Interbus

INTERBUS - шина по типу послідовного каналу для датчиків і виконавчих механізмів . Використовується для зв'язку промислових комп'ютерів , програмованих логічних контролерів PLC , комп'ютерів на базі VMEbus , роботів з різноманітними датчиками і сенсорами . Розроблено Phoenix Contact і доступна з 1987 року. Є однією з основних шин зв'язку з датчиками , стандартизована в EN 50254 і IEC 61158 .

Топологія шини - «кільце» з централізованим методом доступу в режимі ведучий- ведений .

На даний момент більше 600 виробників підтримують даний стандарт в системах управління та інших пристроях.

Походження

Робота над створенням INTERBUS почалася ще в 1983 році відомою німецькою організацією Phoenix Contact, а в 1987 результати були представлені на Гановерській Ярмарці. Початкова область застосування даної мережі, яка називалась Interbus-S, це високошвидкісний детермінований обмін даними з датчиками та виконавчими механізмами. З розвитком РС-сумісних рішень в області промислової автоматизації, функціональність мережі доповнювалась, область її призначення розширилась на розподілені комунікаційні структури, що базуються на стандартних РС технологіях, а сама промислова мережна система стала називатись INTERBUS. На сьогоднішній день рішення INTERBUS підтримують та розвивають організації INTERBUS Club (www.interbusclub.com) та Open Control Foundation. Мережі закріплені в німецькому стандарті DIN 19258, європейському - EN 50254, та міжнародному - IEC 61158.

INTERBUS є мережею рівня датчиків. Вона має кільцеву топологію, в якій обмін даними організовується шляхом передачі полів кадру від пристрою до пристрою по кільцю. У голові мережної системи знаходиться Ведучий, який виконує функції контролера, або забезпечує зв’язок INTERBUS з верхніми рівнями управління. Всі інші вузли системи є Веденими пристроями, які разом з Ведучим організовують фізичне кільце.

Interbus-технологія

Interbus використовує процедуру доступу до шини за схемою ведучий / ведений ( Master / Slave) . При цьому шинний Майстер забезпечує одночасний інтерфейс до високорівневою керуючої системі і виконує функції управління шиною. Топологія Interbus це фізичне і логічне кільце , у якого фізичний рівень побудований на основі стандарту RS485 . Це диференційний інтерфейс, що використовує виту пару для інформаційних передач. Для реалізації кільця Interbus - кабель використовує дві кручені пари ( для дуплексного режиму ) плюс додатковий провід для передачі сигналу логічна земля . Така фізична структура дозволяє організувати мережу, що працює на швидкості 500 кбіт / с на відстані 400 м між двома сусідніми вузлами мережі. Включена в кожне мережевий пристрій функція повторювача сигналу дозволяє розширити систему до 13 км . Загальне число пристроїв мережі обмежена 512 вузлів.

На базі основного кільця з використанням так званих термінальних модулів можлива організація додаткових кільцевих сегментів ( Interbus Loop ).

Топології

Використання в мережі Interbus структури типу точка- точка , а також можливість організації навколо основного кільця кільцевих підмереж це хороша основа для реалізації повністю замкнутих фізичних топологій , зокрема , для застосування в майбутніх технологіях з використанням оптоволоконної техніки.

Кільцева топологія володіє двома важливими властивостями.

• 1. Дозволяє одночасно передавати і приймати дані , так як для кожного напрямку виділена своя пара проводів ( дуплекс) ;

• 2. Значно розширена можливість передачі системної діагностики . ( Це пов'язано з геометричними особливостями , особливо при розриві лінійної магістральної мережі).

Interbus - S реалізує два способи комунікації на основі загальної та локальної шин (рис. 1 ) . Для кожного типу шини використана однакова протокольна кодування сигналів , реалізованих на різній фізичній основі .

Загальна шина ( Remote Bus ) використовується для організації протяжних мереж передачі даних (до 400 м). У цьому випадку шина не використовується для живлення пристроїв мережі . Електрично вона побудована на інтерфейсі RS485 з граничною інформаційної швидкістю до 500 Кбіт / с і реалізує дуплексний режим.

