Transcript 2 3.2 Feldbusse - Eingebettete Systeme

3.2 Feldbusse
Feldbusse
Spezielle Peripheriebusse mit schärferen Anforderungen, z.B. für
Automatisierungssysteme
3.2.1 Überblick und
Anwendungen
Hierarchische Struktur
eines Automatisierungssystems, z.B. einer
vollautomatischen
Produktionsanlage:
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Diese Hierarchie erlaubt es, die extrem komplexen und
vielfältigen Aufgaben, die bei der Automation einer großen
Produktionsanlage anfallen, zu ordnen und in überschaubare
Teile zu zerlegen
 strukturierter und modularer Aufbau eines
komplexen eingebetteten Systems
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Wesentliche Ebenen und deren Aufgaben:
Sensor/Aktor-Ebene
Ebene der Feldgeräte. Hier werden mittels Sensoren die
Prozeßgrößen gemessen und mittels Aktoren auf sie eingewirkt
Prozeßebene
Ebene der Prozeßrechner. Hier werden die gemessenen Größen
überwacht und verarbeitet. Mittels Steuer- und Regelalgorithmen
werden die Stellgrößen ermittelt. (operative Aufgaben)
Systemebene
Ebene der Systemrechner. Zusammenfassung aller Aufgaben zur
Führung, Planung und Koordination eines aus mehreren
Prozessen bestehenden technischen Systems (z.B. einer
Fertigungszelle). (operative und dispositive Aufgaben)
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Leitebene
Ebene der Leitrechner. Hier werden alle Aufgaben zur Führung,
Planung und Koordination eines aus mehreren Teilsystemen
bestehenden Automatisierungssystems (z.B. einer
Fertigungsstraße) durchgeführt. Es werden entsprechend die
Systemrechner koordiniert und synchronisiert.
(dispositive Aufgaben)
Betriebsebene
Ebene der Unternehmensführung. Hier werden alle zur Führung
einer Fabrik oder eines Unternehmens notwendigen langfristigen
Planungen und Vorgaben erarbeitet und an die Leitebene
weitergeleitet
(dispositive Aufgaben)
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Zwischen den einzelnen Ebenen müssen Informationen
ausgetauscht werden
 Nachrichtenverbindungen müssen vorhanden sein
Je nach Ebene wurden
hierfür verschiedene
Kommunikationsmedien
und –mechanismen
definiert:
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Anforderungen an Feldbusse:
• geringer Verdrahtungsaufwand => serielles Bussystem
• bidirektionaler Informationsfluss zu oder von jedem angeschlossenen Gerät,
Sensor, Aktor, ...
• keine Rückwirkung von angeschlossenen Geräten auf andere Geräte am Bus
• keine Beeinträchtigung des Busses bei Ausfall eines Gerätes
• einheitliche Anschlusstechnik, genormte Busprotokolle  einfacher Einsatz
und Austausch von Geräten verschiedener Hersteller
• optional eigene Stromversorgung der Geräte oder Stromversorgung über den
Bus
• Erweiterbarkeit zur Ausdehnung der Kommunikation bis zur Systemebene
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Um Hard- und Softwareunabhängigkeit zu erreichen
 Feldbusse benutzen die genormten Protokollschnittstellen des
ISO-OSI* Referenzmodells
ISO-OSI 7Schichten Modell:
*
International Standard Organisation - Open System Interconnect
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Schicht 1 - Physical Layer (Bitübertragungsschicht)
ist für die physikalische Datenübertragung verantwortlich, d.h. elektrische
Verbindung, elektrische Bitdarstellung (Bitkodierung), Steckertyp,
Anschlussbelegung, Leitungsart und -länge, ...
(z.B. RS 232, RS 485)
Schicht 2 - Data Link Layer (Sicherungsschicht)
ist für eine fehlerfreie Punkt-zu-Punkt Übertragung zwischen benachbarten
Systemen verantwortlich. Wesentliche Aufgaben: Zugriffsmechanismen (Medium
Access Control, z.B. Bus-Zugriffsstrategien und -Kollisionsbehandlung)
Datensicherung (Logical Link Control, z.B. mittels Prüfsummen, CRC, ...)
Schicht 3 - Network Layer (Vermittlungsschicht)
ist für die Datenübertragung zwischen den Endsystemen verantwortlich.
Wesentliche Aufgaben: Wegwahl (Routing), Multiplexen des
Verbindungsmediums, Regelung der Datenflüsse zwischen den Endsystemen, ...
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Schicht 4 - Transport Layer (Transportschicht)
ist für eine Datenübertragung zwischen Endsystemen mit symbolischen
Transportadressen in definierter Dienstgüte verantwortlich. Wählt je nach
benötigter Dienstgüte (Datendurchsatz, Übertragungsdauer, Restfehlerrate, ...)
ein Transportverfahren aus den unteren Schichten aus
Schicht 5 - Session Layer (Kommunikationssteuerschicht)
ist für die Verwaltung einer Kommunikationssitzung verantwortlich. Wesentliche
Aufgaben: Verbindungsauf- und abbau, Datensynchronisation
Schicht 6 - Presentation Layer (Darstellungschicht)
ist für die Datendarstellung verantwortlich, also z.B. für netzeinheitliche
Datenformate, Verschlüsselung, Kompression, ...
Schicht 7 - Application Layer (Anwendungsschicht)
stellt dem Anwendungsprogramm anwenderspezifische
Kommunikationsfunktionen und Protokolle zur Verfügung (z.B. verteilte
Dateiverwaltung, verteilte Programmausführung, Datenbankzugriffe, ...)
