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Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 1 3.2 Feldbusse Feldbusse Spezielle Peripheriebusse.

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1 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Feldbusse Spezielle Peripheriebusse mit schärferen Anforderungen, z.B. für Automatisierungssysteme Überblick und Anwendungen Hierarchische Struktur eines Automatisierungs- systems, z.B. einer vollautomatischen Produktionsanlage:

2 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse 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

3 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse 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)

4 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse  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)

5 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Zwischen den einzelnen Ebenen müssen Informationen ausgetauscht werden  Nachrichtenverbindungen müssen vorhanden sein Je nach Ebene wurden hierfür verschiedene Kommunikationsmedien und –mechanismen definiert:

6 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse 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 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

7 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Um Hard- und Softwareunabhängigkeit zu erreichen  Feldbusse benutzen die genormten Protokollschnittstellen des ISO-OSI * Referenzmodells ISO-OSI 7- Schichten Modell: * International Standard Organisation - Open System Interconnect

8 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse

9 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse 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,...

10 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse 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,...)

11 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse 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

12 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse 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

13 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse 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

14 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse 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

15 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Anforderungen: einfache, kostengünstige Übertragungstechnik Verwendung bestehender Normen anwenderfreundliche Schnittstelle projektierbare Freiheitsgrade Ergebnis: Din Norm 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,...)

16 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Konfiguration des Profi-Bus Bus-Topologie: Grundtopologie: Linie (Segment) mit über Stich- leitungen angekoppelten Komponenten Linienlänge je nach Übertragungsge- schwindigkeit bis 1200 m Segmente können über Leitungsverstärker (Repeater) erweitert werden

17 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse maximale Entfernungen in Abhängigkeit von Baudrate und Repeateranzahl: Maximale Teilnehmeranzahl pro Segment: 32 Maximale Gesamtteilnehmerzahl : 127 (begrenzt durch Teilnehmeradressbereich ) Baudrate maximale Entfernung < 93 kB187,5 kB500 kB12 MB ohne Repeater1200 m 600 m200 m 50 m 1 Repeater2400 m1200 m400 m100 m 2 Repeater3600 m1800 m600 m150 m 3 Repeater4800 m2400 m800 m200 m

18 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse 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)

19 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse 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

20 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Beispiel einer KBL für zwei Geräte:  eine Nachricht, die unter Kommunikationsreferenz #1 von Gerät A abgeschickt wurde, wird von Gerät B unter Kommunikations- referenz #6 empfangen

21 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse 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

22 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse 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

23 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse 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

24 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse 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)

25 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse 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

26 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse 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

27 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Einordnung des Profi-Bus in das ISO-OSI Modell Um den Protokollverwaltungs- aufwand 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

28 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse A B C enable Schema eines differenziellen Treiber der RS Slave #n Slave#1 Master Steuereingang (Tx Enable) Steuereingang (Tx Enable) Sendedaten Empfangsdaten Sendedaten Bus A (-) Bus B (+) ++++ Steuereingang (Tx Enable) Empfangsdaten Sendedaten Bidirektionaler Bus Zweidraht-Variante, Vierdraht-Variante auch möglich Schicht1: physikalische Übertragungstechnik

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30 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse 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

31 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Vorteile des hybriden Verfahrens: mehrere intelligente Feldgeräte mit Eigeninitiative möglich (Token Passing) schneller Echtzeit-Datenaustausch zwischen intelligenten Feldgeräten und einfacher Prozessperipherie (Master/Slave)

32 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse 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

33 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse 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)

34 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse 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

35 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Alle wesentlichen Dienste im Profi-Bus werden durch vier Dienstprimitive gesteuert:

36 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse 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:

37 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse 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:

38 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Schicht 7 - Anwendungen Schicht 7a: LLI (Lower Layer Interface) - Dienste Enthält die für Profi-Bus notwendigen Funktionen der Schichten Stellt eine von Schicht 2 unabhängige Dienstschnittstelle zur Schicht 7b (FMS) und somit zu Anwendungsdiensten zur Verfügung

39 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse 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

40 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 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)

41 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 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)

42 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 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

43 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 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)

44 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 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

45 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Gruppe Fault-Management FMA7-Reset, FMA7-Event Funktionen zur Fehlerverwaltung, Anzeige von Fehlerereignissen und Rücksetzen von Busteilnehmern

46 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Beispiel: Dienstablauf des Read-Dienstes

47 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 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 wir Baudrate, Teilnehmeradressen, etc. Wird durch Konfigurationssoftware unterstützt

48 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 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

49 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 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)

50 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse 9. Inbetriebnahme Aufbau und Prüfung der Verbindungen, Test und Inbetriebnahme der Anwendersoftware  durch umfangreiche Planung im Vorfeld kann die kostenintensive Inbetriebnahmephase verkürzt werden

