Bus Systems

BussystemeNetzwerksysteme

Inhalt1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Netzwerktopologien Netzwerkhierarchien Serielle Bussysteme Binre Darstellung von Information Leitungsarten Datensicherung Buszugriffsverfahren Microelektronik Busse Feldbusse

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3LITEC, Barbier Klaus 03/23/12

1. Netzwerktopologien1.1 Zweipunktverbindung: Einfachste Verbindung Einfache Steuerung der Kommunikation Aufwendig bei mehreren Teilnehmern

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1. Netzwerktopologien1.2. Bus-Struktur:Deutlich weniger Verkabelungsaufwand Steuerung der Kommunikation erforderlich ARBITRIERUNG Belastung des Senders Probleme mit Laufzeit und Reflexionen ->Leitungslnge und Datenrate sind verknpft. Ausfhrungsformen:Linie Stern Baum Ring, Doppelring

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2. Netzwerkhierarchien2.1 Die Automatisierungs-PyramideDarstellung der verschiedenen Prozessebenen:

Industrial Ethernet

Leitebene

Industrial Ethernet PROFIBUS PROFIBUS AktuatorSensorInterface

Zellebene

Feldebene

AktuatorSensorebene


Feldebene

Die Feldebene ist das Bindeglied zwischen den Anlagen und den Automatisierungsgerten. Die Feldgerte messen, melden und geben die Befehle der Zellebene an die Anlagen weiter.

Aktor-Sensor Ebene

berwiegend kleine Datenmengen. Reaktionszeiten < 10 ms.

In dieser Ebene kommuniziert ein Master mit den an sein Subnetz angeschlossenen Sensoren und Aktoren. Kennzeichen sind schnelle Reaktionszeiten, ca. 5...10 ms, fr wenige Datenbits.


Leitebene

Zellebene

In der Leitebene werden bergeordnete Aufgaben bearbeitet, die den gesamten Betrieb betreffen (Managementfunktionen). Die dafr gesammelten Daten werden Standort bergreifend gesammelt und verarbeitet. In der Leitebene sind in der Regel groe Datenmengen zu bertragen. Die bertragung erfolgt meistens ber Industrial Ethernet oder hnlichen bertragungsmedien. Relativ hohe bertragungszeiten. Die Reaktionszeit betrgt nur fr Bro-Umgebung geeignet Immer Probleme mit Steckerbelegung und Kabel (ausgekreuzt ja/nein) Voll-duplex, d.h. Senden und empfangen gleichzeitig mglich


RS232: Steckerbelegung, Handshake9-Pin Stift, z.B. am PC

3 2 7 8 4 6 5

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3.Serielle Bussyteme3.2. RS422RS422 ist eine erdsymmetrische,asynchrone Schnittstelle fr die Kommunikation zwischen 2Gerten. Die bertragung erfolgt mit 2Leitungen(D+undD-) (und GND), die Information ist die DIFFERENZ-Spannung der beiden Leitungen. Dadurch entsteht eine hohe Strfestigkeit. Pegel: Logisch 0entspricht D+ = 0V Logisch 1entspricht D+ = 5V D- = 5V D- = 0V

Kabel: Verdrillte Zweidrahtleitung, meist geschirmt. Die Codierung der Daten entspricht dem UART-Format. Eigenschaften: Hohe Reichweite/Geschwindigkeit z.B. 200m bei 500KBd, 1km bei 115KBd Sehr Strfest ->Anwendung in Industrieumgebung Voll-duplex, d.h. Senden und Empfangen gleichzeitig mglich Keine genormten Stecker-Typen und Belegungen. -> aufpassenDetails


3.Serielle Bussysteme3.3. RS485RS485 ist fast ident mit RS422, nur dass RS485 busfhig ist, es knnen also auch mehrerer Teilnehmer miteinander verbunden werden. Damit werden folgende Erweiterungen der Spezifikation ntig: Es ist eine Steuerung der Teilnehmer erforderlich, soda immer nur einer senden kann. alle Teilnehmer mssen TRI-STATE-fhig sein, d.h. wenn nicht aktiv, mssen sie ihren Sender auf hochohmig schalten. Die Leitung muss an beiden Enden mit ihrem Wellenwiderstand (120) abgeschlossen werden Pegel,Kabel, Codierung wie RS422. Eigenschaften: Bus-fhig, bis zu 32 (seltener 255) Teilnehmer Hohe Reichweite/Geschwindigkeit z.B. 200m bei 500KBd, 1km bei 115KBd Sehr Strfest ->Anwendung in Industrieumgebung Keine genormten Stecker-Typen und Belegungen. -> aufpassen


Beispiel einer RS485-Schnittstelle

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4. Binre Info-Darstellung 4.1. Codierungsarten 4.1.1. NRZ, RZDas am hufigsten verwendete Verfahren ist NRZ. Die Signale logisch 1 und 0 werden durch unterschiedliche Amplituden (+U,0 +U,-U) dargestellt. Bei RZ geht der Pegel whrend des Taktes auf den Ruhepegel zurck. Fr Beide Verfahren gilt:

Die Taktinformation ist nicht enthalten. Sie sind nicht DC-frei.