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Einige Feldbusse:
Profi-Bus (Process Field Bus)
in dem BMFT-Verbundprojekt 'Feldbus' in Deutschland von
verschiedenen Firmen und Hochschulen entwickelter Feldbus
P-NET-Bus
von der dänischen Firma PROCES-DATA entwickelter und dem
Anwender lizenzfrei zur Verfügung stehender Feldbus
Interbus S
von einem Verbund mehrere Firmen(z.B. Phönix Kontakt)
entwickelter Aktor/Sensor-Bus
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ASI (Aktor Sensor Interface)
Verbundprojekt zur Entwicklung einer einfachen Schnittstelle für
binäre Feldgeräte
Bitbus
von Intel entwickelter Feldbus
CAN-Bus (Controller Area Network Bus)
von Bosch und Intel für die Zusammenschaltung von
Mikroprozessoren, Aktoren und Sensoren in Fahrzeugen
entwickelter Feldbus
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DIN-Meßbus
von einem DIN-Ausschuss unter Mitarbeit von
Messgeräteherstellern und der physikalisch technischen
Bundesanstalt genormter Bus zur Datenübermittlung im Bereich
Mess- und Prüftechnik
FIP-Bus (Flux Information Processus Bus)
französischer und italienischer Standard für einen Feldbus
FAIS-Bus (Factory Automation Interconnection System
Bus)
japanischer Feldbus-Standard
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3.2.2 Der ProfiBus
Für die hohen Schichten der Automatisierungs-Hierarchie:
MAP-Protokoll (Manufactoring Automation Protocol)
Vernetzung von Verwaltungs- und Leitrechnern bis zur SPS
 hohe Schnittstellenkosten
Für die Vernetzung von Feldgeräten sind jedoch kostengünstige
Schnittstellen erforderlich
 Gründung des Verbundprojektes 'Feldbus' im Jahr 1987
Beteiligt: 13 Firmen und 5 Hochschulen
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Anforderungen:
• einfache, kostengünstige Übertragungstechnik
• Verwendung bestehender Normen
• anwenderfreundliche Schnittstelle
• projektierbare Freiheitsgrade
Ergebnis: DIN 19245 Teil 1 und 2: PROFIBUS
Innerhalb der PROFIBUS-Norm finden verschiedene andere Normen
Verwendung, z.B. RS 485, IEC 955, DIN 19244, ...
Durch wachsende Anforderungen: ständige Erweiterungen der
Profibus-Normen (z.B. Profi-Bus DP [Dezentrale Peripherie], PA, ...)
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Konfiguration des Profi-Bus
Bus-Topologie:
• Grundtopologie: Linie
(Segment) mit über Stichleitungen angekoppelten
Komponenten
• Linienlänge je nach
Übertragungsgeschwindigkeit bis 1200 m
• Segmente können über
Leitungsverstärker
(Repeater) erweitert
werden
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maximale Entfernungen in Abhängigkeit von Baudrate und
Repeateranzahl:
Baudrate
maximale
Entfernung
ohne Repeater
1 Repeater
2 Repeater
3 Repeater
< 93 kB
187,5 kB 500 kB
12 MB
1200
2400
3600
4800
600 m
1200 m
1800 m
2400 m
50 m
100 m
150 m
200 m
m
m
m
m
200
400
600
800
m
m
m
m
Maximale Teilnehmeranzahl pro Segment: 32
Maximale Gesamtteilnehmerzahl : 127
(begrenzt durch Teilnehmeradressbereich 0 .. 126)
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Bevor ein solches Profibus-Netz in Betrieb genommen wird,
müssen die einzelnen Teilnehmer konfiguriert werden
Hierbei werden die logischen Verbindungen
(Kommunikationsbeziehungen) und die zu übertragenden Daten
(Kommunikationsobjekte) festgelegt
 die Kommunikation ist vor Inbetriebnahme projektierbar
Der Profi-Bus unterscheidet aktive Teilnehmer (Profi-Bus Master)
und passive Teilnehmer (Profi-Bus Slave). Er erlaubt hierbei das
Vorhandensein mehrerer Master (Multi-Master System, näheres
hierzu später)
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Kommunikationsbeziehungen:
legen fest, welcher Teilnehmer mit wem Daten austauscht
Die Kommunikationsbeziehungen werden in der
Kommunikationsbeziehungsliste (KBL) abgelegt
Jedes Gerät besitzt eine KBL, in der seine möglichen
Kommunikationspartner aufgeführt sind
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Beispiel einer KBL für
zwei Geräte:
Gerät A
Kommunikationsreferenz
#1
eigener Dienstzugangspunkt
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Teilnehmeradresse des Partners 22
Dienstzugangspunkt des Partners 20
Gerät B
#6
20
21
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 eine Nachricht, die unter
Kommunikationsreferenz #1
von Gerät A abgeschickt
wurde, wird von Gerät B
unter Kommunikationsreferenz #6 empfangen
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Grundsätzlich wird beim Profi-Bus zwischen zwei verschiedenen
Kommunikationstypen unterschieden:
1. Verbindungsorientierte Kommunikation
Kommunikation zwischen zwei Teilnehmern (wie in obigem Beispiel)
Zwei Varianten:
• Kommunikation Master - Master
Kommunikation zwischen zwei aktiven Profi-Bus-Teilnehmern
• Kommunikation Master - Slave
Kommunikation zwischen einem aktiven und einem passiven
Profi-Bus-Teilnehmer
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2. Verbindungslose Kommunikation
Hierbei sendet ein Teilnehmer an viele andere. Es erfolgt keine
Rückantwort
Zwei Varianten:
• Broadcast
Nachricht an alle Teilnehmer
• Multicast
Nachricht an eine Gruppe von Teilnehmern
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Kommunikationsobjekte:
Wollen zwei Teilnehmer Daten über das Netz austauschen, so muß
zwischen ihnen vereinbart sein, um welche Daten es sich handelt
 Kommunikationsobjekte
Jeder Teilnehmer hält ein Objektverzeichnis (OV), welches die von
ihm benötigten Kommunikationsobjekte beschreibt
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Informationen des OV über ein Kommunikationsobjekt:
•
•
•
•
•
•
Objekttyp:
Startadresse:
Anzahl:
Datentyp:
Passwort:
Zugriffsrechte:
einfache Variable, Array, ...
