Profibus

1. Profibus Présentation Patrick MONASSIER Université Lyon 1 France

2. PG S7-314C-2 DP PROFIBUS DP Périph décentralisée Pupitre Opérateur Variateur S7-313C-2 DP Profibus Profibus - réseau de terrain Club profibus http://www.profibus.com

3. Profibus Profibus • Profibus est un réseau de terrain, adapté à l'atelier, avec des passerelles vers Ethernet TCP/IP • Supports : RS485, Fibre Optique, CEI 1158-2 • Ouverture vers le réseau AS-i

4. Profibus Spécifications • Profibus : • Réseau de terrain ouvert, non propriétaire • - Normes Européennes EN 50170 et EN 50254 • - Norme Internationale IEC 61158 • 2 protocoles ou profils de communication • - DP pour la communication de base • - FMS pour la communication entre entités intelligentes • 3 supports de transmissions physiques • Câble cuivre paire différentielle RS485 • CEI 1158-2 • Fibre optique Ouverture vers TCP/IP Les profils applicatifs définissent des règles de communication pour différents types d'équipements

5. Profibus Profils Application Liaison Physique • Profil DP • Le plus répandu, rapide • Dialogue entre automatismes et périphérie décentralisée • Profil FMS • Profil universel, communication évoluée • Remplacé peu à peu par TCP/IP

6. Profibus Architecture de communication Modèle ISO Couche 7 Application Couche 3 à 6 vides Couche 2 Liaison Couche 1 Physique Profibus est basé sur le modèle OSI de communication à 7 couches : seules les couches 1 Physique, 2 Liaison et 7 Application sont utilisées Les profils DP et FMS sont utilisés

7. Profibus Profils DP et FMS Profil DP - Profil qui n'exploite que les 2 couches basses et l'interface utilisateur - Rapide et efficace - L'adaptateur DDLM (Direct Data Link Mapper) facilite l'accès de l'interface utilisateur à la couche 2 Profil FMS - Met en œuvre les couches 1, 2 et 7 du modèle ISO. - Contient la messagerieFMS (Fieldbus Message Specification) - Fournit un ensemble de services de communication entre maîtres et entre Maîtres / Esclaves

8. Profibus Mode d'accès DP Éléments Maîtres - Stations actives qui pilotent la transmission des données sur le réseau. - Peuvent librement émettre des données sous réserve d'avoir l'accès au bus Éléments esclaves - Stations passives ou équipements périphériques qui n'ont pas droit d'accéder au bus. - Leur action se limite à l'acquittement des messages reçus et à la transmission de messages sur demande du maître - Elles n'exploitent qu'une partie minime du protocole Maître Esclave Esclave Esclave Esclave

9. Profibus Supports Physiques Câble normalisé Profibus RS485 Liaison RS485 adaptée aux application industrielles Débit de 9,6 Kb/s à 12 Mb/s Liaison CEI 1158-2 adaptée au process (environnement explosif) Fibre optique, excellente immunité aux parasites et longues distances Fibre optique

10. Profibus Débit (Kb/s)9,6 19,2 93,75 187,5 500 1.500 12.000 Distance/segment (m) 1.200 1.200 1.200 1.000 400 200 100 Transmission RS485 Connecteur préconisés en IP65/67 Support privilégié de Profibus Débits de 9,6 Kb/s à 12 Mb/s Raccordement linéaire de 32 stations maxi par segment Résistances de terminaison Répéteurs possibles entre segments 126 stations maxi avec répéteurs Connecteurs Sub-D9 en IP20 Connecteurs préconisées en IP65/67

11. Profibus Transmission CEI 1158-2 Vitesse fixe à 31,25 Kb/s, sur câble paire différentielle Pour les industries chimiques et la pétrochimiques Conforme à la norme CEI 1158-2 Adapté pour les atmosphères explosives Mode sécurité Intrinsèque et antidéflagrant Modèle FISCO (*) - Fieldbus Intrinsically Safe Concept Spécifications du câble de référence CEI 1158-2 6 grands principes régissent la transmission CEI 1158-2 FISCO: - Chaque segment possède une seule source d'énergie, l'unité d'alimentation - Aucune énergie ne transite sur le bus lorsqu'une station émet - Chaque instrument de terrain consomme un courant de base constant, en régime établi - Les instruments se comportent comme des collecteurs de courants passifs - La terminaison de ligne passive est réalisée à chaque extrémité du câble bus principal - 3 topologies sont admises : linéaire, arborescente et en étoile (*) Le modèle FISCO a été élaboré par l'institut de physique allemand Physikalisch technische Bundesansalt

