3.2 Feldbusse Feldbusse Spezielle Peripheriebusse mit schärferen Anforderungen, z.B. für Automatisierungssysteme 3.2.1 Überblick und Anwendungen   Hierarchische.

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1 3.2 Feldbusse Feldbusse Spezielle Peripheriebusse mit schärferen Anforderungen, z.B. für Automatisierungssysteme 3.2.1 Überblick und Anwendungen Hierarchische Struktur eines Automatisierungs- systems, z.B. einer vollautomatischen Produktionsanlage:

2 3.2 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 3.2 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 3.2 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 3.2 Feldbusse Zwischen den einzelnen Ebenen müssen Informationen ausgetauscht werden  Nachrichtenverbindungen müssen vorhanden sein Je nach Ebene wurden hierfür verschiedene Kommunikationsmedien und –mechanismen definiert:

6 3.2 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 3.2 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 3.2 Feldbusse

9 3.2 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 3.2 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 3.2 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 3.2 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 3.2 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 3.2 Feldbusse 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

15 3.2 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 3.2 Feldbusse Konfiguration des Profi-Bus Bus-Topologie:
Grundtopologie: Linie (Segment) mit über Stich- leitungen angekoppelten Komponenten Linienlänge je nach Übertragungs ge- schwindigkeit bis 1200 m Segmente können über Leitungsverstärker (Repeater) erweitert werden

17 3.2 Feldbusse maximale Entfernungen in Abhängigkeit von Baudrate und Repeateranzahl: Maximale Teilnehmeranzahl pro Segment: 32 Maximale Gesamtteilnehmerzahl : 127 (begrenzt durch Teilnehmeradressbereich ) Baudrate maximale Entfernung < 93 kB 187,5 kB 500 kB 12 MB ohne Repeater 1200 m 600 m 200 m 50 m 1 Repeater 2400 m 400 m 100 m 2 Repeater 3600 m 1800 m 150 m 3 Repeater 4800 m 800 m

18 3.2 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 3.2 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 3.2 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 3.2 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 3.2 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 3.2 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 3.2 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 3.2 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 3.2 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 3.2 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 3.2 Feldbusse Schicht1: physikalische Übertragungstechnik
A Bidirektionaler Bus Schema eines differenziellen Treiber der RS-485 B enable C Empfangsdaten Steuereingang (Tx Enable) Sendedaten Slave #n + Bus A (-) + Sendedaten Empfangsdaten Bus B (+) Steuereingang (Tx Enable) Steuereingang (Tx Enable) + + + + Empfangsdaten Sendedaten Master Slave#1 Zweidraht-Variante, Vierdraht-Variante auch möglich

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30 3.2 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 3.2 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 3.2 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 3.2 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 3.2 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 3.2 Feldbusse Alle wesentlichen Dienste im Profi-Bus werden durch vier Dienstprimitive gesteuert:

36 3.2 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 3.2 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 3.2 Feldbusse 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

39 3.2 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 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)

41 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)

42 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

43 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)

44 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

45 3.2 Feldbusse Gruppe Fault-Management FMA7-Reset, FMA7-Event
FMA7-Reset, FMA7-Event Funktionen zur Fehlerverwaltung, Anzeige von Fehlerereignissen und Rücksetzen von Busteilnehmern

46 3.2 Feldbusse Beispiel: Dienstablauf des Read-Dienstes

47 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 wir Baudrate, Teilnehmeradressen, etc. Wird durch Konfigurationssoftware unterstützt

48 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

49 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)

50 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

51 3.2 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 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

53 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

54 3.2 Feldbusse Topologie bei CAN (Linien- bzw. Bustopologie)

55 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

56 3.2 Feldbusse Dominante 0 und rezessive 1 bei der CAN Übertragung

57 3.2 Feldbusse Arbitrierung bei CAN

58 3.2 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 3.2 Feldbusse Eigenschaften Topologie
Linie mit Stichleitungen, abgeschlossen an beiden Enden Buslänge 5 km bei 10 kbit/sec 25 m bei 1 Mbit/sec Übertragungsmedium zweiadrig, verdrillt, abgeschirmt, seltener: LWL Anzahl Nutzdatenbytes pro Telegramm 0 - 8 Anzahl E/A Stationen Nur beschränkt durch die Treiberbausteine der CAN-Transceiver, nicht durch das Protokoll. Üblich: 30, mehr mit Repeatern/Spezialtreibern Bitkodierung NRZ-Kodierung mit dominanter 0 und rezessiver 1 Übertragungsrate 10 kbit/sec bis 1 Mbit/sec Übertragungssicherheit CRC-Check (mit Hamming-Distanz 6) Buszugriffsverfahren Polling- oder ereignisgesteuerter Betrieb möglich (CSMA/CA: bitweise, nicht zerstörende Arbitrierung) Busverwaltung Multimaster: Alle Teilnehmer sind gleichberechtigt, prioritätsgesteuert über Identifier