Використання будь шинної структури допускає безпосереднє включення простих датчиків в загальну мережу , і цей механізм використаний більшістю технологій промислового зв'язку . У цьому сенсі в Interbus - S крім цього пропонується оригінальний спосіб інтеграції через створення так званих локальних шин , або Interbus - петель ( Local Bus , Interbus Loop ) . Ідея цього способу інтеграції пристроїв , що виходять безпосередньо на датчики (цифрові й аналогові перетворювачі сигналів ) , полягає в їх певній ізоляції в рамках окремої фізичної петлі , що має свої характеристики і інтегрованою із загальною мережею через пристрої , звані шинними терміналами ( terminal module ) .

Шинний термінал перетворює вольтові сигнали загальної шини в струмові сигнали ( Манчестер -код ) локальної шини . Реалізація фізичного рівня локальної шини має хороший імунітет до електромагнітних шумів . Шина організовується на основі використання звичайного двухпроводного неекранованого кабелю з можливістю запіткі через нього модулів вводу / виводу ( 24 В). У сумі на одну петлю локальної шини можна підключити до 64 пристроїв , які можуть знаходитися на відстані до 10 метрів один від одного із загальною довжиною кільця до 100 м.

З точки зору семиуровневой OSI - моделі для стандартних мереж протокол Interbus визначений на 3 -х рівнях:

• Рівень 1 (фізичний ) визначає параметри швидкість передачі , топології , фізичні параметри зв'язку , тип кодування і т. п.

• Рівень 7 забезпечує функції прикладного рівня.

Важлива властивість Рівня 2 можливість реалізації в протоколі Interbus характеристики детермінованості , тобто тимчасової визначеності циклічної транспортування даних . Interbus заснований на так званій процедурі підсумовуючого фрейма (Рис.2). У ній реалізований принцип TDMA -передачі ( Time Division Multiple Access множенний доступ з тимчасовим поділом каналів) , при якому кожному пристрою відводиться тимчасової фрейм із загального тимчасового вікна . Сукупність тимчасових фреймів всіх учасників мережі , як правило , менше заданого часу опитування всіх пристроїв. Що залишився часовий інтервал може використовуватися для організації пересилань з ініціативи , за запитом. У такому режимі можна передавати додатково цілі мегабайти інформації без будь-якого втручання в тимчасову діаграму циклічного опитування процесних даних.

У Interbus - S інформаційний фрейм буває двох типів:

1. ID -фрейм : використовується в циклі ідентифікації пристроїв мережі .

2. SCAN -фрейм : використовується для транспортування процесних даних.

Кожен фрейм починається з циклічного ( loop - back ) перевірочного слова , використовуваного як обмежувального ознаки фрейма . Усі інформаційні дані ( Input / Output) слідують за цим словом. Фрейм закінчується захисним CRC- словом і додатковим контрольним словом. Крім цього після кожного байта телеграми слід обов'язкова 5 - бітова CIM- посилка ( Control Information Message ), одна з основних функцій якою забезпечення синхронізації мережі . Малюнок 3 являє обидва типи передаються пакетів разом з CIM- посилками.

Для передачі керуючого CIM- повідомлення використовується спеціальний протокол Peripherall Communications Protocol ( PCP) . Він використовується в початковий момент передачі ініціалізацій параметрів для інтелектуальних пристроїв введення / виводу. Після етапу ініціалізації PCP використовується дуже рідко.

PCP- протокол є об'єктно - орієнтованим і використовує клієнт / серверну модель взаємодії . Він використовується тільки для спілкування з інтелектуальними модулями. Коли між пристроями мережі встановлюється з'єднання , то вони обмінюються інформацією про типи доступних об'єктів . Тип об'єкта може бути байтом , словом , ASCII -символом , масивом і т. п.

У загальному інформаційному фреймі дані для PCP- протоколу передують процесним даними . Одне PCP- слово передається клієнтом серверу на одному scan - циклі.

Додаткова перевага протоколу Interbus - S це невеликі накладні витрати з боку протокольної частини на інформаційну телеграму (невеликий заголовок) . Тому навіть при невисокій швидкості передачі відносний обсяг переданих даних за одиницю часу залишається досить високим. А це має і прямий економічний ефект меншими витратами прийнятний результат.

Тимчасові співвідношення протоколу Interbus - S добре детерміновані. Загальний час на передачу всіх процесних даних добре прораховується і практично лінійно залежить від обсягу даних.

