Feldbusse

Institut für Mikrorechner und Automation Prof. Dr. U. Brinkschulte

MRT II Folie iii-1

3. Feldbusse

3.1 Überblick und Anwendungen

Hierarchische Struktur eines Automatisierungssystems, z.B. einer vollautomatischen Produktionsanlage:

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 Automatisierungssystems


MRT II Folie iii-2

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. Hier werden alle Aufgaben zur Führung, Planung und Koordination eines aus mehreren Prozessen bestehenden technischen Systems (z.B. einer Fertigungszelle) zusammengefaßt. Die Prozeßrechner werden von hieraus koordiniert und synchronisiert, der Datenaustausch zwischen den Prozeßrechnern gesteuert. (teilweise operative und dispositive Aufgaben)

• 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)


MRT II Folie iii-3

Zwischen den einzelnen Ebenen müssen Informationen ausgetauscht werden ==> Nachrichtenverbindungen müssen vorhanden sein Je nach Ebene wurden hierfür verschiedene Kommunikationsmedien und -mechanismen definiert:

(Bonfig: Feldbus-Systeme, 1995)

Aufgabe von Feldbussen:

Verbindung von Feldgeräten, Sensoren, Aktoren etc. mit übergeordneten Stationen wie z.B. Prozessrechner oder speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS)


MRT II Folie iii-4

Anforderungen an Feldbusse:

• geringer Verdrahtungsaufwand => serielles Bussystem

• bidirektionaler Informationsfluß zu oder von jedem angeschlossenen Gerät, Sensor, Aktor, ...

• keine Rückwirkung von angeschlossnen Geräten auf andere Geräte am Bus

• keine Beinträchtigung 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 Systembene


MRT II Folie iii-5

Um Hard- und Softwareunabhängigkeit zu erreichen => Feldbusse benutzen die genormten Protokollschnittstellen des ISO-OSI* Referenzmodells ISO-OSI 7-Schichten Modell


MRT II Folie iii-6

* International Standard Organisation - Open System Interconnect


MRT II Folie iii-7

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, ...

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.


MRT II Folie iii-8

verteilte Dateiverwaltung, verteilte Programmausführung, Datenbankzugriffe, ...)


MRT II Folie iii-9

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 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 DIN-Meßbus von einem DIN-Ausschuß unter Mitarbeit von Messgeräteherstellern und der phsysikalisch 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


MRT II Folie iii-10

3.2 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 Anforderungen: • einfache, kostengünstige Übertragungstechnik • Verwendung bestehender Normen • anwenderfreundliche Schnittstelle • projektierbare Freiheitsgrade Ergebnis: Din Norm 19245 Teil 1 und 2: PROFIBUS Innerhalb der PROFIBUS-Norm finden verschiedene andere Normen Verwendung, z.B. RS 485, IEC 955, DIN 19244, ...


MRT II Folie iii-11

Durch wachsende Anforderungen: ständige Erweiterungen der Profibus-Normen (z.B. Profi-Bus DP [Dezentrale Peripherie])


MRT II Folie iii-12

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


MRT II Folie iii-13

maximale Entfernungen in Abhängigkeit von Baudrate und Repeateranzahl:


Maximale Teilnehmeranzahl pro Segment: 32 Maximale Gesamtteilnehmerzahl : 127 (begrenzt durch Teilnehmeradressbereich 0 .. 126) 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)


MRT II Folie iii-14

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

Beispiel einer KBL für zwei Geräte:

Gerät A Gerät B Kommunikationsreferenz #1 #6 eigener Dienstzugangspunkt 17 20 Teilnehmeradresse des Partners 22 21 Dienstzugangspunkt des Partners 20 17


MRT II Folie iii-15

=> eine Nachricht, die unter Kommunikationsreferenz #1 von Gerät A abgeschickt wurde, wird von Gerät B unter Kommunikationsreferenz #6 empfangen


MRT II Folie iii-16

Grundsätzlich wird beim Profi-Bus zwischen zwei verschiedenen Kommunikationstypen unterschieden: • 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

• verbindungslose Kommunikation

Hiebei sendet ein Teilnehmer an viele andere. Es erfolgt keine Rückantwort

Zwei Varianten: − Broadcast

Nachricht an alle Teilnehmer

− Multicast


MRT II Folie iii-17

Nachricht an eine Gruppe von Teilnehmern


MRT II Folie iii-18

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 Informationen des OV über ein Kommunikationsobjekt:

• Objekttyp: einfache Variable, Array, ... • Startadresse: interne Adresse des Objekts • Anzahl: Länge des belegten Speicherbereichs • Datentyp: Integer 8, Integer 16, Unsigned 8, ... • Paßwort: optional, wenn Zugriffschutz erforderlich • Zugriffsrechte: 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)


MRT II Folie iii-19

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 Kommunikationaufwand zur Bekannt- machung von Kommunikationsobjekten erforderlich Nachteil: starre Konstruktion, Konfigurationsänderungen erforden viel Aufwand

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


MRT II Folie iii-20

Einordnung des Profi-Bus in das ISO-OSI Modell


Um den Protokoll-Verwaltungsaufwand 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


MRT II Folie iii-21

Schicht 1 - physikalische Übertragungstechnik physikalische Definition eines Segments:


MRT II Folie iii-22

Schicht 2 - Buszugriff und Datensicherung

Buszugriffsverfahren (Medium Access Control - MAC)

hybrides Multi-Master/Token-Ring Verfahren

2 4 6

1 3 5 7

Token

Master

Slaves 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

Vorteile des hybriden Verfahrens: • mehrere intelligente Feldgeräte mit Eigeninitiative möglich

(Token Passing)


MRT II Folie iii-23

• schneller Echtzeit-Datenaustausch zwischen intelligenten Feldgeräten und einfacher Prozeßperipherie (Master/Slave)


MRT II Folie iii-24

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 Beispiel:


a,b: feste Telegrammlänge (SD3), Vorhandensein von 8 Byte Daten wird durch unterschiedliches FC angezeigt


MRT II Folie iii-25

c: variable Telegrammlänge (SD2), Längenangabe wird zur Sicherheit wiederholt (LE, LEr)


MRT II Folie iii-26

Dienste, Dienstzugangspunkte und Dienstprimitive Die Funktionalität einer Schicht wird der darüberliegenden 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 Alle wesentlichen Dienste im Profi-Bus werden durch vier Dienstprimitive gesteuert:

Dienst.Request(Anforderung)

Dienst.Confirm(Bestätigung)

Dienst.Indication(Anzeige)

Dienst.Response(Antwort)

Dienstprimitive


MRT II Folie iii-27

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:

Teilnehmer ASDA.Confirm

SDA.Request

SDA.Indication

Telegramme

Teilnehmer B

• 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:


MRT II Folie iii-28

Teilnehmer ASDN.Confirm

SDN.Request

SDN.Indication

Telegramme

Teilnehmer B,C, ...


MRT II Folie iii-29

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 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


MRT II Folie iii-30

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)

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


MRT II Folie iii-31

Ereignisgesteuerte Übertragung wichtiger Meldungen (z.B. Alarm)


MRT II Folie iii-32

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

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)


MRT II Folie iii-33

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

Gruppe Fault-Management • FMA7-Reset, FMA7-Event

Funktionen zur Fehlerverwaltung, Anzeige von Fehlerereignissen und Rücksetzen von Busteilnehmern


MRT II Folie iii-34

Beispiel: Dienstablauf des Read-Dienstes


MRT II Folie iii-35

Telegrammschachtelung: Jedes Telegramm der Schicht n+1 wir in ein Telegramm der Schicht n gepackt und in umgekehrter Richtung wieder ausgepackt


MRT II Folie iii-36

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 wir Baudrate, Teilnehmeradressen, etc. Wird durch Konfigurationssoftware unterstützt

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 Telnehmer, Verbindungen und auszutauschende Daten sind hiermit bekannt

5. Programmierung der Kommunikationsaufgabe


MRT II Folie iii-37

Erstellung der Anwendersoftware, welche die Profi-Bus Dienste benutzt


MRT II Folie iii-38

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 seperate Schnittstellen)

9. Inbetriebnahme

Aufbau und Prüfung der Verbindungen, Test und Inbetriebnahme der Anwendersoftware

==> durch umfangreiche Planung im Vorfeld kann die kostenintensive Inbetriebnahmephase verkürzt werden


MRT II Folie iii-39

Prinzipieller Aufbau einer Profibus-Karte (vgl. MRT I)

Entlastet die CPU des übergeordneten Mikrorechnersystems von den Protokollverwaltungs-Aufgaben der unteren Profi-Bus Schichten Eine Watchdog- und Reset-Schaltung übernimmt die Systemüberwachung


MRT II Folie iii-40

Indirekte Busankopplung an das übergeordnete Mikrorechnersystem mittels Zwei-Tor-Speicher

Feldbusse

Documents

Transcript of Feldbusse