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4.1.2. HDBn, NRZI....... 4.1.3. Manchester-Kodierung

LITEC, Barbier Klaus

03/23/12

Hier ist die Info in der Phasenlage des Signales enthalten. D.h. tritt in der Taktmitte eine positive Flanke auf, handelt es sich um eine 0, bei einer negativen Flanke um eine 1.

DC-frei. Die Taktinformation ist enthalten und rckgewinnbar Die max. Signalfrequenz ist doppelt so hoch wie bei NRZ.

4.1.4. FSK, ASK, PSKHier werden zur bertragung statt Rechteck Sinussignale verschiedener Frequenz/phase verwendet. -> Weniger Oberwellen.Details


4.2.Telegrammformate 4.2.1. Das HDLC-Protokoll Der Name steht fr High Level Data Link Control Procedures. Der Aufbau der Protokolle ist seit 1987 von OSI genormt. Anwendung Synchron oder Start/Stop. Bitstuffing fr Taktrckgewinnung: nach max. 5* 1 kommt eine 0 Verschiedene Datenrahmen

4.2.2. Das UART-Protokoll Der Name steht fr Universal Asynchronous Receiver and Transmitter. Der Aufbau eines Zeichens steht in DIN 66 022. Der UART ist einer der hufigsten bertragungsbausteine im Bereich der C. Es gibt kein Synchronsignal, die bertragung ist Zeichenorientiert. D.h. der Empfnger muss sich bei jedem Zeichen neu aufsynchronisieren. Daher auch das START-Bit.

Beispiele: RS232, RS485

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4.2.Telegrammformate 4.2.3. Die PROFIBUS-NormDie Datenbertragung des Profibus verwendet UART-Zeichen. Es werden jedoch nicht einzelne Zeichen sondern Zeichenketten als Telegramme bertragen. Info-Telegramme ohne Daten haben z.B. fix 6 Byte. (6 UART-Zeichen). Die Maximale Telegrammlnge betrgt 255 Bytes.

4.2.4. Das Token-TelegrammIm physikalischen oder virtuellen Token-Ring rotiert gleichmig das FREI-Token. Es besteht aus 3 Byte: Startmarke Zugriffskontrolle Endmarke. Will einer der Teilnehmer eine Nachricht absetzen, so fngt er das FREI-Token ein, wandelt es in ein BELEGT-Token und ergnzt es mit seiner adressierten Nachricht. Dieses Telegramm luft zur Kontrolle (mit vertauschter Ziel- und Quelladresse) zum Sender zurck. Dieser prft und erzeugt bei fehlerfreier bertragung wieder ein FREIToken.

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5. Leitungsarten Wichtige Begriffe:Dmpfung [dB/km] Wellenwiderstand Z bersprechen Ausbreitungsgeschwindigkeit v=0.66*c Grenzfrequenz


Effekte bei der bertragung

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5.1. Koaxialkabel

Gute Abschirmung nach auen Geringere Dmpfung als TP Hohe Grenzfrequenz (GHz) Aufwendige Installation Wellenwiderstand: 50 Ohm (70 Ohm)

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5.2. Twisted-pair Kabel mige/gute Abschirmung hohe Dmpfung als Koax geringere Grenzfrequenz ( max. 250MHz)Wellenwiderstand: 100 (120) Ohm

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5.3. Lichtwellenleiter LWL Keine Streinstrahlung/Abstrahlung Sehr geringe Dmpfung, besonders Glas Teurer als Kabel, auch infolge Umsetzer

Sehr hohe Grenzfrequenz (bis 100GHz)

Man unterscheidet Glas- und Kunststoff-LWL Kunststoff-LWL: preiswert hhere Dmpfung als Glas geringere Grenzfrequenz als Glas Einfach zu montieren, einfach zu spleissen

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6.Datensicherung Ursachen von Datenfehlern:

Elektromagnetische Einkopplung (EMV) Rauschen Alterung, Bauteildefekte

Fehlerarten: Ein Fehler ist immer ein oder mehrere verflschte (invertierte)Bits. Binrdaten: jede Bitkombination ist sinnvoll und zulssig ->Erkennungsproblem.

Erkennbare und korrigierbare Fehler Erkennbare Fehler Nicht erkennbare Fehler. In der Hardware In der Software

Gegenmanahmen:Details


6.1.Paritt (Parity)Funktion: Zustzlich zu den 8 Datenbits wird noch ein Prfbit(Parity) bertragen. Dieses wird so gewhlt, dass z.B. die Anzahl der 1-Bits gerade ist. (= even Parity). Der Empfnger, der vorher auf die richtige Art der Paritt eingestellt wurde (Protokoll), kann nun die Verflschung EINES BITS erkennen. Geringer Overhead, ca. 10% Ein Bitfehler erkennbar, aber nicht korrigierbar 2, 4 Bitfehler nicht mehr erkennbar.

Hamming-Distanz = 2Details


6.2.BlocksicherungFunktion: Wir senden nacheinander 7(8) Datenworte zu je 8Bit+P und dann ein Datenwort welches die Spalten-Paritten enthlt. Damit ist ein Fehler wie in einer Matrix erkenn- und korrigierbar. Bereits 25% Overhead Ein Bitfehler erkennbar und 2, 3

korrigierbar

Bitfehler erkennbar 4 und mehr Bitfehler nicht mehr erkennbar.

