TÖÖSTUSLIKUD SIDEVÕRGUD

TÖÖSTUSLIKUD TÖÖVÄLJA VÕRGUD

Tööstuslike tööväljavõrkude struktuur; Tööväljavõrk PROFIBUS; Tööväljavõrgud CANBUS ja MODBUS

 

Tööväljavõrk PROFIBUS

Sissejuhatus

PROFIBUS tööväljaprotokoll töötati välja Siemensi, Boschi ja Klockner-Moeller poolt, et vastata nii diskreetse tootmise kui ka Euroopa standardite EN50170 ja EN50254 nõudmistele. Profibus võimaldab luua andmesidet erinevate tootjate poolt tehtud seadmete vahel ilma spetsiaalse liidesekohanduseta. Profibusi on võimalik kasutada kõrge kiirusega rakendustes ja komposiitandmevahetuses.

Protokolli kirjeldus

See on sobiv ka erinevate automatiseerimisülesannete lahendamiseks nii töövälja seadmete tasandil kui ka kõrgematel hierarhiatasanditel olevatel seadmetel. Profibusi eristatakse jada tööväljasüsteemide tehniliste spetsifikatsioonide tõttu, mis võimaldavad ühendada jagatud intelligentsusega digitaalseid programmeeritavaid kontrollereid ühisesse võrku. Võrgutopoloogia tingimustelt on Profibus mitmik-ülemseadmetega süsteem, mis võimaldab mitmete automatiseeritud süsteemide ja nende hajutatud perifeeriate tegutsemist samal magistraalliinil.

See kommunikatsioonitehnoloogia hõlmab kolme põhitüüpi protokolle: FMS, DP ja PA (pilt 5.1).

PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification, tööväljasiini sõnumi spetsifikatsioon) on olnud kasutusel alates 1990. aastast. See kavandati kõrgema hierarhiatasandi kommunikatsiooni jaoks ega ole seega sobilik kommunikatsioonivahend töövälja tasandil.

PROFIBUS-DP (Decentral Periphery) (1992) arendati andmevahetuseks programmeeritavate kontrollerite ja heterogeensete objektidega ühendatud seadmete vahel. See võimaldab andmevahetust kiirusega 12 Mbit/s. Kommunikatsioonimeetodiks on kas ülem/alluv või võrdõiguslik ligipääs. Füüsilisel tasandil on ülekandemeediumiks keerutatud juhtmepaar. Maksimaalselt saab ühendada Profibus DP võrku 126 sõlme (seadet) aadressidega 0 kuni 125. Selle tüüpilisteks rakendusaladeks on protsessihaldus ja tööstuslik automatiseerimine.

PROFIBUS-PA (Process Automation) (1997) on kavandatud andmevahetuseks tööväljatasandi süsteemide (kontrollerite, sensorite ja ajurite haldamise süsteemide) vahel konventsionaalses või Eks-tsoonis (kõrgendatud turvatsoonis). See protokoll vastab IEC 61158-2 rahvusvahelise standardi nõuetele.

Profibus PA on tunnustelt sarnane FOUNDATION Fieldbus’iga. Sellesthoolimata on Profibus PA puhul andmevahetuse kiirus umbes 30;Kbit/s, magistraalliin on kas ülem/alluv või võrdõigusliku ligipääsutüübiga ja maksimaalne sõlmede arv on üle 250 ühes võrgus.

 

Pilt 5.1. FMS, DP ja PA protokollid [64]

Pilt 5.2 FMS, DP ja PA protokollide tasandid [64]

PROFIBUS-DP funktsioneerimine

DP-liide tähistab „detsentraliseeritud perifeeriat“ (decentralized periphery), mis tähendab et hajutatud sisend/väljundseadmed on ühendatud keskse kontrolleriga kiire jadaühenduse kaudu.

See võrk baseerub universaalsetel rahvusvahelistel standarditel ja vastab avatud süsteemi (Open System Interconnection, OSI) mudelile, milles igal kommunikatsioonikihil on oma täpselt määratletud ülesanne (pilt 5.3). Selle mudeli esimene kiht defineerib kommunikatsiooni füüsilised tunnused. Teine kiht on andmelülikiht, mis defineerib ligipääsu ülekandemeediumile. Seitsmes kiht on rakenduskiht ja defineerib kasutaja funktsioonid. Profibus võrk kasutab ainult OSI mudeli kihte 1, 2 ja 7. Kihte kolm kuni kuus ei kasutata.

 

Saatja		Vastuvõtja	Kihi nimetus ja funktsioon
7		7	Rakenduskiht
6		6	Esitluskiht
5		5	Seansikiht
4		4	Transpordikiht
3		3	Võrgukiht
2		2	Kanalikiht
1		1	Füüsiline kiht
Saatemeedium

Pilt 5.3.

Profibus süsteem kasutab Profibus ülemseadet, mis teostab mööda RS 485 magistraalliini (pilt 5.5) hajutatud alluvseadmete pollimist (pilt 5.4).

Alluvseadmed (sensorid, ajurid, käitusmehhanism või teised mõõteseadmed) moodustavad võrgus niinimetatud „passiivse jaama“, kuna neil ei ole autoriseeritud ligipääsu võrgule ja need ainult kinnitavad vastuvõetud sõnumeid või saadavad vastussõnumi ülemseadmelt saadud päringule. Siin tuleb öelda, et kõik alluvseadmed on võrdse prioriteediga ja kommunikatsiooni juhib ülemseade.