interne Adresse des Objekts
Länge des belegten Speicherbereichs
Integer 8, Integer 16, Unsigned 8, ...
optional, wenn Zugriffschutz erforderlich
Festlegung der zulässigen Operationen
Ein Teilnehmer, der Daten anfordert oder schickt, muss dem
Partner zunächst eine Kennung senden, welche die zu
übermittelnden Kommunikationsobjekte identifiziert (z.B Index
oder symbolischer Name des Kommunikationsobjekts)
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Der Aufbau des Objektverzeichnis kann statisch oder dynamisch
erfolgen:
statischer Aufbau: das Objektverzeichnis wird fest projektiert, alle
Kommunikationsobjekte werden in der
Projektierungsphase definiert
Jeder Teilnehmer besitzt bereits beim Systemstart alle
Kommunikationsobjekte, die er benötigt, in seinem OV
Vorteil:
kein Kommunikationsaufwand zur Bekanntmachung
von Kommunikationsobjekten erforderlich
Nachteil:
starre Konstruktion, Konfigurationsänderungen
erfordern viel Aufwand
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dynamischer Aufbau: die Objektbeschreibungen existieren bei
dem Teilnehmer, bei dem die Objekte real
existieren. Ein Teilnehmer, der auf ein
Objekt zugreifen will, fordert vorher die
Objektbeschreibung an
Vorteil:
Flexibilität zur Laufzeit
Nachteil:
zusätzlicher Kommunikationsaufwand
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Einordnung des Profi-Bus in das ISO-OSI Modell
Um den Protokollverwaltungsaufwand zu minimieren und
eine kostengünstige, schnelle
Netzverbindung zu schaffen:
 Nur die Schichten 1, 2
und 7 sind beim
Profi-Bus implementiert
Die restlichen Schichten sind
leer und werden durch den
unteren Teil der Schicht 7
(LLI - Lower Layer Interface)
substituiert
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Schicht1: physikalische Übertragungstechnik
Schema eines
differenziellen
Treiber der RS-485
Bidirektionaler Bus
A
B
enable
C
Empfangsdaten
Steuereingang
(Tx Enable)
Sendedaten
Slave #n
Bus A (-)
Sendedaten
Steuereingang
(Tx Enable)
Empfangsdaten
Empfangsdaten
Steuereingang
(Tx Enable)
Sendedaten
Bus B (+)
+
+
Master
Zweidraht-Variante, Vierdraht-Variante auch möglich
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Slave#1
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Schicht 2 - Buszugriff und Datensicherung
Buszugriffsverfahren (Medium Access Control - MAC)
hybrides Multi-Master/Token-Ring Verfahren
Unterscheidung zwischen Master- und Slave-Teilnehmer:
Nur ein Master darf selbstständig Nachrichten über den Bus senden,
Slave-Teilnehmer dürfen nur auf Anforderung von Mastern
antworten
Koordinierung mehrerer Master (Multi-Master System) mittels
Token-Passing-Verfahren:
Nur der Master, welcher das Token gerade besitzt, darf am Bus aktiv
werden, nach Abschluss Weitergabe des Tokens
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Token
2
1
4
3
6
5
Master
7
Slaves
Vorteile des hybriden Verfahrens:
• mehrere intelligente Feldgeräte mit Eigeninitiative möglich (Token Passing)
• schneller Echtzeit-Datenaustausch zwischen intelligenten Feldgeräten und
einfacher Prozessperipherie (Master/Slave)
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Gesicherte Verbindung (Fieldbus Data Link - FDL)
Anforderungen:
• geringer Protokolloverhead für hohe Nettodatenrate
• hohe Datenübertragungssicherheit
Telegrammaufbau:
Es existieren verschiedene Telegrammvarianten, die durch
unterschiedliche Start- und Steuerbytes gekennzeichnet sind
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Beispiel:
a,b: feste Telegrammlänge (SD3),
Vorhandensein von 8
Byte Daten wird durch
unterschiedliches FC angezeigt
c:
variable Telegrammlänge (SD2),
Längenangabe wird
zur Sicherheit wiederholt (LE, LEr)
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Dienste, Dienstzugangspunkte und Dienstprimitive
Die Funktionalität einer Schicht wird der darüber liegenden
Schicht in Form von Diensten zur Verfügung gestellt
Die logischen Schnittstellen, über die solche Dienste erreichbar
sind, heißen Dienstzugangspunkte (Service Access Points SAP). Über einen Dienstzugangspunkt wird auch eine
Implementierung einer Schicht (Instanz) identifiziert
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Alle wesentlichen Dienste im Profi-Bus werden durch vier
Dienstprimitive gesteuert:
Dienstprimitive
Dienst.Request
(Anforderung)
Dienst.Confirm
(Bestätigung)
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Dienst.Indication
(Anzeige)
Dienst.Response
(Antwort)
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Basisdienste der Schicht 2
2 wesentliche Basisdienste:
• SDA (Send Data with Acknowledge)
Erlaubt einem Teilnehmer A, Daten an einen Teilnehmer B zu
senden. Teilnehmer A erhält eine Bestätigung. Im Fehlerfall
wiederholt der Dienst die Datenübertragung
Dienstablauf:
SDA.Request
Telegramme
SDA.Indication
Teilnehmer A
Teilnehmer B
SDA.Confirm
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• SDN (Send Data with no Acknowledge)
Erlaubt einem Teilnehmer A, Daten an einen, mehrere
(Multicast) oder alle (Broadcast) anderen Teilnehmer zu
senden. Teilnehmer A erhält eine Bestätigung über das Ende
der Übertragung, jedoch nicht über den korrekten Empfang
Dienstablauf:
SDN.Request
Telegramme
SDN.Indication
Teilnehmer A
Teilnehmer B,C, ...