Hamming-Distanz = 4 bungen.


bung zur Blocksicherung

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6.3.CRC Cyclic Redundancy CheckLITEC, Barbier Klaus

03/23/12

Funktion: Man fasst die Information (z.B. Sendedaten) unabhngigvon ihrer Lnge als Zahl auf, die durch eine zweite Zahl, das sog. Generatorpolynom, dividiert wird. Quotient verwerfen, REST an die Information anhngen, ->Codevektor IR. Der Empfnger dividiert nun den Codevektor IR durch dasselbe Generatorpolynom und erhlt bei fehlerfreier bertragung Rest 0. In de Praxis erfolgt die Division durch EXOR-Verknpfung. Mssiger Overhead ca. 15...30% Hohe Sicherheit, Geringe Anzahl unerkannter Fehler Keine Fehlerkorrektur, nur Erkennung. Daten auf Diskette, HD. Datensicherheit im RAM, ROM. Viele Bussysteme

Beispiele:

Hamming-Distanz = besser 4 oder 6Details


6.4.Wichtige Begriffe Hamming-Distanz:Anzahl der Sicher erkennbaren Fehler +1. In der Automatisierungstechnik ist HD 4 oder hher der Standard.

Bitfehlerrate:Sie ist ein Ma fr die Strempfindlichkeit des bertragungskanals. p = Anzahl der fehlerhaften Bits / Anzahl der gesendeten Bits. Worst Case: p=0.5 (Warum nicht 1?) mit normalem Aufwand realisierbar: p=10e-4, d.h. jedes 10.000 Bit gestrt.

Restfehlerrate:R=Anzahl der unerkannt fehlerhaften Bytes/ges.Anzahl der gesendeten Bytes. Sie ist ein Ma fr die Datenintegritt, d.h. ein Ma fr die Unversehrtheit der Daten.Details


7. Buszugriffsverfahren Master-Slave Token-Passing, Token-Ring CSMA/CD CSMA/CA


7.a Master-Slave Prinzip: Der Master stellt meist zyklisch die Verbindung zu allenSlaves her (POLLING) und fragt ihre Daten ab, bzw. bermittelt ihnen Daten oder Befehle. Sind die Datenmengen bekannt und begrenzt, ist das Zeitverhalten sehr gut vorhersagbar (deterministisch). Ein Slave kann von sich aus nicht aktiv werden. Einfach, bersichtlich zu programmieren. Deterministisch ->Echtzeitfhig Bei Masterausfall steht alles Slaves knnen nur umstndlich Daten austauschen

Eigenschaften:

Beispiele: ASI, Profibus-DP, I2C-Bus


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7.b Token PassingEin

Token (kleines Datenpaket), wird dauernd im Kreis transportiert, wer senden will, hngt daran seine Daten an. Gleichzeitiger Mehrfachzugriff tritt nicht auf, daher kollisionsfrei, deterministisch.

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7.c Token-Prinzip Prinzip: Ein Token (Redestab) wird von Teilnehmer zu Teilnehmerweitergereicht. Wer den Token hat, ist fr diese Zeit MASTER und kann mit allen anderen Daten austauschen. Prioritten: mglich ber verschiedene Token-Verweildauer oder mehrfach-Zuteilung. Ist die Datenmenge oder die Zeitdauer je Token-Besitz beschrnkt, ist das System auch deterministisch. Fehler: Tokenverlust, Mehrfachtoken. ->muss abgefangen werden.

Norm: IEE 802.4, Token-Bus.

Eigenschaften:

Flexibler als Master-Slave. Deterministisch ->Echtzeitfhig Bei Ausfall eines Teilnehmers, Leitungsbruch steht alles Abhilfe: Doppel-Ring, Redundanz

Varianten: Token-Ring, Token-Passing Beispiele: Token-Bus, PROFIBUS-FMS (nicht der Profibus-DP)

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7.d/e CSMA Prinzip:CSMA=Carrier Sense Multiple Access. Jeder Teilnehmer istgleichberechtigt. Will er senden, prft er zuerst, ob der Bus frei ist (Carrier Sense). Wenn ja, darf er (zeitbegrenzt) Daten senden. Sollten zufllig 2 Teilnehmer gleichzeitig zu senden beginnen, werden die Daten verflscht (Kollision). Die T. erkennen dies, brechen die bertragung ab und versuchen es nach einer best. Wartezeit wieder. Prioritten: ber die Dauer der Wartezeit, krzere Zeit = hhere Sendewahrscheinlichkeit..

Eigenschaften:

Alle Teilnehmer sind gleichberechtigt, Zu/Wegschalten von Teilnehmern ist beliebig mglich. Ausfall eines Teilnehmers ist egal. (Jabber-inhibit) Infolge Kollisionen nicht deterministisch Bei vielen Teilnehmern schlechte Performance Minimale Datenlnge erforderlich, damit Kollisionen auch trotz Laufzeit erkannt werden!