Ülemseade (Profibus ülem) on võrgus aktiivne jaam. Profibus’i spetsifikatsioon eristab kahte tüüpi ülemseadmeid. 1. ülemseade tüüp säilitab normaalset sidet ja andmevahetust sellega seotud alluvseadmetega (pilt 5.6). 2. ülemseade tüüp on spetsiaalne seade, mida kasutatakse peamiselt tarbijarakenduste üleslaadimiseks alluvseadmetesse diagnostika eesmärgil. Mõned ülemseadmed on kahe eelmise ülemseadme tüübi kombinatsioon, mis võimaldab neil täita mõlema ülemseadme funktsioone. Tavaliselt ei ole Profibus tööväljavõrgus ülemseadmete vaheline kommunikatsioon lubatud, välja arvatud kui ülemsüsteem annab teisele ülemseadmele ligipääsuloa tema alluvuses olevatele alamseadmetele.

Pilt 5.4. Profibus [64]

Pilt . 5.5 PROFIBUSi füüsiline kiht (RS 485)

Lubaringvõrgu (token ring) seadistus on võimalik ainult füüsiliselt lingitud seadmete vahel (võrgukaadri siseselt). Ülemseadmete (master-to-master) vaheline kommunikatsioon kahe võrgu vahel ühe-ülema-süsteemiga (pilt 5.7) on võimalik üle DP_DP-lüüsi. Ülemseade võib pöörduda individuaalse alluvseadme poole; viia läbi multiedastust pöördudes alluvseadmete grupi poole või teostada leviedastust, saates sõnumi kõigile alluvseadmetele. Alluvseade vastab kõigile temale otsesuunatud sõnumitele, kuid ei vasta multi- ja leviedastussõnumitele. Grupisõnumeid (levi- ja multiedastus) kasutatakse Profibus võrgus globaalseks juhtimiseks aadressiga 127 ja alluvseadmete sihtgrupi grupi numbriga.

Pilt 5.6 Ülemseadmete (master-to-master) vaheline kommunikatsioon [64]

Pilt 5.7. Ülemseadmete (master-to-master) vaheline kommunikatsioon

Sisend/väljundandmete pikkus, mis kantakse alluvseadmelt ülemseadmele, on ettemääratud alluvseadme andmebaasis või GSD failis. Kõikide võrku ühendatud seadmete GSD failid on salvestatud ülemseadmes tüüp 2. parameetrikirjena, mis sisaldab andmeid konfiguratsiooni, parameetrite aadressi jaotusnimekirja ja kõigi ühendatud jaamade võrguparameetrite kohta. Tööväljavõrgu parameetrikirje laaditakse ülemseadmesse riistvara konfigureerimise faasis.

Kaadri formaat [64]

LE      Võrguandmete pikkus + DA, SA, FC, DSAP, SSAP

LE:     Korduv pikkus

DA:     Sihtaadress

SA:     Lähteaadress

FC:     Funktsioonikood (FC = 13, signaalide diagnostika andmed)

DSAP:            Sihtpunkti teenuse ligipääsu punkt

SSAP: Lähtepunkti teenuse ligipääsu punkt

FCS:   Kaadri kontrollsagedus

ED:     Lõpueraldaja

Pilt 5.8. PROFIBUS - DP Andmeedastuse

Käivitumise ajal kommunikeerub ülemseade iga temaga seotud alluvseadmega ja aktiveerib tsüklilise andmehulga. Selles punktis on igal alluvseadmel unikaalne aadress vahemikus 0 - 125. Dünaamilise adresseerimisega seadmed (ehk aadress 126 varustamise sisselülitamisel) ootavad käsku „Määra alluva aadress“ (Set Slave Address) ülemseadmelt tüüp 2. enne parameetrite omistamist.

Kommunikatsiooniprotokoll ja selle kaader on kirjeldatud piltidel 5.8 ja 5.9.

Pilt 5.9 Andmeloki lugemise jada [64]

Siini ajastamine

Võrgus kasutatakse vastava ülemseadme poolt läbiviidavat pollimist. Reageerimisaeg (aeg, mis kulub alluvseadmel ülemseadmele vastamiseks) on konstantne (pilt 5.10) isegi juhul, kui kasutatakse ülemseadet tüüp 2 alluvseadme diagnoosimiseks selle kommunikatsioonis ülemseadmega tüüp 1. Kommunikatsiooni  vahele jäävat aega kasutatakse diagnostika eesmärkidel.

Biti-aeg (T_bit) on ajahulk, mis on vajalik ühe biti informatsiooni ülekandmiseks vastavalt siini kiirusele.

Sünkroniseerimisaeg (T_SYN)on miinimumaeg, mille jooksul tööjaam peab jääma jõudeolekusse, enne kui muutub kättesaadavaks järgmisele päringule. Profibus DP puhul on see aeg 33;Т_bit.

Alluvseadme reageerimisaeg (T_SDR) on aeg, mille jooksul alluvseade peab andma ülemseadme päringule vastuse. Minimaalne väärtus (minT_SDR) määratakse alluvseadme initsialiseerimise käigus parameetri määramise käsu abil. Maksimaalväärtus (maxT_SDR) sõltub andmevahetuskiirusest ja on vastavalt andmevahetuskiirustele määratud seadme GSD failis. Profibus DP puhul on vastavate aegade väärtused järgmised:  ja .

Pilt 5.10. PROFIBUS - DP andmeedastus

Tööväljavõrgud CANBUS ja MODBUS

Tööväljavõrk CANBUS

Tööväljavõrgu CANBUS protokolli kirjeldus

Kontrollersidevõrk (Controller Area Network, CAN) on jadaliides andmete reaalajaliseks edastamiseks kiirusega kuni 1 Mbit/s (megabitti sekundis), mille eeliseks on suurepärased veaparanduse võimalused. Seda kasutatakse kõrge kiirusega ISO 11898 andmete ülekandmiseks ja ka madala kiirusega ISO 11519 rakendustes. Seadmetevaheliseks kommunikatsiooniks kasutatakse OKI, MICROCHIP, MOTOROLA jt toodetud liideseadaptereid.