Алгоритми інформаційних потоків

Алгоритм ідентифікації конфігурації ( ID - цикл) складається з наступної послідовності дій :

• IPMS -чіп посилає керуюче CIM- повідомлення з командою перейти в ID -режим ;
• Всі SuPI - чіпи переходять в ID -режим ;
• IPMS -чіп генерує loopback - слово . У відповідь все SuPI - чіпи видають свої ідентифікатори ( ID - коди ) ;
• HOST -контролер послідовно ( спираючись на тактовий генератор) зчитує по 16 біт ID -кодів ;

Читання ID -кодів триває поки IPMS будує свою таблицю ідентифікаторів , до тих пір поки IPMS сам не посилає loopback - слово . Після завершення читання всіх ідентифікаторів IPMS -чіп знає число модулів і тип складають мережу модулів. Крім того , стає відомо про типи та обсяги даних. Вся ця інформація доступна і HOST - комп'ютера , який може використовуватися для тестування всієї мережевої конфігурації.

Характеристики мережі

• кільцева структура з активною сполукою пристроїв
• віддалена шина : до 512 пристроїв , максимальна відстань до 400 м , максимальне загальне розширення до 13 км ( мідний дріт ) або 100 км ( оптоволокно )
• локальна шина : до 8 пристроїв , максимальна відстань до 1,5 м , максимальне загальне розширення до 10м
• адресація пристроїв відповідно до їх послідовністю в кільці
• швидкість передачі : дистанційна шина - 500 кбіт / с , локальна шина - 300 кбіт / с
• віддалена шина використовує інтерфейс , заснований на двухпроводном підключенні RS- 485
• локальна шина використовує CMOS -рівні і має 4 пари проводів для передачі даних
• можливі ступені захисту до IP65
• високий рівень безпеки даних , декілька механізмів захисту ( CRC та інші)
• відкрита система (DIN 19258 , європейський стандарт EN 50254 )

Фізична структура

Всі пристрої мережі підключаються один до одного через дуплексний зв’язок, організовуючи тим самим прямий та зворотній канали кільця (Рис.1). Тобто кожний вузол, окрім вузла Ведучого, має два дуплексні канали – Вхідний Інтерфейс (incoming interface) та Вихідний Інтерфейс (outgoing interface), і при відсутності відгалужувачів, кабельний зв’язок утворює видиму лінійну топологію, в якій кінцевий пристрій в мережі всередині замикає кільце. Фізична структура мережі INTERBUS складається з таких елементів:

Рис 1. Загальна структура мережі INTERBUS

• 1.Мережний Ведучий (Bus Master), який управляє мережею та виконує функції контролера;
• 2.Мережні Пристрої (Bus Devices), які виконують функції засобів вводу/виводу, і в залежності від підтримуваних вхідних/вихідних інтерфейсів можуть бути таких типів:
  • a. Віддалений Пристрій (Remote Device);
  • b. Локальний Пристрій (Local Device);
  • c. Пристрій Петлі (Loop Device);
  • 3. Мережні Відгалужувачі (Bus Couplers), інша назва мережні термінальні модулі (Bus Terminal Module), які забезпечують сегментацію мережі, тобто відгалуження від основної гілки;

4. Мережні кабелі. Всі елементи поєднуються між собою через Вхідні та Вихідні Інтерфейси, фізична реалізація яких може бути різною: дуплексний варіант RS-485; з’єднання по TTL; модуляція струму живлення 24 В; оптичне кільце. Незалежно від структури мережі, бітова швидкість є постійною 500 кБіт/с, сумарна максимальна довжина лінії зв’язку - 13 км, максимальна кількість пристроїв - 512, максимальна кількість точок вводу/виводу – 4096. Декілька Пристроїв та мережних з’єднувачів, які починаються з Мережного Ведучого або Мережного Відгалужувача та закінчуються наступним Мережним Відгалужувачем або кінцевим пристроєм (без підключеного Вихідного Інтерфейсу) називається Мережним Сегментом (Bus Segment). У структурі мережі INTERBUS, в залежності від типу Інтерфейсів можуть використовуватись такі основні типи Сегментів:

