fieldbus 제어 시스템용 FOUNDATION fieldbus

Foundation Bus Organization의 정의에 따르면 FF 버스는 완전 디지털, 직렬, 양방향 전송 통신 시스템으로 현장의 다양한 현장 계측기를 연결할 수 있는 신호 전송 시스템입니다. 가장 기본적인 기능은 산업 공정 자동화를 위해 특별히 개발되었으며 까다로운 사용 환경, 본질 안전, 버스 전원 공급 장치 등을 충족하기 위한 완벽한 조치를 갖추고 있습니다. 이러한 이유로 어떤 사람들은 FF 버스를 프로세스 제어를 위해 특별히 설계된 필드 버스라고 부릅니다.

FF 프로토콜 표준에서 FF는 저속 H1 버스와 고속 H2 버스로 구분됩니다. H1은 주로 공정 자동화를 목표로 하며 전송 속도 31.25Kbps, 전송 거리 최대 1900m(리피터로 확장 가능)를 제공하며 버스 전원 공급 장치와 본질 안전 및 방폭 기능을 지원합니다. 고속 버스 프로토콜 H2는 주로 제조 자동화에 사용되며 전송 속도는 1Mbps와 2.5Mbps의 두 가지 유형으로 나뉩니다. 그러나 원래 계획된 H2 고속 버스 표준은 이제 Fieldbus Foundation에 의해 폐기되고 이더넷 기반 고속 버스 HSE로 대체되었습니다. 통신 시스템의 개방성을 실현하기 위해 FF 통신 모델은 그림 4.2와 같이 OSI 모델을 참조합니다.

H1 버스의 통신 모델에는 물리 계층, 데이터 링크 계층, 애플리케이션 계층이 포함되며 그 위에 사용자 계층이 추가됩니다. 물리 계층은 IEC61158-2의 프로토콜 사양을 채택합니다. 데이터 링크 계층 DLL은 장치 간에 네트워크를 공유하고 통신을 전달하는 방법을 지정하고 링크 활동 스케줄러 LAS를 통해 필드 버스 액세스를 관리합니다. 장치가 데이터를 교환하는 방법을 지정합니다. 요청 응답의 명령, 이벤트 정보 및 정보 형식. H1의 애플리케이션 계층은 버스 액세스 하위 계층 FAS와 버스 메시지 사양 하위 계층 FMS의 두 하위 계층으로 구분됩니다. 기능 블록 애플리케이션 프로세스는 FMS만 사용하며 FAS는 FMS를 DLL에 매핑하는 역할을 담당합니다. 사용자 계층은 표준 기능 블록, 장치 설명 등을 규정하는 등 사용자가 요구하는 애플리케이션을 구성하는 데 사용됩니다. 그러나 데이터 링크 계층과 애플리케이션 계층은 종종 전체로 간주되며 통칭하여 통신 스택이라고 합니다.

HSE는 이더넷과 TCP/IP의 6계층 프로토콜 구조를 기반으로 한 통신 모델을 채택하고 있습니다. 그 중 첫 번째부터 네 번째 계층은 표준 인터넷 프로토콜입니다. 다섯 번째 계층은 필드 장치 액세스 세션으로, 필드 장치 액세스 에이전트에 대한 세션 구성 및 동기화 서비스를 제공합니다. 일곱 번째 계층은 애플리케이션 계층으로도 구분됩니다. FMS 및 현장 장치 액세스 FDA 하위 계층은 FDA의 역할이 H1의 FAS와 유사하며 가상 통신 관계를 기반으로 FMS에 통신 서비스도 제공합니다. H1 버스의 물리 계층은 IEC 및 ISA 표준에 따라 정의되며 ISA S50.02 물리 계층 표준, IEC1158-2 물리 계층 표준 및 FF-816 31.25Kbps 물리 계층 프로파일 사양을 준수합니다. 물리 계층은 통신 스택으로부터 메시지를 수신하면 데이터 프레임에 프리앰블과 구분 기호 코드를 추가하고 데이터 인코딩을 수행한 후 생성된 물리 신호를 송신 드라이버를 통해 대통령 전송 매체로 전송합니다. 대신 신호가 수신되면 역방향 디코딩이 필요합니다.