SDN.Confirm
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Schicht 7 - Anwendungen
Schicht 7a: LLI (Lower Layer Interface) - Dienste
Enthält die für Profi-Bus notwendigen Funktionen der
Schichten 3 - 6
Stellt eine von Schicht 2 unabhängige Dienstschnittstelle zur
Schicht 7b (FMS) und somit zu Anwendungsdiensten zur
Verfügung
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Basisdienste der Schicht 7a:
• ASS (Associate)
Einrichtung einer Verbindung für die spätere Nutzung zur
Datenübertragung
• DTU (Data Transfer Unconfirmed)
unbestätigte Datenübertragung für verbindungslose
Kommunikation (Multicast, Broadcast)
• DTC (Data Transfer Confirmed)
bestätigte Datenübertragung für verbindungsorientierte
Kommunikation
• ABT (Abort)
Auflösung einer Verbindung
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3.2 Feldbusse
Schicht 7b: FMS (Fieldbus Message Specification) - Dienste
Hier werden dem Anwender eine Vielzahl von Diensten zur
Verfügung gestellt, die sich in Klassen und Gruppen teilen lassen:
Basisdienste der Klasse Anwendungsdienste:
Gruppe Variable Access
• Read, Write
Übertragung von Variablen (einfache und zusammengesetzte
Variablen)
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3.2 Feldbusse
Gruppe Domain Access
• Domain Upload, Domain Download
Übertragung von zusammenhängenden Speicherbereichen
Gruppe Program Invocation
• Start, Stop, Resume, Kill, Reset
Ausführen von Programmen in Feldbus-Teilnehmern
Gruppe Event Management
• Event Notification
Ereignisgesteuerte Übertragung wichtiger Meldungen (z.B.
Alarm)
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3.2 Feldbusse
Basisdienste der Klasse Verwaltungsdienste
Gruppe VFD-Support
• Status, Identify
Übertragung der Kommunikationsdaten eines Feldgerätes an
andere Teilnehmer (aktueller Betriebszustand,
herstellerspezifische Angaben). Diese Daten stehen in einem
gesonderten Speicherbereich, der sich den anderen
Teilnehmern als ‘virtuelles Feldgerät’ (Virtual Field Device VFD) darstellt
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3.2 Feldbusse
Gruppe OV-Management
• Get-OV, Put-OV
Übertragung der Objektverzeichnisse zwischen verschiedenen
Teilnehmern
Gruppe Context-Management
• Initiate, Abort, Reject
Aufbau (Initiate) und Abbau (Abort) einer Verbindung,
Ablehnung (Reject) einer Verbindung (z.B. wenn ein
angesprochener Teilnehmer den von ihm geforderten Dienst
nicht erbringen kann)
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3.2 Feldbusse
Basisdienste der Klasse Netzmanagementdienste
Gruppe Context-Management
• FMA7-Initiate, FMA7-Abort
Auf- und Abbau einer Verbindung zum Netzwerkmanagement
Gruppe Configuration-Management
• Status-Lokal/Remote, Set/Read-Value, Live-List
Verschiedene Funktionen zur Konfigurationsverwaltung, z.B.
zum Laden und Lesen der Kommunikationsbeziehungs-liste
(KBL), Zugriff auf Statistikdaten, aktuelle
Busteilnehmererfassung
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3.2 Feldbusse
Gruppe Fault-Management
• FMA7-Reset, FMA7-Event
Funktionen zur Fehlerverwaltung, Anzeige von
Fehlerereignissen und Rücksetzen von Busteilnehmern
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3.2 Feldbusse
Beispiel: Dienstablauf des Read-Dienstes
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3.2 Feldbusse
Projektierung eines Profi-Bus Systems
Übliche Vorgehensweise bei der Projektierung:
1. Übersicht
Mit Hilfe eines Übersichtsbildes werden alle notwendigen
Automatisierungsgeräte erfasst, die an der Kommunikation
beteiligt sind. Weiterhin werden die Segmente innerhalb der
Netzhierarchie festgelegt
2. Festlegung der Topologie
Festlegung allgemeiner Konfigurationsparameter wie
Baudrate, Teilnehmeradressen, etc. Wird durch
Konfigurationssoftware unterstützt
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3.2 Feldbusse
3. Festlegung der Kommunikationsbeziehungen
Definition aller Kommunikationsbeziehungen durch Eintrag in
der Kommunikationsbeziehungsliste. Wird ebenfalls durch
Konfigurationssoftware unterstützt
4. Erstellen der Objektverzeichnisse
Eintragung aller Daten, die über das Netz ausgetauscht
werden, in das Objektverzeichnis. Dieser Schritt beendet die
Konfiguration, alle Teilnehmer, Verbindungen und
auszutauschende Daten sind hiermit bekannt
5. Programmierung der Kommunikationsaufgabe
Erstellung der Anwendersoftware, welche die Profi-Bus
Dienste benutzt
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3.2 Feldbusse
6. Montage und Installation
Eigentliche Montage der Busverdrahtung, Geräte, etc.
