectate. Utilitarul verificand imediat corectitudinea conexiunii dorite. Schimbul de date intre nodurile PROFINET este asigurata de conexiunile configurate. Optiunile tehnice ale unui dispozitiv PROFINET CBA pot fi descrise intr-un fisier XML, PROFINET Component Description (PCD).

Configuratia realizata de utilitar este download-ata in dispozitivele PROFINET conform cu planul de conectare a componentelor. Ceea ce inseamna ca fiecare dispozitiv isi stie partenerii de comunicare, relatiile de comunicare, si informatia care trebuie schimbata.

Realizarea conexiunilor de comunicare cu partenerul si schimbul de date au loc automat. Informatia de conectare este incarcata in fiecare consumator, adica creeaza si monitorizeaza in mod independent conexiunile de comunicare cu partenerii.

ComunicareaComunicarea la PROFINET prezinta nivele diferite de performanta:

Transmisii non-time-critical de parametrii, date de configurare, si informatii de rutare, au loc pe canalul standard PROFINET bazat pe TCP sau UDP si IP. Aceasta stabileste baza conexiunii nivelului de automatizare cu alte retele (MES, ERP).

Pentru transmisii time-critical a datelor de process din instalatia de productie, este folosit un canal Real-Time (RT). Pentru sarcini mai speciale, este folosit canalul de comunicare Isochronous Real-Time (IRT); spre exemplu in cazul aplicatiilor de control al miscarii si al aplicatiilor de inalta performanta din automatizarea fabricii.

Integrarea Managementul retelei include functii de administrare a dispozitivelor PROFINET

si a switch-urilor din retelele Ethernet. Aceasta include configurare de dispozitive si de retea cat si diagnoza.

La integrarea Web, PROFINET foloseste baza tehnologiei Ethernet, permitand accesul la o componenta PROFINET folosind tehnologia standard din zona Internetului.

PROFINET ofera un model de integrare pentru field bus-ul existent (PROFIBUS, AS-Interface si INTERBUS). Aceasta oferind posibilitatea construirii de sisteme amestecate, segmente filedbus si Ethernet. Integrarea este realizata folosind “proxies”. Proxi este un dispozitiv care conecteaza un fieldbus adiacent cu PROFINET.

65

Page 66: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

5.3 Comunicarea la PROFINET

PROFINET foleseste Ethernet cat si TCP, UDP, si IP pentru comunicare. TCP/IP este standardul pentru comunicare in zona IT. Dar pentru functionare, nu este suficienta realizarea unui canal comunicatii obisnuit intre dipzozitivele bazate pe TCP, UDP, si IP, pentru ca aceste standarde reprezinta doar baza pentru schimbul de date. Protocoale aditionale sunt utilizate peste TCP sau UDP pentru a asigura functionarea aplicatiilor, care este garantata numai atunci cand este folosit acelasi protocol de aplicatie. Protocoale tipice de aplicatie sunt spre exemplu, SMTP (email), FTP (file transfer) si HTTP (web).

Pentru procese non-time-critical, PROFINET foloseste TCP/IP si UDP/IP. In aplicatii industriale, nu este suficient, aici sunt cerinte mai mari de latime de banda si sincronizare de ceas. Schimbul de date care este optimizat pentru performanta poarta numele de comunicare Real-Time (RT), comunicarea cu sincronizare de ceas Isochronous Real-Time (IRT).

Folosirea concomitenta a comunicari Real-Time si TCP/IP dintre dispozitivele de camp PROFINET se poate realiza pe aceeasi magistrala si in acelasi timp.

Figura. Comunicarea PROFINET in functie de aria de aplicare.

Comunicarea TCP/IP si UDP/IP Pentru procese non-time-critical, PROFINET foloseste comunicarea cu Ethernet

standard peste TCP/IP si UDP/IP care este conform cu standardul international IEEE 802.3.