Füüsiline võrgu elemendiks on paralleeljuhtme liin (pilt 6.1).

Pilt 6.1. Paralleeljuhtme liin [64]

Mööda CANi siini saadetakse samaaegselt edastatavad andmed kõigile võrguseadmetele laiali (pilt 6.2).

Pilt 6.2. CANi siin [64]

Tööpõhimõte

CAN-võrkude tööpõhimõte baseerub faktil, et iga moodul on võimeline sõnumeid edastama, kui siin vaba. Kuna igal sõnumil on prioriteet, siis mitme ülekandemooduli puhul edastatakse kõige kõrgema prioriteediga sõnum enne kui madalama prioriteediga. Analoogsel moel, kui mõnda moodulisse jõuab samaaegselt rohkem kui üks sõnum, siis käib vastuvõtmine vastavalt nende prioriteedile. Iga CAN-võrku kuuluv moodul võib nõuda sõnumite saatmist temale, saates selleks päringuid. Iga korrektselt vastu võetud sõnum kinnitatakse, saates vastav kinnitussõnum. Vastus saadetakse ka siis, kui sõnumi vastuvõtmine või täitmine ebaõnnestus mingi vea tõttu. CAN-võrk tunneb ära püsivigade esinemise ja sulgeb automaatselt vigase mooduli.

Sõnumi sisusse on kodeeritud spetsiaalne identifikaator – CAN-võrgu spetsiifiline, mis kannab informatsiooni edastatava sõnumi kohta (t, P, F).Kõik vastuvõtjad võtavad informatsiooni vastu ja igaüks testib identifikaatorit, et vaadata kas see sõnum on mõeldud vastuvõtjale. Kui sõnum on vastuvõtjale sobilik, võetakse see vastu ja töödeldakse, kui mitte, jäetakse see sõnum vahele. Identifikaator sisaldab infot sõnumi prioriteedi kohta, mis jaotatakse vähemalt kahele tasandile: kõrge ja madal. Informatsiooni edastamine käib üle paralleelse keerutatud juhtmepaari või telefoniliini, kui tekkivad häired ei ole kõrged.

CAN-võrk on paindlik ja võimaldab lisada uusi seadmeid juba toimivasse CAN-võrku ilma, et selles oleks vaja teha uusi riistvaralisi või tarkvaralisi lisamuudatusi.

CAN kasutab NRZ (Non Return to Zero) meetodit andmete kodeerimiseks. NRZ-kodeerimine tekitab lühikesed sõnumid minimaalse arvu üleminekutega ja ei ole väliste häirete poolt oluliselt mõjutatav.

CAN-võrkudes antakse kõrgem prioriteet nendele parameetritele (informatsioonile), mis muutuvad teistest kiiremini. Näiteks automootori pöörded muutuvad sagedamini kui selle temperatuur.

Parameetrite prioriteedi määramiseks kasutatakse liikluse ja põrke tuvastusega pöördusmeetodit (Carrier Sense, Multiple Access with Collision Detect (CSMA/CD). Sõnumi prioriteet salvestatakse identifikaatorisse süsteemi (CAN-võrgu) kavandamise esmases faasis. Kõige kõrgem prioriteet antakse kõige madalama digiväärtusega identifikaatorile.

Andmepaketi kirjeldus

CAN-süsteemis edastatakse ja võetakse vastu informatsioon andmepaketi formaadis (sõnumi kaader, message frame).

CAN-ist on 2 versiooni - 2.0А ja 2.0В. 2.0А versiooni iseloomustab 11-bitine identifikaator ja ehtne Bosh-i protokoll, samal ajal kui 2.0В versiooni iseloomustab 21-bitine identifikaator. Viimane on arendatud USAs Ameerika autotööstuse vajaduste tarbeks.

2.0A versioonile vastavad CAN-võrgud võtavad vastu ja edastavad informatsiooni seadmete vahel, mis on ehitatud ainult selle standardi kohaselt. 2.0B versiooni puhul võetakse vastu ja edastatakse informatsiooni segatud võrkudes, mis võivad sisaldavad mõlema CAN versiooni kontrollereid.

2.0A versiooni kaader on kujutatud pildil 6.3.

Fig. 6.3. 2.0A versiooni kaader

d ’dominantne’, r ’retsessiivne’

Pilt 6.4.

Andmebaitide arv	Andmepikkuse kood
	DLC3	DLC2	DLC1		DLC0
0	D	d	d	d
1	D	d	d	r
2	D	d	r	d
3	D	d	r	r
4	D	r	d	d
5	D	r	d	r
6	D	r	r	d
7	D	r	r	r
8	R	d	d	d