7. Übertragung der Anwenderprogramme
Übertragung der Anwendersoftware in die einzelnen
Busteilnehmer (Feldgeräte, Prozessrechner, ...)
8. Übertragung der Konfiguration
Die Konfigurationsdaten werden zu den einzelnen Geräten
transferiert (über den Profi-Bus selbst oder über separate
Schnittstellen)
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3.2 Feldbusse
9. Inbetriebnahme
Aufbau und Prüfung der Verbindungen, Test und
Inbetriebnahme der Anwendersoftware
 durch umfangreiche Planung im Vorfeld kann die
kostenintensive Inbetriebnahmephase verkürzt werden
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3.2 Feldbusse
Prinzipieller Aufbau einer Profibus-Schnittstelle
Entlastet die CPU des
übergeordneten
Rechnersystems von
den
ProtokollverwaltungsAufgaben der unteren
Profi-Bus Schichten
Eine Watchdog- und
Reset-Schaltung
übernimmt die
Systemüberwachung
Indirekte
Busankopplung an das
übergeordnete
Mikrorechnersystem
mittels Zwei-TorSpeicher
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3.2 Feldbusse
3.2.3 Der CanBus
CAN: Controller Area Network
entwickelt von Bosch und Intel
Ursprünglich hauptsächlich im Automobilbereich eingesetzt
Heute auch in anderen Bereichen der Automation zu finden
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3.2 Feldbusse
Varianten
CAN 2.0A:
11 Bit Adressraum
CAN 2.0B:
29 Bit Adressraum
CAN-Bus Controller können interne Puffer besitzen:
Full CAN:
Speicher für mehrere Botschaften
Basic CAN:
Speicher für eine Botschaft
SLIO CAN:
Serial Linked IO
direkte Verbindung zum IO-Kanal
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3.2 Feldbusse
Topologie bei CAN (Linien- bzw. Bustopologie)
CANKnoten
CANKnoten
CANKnoten
CANKnoten
CANKnoten
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CANKnoten
CANKnoten
CANKnoten
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3.2 Feldbusse
Aufbau
Schicht1:
RS485 wie beim ProfiBus
Schicht 2:
Ebenfalls Multi-Master fähig
Zugriffskontroller aber nach CSMA/CA Verfahren
anstelle von Token-Ring beim ProfiBus
(CSMA/CA = Carrier Sense Multiple Access with
Collision Avoidance)
 Bei Konflikt Busvergabe nach Prioritäten
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3.2 Feldbusse
Dominante 0 und rezessive 1 bei der CAN Übertragung
CANTeilnehmer
‚A’
CANTeinehmer
‚B’
CANTeilnehmer
‚C’
CAN-Bus
Fall
1
2
3
4
A sendet
B sendet
C empfängt
(resultierender
Buspegel)
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
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3.2 Feldbusse
Arbitrierung bei CAN
CANTeilnehmer
‚A’
CANTeinehmer
‚B’
CANTeilnehmer
‚C’
CAN-Bus
Bit-Nr = 1
A: Sendewunsch mit
0
Identifier = 4210
= 000001010102
B: Sendewunsch mit
0
Identifier = 2410
= 000000110002
C: empfängt
0
(resultierender Identifier)
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
0
0
0
0
1
0
1
0
1
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
Bemerkung: Zum Zeitpunkt t=6 erkennt A die höhere Priorität von B und
zieht sich vom Senden zurück, danach sendet nur noch B.
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57
3.2 Feldbusse
Aufbau eines CAN-2.0a Data Frame bzw. Remote Frame
Startbit Identifier RTR-Bit Kontrollfeld Datenfeld
(1 Bit)
(11 Bits) (1 Bit)
(6 Bits)
(0..8 Bytes) ...
...
CRC-Sequenz CRC-Ende ACK-BIT ACK-Ende Endefeld Trennfeld
(15 Bits)
(1 Bit)
(1 Bit)
(1 Bit)
(7 Bits)
(3 Bits)
Aufbau eines CAN-2.0b Data Frame bzw. Remote Frame
Startbit Identifier SRR-Bit IDE-Bit Identifier RTR-Bit Kontrollfeld Datenfeld
(1 Bit)
(11 Bits) (1 Bit)
(1 Bit) (18 Bits) (1 Bit)
(6 Bits)
(0..8 Bytes) ...
...