현장 사장은 맨체스터 인코딩 기술을 사용하여 데이터 인코딩을 DC 전압 또는 전류에 로드하여 '동기 직렬 신호'를 형성합니다. 프리앰블은 수신기가 내부 클럭을 동기화하는 데 사용하는 8비트 디지털 신호 10101010입니다. 시작 구분 코드와 끝 구분 코드는 필드버스 정보의 시작점과 끝점을 나타냅니다. 길이는 모두 8 클럭 사이클입니다. "0", "1", "N+" 및 "N-" 지정된대로 순차적 구성.

그림 4.5(a)는 H1 버스의 구성 아이디어를 보여줍니다. 버스의 양쪽 끝은 터미네이터에 연결되어 31.25KHz 신호에 대한 통과대역 회로를 형성합니다. 송신 장치에서 생성된 신호는 그림 (b)에 표시된 것처럼 피크 대 피크 값이 15-20mA인 31.25KHz의 전류 신호로 50Ω에 해당하는 등가 부하로 전송되어 피크- 그림 (c)에 표시된 것처럼 DC 전원 전압에서 변조된 0.75-1V의 피크 값입니다. H1은 버스 전원 공급 장치와 비버스 전원 공급 장치를 지원합니다.

통신 스택은 데이터 링크 계층 DLL, 필드버스 액세스 하위 계층 FAS 및 필드버스 메시지 사양 FMS의 세 부분으로 구성됩니다.

DLL의 주요 기능은 버스 액세스를 예약하는 것입니다. 버스 액세스는 링크 활동 스케줄러 LAS를 통해 관리됩니다. 각 버스 세그먼트에는 하나의 LAS가 있습니다. H1 버스의 통신은 예정/주기적 통신과 비예정/비주기적 통신의 두 가지 범주로 구분됩니다. 전자는 일반적으로 장치 간 측정 및 제어 데이터를 주기적으로 전송하는 데 사용되며 우선 순위가 가장 높으며 다른 작업은 예약된 전송 사이에만 수행됩니다.

FAS 하위 계층은 FMS와 DLL 사이에 위치하며 DLL의 스케줄링 및 비스케줄링 특성을 사용하여 FMS 및 애플리케이션 프로세스에 대한 메시지 전달 서비스를 제공합니다. FAS의 프로토콜 메커니즘은 FAS 서비스 프로토콜 메커니즘, 애플리케이션 관계 프로토콜 메커니즘, DLL 매핑 프로토콜 메커니즘의 세 가지 계층으로 나눌 수 있으며 이들 계층과 인접 계층 간의 관계는 그림 4-6에 나와 있습니다. FAS 서비스 프로토콜 메커니즘은 전송된 정보를 FAS 내부 프로토콜 형식으로 변환하고 서비스에 적합한 애플리케이션 관계 프로토콜 메커니즘을 선택하는 역할을 합니다. 애플리케이션 관계 프로토콜 메커니즘에는 가상 통신 관계 VCR에서 설명하는 세 가지 서비스 유형(클라이언트/서버, 보고서 배포 및 게시/수신)이 포함됩니다. 이들의 차이점은 주로 FAS가 메시지 전송을 위해 데이터 링크 계층을 적용하는 방식에 있습니다. DLL 매핑 프로토콜 메커니즘은 하위 계층인 데이터 링크 계층에 대한 인터페이스입니다.

이는 애플리케이션 관계 프로토콜 메커니즘의 FAS 내부 프로토콜 형식을 데이터 링크 계층 DLL에서 허용되는 서비스 형식으로 변환하고 이를 DLL로 전송하며, 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.

FMS는 사용자 애플리케이션에 필요한 메시지를 설정하는 데 필요한 통신 서비스, 정보 형식 및 프로토콜 동작을 설명합니다. 다양한 객체 유형에 대해 FMS는 해당 FMS 통신 서비스를 정의합니다. 사용자 애플리케이션은 표준 메시지 형식 세트를 사용하여 필드 버스에서 서로 메시지를 보낼 수 있습니다.