Pilt 6.5. CDR väli

Pilt 6.6. ACK väli

Algselt edastatakse mööda liini impulss mis muutub kõrgest potentsiaalist madalani mida kutsutakse alguskaadriks (StartOfFrame, SOF). Alguskaadrile järgneb 11-bitine identifikaator (arbitration), millesse on kodeeritud edastuse sisu. Sellele järgneb 1 bitine informatsioon kaugedastuspäringuna (Remote Transmission Request, RTR), mille abil küsitakse saatjalt autoriseeringut informatsiooni edastamiseks vastuvõtjale. Bitid r₀ ja r₁ on protokollis tühjad. Andmepikkuskoodi (Data Length Code, DLC) välja suurus on 4 bitti ja see sisaldab informatsiooni edastatava andmemahu kohta, mis edastatakse andmeintervalli ajal. Selle intervalli pikkus on 0 kuni 8 impulssi, mis on väljendatud andmepikkuskoodiga. DLC’le järgneb andmeväli (suurus 0 kuni 8 baiti), kuhu on salvestatud edastatav informatsioon. Järgmised 15 bitti moodustavad tsükkelkoodkontrolli (Cycle Redundance Code, CRC), mida kasutatakse vastuvõetud informatsiooni korrektsuse kontrollimiseks. Sellele järgneb DEL-ajavahemik. Informatsiooni edastava seadme tuvastamiseks kasutatakse kaht jaatusimpulssi (ACK), mis järgnevad DEL-ile. Andmepakett lõppeb kaadrilõpumärgiga (EOF), mille pikkus on 7 impulssi. Paketi lõppu tähistatakse 3 vaheaja (INTERMISSION) bitiga, peale mida vabastatakse liin järgmiste sõnumite jaoks.

Pilt 6.7.

Retsessiivne ja dominantne bitt

Ülekandemeediumist isoleerimise huvides väldib CAN binaarsete „0“ ja „1“ väärtustega sõnumi kirjeldamist. Selle asemel võetakse vastu „retsessiivseid“ ja „dominantseid“ signaale. Näiteks optilise ühenduse puhul võib „retsessiivne“ signaal olla pimedus ja „dominantne“ valgus. Elektriliste signaalide puhul võib „retsessiivne“ signaal tähendada kõrget elektrilist signaali ning „dominantne“ signaal selle puudumist.

Kaadrite tüübid

CAN-protokollis eristatakse neli kaadrit:

1. Andmekaader – edastab andmeid;
2. Päringukaader - esitab andmekaadrite edastamise päringuid antud identifikaatori kohta;
3. Ülelaadimise kaader – kindlustab andmekaadrite või päringute vahelised vahed;
4. Veakaader – see edastatakse sõlmest (jaamast), kus tuvastati viga.

Andmekaadrid ja päringu-on eelnevatest kaadritest eraldatud vahedega.

Päringukaadri formaat vastab CANi standardsele kaadrile või laiendatud formaadile kahe erandiga:

RTR-väljas on „dominantne“ signaal asendatud „retsessiivse“ signaaliga;

Andmeväli puudub.

Arbitreerimine andmeedastuse ajal

Kui siin on vaba võib iga sõlm CAN-võrgus alustada suvalisel ajal andmete edastamist. Andmeedastuse arbitreerimine toimub, kui kahest või enamast sõlmest (tööjaamast) edastatakse mitu kaadrit samaaegselt (pilt 6.8).

Prioriteet edastatakse koos sõnumiga, mis on salvestatud 11-bitisesse seadme identifikaatorisse (seadme aadressisse). Kõige madalama binaarväärtusega identifikaator on kõige kõrgema prioriteediga. Sõnumite prioriteet määratakse võrgu arendamise ajal ja seda ei saa dünaamiliselt (hiljem) muuta. Mitme kaardi edastamise  ajal toimuvad kaadrite kokkupõrked lahendatakse igas tööjaamas omistatud identifikaatori numbrite võrdlemise teel. Pildil 6.8 on näide, mis illustreerib kirjeldatud juhtumit. Selles näites tahavad kolm CAN-sõlme oma andmeid edastada. Erinevalt Ethernet’ist ei ole CAN-võrgus pakettide kadu, nagu ka kokkupõrgete tekitamine, lubatud. CAN-võrgu suurimaks puuduseks on, et madala prioriteediga sõnumeid ei pruugi jõuda CAN-võrku ehk siis ei välju vastavast tööjaamast.

Pilt 6.8. Andmeedastuse arbitreerimine

Veajuhtimine

CANi suureks eeliseks on mitmete veajuhtimise ja vigade vältimise mehhanismide olemasolu:

• Andmeülekande juhtimine: Andmeülekande ajal võrreldakse võrgu bititasandit edastatavate bittidega;
• Biti täitmine: Peale viie identse biti jadamisi edastamist järgneb automaatne vastupidise tähendusega biti edastus. Sel moel on kõik andmeväljad ja päringukaader kodeeritud, ainukeseks erandiks on kontrollsumma (CRC) eraldaja ja EOF-märk.
• Kontrollsumma: Saatja arvutab andmepaketi kontrollsumma ning lisab selle edastatavasse kaadrisse. Vastuvõtja loeb reaalajas juhtringi, arvutab vastuvõetud kaadri kontrollsumma ja võrdleb neid;
• Töövälja väärtuse kontrollimine sõnumi edastamise ajal.

Edastamiskiirus ja võrgu pikkus

Kiiruse ulatus

Kõik võrgu sõlmed peaksid tegutsema võrdsel kiirusel. CAN-standard ei määra edastamiskiirust, siiski kasutavad enamus CAN-võrkusid katkematut edastust kiirusega 20;Kbit/s kuni 1;Mbit/s. Loomulikult on olemas ka lahendusi, mis töötavad väljaspool seda vahemikku.