12. Profibus Transmission CEI 1158-2 Exemple d'installation d'instruments de terrain en télé alimentation sur PROFIBUS en transmission CEI 1158

13. Profibus Transmission Fibre optique S'impose dans 3 cas : - Environnements électromagnétiques perturbateurs - Assurer une parfaite isolation électrique - Augmenter le débit du réseau Type de fibre portée Verre multimode moyenne - 2 à 3 Km Verre monomode longue - supérieure à 15 Km Plastique Courte - Inférieure à 80 m PCH/HCS Courte - inférieure à 400 m Exemple de convertisseur RS232-485 / Fibre optique Fibre optique

14. Profibus Méthodes d'accès FMS sur Profibus - La communication intermaître repose sur la méthode du jeton (FMS) - La communication entre Maîtres et esclaves repose sur le mode Maître/esclaves (DP)

15. Profibus Méthodes d'accès sur Profibus La méthode du jeton FMS - Réservé aux échanges entre stations complexes - Garantit l'accès de chaque maître au bus au moins une fois dans un temps donné - Passage d'un jeton donnant un droit de parole - Topologie en anneau avec chaînage des stations La méthode Maître/esclave DP - Le maître détenant le jeton d'accéder aux esclaves - Envoi de messages permettant de lire ou d'écrire des valeurs Cette méthode d'accès permet - Une configuration Maître - Esclave - Une configuration Maître - Maître - Une configuration hybride

16. Profibus Modèle ISO Couche 7 Profils de communications DP et FMS FDL Field Data Link Couche 2 MAC Medium Access Control Couche 1 Les deux profils de communication DP et FMS mettent en œuvre un protocole d'accès uniformisé géré par la couche 2 du modèle ISO FDL se charge de la sécurisation des données et de la gestion des protocoles et des télégrammes de transmission Couche 2 - sous-couche FDL

17. Profibus Couche 2 - sous-couche MAC La méthode d'accès est assurée par la sous-couche MAC (Medium access Control) qui veille au partage du canal de communication en garantissant qu'une seule station a le droit d'émettre à un instant donné • Profibus répond à deux exigences fondamentales de la méthode d'accès MAC : • Assurer que tout automatisme complexe (maître) connecté au réseau dispose d'assez de temps pour effectuer ses tâches de communication dans le délai imparti • Assurer une transmission cyclique, temps réel, extrêmement simple et rapide, entre un automatisme complexe (maître) et les équipements périphériques qui lui sont attachés (esclaves) MAC détecte les défauts du support de transmission et du récepteur de ligne, ainsi que les erreurs d'adressage (multiple affectation) ou de passage de jeton (multiple possession ou perte du jeton)

18. Profibus rappels

19. Profibus Vitesse Indications de temps de cycle du bus dans une configuration DP monomaître Diagnostics DP permet de localiser rapidement les défauts à l'aide de messages dédiés émis sur le bus et renvoyés au maître. On distingue 3 niveaux de messages : - Diagnostic de station : Renseigne sur l'état global d'une station. - Diagnostic de modules : Signale l'attente d'un diagnostic sur une gamme données d'E/S d'une station. - Diagnostic de voie : Précise la cause du défaut sur un bit d'E/S

20. Profibus Types d'équipements DP DP peut fonctionner en mode monomaître et en mode multimaître. Le bus dessert au maximum 126 équipements, maîtres ou esclaves. Chaque réseau peut héberger 3 types d'équipements : Maître DP de classe 1 (DPM1) Contrôleur de cellule (API ou PC) échangeant périodiquement des informations avec les esclaves déportés, dans un cycle de message paramétré. Maître DP de classe 2 (DPM2) Outil de développement, de configuration ou de conduite, qui sert à la mise en service, à la maintenance et au diagnostic du réseau : paramétrage des équipements raccordés, analyse des valeurs de mesure et de paramètres et demandes d'informations sur l'état de fonctionnement des équipements. Esclave C'est un organe périphérique qui, en entrée, collecte des informations et, en sortie, les envoie aux périphériques. Le volume des E/S dépend du type d'équipement. Profibus autorise un maximum de 244 octets en entrée et 244 octets en sortie.