7d/e CSMA-Varianten CSMA/CD: CD=Collision Dedect. Die Teilnehmer hren beim Senden stndigmit und erkennen damit eine Kollision sofort, und nicht erst nach bertragung der ganzen Nachricht -> Bessere Zeitausnutzung, nicht echtzeitfhig Norm: IEE 802.4, Token-Bus. Beispiel: ETHERNET, Feldbus: Ethernet Powerlink, ProfiNet

CSMA/CA: CA=Collision Avoidance.Ein Leitungszustand (z.B. LOW) muss

dominant sein, der andere (HIGH) rezessiv. Am Beginn der bertragung sendet der Teilnehmer z.B. die Kennung seiner Nachricht oder eine Adresse und hrt jedesBit mit. Ist ein Bit verflscht, bricht er sofort ab. -> noch besseres Zeitverhalten -> Prioritt direkt ber die Adresse oder Kennung. Beispiel: CAN, Im Automobil, Feldbus: Control Net, Device Net (auf Basis von CAN-Bus)Details


9.Feldbusse 9.1. ASI 9.2. CAN 9.3. PROFIBUS 9.4. INTERBUS-S 9.5. Ethernet Powerlink (9.6. LON)


9.1. ASI Aktor-Sensor-InterfaceDas Aktuator/Sensor Interface wurde erst 1992 von 11 namhaften Firmen entwickelt und wurde als Ersatz fr die konventionelle Verdrahtung auf unterster Sensor- und Aktorebene im Feld konzipiert. Die Anschaltung erfolgt einfachst, der Anwender wird bei der Fehlersuche aktiv untersttzt. Der ASI ist mittlerweile ein offener Standard, Komponenten werden von vielen Firmen angeboten. Medium: ungeschirmt, 2-adrig Topologie: beliebig (Baum, Stern, Ring, Stichleitung, Kombination) Buslnge: 100m, mit Repeatern bis 300m Teilnehmer: 1 Master, 31 Slaves, 62 Slaves ab V2.1 Bitkodierung: Manchester-II bertragungsrate: 150kBit/sec Besonderheit: Energieversorgung und Daten auf einer Leitung

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Spezielles ASI-Kabel

bertragungsmedium:


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Alternierende PulsModulation

Beliebige Zweidrahtleitung, ungeschirmt, A>1.5mm wegen Versorgungsstrom. Oder das speziell geformte ASI-Kabel, welches eine einfache fehlerfreie Installation in Schneidklemmtechnik ermglicht, IP67

Modulationsverfahren:Hier mussten zahlreiche Anforderungen bercksichtigt werden: 1.DC-Freiheit, weil das Signal der Energieversorgung berlagert werden soll. ->Manchester-II, Strom-Impulse. 2.Das Signal muss einfach zu erzeugen sein. 3.Da die Zweileiterkabel eine mit der Frequenz stark ansteigende Dmpfung haben, muss das Signal relativ schmalbandig sein. ->sin-Pulse. 4. Es darf auch aus Grnden der Abstrahlung (ungeschirmt!) keine zu hohen Frequenzen beinhalten. ->sin-Pulse. Daher wurde ein neues Verfahren, die AlternierendePuls Modulation(APM) entwickelt. Damit sind Bitzeiten von 6s realisierbar.

Bitzeit 6s


ASI: Alternierende Puls-Modulation (APM)

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Master-Slave mit Zyklischem Polling

Zykluszeit: max. 5ms

Nur digitale Daten, 4-Bit Eingabe, 4 Bit Ausgabe

LITEC, Barbier Klaus 03/23/12 Buszugriffsverfahren: Das Verfahren muss kurze Zugriffszeiten garantieren und echtzeitfhig sein. Gewhlt: Master-Slave mit zyklischem Polling. Dies erlaubt den Bau einfacher, billiger Slaves und bietet trotzdem hohe Flexibilitt. Im Fehlerfall kann der Master einzelne Telegramme wiederholen, zur Steuerung oder Parametrierung kann er in das normale Polling Sonderbefehle einfgen.Beides verlngert kaum die Zykluszeit. Diese passt sich auch der Slave-Anzahl an. So wird z.B. bei 6 Slaves eine Zykluszeit von 1ms erreicht, bei 31 Slaves betrgt sie 5ms. Datenbertragung: Da 90% aller Aktoren und Sensoren nur binr arbeiten, wurde ASI darauf optimiert. Jeder Slave kann 4Ein- und 4 Ausgnge haben. Im Masteraufruf wird neben der Adresse (5Bit, 0....31) 4Bit AusgabeDaten bertragen, der Slave antwortet mit 4Bit Eingabe-Daten.

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Datenrate: Netto 53kBit/s Datensicherung findet fast nur in der Hardware (Layer 1) statt.

Die Brutto-Datenrate betrgt 167kBit/s, netto sind dies noch immer 53kBit/s, ein sehr guter Wert.


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Datensicherung:

Trotzdem sehr geringe RestfehlerWahrscheinlichkeit EMV: .