Kriitiline võrgu pikkus

Ülalkirjeldatud veajuhtimise meetodid eeldavad üle kogu võrgu hajutamist kuni selle arvutamise hetkeni. See omakorda määrab ära võrgu maksimaalse pikkuse. Mida kõrgem on ülekande kiirus, seda väiksem on võrgu pikkus. Järgnevalt on esitatud sõnumi edastamiskiirus ja sellele vastava võrgu kriitiline pikkus ISO 11898 standardi järgi:

• 1 Mbit/s - 40 m;
• 500 Kbit/s - 100 m;
• 125 Kbit/s - 500 m;
• 10 Kbit/s - 5000 m;

Kõrgtaseme/kihi protokollid

CAN põhispetsifikatsioon pakub terve hulga lisa võimalusi nagu 8 baidist pikema andmehulga edastamine; automaatne sõlmedevaheline identifikaatorite jaotamine, homogeenne erinevat tüüpi ja erineva tootlikkusega seadmete juhtimine. Selle tõttu on kõrgema tasandi CAN protokolli modifikatsioonid olnud selle loomisest saadik pidevas arenduses. Kõrgema tasandi CAN protokollid on:

• CANopen;
• DeviceNet;
• CAN Kingdom;
• J1939;
• SDS.

CANi eelised

• Võimalus tegutseda fikseeritud reaalajalises režiimis;
• Lihtne rakendada ja minimaalsed operatiivkulud;
• Kõrge häirekindlus;
• Võrgu ligipääsu arbitreerimine ilma mahukadudeta;
• Usaldatav veajuhtimine sõnumi ülekandmise ja vastuvõtmise ajal;
• Lai sõnumi edastamiskiiruse ulatus;
• Suur seadmetevaliku.

CANi puudused

• Võrgu kriitiline pikkus on pöördvõrdelises seoses edastamiskiirusega;
• Suur teenusega (CANi protokolliga) seotud andmete hulk edastatavas sõnumis (võrreldes kasulike andmetega);
• Kõrgema tasandi CANi protokollide konventsionaalse standardi puudumine.

Standardne võrk pakub laialdasi võimalusi praktiliseks turvaliseks andmeedastuseks sõlmede vahel. Järgnevad tabelid sisaldavad CAN-võrgu ühenduseks kõige sagedamini kasutatavaid konnektoreid ja nende jalgade (pistiku kontaktide) kirjeldusi.

9 Pin (male) D-Sub CAN Bus PinOut
Jalg #	Signaalinimed	Signaali kirjeldus
1	Reserveeritud	Ülenduse rada
2	CAN_L	Dominant, madal
3	CAN_GND	Maandus
4	Reserveeritud	Ülenduse rada
5	CAN_SHLD	Kilp, valikuline
6	GND	Maandus, valikuline
7	CAN_H	Dominant, kõrge
8	Reserveeritud	Ülenduse rada
9	CAN_V+	Võimsus, valikuline

 

10-Pin Header CAN Bus PinOut
Pin #	Signal Names	Signal Description
1	Reserveeritud	Ülenduse rada
2	GND	Maandus, valikuline
3	CAN_L	Dominant, madal
4	CAN_H	Dominant, kõrge
5	CAN_GND	Maandus
6	Reserveeritud	Ülenduse rada
7	Reserveeritud	Ülenduse rada
8	CAN_V+	Võimsus, valikuline
9	Reserveeritud	Ülenduse rada
10	Reserveeritud	Ülenduse rada

 

7-Pin Open Style CAN Bus PinOut
Jalg #	Signaalinimed	Signaali kirjeldus
1	CAN_GND	Maandus
2	CAN_L	Dominant, madal
3	CAN_SHLD	Kilp, valikuline
4	CAN_H	Dominant, kõrge
5	CAN_V+	Võimsus, valikuline

 

5-Pin Micro/Mini CAN Bus PinOut
Jalg #	Signaalinimed	Signaali kirjeldus
1	CAN_SHLD	Kilp, valikuline
2	CAN_V+	Võimsus, valikuline
3	CAN_GND	Maandus
4	CAN_H	Dominant, kõrge
5	CAN_L	Dominant, madal

 

RJ10, RJ45 CAN Bus PinOut
RJ45 Jalg #	RJ10 Jalg #	Signaalinimi	Signaali kirjeldus
1	2	CAN_H	Dominant, kõrge
2	3	CAN_L	Dominant, madal
3	4	CAN_GND	Maandus
4	-	Reserveeritud	Ülenduse rada
5	-	Reserveeritud	Ülenduse rada
6	-	CAN_SHLD	CAN kilp, valikuline
7	-	CAN_GND	Maandus
8	1	CAN_V+	Võimsus, valikuline

 

CAN Siini sisend/väljund omadused
CANbus signaalitüüp	Digitaalne liides
Väljundpinge (kõrge)	VOH +4 volti min, +5.5 volti maks
Väljundpinge (madal)	VOL +0 volti min, +1.5 volti maks
Väljundpinge	+16 volti (absoluutne maksimum)
Väljundvool	100mA
Takistus	124 oomi lõpetamine +/- terminalide vahel
Lülituse tüüp	Diferentsiaalne
Bitiajad	1uS @ 1Mb/s; 2uS @ .5Mb/s 4uS @ .25Mb/s
Kodeerimisformaat	Non-Return-to-Zero (NRZ)
Edastuse/vastuvõtu sagedus	1Mbit/s @ 40 meetrit
Topoloogia	Punkt-punkt
Meedium	Elektriline keerutatud paar (shielded Twisted pair, STP) 9-nõelaga D-Sub
Ligipääsu juhtimine	Liikluse ja põrke tuvastusega pöördus (carrier sense multiple access with collision detection, CSMA/CD) Bitikaupa säilearbitreerimine (non-destructive bitwise arbitration)

 