• Віддалений Сегмент (Remote bus segment), на базі RS-485 або оптоволокні ;
• Локальний Сегмент (Local bus segment) або I/O Шина (I/O Bus) на базі TTL;
• Сегмент INTERBUS Петлі (INTERBUS Loop segment), на базі модуляції струму живлення 24 В;

Структура мережі дозволяє ієрархію Сегментів до 16 рівнів. Тобто сегмент може включати декілька Відгалужувачів, Сегменти яких в свою чергу можуть також включати відгалужувачі. Сегментація INTERBUS дає зручний та прозорий механізм для довільного територіального розміщення пристроїв по всій території ділянки процесу. Крім того сегментація дозволяє використовувати в одній і тій же мережі різні середовища передачі в залежності від умов експлуатації.

Віддалений Сегмент

Рис 2. Структура Віддаленого Сегменту.jpg

Мережний Ведучий підключається до наступного Віддаленого Пристрою, або Мережного Відгалужувача через дуплексний варіант інтерфейсу RS-485. Таким чином основним сегментом INTERBUS є Віддалений Сегмент (Рис. 1). Від нього можуть іти відгалуження на інші сегменти такого ж, або іншого типу. Слід зазначити, що відгалуження буде тільки з точки зору кабельних відводів, але топологія залишиться кільцевою. Передача бітів проводиться методом NRZ.

Рис 3. Структура Віддаленого Пристрою.jpg

До Віддаленого Сегменту накладаються наступні вимоги (Рис.2): максимальна кількість Пристроїв на сегмент – 256, максимальна дистанція між Пристроями – 400 м для RS-485 та 3600 м для оптоволокна, максимальна довжина сегменту – 12.8 км, живлення мережних засобів – локальне, стандартний з’єднувач - 9-піновий SUB-D вилка для Вхідного Інтерфейсу(піни: DO – 1; /DO – 6; DI – 2; /DI – 7; GND – 4), та 9-піновий SUB-D розетка для Вихідного (піни: DO – 1; /DO – 6; DI – 2; /DI – 7; GND – 4, RBST – 9; +5V- 5). Внутрішня структура Віддаленого Пристрою показана на Рис. 3. Як видно Вхідний та Вихідний Інтерфейс реалізований за допомогою RS-485 інтерфейсу, в якого вхідні та вихідні сигнали А,В,А',В' позначені як /DI, DI, /DO та DO. Сигнал RBST на Вихідному Інтерфейсі повинен бути підключений до 5В (перемичка між 9-тим та 5-тим піном), що повідомляє даному пристрою, що він не являється кінцевим в ланцюгу. Перемичка виставляється безпосередньо на конекторі самого кабелю, щоб при підключені наступного вузла, Пристрій ставав проміжним в ланцюгу, при відключенні – кінцевим, тобто замикав ланцюг. Обов’язковою є вимога підключення сигнальної землі (пін 4). Таким чином для з’єднання Віддалених Пристроїв необхідно використати кабель з 3-ма витими парами. Віддалений Сегмент не живить пристрої по мережному кабелю. Така можливість доступна для рішення з назвою Installation Remote Bus. В цьому випадку використовується 9-жильний кабель (3 витих пари + 3 проводи на живлення), а максимальна довжина сегменту обмежується 50 м.

Локальний Сегмент

Локальний Сегмент, який також називається I/O Шиною, призначений для об’єднання між собою Локальних Пристроїв на невеликих відстанях (наприклад модульні острова вводу/виводу). Внаслідок цього немає необхідності у використанні інтерфейсу RS-485, а використовується TTL рівні сигналів (5В), які застосовуються в обчислювальній техніці. Локальний Сегмент починається зі спеціального Мережного Відгалужувача, до якого один за одним підключається Локальні Пристрої. Максимальна відстань між Локальними пристроями – 1.5 м, максимальна довжина сегменту – 10 м. Окрім сигналів DI, /DI, DO та /DO додатково до Локальних Пристроїв з Мережного Відгалужувача підводиться живлення. Локальні Сегменти доступні в декількох конструктивних варіантах: Локальний Сегмент з ST-шиною; Локальний Сегмент з вбудованою станцією (INLINE Station); Локальний Сегмент на оптоволоконному з’єднані. Для Локального Сегменту максимальна кількість Локальних Пристроїв – 63 (8 для Сегменту з ST-шиною).