사용자 계층은 표준 모듈 기반 사용자 애플리케이션을 정의하여 장치와 시스템의 통합 및 상호 운용성을 더 쉽게 구현할 수 있도록 합니다. 사용자 계층은 기능 블록과 장치 설명 언어라는 두 가지 중요한 부분으로 구성됩니다. PROFIBUS***에는 PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-DP 및 PROFIBUS-PA의 세 가지 호환 시리즈가 있습니다. 각 시리즈의 프로토콜 구조는 그림 4.9에 나와 있습니다. FMS는 물리 계층, 데이터 링크 계층, 애플리케이션 계층 및 사용자 인터페이스를 정의합니다. 물리 계층은 광섬유와 RS485라는 두 가지 전송 기술을 제공합니다. DP는 물리 계층, 데이터 링크 계층 및 사용자 인터페이스를 정의하며, 둘 다 동일한 전송 기술과 통합 버스 제어 프로토콜(메시지 형식)을 사용합니다. PA는 주로 프로세스 제어 분야에 사용됩니다. FF의 H1 버스와 동일하며 세그먼트 커플러를 사용하면 PA 장치를 DP 네트워크에 쉽게 연결할 수 있습니다.

PROFIBUS 필드버스는 세계에서 가장 널리 사용되는 필드버스 기술 중 하나이며 자동화 시스템과 필드 I/O 장치 간의 통신에 적합할 뿐만 아니라 다양한 필드 계측기를 직접 연결하는 데에도 사용할 수 있습니다. 인터페이스와 장비. DP와 PA의 완벽한 조합으로 PROFIBUS 필드버스는 구조와 성능 면에서 다른 필드버스보다 우수합니다. PROFIBUS는 RS485 전송, IEC1158-2 전송, 광섬유 전송의 세 가지 유형을 제공합니다.

PROFIBUS-DP/-FMS에는 RS-485 전송이 사용되며 최대 전송 속도는 릴레이 없이 12Mbps에 도달할 수 있으며 전송 속도와 버스 길이의 대응 관계는 다음과 같습니다. 표:

PROFIBUS-PA에서는 데이터 전송 기술 IEC1158-2를 사용하며, 기본 전류(약 10mA)를 ±9mA 변조하여 31.25kbps의 속도로 전송하는 비트 동기화 프로토콜이다.

PROFIBUS 시스템이 더 먼 거리를 연결해야 하거나 전자기 간섭이 심한 환경에서 사용해야 하는 경우 전송을 위해 광섬유 도체(플라스틱 및 유리)를 사용할 수 있습니다. 광학 링크 플러그는 RS485 신호를 실현할 수 있으며 광섬유 도체 신호. PROFIBUS 버스에 포함된 세 가지 호환 시리즈는 모두 일관된 버스 액세스 프로토콜을 사용합니다. 이는 그림 4.10에 표시된 것처럼 마스터 스테이션 간의 토큰 방식과 마스터 스테이션과 슬레이브 스테이션 간의 마스터-슬레이브 방식을 포함하는 하이브리드 프로토콜입니다.

토큰링은 모든 마스터 스테이션의 조직 체인으로 주소에 따라 논리적 링을 형성합니다. 토큰 링에는 토큰이 논리 링에서 순환하는 최대 시간이 미리 지정되어 있으며, 지정된 시간 내에 주소의 오름차순으로 각 마스터 스테이션에 토큰이 전달되어야 합니다.