Ümar CAN Bus PinOut
9-Pin #	8-Pin #	7-Pin #	Signaali nimed	Signaali kirjeldus
1	3	3	CAN-H	Dominantne kõrge
2	4	4	CAN-H	Dominantne madal
3	5	2	CAN_GND	Maandus
4	6	-	-	Reserveeritud
5	7	-	-	Reserveeritud
6	8	-	-	Reserveeritud
7	1	1	CAN_V+	Võimsus, valikuline
8	2	-	GND	Maandus
9	-	-	-	Reserveeritud
-	-	5	DIL-1	DIP lüliti 1 ühenduses CAN_V+
-	-	6	DIL-2	DIP lüliti 2 ühenduses CAN_V+
-	-	7	DIL-3	DIP lüliti 3 ühenduses CAN_V+

 

9/12-Pin Round Flange Style CAN Bus PinOut
12-Pin #	9-Pin #	Signaali nimed	Signaali kirjeldus
1	-	-	Reserveeritud
2	7	CAN-H	Dominantne madal
3	8	CAN_GND	Maandus
4	9	-	Reserveeritud
5	-	-	Reserveeritud
6	-	-	Reserveeritud
7	2	CAN-H	Dominantne kõrge
8	-	-	Ei kasutata
9	-	-	Reserveeritud
10	-	GND	Maandus, valikuline
11	-	-	Reserveeritud
12	1	CAN_V+	Võimsus, valikuline
-	3	DIL-1	DIP lüliti 1 ühenduses CAN_V+
-	4	DIL-2	DIP lüliti 2 ühenduses CAN_V+
-	5	DIL-3	DIP lüliti 3 ühenduses CAN_V+
-	6	DIL-4	DIP lüliti 4 ühenduses CAN_V+

 

Tööväljavõrk MODBUS

Tööväljavõrgu MODBUS protokolli kirjeldus

Tööväljavõrgu Modbus sideprotokoll põhineb klient-server-arhitektuuril. See leiab laialdast kasutust tööstuses kontrolleritevahelise andmeside loomiseks. Andmete edastamiseks kasutatakse jadakanalied nagu RS-485, RS-422, RS-232 (pilt 6.9), või Ethernet võrku TCP/IP (Modbus TCP) (pilt 6.10).

 

Pilt 6.9.RS-485, RS-422, RS-232

Pilt 6.10. Ethernet võrk TCP/IP

Modbus on seotud OSI võrgumudeli rakendustasandi protokollidega. Kontrollerid, mis töötavad Modbusi võrgus, kasutavad klient-server-mudelit, mis baseerub päringutest ja vastustest koosnevatest andmeedastustest.

Tavaliselt on võrgus ainult üks ülemseade (server) ja mitu alluvseadet (klienti). Ülemseade algatab andmeedastused (sidepäringud),  pöördudes individuaalselt iga alluvseadme poole või alluvseadmete grupi poole (pilt 6.11). Alluvseade omakorda moodustab sõnumi ülemseadmele poolt nõutud informatsioonist ja saadab selle ülemseadmele tagasi. Grupipäringu saamisel ei moodustata vastust.

Pilt 6.11. Serveri ja kliendi pöördumised

Kaadri (andmepaketi) formaat

Modbusi spetsifikatsioon kirjeldab päringute ja vastuste kaadrite formaat. Elementaarse paketijuhtimise tasandil nimetatakse neid kaadreid ka protokolliandmeüksusteks (Protocol Data Unit, PDU). Protokolliandmeüksuse formaat ei sõltu ühendusliini tüübist. See sisaldab juhtinfot ning andmevälja . Juhtinfo on kodeeritud ühe baidi pikkusesse välja ja võib vastu võtta väärtusi vahemikus 1..127. Vahemik 128..255 on reserveeritud veakoodile. Andmeväli on muutuva pikkusega ja selle pikkuse piirab protokolliandmeüksuse andmepaketi suuruse piirang, milleks on 253 baiti (pilt 6.12).

Modbus PDU
Funktsiooni-kood	Andmed
1 bait	N < 253 (baiti)

 

Pilt 6.12.

Protokolliandmeüksus paneb lisaväljade sisu teise andmepaketti, et võimaldada paketi edastamist üle ühenduse füüsilise liini. Seda andmepaketti nimetatakse rakendusandmeüksuseks (Application Data Unit, ADU). Selle formaat sõltub ühendusliini tüübist.

Pilt 6.13. Üldine MODBUS kaader

Tööväljavõrgu Modbus protokollil on kolm põhilist rakendust. Kaks andmete edastamiseks mööda jadaliidest, modem EIA/TIA-232-E (RS-232), EIA-422, EIA/TIA-485-A (RS-485), optline ja raadioühendus:

Modbus RTU;

Modbus ASCII;

Kolmas rakendus on andmete edastamiseks mööda Etherneti TCP/IP võrku:

Modbus TCP.

Modbus RTU informatsiooni kaardi rakendusandmeüksuse üldine struktuur on kirjeldatud pildil 6.14:

Pilt 6.14. MODBUS RTU kaader

See koosneb järgmistest osadest:

• Tööjaama aadress – see on alluvseadme aadress, millele kirje (sõnum) on suunatud. Iga seade vastab ainult kirjele, mis sisaldab seadme enda aadressi võiseadmepaketi aadressi kuhu antud seade kuulub. Vastus algab samamoodi alluvseadme aadressiga. Seadmete aadressid on vahemikust 1 kuni 247. Aadressi 0 kasutatakse seadmetepaketi adresseerimiseks ja seda tunnevad kõik seadmed; aadressid vahemikus 248..255 on reserveeritud;
• Juhtinfo – ühe baidine väli, milles hoitakse täitmiskäsku (funktsiooni number);
• Andmed – sisaldab infot, mida seade vajab ülemseadme käsu täitmiseks või infot, mis on vajalik vastamiseks. Selle välja pikkus sõltub funktsiooni numbrist ja on vahemikus 0..252 baiti;
• Veakontroll (tsükkelkoodkontroll, CRC) – kontrollsumma kaadrisiseseks veakontrolliks. Liini sõnumi ülekande ajal kirjutatakse esimesena madalama järgu kontrollsumma bait.

