Коммуникационные модули Anybus для Fieldbus и Industrial Ethernet

Встраиваемые коммуникационные модули и микросхемы производства компании HMS Industrial Networks AB (торговая марка Anybus) позволяют в кратчайшие сроки оснастить производимые средства КИПиА стандартными интерфейсами связи и обеспечить возможность работы со всеми основными типами цифровых сетей передачи данных, применяемых в промышленности.

Современный уровень развития технологий автоматизации требует от производителей приборной продукции и устройств автоматики возможности сетевой интеграции отдельных устройств в единую систему, то есть каждый современный прибор как минимум должен иметь цифровой порт связи.

Однако при разработке новых устройств достаточно сложно правильно угадать потребности рынка и выбрать нужный тип интерфейса связи. Нужно ли использовать для передачи данных полевую шину (fieldbus)? Будет обеспечиваться поддержка только одного типа полевой шины, например Profibus, или нужно предусмотреть возможность использования нескольких типов? А может быть проще перейти на применение промышленной версии Ethernet? Или вообще ограничиться только интерфейсами типа RS-232 или USB?

Большинство отечественных производителей после анализа ответов на эти вопросы в свете собственных возможностей останавливаются на стандартном последовательном интерфейсе типа RS-485 с поддержкой, например, протокола Modbus. Некоторые производители обеспечивают поддержку CAN или Ethernet. Но поддержка только одного-двух стандартов связи значительно сужает область применения продукции, особенно при интеграции с существующими системами зарубежного производства.

Все вышеобозначенные вопросы теряют свою актуальность при использовании модулей Anybus. Без всяких доработок программной и аппаратной части вашего изделия, в любой момент вы имеете возможность заменить тип используемого модуля и обеспечить соответствие текущим требованиям к организации связи.

При этом разработчику не нужно ничего знать об используемом интерфейсе и протоколе – обмен данными выглядит просто как работа с дополнительной микросхемой памяти. Только представьте себе, что уже через несколько недель после начала работ ваше устройство сможет работать в сетях Profibus, а стоит только заменить модуль – и можно подключаться, например, к сети LonWorks.

Простота интеграции и взаимозаменяемость – вот основные составляющие формулы успеха компании HMS на мировом рынке. Для подтверждения этих преимуществ можно привести тот факт, что многие ведущие производители ПЛК, ЧРП и другого оборудования КИПиА используют в составе своей продукции именно коммуникационные модули Anybus. В качестве примера можно назвать преобразователи частоты ABB и Fuji, программируемые контроллеры Hitachi и GE FANUC, вторичные преобразователи Siemens-Milltronics.

Немаловажным фактором является и то, что все модули и микросхемы Anybus являются законченными изделиями. Для обеспечения их работы не требуется внешних дополнительных элементов – все необходимые аналоговые и цифровые компоненты, включая оптопары и DC/DC-преобразователи, входят в состав изделий. Разработчику потребуется только добавить разъем для подключения модуля к шине данных своего микроконтроллера и обеспечить питание.

Модули Anybus-S и Anybus-M

Модули Anybus-M разработаны для интегрирования в устройства промышленной автоматики, которые должны обеспечивать связь с другими интеллектуальными устройствами, то есть выступать в роли ведущего в сети (Master) устройства. Модули Anybus-S предназначены соответственно для встраивания в ведомые (Slave) устройства автоматики.

Рис. 1. Внешний вид модуля Anybus-S

Каждая плата имеет встроенный 16 или 32-разрядный микропроцессор, который обеспечивает полную поддержку коммуникационного протокола независимо от состояния "головного" устройства. Стандартно применяются три типа сетевых разъемов: 5-штырьковый разъем с винтовыми клеммами (например, DeviceNet), 9-штырьковый разъем DSUB "female" (Profibus) или разъем RJ45 (Ethernet).

Все встраиваемые модули Anybus имеют одинаковые размеры – с визитную карточку. Прикладная часть модулей (то, что использует разработчик при интеграции модулей в свои устройства) стандартизирована программно, аппаратно и конструктивно. Это обеспечивает полную взаимозаменяемость всех типов модулей Anybus-М и Anybus-S без всяких изменений.

Все модули Anybus имеют встроенную двухпортовую память DPRAM 2 кбайт (TTL) с параллельным интерфейсом доступа. По сути, пользователь работает именно с этой микросхемой памяти, считывая и записывая нужные данные – все остальные операции, связанные с сетевой коммуникацией, модуль выполняет автономно. Память разделена на три основные области: 1024 байт отведено под непосредственный ввод-вывод данных, 576 байт обеспечивают работу интерфейса Mailbox, и оставшиеся 448 байт несут различную служебную информацию. Mailbox – это внутренний интерфейс, через который происходит настройка модуля Anybus под специфичные требования. Он позволяет передавать большие объемы данных и обеспечивает прямой доступ к управляющим регистрам и конфигурационным данным. Работа по интерфейсу Mailbox никак не связана с процессом обмена основными данными ввода-вывода и не влияет на скорость обработки этих данных. Параллельный интерфейс доступа к модулю (то есть к DPRAM) в данной статье детально не рассматривается, так как является стандартным для микросхем SRAM/DPRAM и подробно описан в их спецификациях. В качестве примера можно привести микросхему DPRAM CY7C132 CYPRESS.