마스터-슬레이브 모드를 사용하면 마스터 스테이션이 버스 액세스 토큰을 얻을 때 슬레이브 스테이션과 통신할 수 있습니다. 각 마스터 스테이션은 슬레이브 스테이션에서 정보를 보내거나 요청할 수 있습니다. 마스터 스테이션이 토큰 메시지를 받으면 마스터 스테이션은 일정 시간 내에 마스터 스테이션 작업을 수행할 수 있습니다. 이 기간 동안 마스터-슬레이브 관계 테이블에 따라 모든 슬레이브 스테이션과 통신할 수 있으며, 마스터-마스터 관계 테이블에 따라 모든 마스터 스테이션과도 통신할 수 있습니다. IEC1158-2 전송 기술을 기반으로 한 버스 세그먼트와 RS485 전송 기술을 기반으로 한 버스 세그먼트는 커플 링 장치를 통해 연결될 수 있으며 커플러는 둘의 신호를 적응시킵니다. 각 세그먼트에는 일반적으로 커플러와 PA 버스를 통해 필드 장치에 전원을 공급하는 전원 공급 장치가 장착되어 있습니다. 이 전원 공급 방법은 PA 버스 세그먼트의 전류와 전압을 제한할 수 있습니다. 외부 전원 공급 장치가 필요한 경우 버스 전원 공급 장치와 외부 전원 공급 장치를 본질 안전 버스에 연결하기 위해 적절한 절연 장치를 사용해야 합니다. 이때 버스의 최대 공급 전압과 최대 공급 전류가 명확하게 정의됩니다. . 버스의 스테이션 수는 방폭 수준 및 버스 전원 공급 장치에 따라 제한됩니다.

PROFIBUS의 네트워크 토폴로지는 버스 유형, 트리 유형 또는 두 토폴로지의 혼합일 수 있습니다. 선형 구조는 버스 케이블을 따라 각 스테이션을 연결하고, 트리 구조는 필드 장치를 필드 분전함과 병렬로 연결할 수 있도록 합니다. 하이브리드 토폴로지는 대부분의 실제 시스템 요구 사항에 적합하며 버스의 구조와 길이를 최적화할 수 있습니다. 우리는 현재 산업 네트워크가 고급 IT 시스템의 통합과 인터넷을 통한 글로벌 네트워킹을 향해 점차 발전해 왔다는 것을 알고 있습니다. PROFINet은 필드버스 기술의 수직적 통합이라는 투명한 개념을 구현합니다.

PROFINet은 자동화 시스템의 상위 계층과의 일관성을 유지하기 위해 이더넷을 통신 매체로 사용합니다. 한편으로는 범용 PROFIBUS 기술을 기반으로 하는 시스템을 전체 시스템에 원활하게 통합할 수 있습니다. 한편, 프록시 서버를 통해 PROFIBUS-DP 및 기타 필드버스 시스템과 PROFINet 시스템을 간단하게 통합할 수도 있습니다.

전체 프로토콜 아키텍처에서 제조업체 독립적 엔지니어링 설계 시스템 객체 ES-Object 모델과 개방형 객체 지향 PROFINet 런타임(런타임) 모델은 PROFINet이 정의하는 두 가지 핵심 모델입니다.

엔지니어링 설계 시스템 객체 모델은 다중 제조업체 엔지니어링 설계 솔루션을 지정하고 사용자 친화적인 PROFINet 시스템 구성을 제공하는 데 사용됩니다. 런타임 모델은 이더넷 표준 메커니즘을 사용한 통신 기능을 기반으로 하며 하드 실시간 통신 애플리케이션을 위한 옵션으로 최적화된 DCOM 메커니즘을 제공합니다.

PROFINet 구성 요소는 객체 형태로 나타나며 런타임 중에 통신하는 자동화 객체, 즉 런타임 자동화 객체 RT-AUTO에는 자동화 솔루션이 포함되어 있습니다. 엔지니어링 분야에서는 통신을 프로그래밍할 필요 없이 쉽게 구성할 수 있으면 자동화 솔루션을 만드는 것이 매우 간단해집니다.

PROFINet은 그림 4.12에 표시된 것처럼 이러한 애플리케이션을 위한 두 가지 통합 솔루션을 제공합니다.

Fieldbus 마스터 스테이션에 PROFINet 기능이 있는 경우 이더넷 인터페이스와 PROFINet 런타임 소프트웨어의 포트를 통합하여 Fieldbus 마스터 스테이션의 CPU에 직접 통합할 수 있습니다. 그렇지 않으면 PROFIBUS를 프록시 서버를 통해 PROFInet과 통합할 수도 있습니다. 원칙적으로 FF, Interbus 등과 같은 다른 필드버스는 일반적으로 이러한 방식으로 PROFINet 필드에 통합될 수 있습니다.