Rakendusandmeüksuse maksimaalne suurus jadavõrgus RS232/RS485 on 256 baiti ja Ethernet TCP võrgus on see 260 baiti.

Modbus ASCII informatsiooni kaadri formaat on kirjeldatud pildil 6.15:

Pilt 6.15. Modbus ASCII informatsiooni kaader

Modbus ASCII kaadri individuaalsete väljade tähendused on esitatud tabelis 6.9.

Tabel 6.9

Nimi	Pikkus	Funktsioon
Algus	1 märk	Kaardi algust tähistatakse kooloniga (;: , ASCII on selle väärtuseks 3A hex)
Aadress	2 märki	Tööjaama aadress
Juhtinfo	2 märki	Viitab juhtinfole (funktsiooni koodile) nagu näiteks loe keerde/sisendite väärtusi
Andmed	n märki	Andmed - pikkus valitakse sõltuvalt sõnumi tüübist ja edastatavast andmemahust
LRC kontroll	2 märki	Veakontroll
Lõpp	2 märki	Kaardi lõppu tähistatakse reavahetuse märgipaariga (CRLF, ASCII on selle väärtuseks 0D& 0A hex)

Modbus TCP informatsiooni kaadri struktuur on järgmine:

Pilt 6.16. Modbus TCP informatsiooni kaader

Pilt 6.17. Modbus TCP andmepaketi koostamine

Modbus TCP kaader koosneb järgmistest osadest:

• Tehingu ID – kahebaidine tehingu identifitseerimisnumber;
• Protokolli ID – kahebaidine protokolli identifitseerimisnumber;
• Pikkus – edastatavate andmete pikkus salvestatud kahes baidis;
• Üksuse ID – selle seadme aadress, millele päring on adresseeritud. Tavaliselt ignoreeritakse seda, kui side toimub ainult ühe seadmega.

Modbus TCP kaadril puudub kontrollsumma välja.

Pilt 6.18. Modbus TCP kaader

Juhtinfo kategooriad

Modbusis kasutatavates protokollides on kolm juhtinfo (juhtfunktsioonide) kategooriat: Standardiseeritud käsud; kasutajakäsud ja reserveeritud käsud (pilt 6.19).

Pilt 6.19.

Standardiseeritud käsud

Nende kirjeldus tuleb avaldada ja selle kinnitab Modbus-IDA. See kategooria hõlmab nii jaotatud kui ka vabu koode.

Tabel 6.10

Funktsiooni nr	Vastused
1 (0x01) Loe diskreetne väärtus (Read Coil Status)	A1	A0	Q1	Q0
	N	D (N baiti)
2 (0x02) Loe diskreetsed sisendid (Read Discrete Inputs)	A1	A0	Q1	Q0
	N	D (N baiti)
3 (0x03) Loe ooteregistrid (Read Holding Registers)	A1	A0	Q1	Q0
	N	D (N baiti)
4 (0x04) Loe sisendregistrid (Read Input Registers)	A1	A0	Q1	Q0
	N	D (N baiti)
5 (0x05) Kasuta üksik diskreetne väärtus (Force Single Coil)	A1	A0	D1	D0
	A1	A0	D1	D0
6 (0x06) Töötle üksik register (Preset Single Register)	A1	A0	D1	D0
	A1	A0	D1	D0
15 (0x0F) Kasuta mitu diskreetset väärtust (Force Multiple Coils)	A1	A0	Q1	Q0	N	D (N baiti)
	A1	A0	Q1	Q0
16 (0x10) Töötle mitu registrit (Preset Multiple Registers)	A1	A0	Q1	Q0	N	D (N baiti)
	A1	A0	Q1	Q0
A1 ja A0 — elementide aadress Q1 ja Q0 — elementide arv N — andmebaitide arv D — andmed

 

Andmete lugemine

Väärtuste lugemiseks kasutatakse käskusid väärtustega 1 kuni 4.

• 1 (0x01) (Read Coil Status);– tagastab väärtuse mitmele olekuregistrile;
• 2 (0x02) (Read Discrete Inputs) – tagastab väärtuse mitmele diskreetsele sisendile;
• 3 (0x03) (Read Holding Registers);– tagastab väärtuse ooteregistritele;
• 4 (0x04) (Read Input Registers);– tagastab väärtuse mõnedele sisendregistritele;'

 

Päring koosneb esimesest elemendi aadressist, elemendi suurusest, ja loetavate elementide arvust. Nii aadress kui suurus omistatakse 16-bitise numbrina. Päritud andmed saadakse vastusega. Andmetele järgneb bait, mis sisaldab edastatud andmete suurust.