Similar cu standardul Ethernet, dispozitivele de camp PROFINET sunt adresate folosind adrese MAC si IP. In comunicarea TCP/IP si UDP/IP, recunoasterea diferitelor retele se face pe baza adresei IP. Intr-o retea, adresa MAC este un criteriu unic de adresare al dispozitivului tinta. Dispozitivele de camp PROFINET pot fi conectate cu lumea IT fara limitari. O conditie pentru aceasta, este ca serviciul corespunzator sa fie implementat in dispozitivul de camp implicat (file transfer).

Caracteristicile TCP/IP si UDP/IP sunt: Detectia pierderilor de frame-uri prin mecanism de confirmare; Repetarea transmiterii frame-urilor daca confirmarea a fost uitata;

66

Page 67: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

Flow control – destinatarul poate controla frecventa transmisiei unui expeditor. Aceasta asigura ca expeditorul va trimite un frame nou dupa ce, cel anterior a fost confirmat;

Toate dispozitivele de camp trebuie sa suatina comunicarea datelor pe UDP/IP.

Comunicarea Real-TimeComunicarea datelor pe canalul TCP/IP sau UDP/IP este asigurata cu o anumita

cantitate de informatie administrativa si de control pentru adresare si flow control, a tot ceea ce incetineste traficul. Pentru a face capabil schimbul de date Real-Time, al informatiei importante, PROFINET abandoneaza temporar adresarea IP si flow control pe TCP si UDP pentru comunicarea RT, folosindu-se mecanismele de comunicare ale Ethernet-ului (Nivelul 2 al modelului ISO/OSI). Comunicarea RT poate functiona oricand in parallel cu cea NRT.

Comunicarea RT in PROFINET ofera optiunile: Comunicarea RT intr-o retea. In aceasta comunicare, nu este necesara nici

o informatie de adresare despre reteaua tinta. Este eliminata informatia administrativa a TCP/IP sau UDP/IP. Frame-urile RT sunt identificate inainte de primire, folosind Ethertype (0x8892) si procesat in canalul RT. La comunicatia RT sunt posibile cicluri de magistrala de 1 ms.

Comunicarea RT dintre retele. In unele retele sau in timpul extinderii sistemului, este necesar schimbul de date dincolo de limitele retelei. Aceasta deschidere acomunicarii retelei necesita informatia de adresare despre reteaua destinatie (adresa IP). “RT over UDP” se foloseste in acest caz.

Multicast de date cu RT. Pentru transmisii de date critice la mai multe noduri, transferal direct de date intre dispozitivele I/O, are la baza Ethernet Multicast. Network-spanning MCR foloseste “RT over UDP” pentru schimbul de date.

Prioritatea in traficul de date. Comunicarea RT foloseste transmisii de frame-uri RT cu prioritati, cum se definest in IEEE 802.1Q, cu 7 nivele de prioritate care pot fi configurate. Comunicarea TCP/IP, UDP/IP, si RT poate fi implementata cu orice controller Ethernet.

Comunicarea Isochronous Real-Time (IRT)Pentru task-uri cu cerinte speciale este folosita comunicarea IRT (aplicatiile de

control de miscare si aplicatiile de automatizare din fabrici).Comunicatia IRT in PROFINET ofera optiunile:

Comunicarea are loc exclusive intr-un segment al retelei; Ciclul de magistrala este impartit in faza IRT (intervalul rosu din figura) si

in faze successive non- isochronous (intervalul verde); In timpul fazei IRT, trebuie support pentru sincronizare de timp. Din acest

motiv protocolul PTCP este implementat in PROFINET in IEC 61168. Precizia sincronizarii de timp depinde de aplicatie si este in general <1 μs.

67

Page 68: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

Figura. Comunicatia IRT impartita intr-un canal IRT si un canal deschis.

Pentru comunicarea IRT este necesar suport hardware, ASIC cu functionalitate

integrata de switch si sincronizare de ciclu. Intervalele de trimitere ale dispozitivelor de camp sunt flexibile putand fii determinate de utilizator. Tranzitiile dintre intervale sunt monitorizate de hardware. Tranzitia de la intervalul verde la cel rosu est enumita interval portocaliu.. in acest interval, ASIC decide daca un frame TCP/IP sau UDP/IP poate fi expediat fara intarzierea inceputului intervalului rosu urmator.