Сегмент INTERBUS Петлі

Рис 4. Структура Сегменту INTERBUS Петлі.jpg

Рис 5. Структура Пристрою INTERBUS Петлі.jpg

Даний тип сегменту, який також називається Петля Датчиків (Sensor loop, IP65 local bus), використовує 2-провідну лінію передачі, яка в поєднанні з Пристроями Петлі організовує кільце (Рис.4). По даній витій парі передається живлення для Пристроїв Петлі напругою 24 В постійного струму, яке модулюється манчестерським кодом, тим самим забезпечуючи передачу цифрових даних. Основна область застосування Сегменту – безпосереднє підключення датчиків та виконавчих механізмів в промислових умовах експлуатації (виконання IP 65 та IP 54). Сегмент INTERBUS Петлі має наступні характеристики: максимальна довжина Сегменту – 100 м; максимальна відстань між Пристроями – 10 м, максимальна кількість Пристроїв – 32, максимальний струм споживання – 1.5 А; середовище передачі – неекранований двопровідний кабель 2х1.5 мм2 (16 AWG).

Канальний рівень

Рис 6. Принцип передачі даних в INTERBUS: розподіл даних а - перед циклом передачі, б - після.jpg

Рис 7. Послідовність передачі даних від Пристрою до Пристрою.jpg

На фізичному рівні дані передаються символьним способом послідовно по кільцю, починаючи від Мережного Ведучого та ним же закінчуючи. Виділяються два типи символів: статусна телеграма (5 статусних біт) та телеграма даних (5 статусних біт + 8 бітів даних). Символи – є складовими кадрів INTERBUS. Ключовою особливістю реалізації мережі INTERBUS на канальному рівні є використання Summation-Frame протоколу з безколізійною процедурою доступу до середовища TDMA. Для обміну даними використовується Сумарний Кадр, який об’єднує вхідні та вихідні дані для всіх Пристроїв в мережі та відправляється їм однією посилкою. Це значно економить ресурси мережі, оскільки не витрачаються додаткові ресурси на роботу з окремим пристроєм. Тобто передачею одного кадру, Ведучий запише дані в усі засоби виводу, а прийомом одного кадру отримає значення з усіх засобів вводу. Для запису вхідних даних, згідно TDMA, кожному вузлу виділяється часовий інтервал (тайм-слот). Враховуючи, що Ведучий має інформацію про кількість вузлів в мережі, він визначає тривалість всього кадру як суму всіх тайм-слотів. Можуть бути виділені додаткові тайм-слоти, для передачі ациклічних повідомлень. Враховуючи фізичну та логічну кільцеву топологію INTERBUS, Summaation-Frame процедура в ній реалізована через так звані здвигові регістри. Кожний Мережний Пристрій "приєднується" до логічного кільця здвиговим регістром, довжина якого (кількість символів) залежить від кількості точок вводу/виводу даного Пристрою (від 4 до 64 бітів). Об’єднуючи всі Пристрої разом в логічне кільце вони створюють структуру, яка по суті являється Сумарним Кадром. Вихідні дані процесу розміщуються у вихідному буфері Ведучого в порядку фізичного розміщення в кільці Пристроїв, для яких вони призначені (див.Рис.6 а). Цикл передачі (data cycle) починається з послідовної передачі даних, які починаються службовим 16-бітним loopback словом (LBW) та продовжуються вихідними даними буферу (здвиговими регістрами). Передаючи цю послідовність, з першого Пристрою "виштовхуються" його вхідні дані, які в свою чергу приводять в рух все логічне кільце, що приводить до появи у вхідному буфері Ведучого вхідних даних від останнього Пристрою в кільці. Після "виштовхування" останніх даних з вихідного буферу Ведучого, вони попадають в перший Пристрій в кільці, для якого ці дані і були призначені. Всі інші вихідні дані теж знаходяться в Пристроях відповідно до їх призначення. В цей момент вхідний буфер Ведучого повністю заповнений вхідними даними Пристроїв (Рис.6 б). На Рис. 7 показано яку послідовність здвигових регістрів передає кожен з вузлів системи, якщо вона складається з 4-рьох пристроїв. Додатково до даних входів/виходів, ця Сумарний Кадр вміщує також дані про контрольну суму (CRC). Контроль за правильністю отримання даних відбувається між суміжними парами вузлів, що приводить до генерації контрольної суми в момент передачі поля CRC кожним вузлом. В кінці кінців про виявлення помилки контрольної суми дізнається Ведучий, отримавши кінцевий CRC (CRC4 на Рис. 7). Наведена вища схема функціонування INTERBUS не потребує адресації Пристроїв, так як дані для них розміщуються відповідно до фізичного розташування в кільці. Крім того, вона ефективна з точки зору використання мережного трафіку (приблизно 60% корисних даних для 32 Пристроїв на 8 I/O).