Hier wurde ein vllig anderer Weg beschritten als bei den meisten bekannten Bussystemen. Durch die kurzen Telegramme versagen Blocksicherung oder CRC, bzw. erzeugen zuviel Overhead. (>70%) Daher wurde bei ASI in der Hardware (Schicht 1) ein hoher Sicherungsaufwand betrieben. So wird z.B. der Signalpegel in einer Bitzeit sechzehnmal abgetastet und auf seine Form berprft. Weiters erzwingt die APM strenge Regeln wann welcher Puls auftreten kann: Anfangspuls muss negativ sein, auf jeden neg. Puls muss ein positiver folgen, usw. Damit ergibt sich trotz niedriger Hamming-Distanz eine sehr geringe Restfehlerrate. Bei einer Bitfehlerrate von 200Fehlern/s betrgt die Zeit zwischen zwei unerkannt fehlerhaften Master-Aufrufen 10 Jahre! Ein als fehlerhaft erkanntes Telegramm muss wiederholt werden. Durch die kurzen Telegramme verlngert dies aber auch bei vielen Fehlern kaum die Zykluszeit. Infolge der sin-Pulse bleibt die Abstrahlung trotz ungeschirmtem Kabel unter den Grenzwerten der EN50081-1. Bezglich Einstrahlung ergaben Tests im Frequenzbereich 30MHz-1GHz eine Robustheit bis Schrfegrad 3.

Sehr robust Bezglich Strungen

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beliebig

Topologie:


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Sie ist beliebig whlbar, was die Projektierung sehr vereinfacht. Stern, Baum, Linie knnen beliebig gemischt werden. Einzig die maximale Leitungslnge (nicht Slave-Abstand!) von 100m ist zu beachten. (Dmpfung) fr grere Distanzen sind Repeater einsetzbar.

Sehr einfach.

Installation,Parametrierung:Man unterscheidet verschieden Arten von ASI-Slaves, siehe Bild 12. Durch das ASI-Kabel und die Schneidklemmtechnik ist die Montage sehr einfach. Jeder Slave hat anfangs die Adresse 0. Sobald er angeschlossen ist, wird er vom Master erkannt (auch sein Typ!) und es wird ihm die gewnschte Adresse zugewiesen. Fllt ein Sensor/Aktor aus, meldet der Master dies. Nun kann dieser im laufenden Betrieb- entfernt und durch einen neuen (mit Adr. 0) ersetzt werden. Der Master erkennt dies, prft ob er den richtigen Typ hat und parametriert ihn automatisch auf die alte Adresse.

Automatisches Erkennen und Parametrieren eines neuen Sensors/Aktors

ASI-Analog:Inzwischen knnen auch analoge S/A-Daten bertragen werden.


Man unterscheidet passive und intelligente Koppelmodule. An passive Module knnen nur ASISlaves angeschlossen werden. Weiters kann solch ein Modul zur weiteren Verzweigung der ASILeitung dienen. An Intelligente Module knnen Standard S/A beliebiger Hersteller angeschlossen werden. Koppelmodule: a,b c,d,e sind als Module fr konventionelle S/A dargestellt, c,d konnten aber auch passive Module sein, an denen intelligente ASI-S/A hngen.

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9.2. CAN


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Das Controller Area Network wurde ursprnglich von der Firma Bosch fr den Einsatz im Kraftfahrzeug entwickelt und sollte einfach den riesigen Kabelbaum ersetzen. Im Laufe der Zeit hat er sich jedoch auch seinen Platz im Maschinenbau (z.B. bei Motorkontrollern) erarbeitet. CAN ist derzeit der einzige wirklich echtzeitfhige Bus mit dezentralerStruktur, wobei das bertragungsmedium nicht Teil der CAN-Spezifikation ist. Eine weitere Besonderheit ist die objektorientierte Adressierung und die Art der bitweisen Arbitrierung. Medium: nicht spezifiziert (optisch und elektrisch implementiert) Topologie: Stern, Ring oder Kombination Buslnge: (40m bei 1MBit/s) Teilnehmer: theoretisch unbegrenzt, durch Verwendung von RS485-Bausteinen meist 32 Bitkodierung: frei whlbar, meist RS485 mit UART-Zeichen bertragungsrate: max 1MBit/s Besonderheit: Multimastersystem mit Broadcastsendung, echtzeitfhig

49LITEC, Barbier Klaus 03/23/12 bertragungsmedium: Nicht Teil der CAN-Spezifikation. blich sind verdrillte Zweidrahtleitung, meist geschirmt. Es ist aber genauso LWL mglich. Die Energie muss extra ber getrennte Leitungen bertragen werden. Im Bereich der Industrieautomatisation hat sich der nach ISO DIS 11898 spezifizierte CAN-High-Speed durchgesetzt, er verwendet 9polige Sub-D-Stecker. Bus-Hardware: CAN schreibt lediglich das dominant-rezessive Verhalten vor, die spezielle Realisierung ist dem Benutzer berlassen. Es gibt inzwischen viele C, die CAN HW- und SW-mig untersttzen. Diese haben meist einfache Treiber integriert, die fr geringe Reichweiten ausreichen. blich sind auch modifizierte RS485-Treiber, die ber Pull-up/Pulldown Widerstnde den rezessiven Zustand fixieren.