5.4 Distributed I/O cu PROFINET IO

In instalatiile de automatizare, conectarea directa a I/O cu Ethernet este implementata folosind PROFINET IO. Aceste dispozitive de camp pot actiona semnale digitale sau analoage de intrare sau iesire, sau sa preia functionalitatea de prepocesare. PROFINET IO urmareste transmisia datelor ajustata pentru performanta dar cu echipament simplu de comunicare.

Cu privire la schimbul de date, au fost facute extensii : Prioritizarea schimbului de date dintre diferitele dispozitive de camp; Accesul de la sisteme de control multiple catre acelasi dispozitiv de camp; Descrierea optiunilor multiple de dispozitiv de camp intr-un singur fisier

GSD; Extinderea modelului de dispozitiv PROFIBUS DP.

Rolul dispozitivelorLa PROFINET IO ca si la PROFIBUS, se face distictingerea intre diferitele roluri

ale dispozitivelor (un dispozitive putand avea mai multe roluri).IO-ContrellerUN controller IO PROFINET, are control asupra unui process distribuit, asupra

unuia asau mai multor dispozitive de camp. Ia spre procesare date si alarme, procesandu-le intr-un program al utilizatorului. In instalatiile de automatizare, un controller IO este

68

Page 69: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

un controler logic programabil (PLC), un sistem DCS sau un PC. Este responsabil cu stabilirea canalelor de comunicare in timpul pornirii sistemului.

IO-SupervisorUn IO-Supervisor PROFINET, poate fi o statie de inginer din instalatie, care are

acces temporar la dispozitivele din camp in timpul darii in exploatare.IO-DeviceUn IO-Device PROFINET, este un dispozitiv de camp conectat descentralizat

langa process. Este configurat de un controller IO sau IO-Supervisor, si transmite date periodic controller-ului IO. Un IO-Device poate mentine conectiunile de comunicare cu mai multe IO-Controllers si IO-Supervisor simultan.

PROFINET IO urmareste in timpul schimbului de date modelul Provider / Consumer. Poviderul face data disponibila si consumer o proceseaza.

Modele de dispozitiveDispozitivele de camp au ca sarcina sa colecteze sau sa trimita semnalele de

process intr-un system de automatizare. Pentru a realize acest lucru au nevoie de un anumit grad de inteligenta, integrate de catre fabricant intr-o forma fixa sau programabila.Variante:

Dispozitive compacte – cu capacitati fixe, nemodificabile pentru schimbul de date de process;

Dispozitive modulare - cu capacitate adaptabile la instalatie in timpul configurarii;

5.5 Servicii PROFINET IO

Cyclic data exchange. Pentru ciclul schimbului de semnale si alarme cu prioritate mare, PROFINET IO foloseste canalul RT pentru transmiterea datelor, folosind optiunile:

Comunicare RT in interiorul retelei. Pentru aceasta comunicatie dependenta de performanta, se foloseste un canal rapid RT, adica fara a folosi UDP/IP (Ethertype 0x8892).

Comunicatie RT intre retele. Pentru aceasta comunictie sunt folosite atat canalul RT rapid cat si protocolul peste UDP/IP.

Comunicatie IRT pentru trasnmisii deterministe de date si sincronizate cu ceasul.

Trafic de date multicast (MCR Multicast Communication Relation) se bazeaza pe RT cat si pe comunicatia IRT, si consta intr-un provider care publica datele pe magistrala si unul sau mai multi consumatori proceseaza datele.

Schimbul de date intre Device-IO si IO-Controler are loc intr-un ciclu de vot configurat de IO-Controller. Actulaizarea ciclului de la IO-Controller catre IO-Device este specificat in timpul configurarii.

Fata de PROFIBUS, trasnmiterea datelor la PROFINET IO poate fi optimizata privind frecventa, datele putand fi trimise in faze diferite. Pentru ca acest lucru sa poata fi realizat, PROFINET IO defineste “reduction ratio”, determina frecventa de transmitere de date.

69

Page 70: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

Acyclic data exchange(record data)Scrierea si citirea informatiilor poate fi realizata acilic de catre utilizator.