Рис. 2. Структурная схема модуля Anybus-S (M)

Кроме стандартного исполнения для большинства сетей имеется вариация Anybus-S Drive Profiles – модуль, функционально специализированный для интеграции в частотные приводы (имеются в виду преобразователи частоты для управления асинхронными электродвигателями переменного тока). Необходимость такой специализации продиктована тем, что в настоящее время почти все полевые шины имеют профили для работы с частотными приводами. Физическая среда и протокол передачи данных при использовании таких профилей остаются без изменения, меняются только структура и формат передаваемых данных. Связь между модулем и частотным преобразователем может осуществляться как по последовательному, так и по параллельному интерфейсу. Кроме того, функциональность расширена новыми командами, такими, как передача непериодически изменяющихся параметров, ускоренный обмен данными, передача блоков данных (в том числе текстовых), снятие "слепка" состояния системы, загрузка конфигурации и др.

Основные технические характеристики модулей Anybus-S(M)

• Поддерживаемые сети:

  – Anybus-S: Profibus-DP/DPV1, Profinet, DeviceNet, EtherNet/IP, Modbus-TCP, ControlNet, CANopen, Modbus Plus, Modbus RTU, LonWorks, Interbus, FIPIO, CC-Link;

  – Anybus-M: Profibus-DPV1, AS-Interface, DeviceNet, EtherNet/IP;

• Малый размер (86x54x15 мм).
• Полная совместимость со всеми промышленными сетями, подтвержденная сертификатами.
• Гальваническая изоляция выходного интерфейса.
• Диапазон рабочих температур: 0–70 °С.
• Питание +5 В (200–450 мА).

Модули Anybus CC

Anybus-CC (Compact-Com) – это новое поколение сменных коммуникационных модулей, созданных с учетом самых современных требований к организации промышленных сетей и сочетающих небольшой размер и легкость интеграции с достаточно демократичной ценой. Для интеграции с основным устройством в этой серии используется формфактор и разъем CompactFlash.

Рис. 3. Внешний вид модуля Anybus CC

Своей функциональностью и прикладным интерфейсом модуль Anybus-CC напоминает модули Anybus-S, но в корне отличается от своих предшественников структурой. Центральной составляющей модуля является сетевой RISC-микропроцессор, специально разработанный для этих изделий. Высокая степень интеграции и обеспечивает высокую производительность и универсальность при малых размерах.

Рис. 4. Возможность быстрой замены модуля

Внутренняя микропрограмма модуля так же является полностью новой, при ее написании был использован весь опыт, полученный при производстве и эксплуатации предыдущих поколений модулей. В стартовый комплект входят прикладные драйверы, написанные на языке ANSI-C и имеющие открытый код. Это дает возможность пользователю интегрировать эти драйверы непосредственно в свою программу и значительно ускорить процесс разработки. Для работы с модулем Anybus-CC пользователь должен выделить в своем микропроцессоре 16 кбайт ПЗУ и 3 кбайт ОЗУ (в среднем). Сетевой адрес модуля задается программным путем при каждой инициализации.

Существует два типа модулей Anybus-CC:

• Активные. Поддерживают весь протокольный стек вплоть до 7-го уровня модели OSI, что актуально для таких сетей, как, например, Profibus или EtherNet/IP. Активные модули содержат все необходимые элементы и все нужное программное обеспечение для полноценного функционирования выбранной сети. Обмен данными с основным устройством происходит либо через параллельный интерфейс, либо через полудуплексный последовательный асинхронный интерфейс SCI (Serial Communication Interface). Все активные модули имеют встроенную двухпортовую память DPRAM 2 кбайт.
• Пассивные. Обеспечивают преобразование сигналов к требуемым физическим уровням (например, USB, Bluetooth или Ethernet Serial Server). Обмен данными с основным устройством происходит через последовательный асинхронный интерфейс SCI ("прозрачная" передача).

Для работы с сетями, поддержка которых пока не реализована в серии Anybus-CC (например, Interbus, ControlNet) могут использоваться модули Anybus-CC Modbus RTU (режим External Link) в паре с внешним преобразователем типа Anybus-Com. Обмен данными с основным устройством происходит как через последовательный, так и через параллельный интерфейсы.