CRC-Sequenz CRC-Ende ACK-BIT ACK-Ende Endefeld Trennfeld
(15 Bits)
(1 Bit)
(1 Bit)
(1 Bit)
(7 Bits) (3 Bits)
4 verschiedene Telegrammtypen:
 Data Frame:
 Remote Frame:
 Error Frame:
 Overload Frame:
Zur Datenübertragung
Sendeaufforderung an andere Teilnehmer
Meldung von Fehler an andere Teilnehmer
Signalisation der aktuellen Nicht-Bereitschaft
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58
3.2 Feldbusse
Eigenschaften
Topologie
Buslänge
Übertragungsmedium
Anzahl Nutzdatenbytes
pro Telegramm
Anzahl E/A Stationen
Linie mit Stichleitungen, abgeschlossen an beiden Enden
5 km bei 10 kbit/sec
25 m bei 1 Mbit/sec
zweiadrig, verdrillt, abgeschirmt, seltener: LWL
0-8
Bitkodierung
Nur beschränkt durch die Treiberbausteine der CANTransceiver, nicht durch das Protokoll. Üblich: 30, mehr mit
Repeatern/Spezialtreibern
NRZ-Kodierung mit dominanter 0 und rezessiver 1
Übertragungsrate
10 kbit/sec bis 1 Mbit/sec
Übertragungssicherheit
Buszugriffsverfahren
CRC-Check (mit Hamming-Distanz 6)
Polling- oder ereignisgesteuerter Betrieb möglich
(CSMA/CA: bitweise, nicht zerstörende Arbitrierung)
Multimaster: Alle Teilnehmer sind gleichberechtigt,
prioritätsgesteuert über Identifier
Busverwaltung
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59
3.2 Feldbusse
CAN Grunddefinition (Basisprotokoll) definiert nur die Schichten 1
und 2
Darauf aufbauend gibt es die verschiedensten höheren Layer,
welche die Felder der Telegramme des CAN-Basisprotokolls auf
ihre eigene Art interpretieren (z.B. den Identifier)
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60
3.2 Feldbusse
Beispiel 1:
CANopen zur genormten Interaktion veschiedener
Geräte mittels CAN-Bus (auf Basis von CAN 2.0a)
Kommunikation
PDOs, SDOs, spezielle
Funktionsobjekte, NMTObjekte
Anwendung
Anwendungsprogramm,
Implementation des
Geräteprofils
Ein-/
Ausgabe
CAN-Bus
Objektverzeichnis
Datentypen, Kommunikations- und
Anwendungsobjekte
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61
3.2 Feldbusse
CANopen Geräteprofile
 CANopen-Geräteprofil für Ein-/Ausgabe-Module (CiA





DSP-401)
CANopen-Geräteprofil für Antriebe (CiA DSP-402)
CANopen-Geräteprofil für Encoder (CiA DSP-406)
CANopen-Geräteprofil für Mensch-MaschineSchnittstellen (CiA WD-403),
CANopen-Geräteprofil für Messwertaufnehmer und
Regler (CiA WD-404)
CANopen-Geräteprofil für IEC-1131-kompatible
Steuerungen (CiA WD-405).
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62
3.2 Feldbusse
Schematischer Aufbau eines einfachen CANopen Bussystems
Steuerrechner
CANopen
Gerätenummer 1
CAN-Bus
Teilnehmer A
CANopen
Gerätenummer 2
Teilnehmer B
CANopen
Gerätenummer 3
8 digitale Ausgänge
8 digitale Ausgänge
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63
3.2 Feldbusse
NMT Objekt (Starten) Steuerrechner  Teilnehmer 2
CANBezeichnung
CANopen
Bedeutung
Feldlänge
Wert
Kontrollfeld
DatenGerätenummer
(bei NMT nicht verwendet) länge
(4 Bit)
(7 Bit)
0x2
0 0 0 0 0 0 0
Identifier
FunktionsCode
(4 Bit)
0 0 0 0
...
...
...
...
...
Datenbytes
...
...
...
NMTCode
(1 Byte)
0x01
Gerätenummer
(1 Byte)
0x02
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
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64
3.2 Feldbusse
NMT Objekt (Starten) Steuerrechner  Teilnehmer 3
CANBezeichnung
CANopen
Bedeutung
Feldlänge
Wert
Kontrollfeld
FunktionsGerätenummer
DatenCode
(bei NMT nicht verwendet) länge
(4 Bit)
(7 Bit)
(4 Bit)
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0x2
Identifier
...
...
...
...
...
Datenbytes
...
...
...
NMTCode
(1 Byte)
0x01
Gerätenummer
(1 Byte)
0x03
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
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65
3.2 Feldbusse
PDO (Setzen von Ausgängen) Steuerrechner  Teilnehmer 2
CANBezeichnung
CANopen
Bedeutung
Feldlänge
Wert
Identifier
FunktionsCode
(4 Bit)
0 1 0 0
Gerätenummer
0
0
8 digitale
Ausgänge
... (1 Byte)
0xff
...
1
Datenbytes
...
...
(7 Bit)
0 0 0
Kontroll...
feld
Daten...
länge
(4 Bit) ...
0
0x1 ...
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
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66
3.2 Feldbusse
Zuordnung von Objekten, Funktionscodes
und Identifiern bei CANopen
Objekt
NMT
SYNC
TIME-STAMP
EMERGENCY
PDO1 (tx)
PDO1 (rx)
PDO2 (tx)
PDO2 (rx)
SDO (tx)
SDO (rx)
Nodeguard
FunktionsCode (binär)
0000
0001
0010
0001
0011
0100
0101
0110
1011
1100
1110
Resultierender
Identifier (dezimal)
0
128
256
129 – 255
385 – 511
513 – 639
641 – 767
769 – 895
1409 – 1535
1537 – 1663
1793 – 1919
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Typ
Broadcast
Broadcast
Broadcast
Peer-to-Peer
Peer-to-Peer
Peer-to-Peer
Peer-to-Peer
Peer-to-Peer
Peer-to-Peer
Peer-to-Peer
Peer-to-Peer
67
3.2 Feldbusse
PDO (Setzen von Ausgängen) Steuerrechner  Teilnehmer 3
CANBezeichnung
CANopen
Bedeutung
Feldlänge
Wert
Identifier
FunktionsCode
(4 Bit)
0 1 0 0
Gerätenummer
0
0
8 digitale
Ausgänge
... (1 Byte)
0xf0
...