Urmatorele servicii ruleaza acilic in PROFINET IO: Parametrizarea individuala a submodulelor in timpul pornirii sistemului; Citirea informatiei de diagnoza; Citirea informatiei de identificare conforma cu “Maintenance functions” Citirea datelor I/O.

Ce anume data este citita sau scrisa aciclic se determina in timpul adresarii prin index. Toate celelate servicii trebuiesc implementate specific fiecarui utilizator.

Asignarea de adreselorIn comunicatiile bazate pe IP, toate dispozitivele de camp sunt adresate printr-o

adresa IP. PROFINET foloseste Discovery and Configuration Protocol (DCP) pentru asignarea IP-ului.

In configurarea fabricii, fiecare dispozitiv de camp are o dresa MAC si un nume simbolic memorat. Aceste informatii sunt suficiente pentru a atribui fiecarui dispozitiv un nume unic. Atribuirea adreselor are loc in doi pasi:

1. Atribuirea unui nume unic specific fabricii, dispozitivului de camp;2. Atribuirea adresei IP de catre IO-Controller inainte ca sistemul sa

foloseasca numele specific fabricii (unic).Ammandoi pasii au loc prin intermediul standardului integrat DCP.

Fisierul GSDUn dispozitiv de camp este descris cu optiunile sale tehnice si functionale intr-un

fisier GSD (General Station Description) oferit de producatorul dispozitivului. Acesta are la baza XML, si este scris in limbajul GSDML (General Station Description Markup Language). Include toate datele necesare de catre IO-Controler pentru proiectare si schimbul de date. Include:

Descrierea concentrarilor individuale de intrari si iesiri; Optiuni de utilizare a modulelor I/O in sloturi; Diagnoza, care poate fi produsa de un dispozitiv, si explicatia ei; Descrierea mai multor dispozitive dintr-o familie intr-un fisier.

Continutul fisierului GSD este conform cu standardul ISO 15745.Un GSD pentru PROFINET IO poate descrie o intreaga familie de dispozitive (multiple interfete de magistrala si module periferice). Pentru fiecare interfata de magistrala (Device Access Point, sau DAP) disponibil cu dispozitivul, fabricantul poate definii o serie de module periferice. Fisierul GSD este multilingual. Pentru identificarea simpla a dispozitivului, este definit un identificator de dispozitiv. Constand in codul companiei (Vendor_ID) si un cod specific fabricantului (Device_ID). Codul Vendor_ID este unic pentru fiecare companie, si este atribuit odata de catre PI Suport Center.

6 CONCLUZII

70

Page 71: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

LIN este o magistrala de retea cu cost scazut proiectata sub functionalitatea CAN. Are o arhitectura bazata pe un singur master si mai multe slave-uri, deci ne fiind nevoie de arbitraj. Vieza este de 20 Kbit/s , desi este considerata fi dedicata aplicatiilor SAE clasa A, viteza este de fapt la un nivel low end al clasei B. Datorita faptului ca este un protocol time triggered, timpul de asteptare pentru mesaje este garantat. Implementarea in silicon este ieftina, bazandu-se pe interfata hard UART/SCI. SCI – interfata de comunicare seriala; UART (Universal Asynchronous Recever/Transmiter – convertor serial-paralel).

Standardul CAN dedicat retelelor pentru vehicule, este un protocol CSMA/CD care foloseste codare NRZ cu impachetare de biti. Suporta viteze de pana la 1 Mb/s, fiind deci un protocol SAE clasa C, adecvat aplicatiilor de control real-time. Exista doua standarde CAN (A si B) care difera la formatul mesajului (identificator de 11 bit respectiv 29 bit). Aparatele CAN filtreaza mesajele, lasand sa treaca numai mesaje cu identificatori specificati catre controler-ul asociat.