Рис. 6. Особенности модуля Anybus-CC

Основные технические характеристики модулей Anybus-CC:

• поддерживаемые сети и интерфейсы: Profibus, DeviceNet, CANopen, Profinet, EtherNet/IP, Modbus-TCP, RS-232, RS-485, USB (постепенно этот список будет расширяться);
• малый размер: 52x50x22 мм;
• автоопределение скорости обмена данными;
• подключение модулей по стандарту CompactFlash;
• параллельный (DPRAM) и последовательный (SCI) пользовательский интерфейс;
• быстрая замена модулей с возможностью перехода на другой тип сети;
• питание 3,3 В с низким потреблением тока (например, 35 мА для DeviceNet);
• рабочая температура -40 …+70 °C;
• сертификаты соответствия требованиям стандартов поддерживаемых сетей.

Микросхемы Anybus IC

Рис. 7. Внешний вид микросхемы Anybus IC

Микросхемы Anybus-IC предназначены в первую очередь для компактных устройств, для которых размер и вес компонентов играют решающую роль. Малый размер (объем всего 9 кв.см) накладывает некоторые ограничения по сравнению с модулями: прикладная часть имеет только последовательный интерфейс (зато двух типов!), объем передаваемых данных меньше, а перечень поддерживаемых сетей не столь разнообразен. В остальном (по функциональности) микросхемы очень похожи на модули: встроенная гальваническая развязка, внешние компоненты не требуются (только разъем), быстрый переход на другой тип сети путем замены микросхемы.

При использовании устройства со встроенным микропроцессором микросхема Anybus-IC подключается через стандартный последовательный 2-проводной интерфейс SCI. Для обмена данными используется простой протокол на основе Modbus RTU, позволяющий передать 32 байта входных и 32 байта выходных данных. Максимальная скорость обмена по SCI составляет 57600 бит/с. Применение Modbus в качестве пользовательского протокола позволяет рассматривать микросхему в качестве встраиваемого сетевого шлюза (gateway) "Modbus - Fieldbus".

Для интегрирования в простые беспроцессорные устройства Anybus-IC имеет последовательный интерфейс SSC (Synchronous Serial Channel), при помощи которого можно передать 16 байт входных и 16 байт выходных данных. Интерфейс SSC представляет собой сдвиговый регистр с синхронизацией – в качестве его ближайшего аналога можно назвать интерфейс SPI (Serial Peripheral Interface) компании Motorola. При совместном использовании интерфейсов SCI и SSC микросхема Anybus-IC может оперировать с 48 байтами входных и 48 байтами выходных данных.

Рис. 8. Структура микросхемы Anybus IC

Anybus-IC имеет дополнительный последовательный порт связи MIF (Monitor Interface), через который осуществляется подключение к персональному компьютеру для настройки и тестирования системы. Для связи применяется стандартный протокол X-Link (возможно применение стандартной программы HyperTerminal из состава Windows).

Рис. 9. Способы подключения микросхемы Anybus IC

Основные технические характеристики микросхем Anybus-IC:

• поддерживаемые сети: Profibus DP, DeviceNet, Ethernet/IP, Modbus-TCP;
• малый размер (42x21x15 мм);
• не требуют никаких дополнительных элементов, кроме выходного разъема интерфейса;
• 48 байт входных и выходных данных плюс параметры;
• возможность интеграции как с микропроцессорами, так и с устройствами на "жесткой логике";
• гальваническая развязка;
• два типа последовательных интерфейсов – SCI и SSC;
• возможность подключения к ПК для конфигурации и мониторинга;
• 32 контакта подключения, стандарт DIL;
• рабочий диапазон температур: –10…+70 °С;
• питание +5 В (макс. 390 мА).

Evaluation Board

Как и любой уважающий себя производитель, компания HMS предлагает в помощь разработчикам специальные комплекты (Evaluation Board), предназначенные для быстрого освоения программных и аппаратных возможностей микросхем и модулей Anybus.

Рис. 10. Плата Evaluation Board для модулей Anybus-S

Evaluation Board представляет собой отладочный модуль на основе программируемого микроконтроллера и содержит встроенный текстовый ЖК индикатор, слот для подключения модуля Anybus (панельку для микросхемы), разъем для подключения внешних сопрягаемых устройств и порт связи с компьютером. Комплект поставки включает драйверы связи с открытым кодом на языке С, программу-монитор для работы с потоком данных через DPRAM и руководство пользователя с большим количеством схемотехнических и программных примеров применения. Для питания платы требуется внешний источник напряжения +5 В.

Для проверки работоспособности устройств со стороны сети можно использовать коммуникационные платы Anybus-PCI, сопрягаемые с ПК по стандартной шине PCI, или программные симуляторы Anybus-Sim. При помощи бесплатного OPC-сервера (Anybus-PCI) или специальной программы-монитора (Anybus-Sim) можно в полном объеме отследить весь поток данных ввода-вывода.

Алексей Молчанов
ООО "АКОМ"