1
Datenbytes
...
...
(7 Bit)
0 0 0
Kontroll...
feld
Daten...
länge
(4 Bit) ...
1
0x1 ...
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
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68
3.2 Feldbusse
Beispiel 2: SafetyBus p für sicherheitsrelevante Anwendungen
Türschalter
Sicherheitszaun
ohne Bus
Not-Aus
Zugangstür
Gefahrenbereich
Sicherheitssteuerung
Prozess
Lichtgitter
Freigabe
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Feldbus
Prozesssteuerung
69
3.2 Feldbusse
mit SafetyBus p
Türschalter
Sicherheitszaun
SafetyBUS p
Not-Aus
Zugangstür
Gefahrenbereich
Sicherheitssteuerung
Prozess
Lichtgitter
Freigabe
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Feldbus
Prozesssteuerung
70
3.2 Feldbusse
Mögliche Übertragungsfehler
• Wiederholung von Telegrammen
• Einfügung von Telegrammen
• Falsche Abfolge von Telegrammen
• Verzögerung von Telegrammen
• Verlust von Telegrammen
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71
3.2 Feldbusse
Teilredundante Hardware bei ‚sicheren Teilnehmern’
SafetyBUS p (CAN Bus)
Transceiver
SafetyBUS p
Kanal 1
SafetyBUS p
Kanal 2
BIP
Mikrocontroller
MC1
Mikrocontroller
MC2
AP
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72
3.2 Feldbusse
Aufbau eines SafetyBUS p Telegramms (CAN-2.0a)
CAN Bezeichnung
Start bit
SafetyBUS p (1 Bit) Klasse
Verwendung
(3 Bit)
Identifier
(11 Bits)
Senderadresse
(8 Bit)
RTR Kontroll - ...
(1 Bit)
feld
(6 Bits) ...
...
...
Datenbytes
(0-8 Bytes)
... Kopf Empfänger Sichere Nutzdaten
(1 Byte)
(1 Byte)
(max. 4. Byte)
...
CRC
(2 Byte)
CRC - ACK - Ende - Trenn Feld
Feld
feld
feld
(16 Bit) (2 Bit) (7 Bit) (3 Bit)
Klasse:
Sicherheitsklasse
Kopf:
Laufende Nummer eines Telegramms
Empfänger: Empfängeradresse
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73
3.2 Feldbusse
3.2.4 Der INTERBUS
Aufbau eines INTERBUS-Systems
Master
Peripheriebus max. 10m
Busklemme 1
Busklemme k
E/A-Modul max. 8
E/A-Modul n
...
...
E/A-Modul n+7
E/A-Modul m
...
...
E/A-Modul max. 256
...
...
E/A-Modul 1
...
...
Busklemme max. 64
Fernbus max. 12,8 km
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74
3.2 Feldbusse
Realisierung einer Baumstruktur mit Hilfe der bei INTERBUS
verwendeten Ringstruktur
Master
Busklemme
E/A Modul
(Peripheriebusgerät)
E/A Modul
(Fernbusgerät)
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75
3.2 Feldbusse
Zyklus der Datenübertragung bei INTERBUS:
Summenrahmentelegramm durchläuft
Schieberegister
Master
Loop Back
Daten für
Date für
Slave 1 (A) Slave 2 (A)
Word
Daten von Daten von
Slave 1(E) Slave 2 (E)
Teilnehmer 1
...
Daten für
Daten von Loop Back
Slave n (E) Word
Teilnehmer 2
Frame Check
SR 1
(Senden)
Frame Check
Sequence
SR 2
( Empfangen)
... Slave n (A) Sequence
...
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Teilnehmer n
76
3.2 Feldbusse
Summenrahmentelegramme bei INTERBUS
Summenrahmentelegramm beim Absenden im Master:
Name
LBW
Länge
16 Bit
Daten für
Gerät 1
4- 64 Bit
Daten für
Gerät 2
4- 64 Bit
...
...
Daten für
Gerät n
4- 64 Bit
FCS
32 Bit
Summenrahmentelegramm beim Empfangen im Master
(nach Durchlaufen des Rings):
Name
Länge
Daten von
Gerät 1
4- 64 Bit
Daten von
Gerät 2
4- 64 Bit
...
...