Прикладний рівень

На прикладному рівні INTERBUS використовуються два різні типи сервісів:

• process data channel (PDC) – забезпечує циклічно-періодичним обміном даними процесу з Пристроями вводу/виводу (клієнт-серверна модель ідентифікованого обміну);

Рис. 8 Використання параметричного каналу PC.jpg

• parameter channel (PC) – забезпечує обмін параметричними даними двох Пристроїв між собою на основі Клієнт-Серверної моделі (клієнт серверна модель обміну повідомленнями);

Доступ з програми користувача до даних Пристроїв через сервіс PDC відбувається через образ вводу/виводу, який циклічно-періодично оновлюється, як це було описано вище. Послідовність розміщення даних в образі співпадає з фізичною послідовністю Пристроїв в кільці. Параметричний канал РС використовується для обміну комплексними даними між двома Пристроями для використання функцій конфігурування, програмування, відображення даних, управління, тощо. Для передачі параметричних даних використовується ациклічний обмін повідомленнями на базі моделі Клієнт-Сервер. Для цього додатково для Пристроїв, які приймають участь в обміні додатково виділяються тайм-слоти. Загальна картина обміну параметричними даними показана на Рис.8.

Interbus-продукти і виробники

З часу своєї появи в 1987 році Interbus зайняв одне з провідних місць в області промислових комунікаційних систем для датчикову рівня. І ця позиція сьогодні утримується дуже міцно . Основа цієї стабільності понад 1000 сумісних Interbus - виробів від більш 700 виробників. Ця технологію підтримується різними апаратними та програмними платформами. Крім підтримки з боку традиційних програмованих контролерів ( PLC) , Interbus має підтримку і сторони відкритих систем , таких як VME , і, безумовно , з боку великого PC -ринку.

Центром компетенції у цьому напрямку є Interbus Support Centre , покликаний забезпечувати підтримку для розробників і користувачів Interbus .

Крім цієї організації існує Клуб Interbus ( www.interbusclub.com ) , вирішальний , насамперед , маркетингові завдання , а також займається стандартизацією нових виробів.

Interbus і стандартизація

У Німеччині , йдучи назустріч побажанням користувачів , ключові функції INTERBUS були стандартизовані німецьким електротехнічний комітет ( DKE ) . У 1993 році був опублікований стандарт DIN E 19258 , де дано опис протоколів і функцій , необхідних для передачі процесних даних. Специфікації для передачі параметричних даних були опубліковані в DIN Report 46 (1995).

DKE запропонував серію DIN E 19258 європейському комітетові по стандартизації в якості проекту європейського стандарту prEN50254 під заголовок Високо ефективна комунікаційна підсистема з невеликими пакетами даних.

Посилання

1. http://www.interbus.de/index.php?object=409
2. http://www.danfos.info/content/files/VLT_5000_Interbus_MG10O102.pdf
3. https://www.phoenixcontact.com/assets/downloads_ed/global/web_dwl_technical_info/Interbus.pdf
4. http://www.prosoft.ru/cms/f/437086.pdf
5. http://www.conektro.by/interbus
6. http://www.mka.ru/?p=40198
7. https://sites.google.com/site/fieldbusbook/seti/kratkij-obzor-prom-setej-ukr/interbus
8. http://www.lenze.org.ua/pdf/8200vector/ma_afi_ru.pdf
9. http://www.lenze.org.ua/pdf/8200vector/ma_2111_ru.pdf
10. https://www.phoenixcontact.com/online/portal/ru?1dmy&urile=wcm:path:/ruru/web/main/products/subcategory_pages/interbus_p-04-11/a20f6e69-4460-457b-9267-2aea300acd7c