Meist verdrillte, geschirmte Zweidrahtleitung

Ein Zustand, meist 0 ist dominant, der andere rezessiv

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Datenbertragung:


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Objektorientierte Fast alle Bussysteme verwenden bei der Adressierung eine stationsorientierte Vorgehensweise. D.h. jeder Teilnehmer hat Adressierung eine ber Hard- oder Software fix einstellbare Adresse.Im Gegensatz dazu verwendet CAN eine objektorientierte Adressierung. Jedes Bus-Telegramm erhlt einen bestimmten Namen (Identifier, 11Bit, 29Bit bei extendet CAN). Alle Teilnehmer hren mit und holen sich die Telegramme mit den fr sie interessanten Identifiern. Diese sind ber ein Maskenregister eingrenzbar. Damit ist es sehr einfach Nachrichten gleichzeitig an mehrere oder alle Teilnehmer zu senden. Die Datenmenge je Telegramm betrgt max. 8Byte. Dies reicht fr die meisten Anwendungen aus und garantiert, dass der Bus nie zu lange belegt ist. Es ergeben sich je Datenrahmen 44Bit Overhead und 0...64Bit Daten

Broadcast mglich Max. 8 Byte Daten

Datenrahmen eines CAN-Telegrammes:

51 CAN: Objektorientierte Adressierung:LITEC, Barbier Klaus 03/23/12

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CSMA/CA

Alle Teilnemer sind gleichberechtigt, kein Master.

Prioritten mglich

Buszugriffsverfahren: Es stelle eine weitere Besonderheit im Vergleich zu allen anderen Bussen dar. CAN verwendet ein modifiziertes CSMA-Verfahren, nmlich CSMA/CA (Collision Avoidance). Alle Teilnehmer sind gleichberechtigt und drfen, sobald der Bus nicht gerade belegt ist, spontan auf ihn zugreifen. Tun dies 2 Teilnehmer gleichzeitig, so berlagern sich ihre Daten. Da die Teilnehmer stndig mithren, erkennen sie dies, und derjenige dessen Daten verflscht wurden, zieht sich zurck. Da z.B. 0 gegenber 1 dominant ist, setzten sich die 0-Bits durch und der Teinehmer mit den meisten 0 im Identifier gewinnt die Arbitrierung und kann ohne Zeitverlust weitersenden. Damit sind auch die Prioritten der Teilnehmer eindeutig geregelt. ber ein Telegramm mit gesetztem RTR-Bit ist auch eine gezielte Abfrage eines Teilnehmers mglich: Der Knoten mit dem passenden Identifier antwortet mit seinen Daten.


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Bis 1MBit/s

Datenrate:


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Basic-CAN Full-CAN

Die bertragungsrate hngt auch hier von der Leitungslnge ab. Die Laufzeit darf nicht mehr als 1/2Bitdauer betragen! 40m bei 1Mbit/s 1000m bei 50KBit/s Bis zu 30 Busteilnehmer.

CAN-Varianten:Basic-CAN,Full-CAN: Der Unterschied liegt in der Intelligenz der Buscontroller. Wie bereits erwhnt, muss jeder Teilnehmer fr sich entscheiden, welche der Telegramme fr ihn interessant sind. Bei Full-CAN macht dies bereits der Controller, Bei BASIC-CAN muss dies der angeschlossenen C erledigen. CAL, SDS, DeviceNet Die ursprngliche CAN-Spezifikation beschrnkte sich auf die untersten Protokollschichten. Nun sind auch verschiedene Protokolle bis Schicht 7 spezifiziert. (zB. CAL, oder SDS von Honeywell.) Ein einheitlicher Standard ist in Arbeit.

Layer 7

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Datensicherung:


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Hohe Fehlersicherheit

HD = 6

Aus der Abstammung von CAN aus dem Automobilbereich resultiert ein vergleichsweise hoch entwickeltes Verfahren zur Fehlererkennung, das im wesentlichen aus zwei Stufen besteht. Zunchst mu jedes Datentelegramm noch zum Zeitpunkt des Aussen-dens durch mindestens eine empfangende Station besttigt werden. Dazu enthlt der Datenrahmen ein Quittierungsbit, den sogenannten ACK SLOT (Acknowledge), das von den die Nachricht richtig empfangenden Knoten auf 0, also den dominanten Zustand gesetzt wird. Da dies noch im Telegramm erfolgt, kann der Sender somit einen bertragungsfehler sofort erkennen. Allerdings kann nicht garantiert werden, da im Falle mehrerer Empfnger auch wirklich alle die Nachricht korrekt empfangen: Es reicht, wenn lediglich ein Empfnger den Erhalt der Nachricht mit einem dominanten Quittierungsbit besttigt. Die Detektion eines fehlerhaft bermittelten Telegramms erfolgt durch Auswertung einer 15 Bit umfassenden CRC SEQUENCE, die eine HammingDistanz von 6 erlaubt. Bei Auftritt einer fehlerhaften Nachricht versucht der Sender, erneut die Nachricht abzusetzen. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis ein Quittierungsbit erkannt wurde. Je nach konkreter Implementation des Protokolls werden in der Praxis aber Obergrenzen fr die Anzahl der Wiederholungen gesetzt, um eine Busblockade im Fehlerfall zu verhindern.Details