Daten von
Gerät n
4- 64 Bit
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LBW
FCS
16 Bit
32 Bit
77
3.2 Feldbusse
Eigenschaften
Topologie
Buslänge
aktiver Ring
Anzahl Nutzdaten
max. 12,8 km (Fernbus)
max. 10 m (Peripheriebus)
Paarweise verdrillt, abgeschirmt;
Lichtwellenleiter
4-64 Bit individuell für jeden Teilnehmer
Anzahl E/A Stationen
max. 256 mit insgesamt max. 4096 E/As
Protokoll
Summenrahmen Telegramm
Bitkodierung
NRZ-Kodierung
Übertragungsrate
500 kBit/sec
Übertragungssicherheit
Buszugriffsverfahren
CRC-Check (mit Hamming-Distanz 4),
Loopback Word
Festes Zeitraster
Busverwaltung
Monomaster
Übertragungsmedium
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78
3.2 Feldbusse
3.2.5 ASI (Aktor Sensor Interface)
Feldbus
SPS, NC, RC, PC
Master
Stern
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79
3.2 Feldbusse
Basistelegramme von Master und Slave beim ASI-Bus
Mastertelegramm:
Start- Steuerbit
bit
(1 Bit) (1 Bit)
Slaveadresse
Befehl an Slave
(5 Bit)
(5 Bit)
Parität EndeBit
(1 Bit) (1 Bit)
Slavetelegramm:
Startbit
(1 Bit)
Antwort an Master
(4 Bit)
Parität EndeBit
(1 Bit) (1 Bit)
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80
3.2 Feldbusse
Eigenschaften (vor Version 2.1)
Topologie
Linie, Baum, Stern
Buslänge
max. 100m (300m mit Repeater)
Übertragungsmedium
Anzahl Nutzdaten pro
Telegramm
Anzahl Stationen
Anzahl Eingänge pro Station
Anzahl Ausgänge pro Station
Bitkodierung
Übertragungsrate
Übertragungssicherheit
Buszugriffsverfahren
Busverwaltung
ungeschirmte 2-Drahtleitung für Daten und
Energie
5 Bit (Master  Slave)
4 Bit (Slave  Master)
max. 31
max. 4 ( => insgesamt max. 124)
max. 4 ( => insgesamt max. 124)
Modifizierte Manchester-Codierung:
Alternierende Puls Modulation
150 kBit/sec
Identifikation und Wiederholung gestörter
Telegramme
Polling
Monomaster
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81
3.2 Feldbusse
Eigenschaften (ab Version 2.1)
Topologie
Buslänge
Übertragungsmedium
Anzahl Nutzdaten pro
Telegramm
Anzahl Stationen
Anzahl Eingänge pro Station
Anzahl Ausgänge pro Station
Bitkodierung
Übertragungsrate
Übertragungssicherheit
Buszugriffsverfahren
Busverwaltung
Linie, Baum, Stern
max. 100m (300m mit Repeater)
ungeschirmte 2-Drahtleitung für Daten und
Energie
5 Bit (Master  Slave)
4 Bit (Slave  Master)
max. 62
max. 4 ( => insgesamt max. 248)
max. 3 ( => insgesamt max. 186)
Modifizierte Manchester-Codierung:
Alternierende Puls Modulation
150 kBit/sec
Identifikation und Wiederholung gestörter
Telegramme
Polling
Monomaster
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82
3.2 Feldbusse
3.2.6 EIB
Europäischer Installations Bus
Feldbus für die Gebäudeautomatisierung – das Gebäude als
eingebettetes System
Ziel: das intelligente Haus
Heute bereits in Büro- und Industriegebäuden zur zentralen
Steuerung von Jalousien etc. implementiert
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83
3.2 Feldbusse
Neben EIB gibt es neben herstellerspezifischen auch
weitere offene Systeme, z.B.
 LON (Local Operating Network)

Technik der Firma Echelon aus den USA
 Convergence und Konnex

Initiative zur Standardisierung einer EIBWeiterentwicklung gemeinsam mit Batibus und EHS
(European Home System)
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84
3.2 Feldbusse
EIB-Merkmale:
 Dezentrales Bussystem für die Anwendung in der
Gebäudeinstallation
 Flexible Vernetzung von elektrischen Geräten wie
Schaltern, Lampen, Sensoren etc.
 Drei Übertragungsmedien



Twisted Pair (verdrillte Niederspannungsleitung)
Powerline (Aufmodulierung auf das Stromnetz)
Funk
 Häufigste Implementierung: Zweiadrige Busleitung zur
Informationsübermittlung als auch zur
Spannungsversorgung der Busteilnehmer
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85
3.2 Feldbusse
 Bussystem in Linien organisiert
Jede Linie bis zu 64 Geräte
 Bis zu 12 Linien über Linienkoppler zu Bereich
zusammengeschlossen
 Gesamtsystem besteht aus bis zu 15 Bereiche
 zulässiger Adressraum von bis zu 11520 Geräten

 Datenrate: 9600 Bits/s bei Twisted Pair
 Ausreichend für kurze Event- und Steuernachrichten
 Sprach- oder Bildübertragung ausgeschlossen
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86
3.2 Feldbusse
Übertragungsprotokoll:
 Physikalische Schicht: Twisted Pair:
 Gleichspannung,
28 V, seriell asynchron
 Sicherungsschicht:
 Prüfbyte
für jedes Telegramm
 Bestätigung erfolgreich empfangener Telegramme mit ACK
 CSMA/CA: Kollisionen gleichzeitiger Telegramme werden erkannt und
behoben, der Teilnehmer mit geringerer Priorität zieht zurück
 Netzwerkschicht: vier Adressierungsarten
 Physikalische Adressierung: bei Inbetriebnahme zugeordnete 2-Byte
Adresse, spiegelt die Konfiguration wider, für Singlecast verwendet
 Broadcast: Adresse 0x0000 richtet sich an alle Teilnehmer
 Gruppenadressierung: 2-Byte Multicast-Adresse
 Polling Adressierung: spezielle Multicast-Adresse an Busknoten
derselben Linie; Abfrage gemeinsamer Statusmeldungen möglich
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87
3.2 Feldbusse
Telegrammaufbau im EIB-System
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88
3.2 Feldbusse
Typisches EIB-Gerät: Buskoppler (physikalischer Buszugriff und 8-BitMikroprozessor für die Protokollsoftware) und Applikationsmodul
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89
3.2 Feldbusse
Weitere EIB-Anwendungsmodule
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