51 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Prinzipieller Aufbau einer Profibus-Schnittstelle Entlastet die CPU des übergeordneten Rechnersystems von den Protokollverwaltungs- Aufgaben der unteren Profi-Bus Schichten Eine Watchdog- und Reset-Schaltung übernimmt die Systemüberwachung Indirekte Busankopplung an das übergeordnete Mikrorechnersystem mittels Zwei-Tor- Speicher

52 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse 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

53 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 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

54 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Topologie bei CAN (Linien- bzw. Bustopologie)

55 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 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 CollisionAvoidance)  Bei Konflikt Busvergabe nach Prioritäten

56 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Dominante 0 und rezessive 1 bei der CAN Übertragung

57 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Arbitrierung bei CAN

58 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Aufbau eines CAN-2.0a Data Frame bzw. Remote Frame Aufbau eines CAN-2.0b Data Frame bzw. Remote Frame 4 verschiedene Telegrammtypen:  Data Frame:Zur Datenübertragung  Remote Frame:Sendeaufforderung an andere Teilnehmer  Error Frame:Meldung von Fehler an andere Teilnehmer  Overload Frame:Signalisation der aktuellen Nicht-Bereitschaft

59 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse TopologieLinie mit Stichleitungen, abgeschlossen an beiden Enden Buslänge5 km bei 10 kbit/sec 25 m bei 1 Mbit/sec Übertragungsmediumzweiadrig, verdrillt, abgeschirmt, seltener: LWL Anzahl Nutzdatenbytes pro Telegramm Anzahl E/A StationenNur beschränkt durch die Treiberbausteine der CAN- Transceiver, nicht durch das Protokoll. Üblich: 30, mehr mit Repeatern/Spezialtreibern BitkodierungNRZ-Kodierung mit dominanter 0 und rezessiver 1 Übertragungsrate10 kbit/sec bis 1 Mbit/sec ÜbertragungssicherheitCRC-Check (mit Hamming-Distanz 6) BuszugriffsverfahrenPolling- oder ereignisgesteuerter Betrieb möglich (CSMA/CA: bitweise, nicht zerstörende Arbitrierung) BusverwaltungMultimaster: Alle Teilnehmer sind gleichberechtigt, prioritätsgesteuert über Identifier Eigenschaften

60 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte 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)

61 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Beispiel 1:CANopen zur genormten Interaktion veschiedener Geräte mittels CAN-Bus (auf Basis von CAN 2.0a)

62 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse q CANopen-Geräteprofil für Ein-/Ausgabe-Module (CiA DSP-401) q CANopen-Geräteprofil für Antriebe (CiA DSP-402) q CANopen-Geräteprofil für Encoder (CiA DSP-406) q CANopen-Geräteprofil für Mensch-Maschine- Schnittstellen (CiA WD-403), q CANopen-Geräteprofil für Messwertaufnehmer und Regler (CiA WD-404) q CANopen-Geräteprofil für IEC-1131-kompatible Steuerungen (CiA WD-405). CANopen Geräteprofile

63 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Schematischer Aufbau eines einfachen CANopen Bussystems

64 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse NMT Objekt (Starten) Steuerrechner  Teilnehmer 2

65 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse NMT Objekt (Starten) Steuerrechner  Teilnehmer 3

66 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse PDO (Setzen von Ausgängen) Steuerrechner  Teilnehmer 2

67 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Zuordnung von Objekten, Funktionscodes und Identifiern bei CANopen

68 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse PDO (Setzen von Ausgängen) Steuerrechner  Teilnehmer 3

69 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Beispiel 2: SafetyBus p für sicherheitsrelevante Anwendungen ohne Bus

70 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse mit SafetyBus p

71 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Wiederholung von Telegrammen Einfügung von Telegrammen Falsche Abfolge von Telegrammen Verzögerung von Telegrammen Verlust von Telegrammen Mögliche Übertragungsfehler

72 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Teilredundante Hardware bei ‚sicheren Teilnehmern’

73 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Klasse: Sicherheitsklasse Kopf: Laufende Nummer eines Telegramms Empfänger: Empfängeradresse Aufbau eines SafetyBUS p Telegramms (CAN-2.0a)

74 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Aufbau eines INTERBUS-Systems Busklemme max. 64 Fernbus max. 12,8 km Peripheriebus max. 10m E/A-Modul 1 E/A-Modul n E/A-Modul mE/A-Modul max. 256 E/A-Modul n+7 E/A-Modul max Busklemme 1 Busklemme k Master Der INTERBUS

75 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Realisierung einer Baumstruktur mit Hilfe der bei INTERBUS verwendeten Ringstruktur

76 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Zyklus der Datenübertragung bei INTERBUS: Summenrahmentelegramm durchläuft Schieberegister -

77 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Summenrahmentelegramme bei INTERBUS