21. Profibus Configuration DP En configuration monomaître : 1 seul maître gère tous les esclaves. - Les cycles de dialogues sont très courts. - D'autres maîtres peuvent lire (et simplement lire) les données de ces esclaves En configuration multimaître, plusieurs maîtres se partagent le bus : - Les maîtres gèrent des sous-réseaux indépendants, chacun constitué d'un maître DPM1 et d'esclaves - Équipements de configuration et de diagnostics supplémentaires. Le réseau DP en configuration monomaître

22. Profibus Comportement du système DP DPM1 Contrôleur de cellule 3 états principaux OPERATE DPM1 est en cycle de transfert. Transmission cyclique : Lecture / écriture des E/S des esclaves Si erreur sur le bus STOP Pas d'échanges entre DPM1 et les esclaves CLEAR DPM1 lit les entrées des esclaves et maintient leurs sorties en sécurité positive Transmission des données Transmission cyclique des données entre DPM1 et les esclaves : - Automatique, prise en charge par DPM1, dans un ordre établi et répétitif La transmission se déroule en 3 temps : - Paramétrage - Configuration - Transfert cycliquepermanent DP compare la configuration réelle à la configuration théorique : - type d'équipement, format, longueur de l'information et nombre d'E/S.

23. Profibus Comportement du système DP Les 2 trames de transmission cyclique de données utilisateur dans DP L'état des esclaves est surveillé périodiquement par des mécanismes de surveillance qui sont implantés aux niveau du maître et des esclaves sous forme temporelle. L'intervalle de surveillance est fixé à la configuration.

24. Profibus Modes Synchro et Freeze DP DPM1 envoie de façon cyclique les trames de données Il peut aussi envoyer des commandes - à un seul esclave - à un groupe d'esclaves en même temps - à la totalité des esclaves en même temps (multidiffusion) Ces commandes utilisent 2 modes : - Synchro - Freeze Mode Synchro Mode Freeze DPM1 DPM1 Le cycle freeze prend fin sur une commande Unfreeze Le cycle de synchronisation prend fin sur une commande Unsync Esclaves Esclaves Toutes les sorties sont gelées dans leur état présent Toutes les entrées sont gelées dans leur état présent

25. Profibus Surveillance L'état des esclaves est surveillé périodiquement par des mécanismes de surveillance qui sont implantés aux niveau du maître et des esclaves sous forme temporelle. L'intervalle de surveillance est fixé à la configuration. Côté Maître Si erreur de transmission, DPM1 passe à l'état CLEAR Demande attendue, recharge du Watch-dog Limite Côté Esclave t Chien de garde Watch-dog Bascule les sorties en sécurité positive

26. Profibus Adressage par Index et N° d'emplacement 0 244 octets maxi par station DPM1 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 Équipement de base Module Module Module Module INDEX 2.0 2.1 2.2 Esclaves Numéro d'emplacement 3.1 3.2 3.3 3.4 Station Une station est composée d'un équipement de base (accès au bus) et de modules E/S Ils sont numérotés par Index et Numéros d'emplacements

27. Profibus Adressage et trame

28. Profibus Profil FMS FMS est réservé à la communication évoluée au niveau cellule, c'est-à-dire au dialogue entre automatismes (API et PC) Sa couche application (couche 7) est constituée de : - La messagerie FMS : Fieldbus Message Specification - Interface LLI : Lower Layer Interface L'unification est réalisée au moyen de relations de communication - équipement de terrain virtuel : VFD Virtual Field device Tous les objets figurent dans le dictionnaire d'objets - Object Dictionnary Les Objets de Communication Statique sont : - Variable simple - Tableau - Structure - Domaine - évènements L'adressage logique s'effectue par un index 16 bits

29. Profibus Services FMS Les services FMS sont un sous-ensemble de la messagerie MMS Manufacturing Message Specification, normalisée ISO 9506 2 types de services : - Confirmés : mode connecté - Non Confirmés : diffusion générale et sélective 7 groupes de services : - Gestion du contexte - Accès aux variables - Gestion du domaine - Gestion des appels de programme - gstion des évènements - Support VFD - Gestion du dictionnaire OD

30. Profibus Service FMS Confirmé Read.req (index=20) Read.con + valeur de mesure Client Demande Réponse Serveur Index=20 : Variable de capteur température

31. Profibus Fichiers GSD Les fichiers GSD contiennent les informations de configuration du réseau de chaque esclave Il permet une configuration simple et rapide du maître Spécifications générales Nom fournisseur, désignation équipement, versions matérielles et logicielles, durée des intervalles de surveillance, affectation des signaux sur le bus Spécifications réservées au maître Nombre maxi d'esclaves, configuration… Spécification esclaves Nombre et types de voies E/S, définition des messages de diagnostics….

32. Profibus Versions DP-V1 DP-V2 DP-V1 : extension communications acycliques, exécutées en parallèle avec la communication cyclique DP-V2 : Communication directe entre esclaves en communication "broadcast"

33. Profibus Evolution vers TCP-IP

34. Profibus Exemple de temps de communication

35. Fin de présentation Merci de votre attention Patrick MONASSIER Université Lyon 1 France