Standardul SAE (The Society of Automotive Engineers), are trei categorii pentru retelele din vehicule:

Clasa A, viteze mici (mai mici de 10 Kbit/s) pentru caracteristici de confort (entertainment);

Clasa B, viteze medii (10 – 125 Kbit/s), pentru transferul de informatii generale (instrumentatie);

Clasa C, viteze mari (mai mari de 125 Kbit/s), pentru control real-time (controlul tractiunii, frane)

O caracteristica comuna a acestor protocoale o reprezinta transmiterea broadcast a mesajelor. Este necesar deoarece unii senzori transmit date de interes pentru mai multe sisteme (senzorul de la roata este interes pentru ABS, controlul tractiunii, instrumentatie – vitezometru).

Magistralele „non-time critical” sunt in pericol de a fi inlocuite de LAN-uri (Ethernet) si magistrale periferice ieftine (Firewire, USB). In realitate aceste solutii „ieftine” sunt adoptate in mediul industrial si devin o solutie patentata (exemplu Siemens „Industrial Ethernet”).

Comunicatiile supuse internetului vor constitui baza solutiilor viitoare de automatizare. Posibilitatea de a interfata de la distanta un PLC (progrmmable logic controller) are multe avantaje: accesul la programul si configuratia din PLC de la o locatie centrala sau indepartata. Pentru protectia la intruziuni se folosesc firewall-uri dedicate, cu diferite nivele de securitate.

Folosirea Ethernet-ului si a tehnologiilor legate de internet, va schimba arhitectura de automatizare actuala, centralizata, in una descentralizata cu inteligenta distribuita. Aplicatiile de automatizare viitoare vor fi caracterizate de platforme uniforme si aplicatii software modulare. TCP/IP va fi folosit drept protocol de comunicatie end-to-end, iar standardul uniform hardware va fi legat de PC, ruland Windows si folosind browser de internet ca interfata universala cu operatorul. Va fi o descentralizare a functionalitatii si informatiei, adica controlul central va fi inlocuit de mai multe sisteme inteligente imprastiate.

71

Page 72: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

Un studiu a aratat ca unele standardele de comunicatie folosite in automatizare indeplinesc toate cerintele tehnice, dar tind sa devina prea complexe sau scumpe. Alte standarde sunt puternice din punct de vedere economic, dar de unul singur nu sunt capabile sa indeplineasca toate cerintele, unul dintre acestea este Ethernet-ul. Dar combinand Ethernet-ul cu magistrala de camp si cu protocolul TCP/IP, cererile de automatizare viitoare vor fi acoperite.

PROFInet este un standard deschis pentru retelele industriale, bazat pe modelul PROFIBUS. Suporta transfer de date ciclic si aciclic, intr-un concept cu arhitectura modulara bazat pe componente.Un rol important il are si standardizarea functiilor aplicatiei, bazata pe module software. Protocolul combina Ethernet-ul comercial, TCP, UDP cu IP, Protocolul Microsoft de cabluri DCOM, OPC si XML. Pentru majoritatea functiilor este folosit TCP/IP, aceastea incluzand configurare, parametrizare si CBA (Component Based Automation). Nu sunt restrictii asupra traficului TCP/IP. Pentru I/O si alte functii real-time de pana la 1 ms, este folosita adresarea directa si mesaje cu prioritate (canal RT). Datorita prioritatilor pot aparea scurte intarzieri in traficul TCP/IP.

Pentru cereri real-time de sub 1 ms si sincronizari de < 1µs, PROFInet foloseste switch-uri ASIC conectate in inel pentru controlul traficului din segment. Cu switch-uri cu 4 port-uri orice dispozitiv TCP/IP poate fi conectat la unul din cele trei port-uri libere.

PROFInet-IRT – Timpul de raspuns < 1ms, Rata de transfer 100 Mbit/s.

Pentru sharing-ul de date real-time, alarme si date din istoric cu componentele dintr-un sistem sau retea a fost dezvoltat un standard OLE de control al proceselor (OPC). Orice client software OPC, poate sa comunice cu serverele OPC prin intermediul acestui standard de interfata industriala.

7 Bibliografie

72

Page 73: Retele Pentru Comunicatii Industriale (1)

1. www.hartcomm.org

2. www.thehartbook.com

3. www.lin-subbus.org

4. www.siemens.com

5. www.bosch.com

6. www.can-cia.org

7. ethernet.industrial-networking.com

73


Recommended