Tabel 6.11

Alamfunktsiooni kood		Nimi
Hex	Dec
00	00	Tagasta päringu andmed (Return Query Data)
01	01	Taaskäivita kommunikatsioon (Restart Communications Option)
02	02	Tagasta diagnostika register (Return Diagnostic Register)
03	03	Muuda ASCII sisenderaldaja (Change ASCII Input Delimiter)
04	04	Juuruta ainult kuulamise reziim (Force Listen Only Mode)
J	05..09	Reserveeritud
0A	10	Nulli loendurid ja diagnostika register (Clear Counters and Diagnostic Register)
0B	11	Tagasta siini sõnumiteloenduri väärtus (Return Bus Message Count)
0C	12	Tagasta siini sidevigade loenduri väärtus (Return Bus Communication Error Count)
0D	13	Tagasta siini erandolukordade loenduri väärtus (Return Bus Exception Error Count)
0E	14	Tagasta alluvseadme sõnumiloenduri väärtus (Return Slave Message Count)
0F	15	Tagasta alluvseadme puuduvate vastuste loenduri väärtus (Return Slave No Response Count)
10	16	Tagasta alluvseadme eituste loenduri väärtus (Return Slave NAK Count)
11	17	Tagasta alluvseadme hõivatud staatuse loenduri väärtus (Return Slave Busy Count)
12	18	Tagasta siini märkide ülejooksu loenduri väärtus (Return Bus Character Overrun Count)
13 14 N.A	19 20 21...65535	Reserveeritud
		Nulli ülejooksu loendur ja lipp (Clear Overrun Counter and Flag)
		Reserveeritud

Kasutaja käsud

Need sisalduvad kahes koodivahemikus (65..72 ja 100..110), milles on võimalik realiseerida mitmeid erinevaid funktsioone kasutaja poolt. Siiski ei ole mingit kindlust, et need käsud ei ole kasutuses teistes seadmetes mingite funktsioonide realiseerimiseks.

Reserveeritud käsud

See funktsioonide sisendkoodide kategooria ei ole standardiseeritud, siiski kasutatakse neid erinevate firmade poolt toodetud seadmetes. Need koodid on: 9, 10, 13, 14, 41, 42, 90, 91, 125, 126 ja 127.

Andmemudel

Üks selle protokolli poolt teostatavaid standardiseeritud tegevusi on kontrollerite registrites andmete lugemine ja kirjutamine. Protokolli spetsifikatsioon määratleb neli andmetabelit, mis on toodud tabelis 6.12.

Tabel 6.12

Primaarsed tabelid	Objekti tüüp	Tüüp	Kommentaarid
Diskreetne sisend	Üksik bitt	Kirjutuskaitsega (read-only)	Seda tüüpi andmed annab sisend/väljund süsteem.
Diskreetne väärtus	Üksik bitt	Lugemine-kirjutamine	Seda tüüpi andmeid saavad muuta kõik rakendusprogrammid.
Sisendregistrid	16-bitine sõna	Kirjutuskaitsega (read-only)	Seda tüüpi andmed annab sisend/väljund süsteem.
Ooteregistrid	16-bitine sõna	Lugemine-kirjutamine	Seda tüüpi andmeid saavad muuta kõik rakendusprogrammid.

 

Igas tabelis toimub elementidele ligipääs 16-bitise aadressiga; esimene asukoht vastab aadressile 0. Sel moel võib iga tabel sisaldada kuni 65536 elementi. Spetsifikatsioon ei määra tabelis asuvate elementide füüsilist pikkust ega sisemist aadressi, millele need vastavad. Näiteks on võimalik moodustada kattuvaid tabeleid. Sellisel juhul käsud, mis töötavad diskreetsete andmetega ja 16-bitised registritega võivad adresseerida tegelikult sarnaseid andmeid.

Veakontroll Modbus RTU protokollis

Andmevahetusel Tööväljavõrgus Modbus RTUs võib tekkida kahte tüüpi vigu:

• Vead, mis on seotud informatsiooni moonutamisega andmete ülekandmisel;
• Loogikavead.

Esimest tüüpi vead tuvastatakse kaadri sümboli, paarsuskontrolli ja tsükkelkoodkontroll summa CRC-16-IBM (kasutatakse numbrilist polünoomi = 0xA001 ) abil.

Teist tüüpi vigade tuvastamiseks eeldab Modbus RTU protokoll, et seade ei ole vastust kätte saanud või vastus ise sisaldas veakoodi (tabel 6.13).Seda et vastus võib sisaldada veasõnumit, näitab käsukoodi kõrgema järgu bitt. Tööjaam tööväljavõrgus Modbus töötab vastavalt allpool olevale skeemile:

• Kui alluvseade on kätte saanud korrektse päringu ja on võimeline seda töötlema standardsel moel, saadab ta tagasi standardse vastuse;
• Kui alluvseade ei ole saanud ühtegi väärtust, ei genereeri ta ühtegi vastust. Sellisel juhul diagnoosib ülemseade aegumise (timeout) vea.
• Kui alluvseade on saanud päringu, kuid on ühtlasi tuvastanud ka vea (paarsus, LRC või CRC), siis ei genereeri ta ühtegi vastust. Sellisel juhul diagnoosib ülemseade aegumise (timeout) vea;
• Kui alluvseade on saanud päringu, kuid mingil põhjusel ei suuda seda töödelda, genereerib ta vastuse, mis näitab tekkinud vea tüüpi.

Tabel 6.13

Andmeedastuse suund	Alluvseadme aadress	Funktsiooni number	Andmed (või veakood)	CRC
Järjekord (Ülem→Alluv)	0x01	0x77	0xDD	0xC7 0xA9
Päring (Alluv→Ülem)	0x01	0xF7	0xEE	0xE6 0x7C

 

Tabel 6.14

Viga #	Veateade
0	Ei ole vigu
1	Keelatud toiming
2	Keelatud andmeaadress
3	Keelatud andmeväärtus
4	Ülemseade aegumine - - timeout
5	Side puudub
6	Sobimatu üksuse ID
7	Sobimatu käsk
8	Sõnumi pikkus
9	Funktsioon ei ole toetatud
10	Keelatud formaat
11	Sobimatud vastuvõetud andmed