9.3. PROFIBUSDieser Bus ist heute einer der bedeutendsten Feldbusse und auch einer der wenigen, die in einer Hersteller-unabhngigen Norm (DIN 19245, Schichten l, 2 und 7) festgehalten sind. Die Ausfhrung der Busgerte als aktive (Master) oder passive (Slaves) Teilnehmer ermglicht sowohl die Herstellung und Anschaltung komplexer Steuerungskomponenten als auch kostengnstiger Sensoren. Medium: verdrillt, abgeschirmt, 2-adrig Topologie: beiderseits abgeschlossene Linie mit Stichleitungen Buslnge: 1200m (DIN 19245) Teilnehmer: 32 Bitkodierung: NRZ bertragungsrate: 9,6 bis 500kBit/s (12MBit/s bei DP) Besonderheit: verschiedene Protokolle: PROFIBUS-FMS, -DP, -PA FMS ist aussterbend, FDL als Ersatz

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RS485 500KBit/s (FMS) 12MBit/s (DP) 32 Teilnehmer

Busphysik:


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Geschirmte, verdrillte Zweidrahtleitung. RS485-Standard. Struktur: Linie mit beidseitigen Abschlusswiderstnden, kurze Stichleitungen sind zulssig. Maximal 200 bis 1200m, abhngig von der Geschwindigkeit. Genormt: 9,6 bis 500KBit/s(FMS) bzw. Bis 12MBit/s(DP) Max. 32 Teilnehmer. Erweiterung der Lnge und Teilnehmeranzahl ber Repeater. Genormter Stecker: 9pol. Sub-D

Modulationsverfahren:NRZ, halbduplex, asynchron. UART-Format. (Fr den EXSicheren Profibus-PA wird Manchester-II verwendet, weiters reduzierte Datenrate und weniger Teilnehmer.)

NRZ

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Logischer Token-Ring

Buszugriff:


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Der PROFIBUS versucht den gesammten Bereich der Automatisierungspyramide abzudecken. Damit muss er sowohl groe Datenmengen als auch einzelne Bits halbwegs effizient bertragen. Weiters muss die Anschaltung sehr leistungsfhiger Teilnehmer und dummer Ein/ausgabe-Einheiten mglich sein. Daher wurde ein hybrides Zugrffsverfahren gewhlt: Die aktiven Teilnehmer (Hosts) werden ber einen logischen Token-Ring gesteuert. Wer den Token hat, ist Master und kann auch mit den einfachen Slaves kommunizieren.


PROFIBUS-DP

Die Token-Umlaufzeit liegt bei max. 100ms. Um auch zeitkritische Anwendungen abzudecken, wurde PROFIBUS-DP(DezentralePeripherie) eingefhrt. Ebenfalls multimaster-fhig, aber wegen Zeitverhalten wird meist nur 1 Master verwendet. Datenrate bis 12Mbit/s!!! Allerdings hat das Protokoll einigen Overhead. Anwendungen: Vernetzung von SPSen in Echtzeit, Verbindung von externer Peripherie mit SPS. Z.B. Siemens,Festo, usw.

Datenbertragung:Die Telegramme haben eine variable Lnge von bis zu 255Byte. Jedes Byte wird in ein UART-Zeichen umgewandelt (11Bit)

HD = 4

Datensicherung:Sie erfolgt ber Paritt und Block-Sicherung. Hamming-Distanz = 4 Fehlerhafte Telegramme mssen wiederholt werden. Teilnehmer knnen im laufenden Betrieb an- und abgekoppelt werden. Das Bussystem ist in der Lage, ausgefallene Teilnehmer zu erkennen und vorbergehend zu sperren.

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9.4. INTERBUS-SDer Interbus-Speed wurde von der Firma Phoenix Contact speziell fr die Anforderungen beim Einsatz von schnellen Maschinensteuerungen, z.B. zur Kommunikation mit Frequenzumrichtern entwickelt. Dort wird neben relativ hohen Datenmengen bei der Parametrierung eine kurze Antwortzeit im Betrieb gefordert. Auch er kann von der Vernetzung von einfachen S/A auf unterster Ebene bis zur Verbindung intelligenter Prozessrechner alle Ebenen der Automatisierung abdecken. Medium: geschirmt, verdrillt, 6-adrig 5-adrig? Topologie: aktiver Ring Buslnge: 400m je Segment, bis zu 13km gesamt Teilnehmer: 512 pro Segment Bitkodierung: RS 485 bertragungsrate: 500kBit/s Hohe Protokoll-Effizienz