78 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Topologieaktiver Ring Buslängemax. 12,8 km (Fernbus) max. 10 m (Peripheriebus) ÜbertragungsmediumPaarweise verdrillt, abgeschirmt; Lichtwellenleiter Anzahl Nutzdaten4-64 Bit individuell für jeden Teilnehmer Anzahl E/A Stationenmax. 256 mit insgesamt max E/As ProtokollSummenrahmen Telegramm BitkodierungNRZ-Kodierung Übertragungsrate500 kBit/sec ÜbertragungssicherheitCRC-Check (mit Hamming-Distanz 4), Loopback Word BuszugriffsverfahrenFestes Zeitraster BusverwaltungMonomaster Eigenschaften

79 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse ASI (Aktor Sensor Interface)

80 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Basistelegramme von Master und Slave beim ASI-Bus

81 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse TopologieLinie, Baum, Stern Buslängemax. 100m (300m mit Repeater) Übertragungsmediumungeschirmte 2-Drahtleitung für Daten und Energie Anzahl Nutzdaten pro Telegramm 5 Bit (Master  Slave) 4 Bit (Slave  Master) Anzahl Stationenmax. 31 Anzahl Eingänge pro Stationmax. 4 ( => insgesamt max. 124) Anzahl Ausgänge pro Stationmax. 4 ( => insgesamt max. 124) BitkodierungModifizierte Manchester-Codierung: Alternierende Puls Modulation Übertragungsrate150 kBit/sec ÜbertragungssicherheitIdentifikation und Wiederholung gestörter Telegramme BuszugriffsverfahrenPolling BusverwaltungMonomaster Eigenschaften (vor Version 2.1)

82 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse TopologieLinie, Baum, Stern Buslängemax. 100m (300m mit Repeater) Übertragungsmediumungeschirmte 2-Drahtleitung für Daten und Energie Anzahl Nutzdaten pro Telegramm 5 Bit (Master  Slave) 4 Bit (Slave  Master) Anzahl Stationenmax. 62 Anzahl Eingänge pro Stationmax. 4 ( => insgesamt max. 248) Anzahl Ausgänge pro Stationmax. 3 ( => insgesamt max. 186) BitkodierungModifizierte Manchester-Codierung: Alternierende Puls Modulation Übertragungsrate150 kBit/sec ÜbertragungssicherheitIdentifikation und Wiederholung gestörter Telegramme BuszugriffsverfahrenPolling BusverwaltungMonomaster Eigenschaften (ab Version 2.1)

83 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse 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

84 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Neben EIB gibt es neben herstellerspezifischen auch weitere offene Systeme, z.B. q LON (Local Operating Network) m Technik der Firma Echelon aus den USA q Convergence und Konnex m Initiative zur Standardisierung einer EIB- Weiterentwicklung gemeinsam mit Batibus und EHS (European Home System)

85 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse q Dezentrales Bussystem für die Anwendung in der Gebäudeinstallation m Flexible Vernetzung von elektrischen Geräten wie Schaltern, Lampen, Sensoren etc. q Drei Übertragungsmedien m Twisted Pair (verdrillte Niederspannungsleitung) m Powerline (Aufmodulierung auf das Stromnetz) m Funk q Häufigste Implementierung: Zweiadrige Busleitung zur Informationsübermittlung als auch zur Spannungsversorgung der Busteilnehmer EIB-Merkmale:

86 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse  Bussystem in Linien organisiert m Jede Linie bis zu 64 Geräte m Bis zu 12 Linien über Linienkoppler zu Bereich zusammengeschlossen m Gesamtsystem besteht aus bis zu 15 Bereiche  zulässiger Adressraum von bis zu Geräten q Datenrate: 9600 Bits/s bei Twisted Pair  Ausreichend für kurze Event- und Steuernachrichten  Sprach- oder Bildübertragung ausgeschlossen

87 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Übertragungsprotokoll: q Physikalische Schicht: Twisted Pair: m Gleichspannung, 28 V, seriell asynchron q Sicherungsschicht: m Prüfbyte für jedes Telegramm m Bestätigung erfolgreich empfangener Telegramme mit ACK m CSMA/CA: Kollisionen gleichzeitiger Telegramme werden erkannt und behoben, der Teilnehmer mit geringerer Priorität zieht zurück q Netzwerkschicht: vier Adressierungsarten m Physikalische Adressierung: bei Inbetriebnahme zugeordnete 2-Byte Adresse, spiegelt die Konfiguration wider, für Singlecast verwendet m Broadcast: Adresse 0x0000 richtet sich an alle Teilnehmer m Gruppenadressierung: 2-Byte Multicast-Adresse m Polling Adressierung: spezielle Multicast-Adresse an Busknoten derselben Linie; Abfrage gemeinsamer Statusmeldungen möglich

88 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Telegrammaufbau im EIB-System

89 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Typisches EIB-Gerät: Buskoppler (physikalischer Buszugriff und 8-Bit- Mikroprozessor für die Protokollsoftware) und Applikationsmodul

90 Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte Feldbusse Weitere EIB-Anwendungsmodule


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