bertragungsmedium:Verdrillte, geschirmte Zweidrahtleitung. RS485-Standard Als Besonderheit ist hier die aktiveDoppel-RingStruktur zu erwhnen. Jeder Teilnehmer hngt sowohl an der Hin- als auch an der Rckleitung, dadurch sieht das ganze wie eine Baumstruktur aus. DieAnkopplungerfolgtaktiv.Nachteilig ist der HWAufwand, Vorteile sind, 1.dass bei Ausfall von Knoten der vorgelagerte Knoten den Ring wieder aktiv schliessen kann, und zumindest der Rest des Systems weiterluft. 2. ist eine sehr genaue Fehler-Lokalisierung mglich. 3. Wirkt jeder Teilnehmer durch die aktive Anschaltung automatisch als Repeater, dadurch sind sehr grosse Entfernungen mglich. Es ist ein spezielles 5poliges Kabel genormt, in dem Hinund Rckleitung liegen. Datensicherung: Sie erfolgt in mehreren Stufen. Jedes Telegramm wird ber 16Bit CRC gesichert. Sind gerade keine Daten zu bertragen, wird zur Funktionskontrolle mindestens all 20ms ein LeerTelegramm gesendet. Start- und Stopbit-Verletzungen werden erkannt, usw.

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Buszugriff,Busprotokoll:Zyklisches E/A-Protokoll


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Master-Slave

Physikalische Adressierung

Eine der Besonderheiten von INTERBUS-S ist das verwendete Busprotokoll. Auswahl-Kriterium: Viele S/A mit zyklisch anfallenden, jeweils nur einigen Bit Daten sollen effizient kommunizieren. ->Probleme mit Overhead und Datensicherung. Daher werden ALLE Daten zu EINEM Summenrahmen zusanmmengefasst und zyklisch bertragen. Es gibt einen Master, diser ist auch die Verbindung zu bergeordneten Ebenen. Alle Teilnehmer sind durch ihre physikalische Lage im Ring automatisch adressiert. Das Summenrahmen-Telegramm besteht ebenfalls aus der Aneinanderreihung der Daten jedes S/A. Nun beginnt der Master den Rahmen zu senden.

rtlich verteiltes Schieberegister


Extrem hohe Protokolleffizienz fr Bit-Daten

Aber auch groe Datenmengen bertragbar.

Er gelangt zum ersten Slave, dieser entnimmt seine Aktor-Daten und fgt seine Sensor-Daten in den gleichen Platz ein. Dann schiebt er den Rahmen weiter zum nchsten Slave. Hat der Rahmen alle Slaves durchlaufen, gelangt er wieder zum Master, Datenprfung. Nun sind also in einem Durchlauf alle Engnge eingelesen und alle Ausgnge augegeben worden. Dadurch entsteht eine sehr hohe Protokolleffizienz von >60%, bei Teilnehmern mit E/A sogar ber 130%! Normale nachrichtentechnische Protokolle wrden hier bei 5% liegen. Um aber auch groe Mengen an Prozessdaten bertragen zu knnen, hat dieses Protokoll folgende Erweiterung: In jedem Rahmen sind neben den Zeitschlitzen fr jeden S/A zustzlich 216Byte breite Zeitschlitze reserviert. Ein groes Datenpaket wird nun zerteilt und in diese eingefgt. Dadurch wird der Zyklische Echtzeit-Transfer nur soweit belastet, wie z.B. durch 16 weitere Sensoren. Die Anzahl und der Typ (Datenmenge) der S/A wird in einem speziellen Identifikationszyklus vom Master ermittelt.

63 Es sind einige Varianten vorhanden:LITEC, Barbier Klaus 03/23/12

Fernbus:max. 512 Teilnehmer max. Abstand je 400m, Gesamtlnge 13km 500KBit/s RS485-Standard, verdrillte Zweidrahtleitung. 5poliges Kabel.

Lokalbus:max. 8 Teilnehmer max. Abstand je 1.5m, Gesamtlnge 10m 300KBit/s CMOS-Pegel, 4Adernpaare.

INTERBUS-LOOP:Zweidrahttechnik, Versorgung der Teilnehmer ber den Bus.

Details

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9.5.LON-Bus, LONWORKS


03/23/12

Dieser Bus entstand aus den Anforderungen der Gebude- als auch der Industrieautomatisierung und des Transportwesens, wenngleich er bisher vorrangig in der Haustechnik eingesetzt wurde. Es handelt sich dabei um ein Multimastersystem mit intelligenten Teilnehmern, bei dem das Prinzip der verteilten Steuerung bis zum letzten Sensor realisiert wird. Er dient als Ersatz fr die parallele Verkabelung, die Erstellung der logischen Verbindungen der einzelnen Teilnehmer erfolgt durch Ziehen von Verbindungslinien am Bildschirm. Medium: meist 2-adrig, ungeschirmt oder geschirmt, auch fr LWL, Funk, PowerLine, Infrarot und Ethernet verfgbar! Topologie: fast beliebig (Free Topology) Buslnge: 500m bei Freier Topologie, 2.700m bei Linie, LWL, Ethernet fast unbeschrnkt Teilnehmer: 64 pro Segment (FT), 32.385TLN pro Domain, auf einem physikalischen Kabel knnen 248 Domains betrieben werden! Bitkodierung: Manchester bertragungsrate: 78kBaud bei FT, weniger bei PowerLine, mehr bei LWL und anderen Besonderheit: Versorgung ber Datenleitung mglich (Link Power Technology), viele Medien definiert, Mulitmaster-System, Verbindungen werden am Schirm erstellt.Details

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