60 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)

61 3.2 Feldbusse Beispiel 1: CANopen zur genormten Interaktion veschiedener Geräte mittels CAN-Bus (auf Basis von CAN 2.0a)

62 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-Maschine-Schnittstellen (CiA WD-403), CANopen-Geräteprofil für Messwertaufnehmer und Regler (CiA WD-404) CANopen-Geräteprofil für IEC-1131-kompatible Steuerungen (CiA WD-405).

63 3.2 Feldbusse Schematischer Aufbau eines einfachen CANopen Bussystems

64 3.2 Feldbusse NMT Objekt (Starten) Steuerrechner  Teilnehmer 2

65 3.2 Feldbusse NMT Objekt (Starten) Steuerrechner  Teilnehmer 3

66 3.2 Feldbusse PDO (Setzen von Ausgängen) Steuerrechner  Teilnehmer 2

67 3.2 Feldbusse Zuordnung von Objekten, Funktionscodes und Identifiern bei CANopen

68 3.2 Feldbusse PDO (Setzen von Ausgängen) Steuerrechner  Teilnehmer 3

69 3.2 Feldbusse Beispiel 2: SafetyBus p für sicherheitsrelevante Anwendungen ohne Bus

70 3.2 Feldbusse mit SafetyBus p

71 3.2 Feldbusse Mögliche Übertragungsfehler Wiederholung von Telegrammen
Einfügung von Telegrammen Falsche Abfolge von Telegrammen Verzögerung von Telegrammen Verlust von Telegrammen

72 3.2 Feldbusse Teilredundante Hardware bei ‚sicheren Teilnehmern’

73 3.2 Feldbusse Aufbau eines SafetyBUS p Telegramms (CAN-2.0a)
Bezeichnung Identifier (11 Bits) ... SafetyBUS p Verwendung Start bit (1 Bit) Klasse (3 Bit) Senderadresse (8 Bit) RTR Kontroll feld (6 Bits) Datenbytes (0 8 Bytes) Kopf (1 Byte) Empfänger Sichere Nutzdaten (max. 4. Byte) CRC (2 Byte) Feld (16 Bit) ACK (2 Ende (7 Bit) Trenn Klasse: Sicherheitsklasse Kopf: Laufende Nummer eines Telegramms Empfänger: Empfängeradresse

74 ... 3.2 Feldbusse 3.2.4 Der INTERBUS 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 m E/A-Modul max. 256 E/A-Modul n+7 E/A-Modul max. 8 ... Busklemme 1 Busklemme k Master

75 3.2 Feldbusse Realisierung einer Baumstruktur mit Hilfe der bei INTERBUS verwendeten Ringstruktur

76 3.2 Feldbusse Master Zyklus der Datenübertragung bei INTERBUS:
Summenrahmentelegramm durchläuft Schieberegister - Master Teilnehmer 1 Teilnehmer n ... Daten von Slave 1 (E) 2 n (A) n (A) SR 2 ( Empfangen) SR 1 (Senden) Teilnehmer 2 Daten für Date für 1 (A) Loop Back Word Frame Check Sequence

77 3.2 Feldbusse Summenrahmentelegramme bei INTERBUS Name LBW Daten für
Summenrahmentelegramm beim Absenden im Master: Name LBW Daten für Gerät 1 Gerät 2 ... Gerät n FCS Länge 16 Bit 4 - 64 Bit 32 Bit Summenrahmentelegramm beim Empfangen im Master (nach Durchlaufen des Rings): N ame Daten von

78 3.2 Feldbusse Eigenschaften Topologie aktiver Ring Buslänge
max. 12,8 km (Fernbus) max. 10 m (Peripheriebus) Übertragungsmedium Paarweise verdrillt, abgeschirmt; Lichtwellenleiter Anzahl Nutzdaten 4-64 Bit individuell für jeden Teilnehmer Anzahl E/A Stationen max. 256 mit insgesamt max E/As Protokoll Summenrahmen Telegramm Bitkodierung NRZ-Kodierung Übertragungsrate 500 kBit/sec Übertragungssicherheit CRC-Check (mit Hamming-Distanz 4), Loopback Word Buszugriffsverfahren Festes Zeitraster Busverwaltung Monomaster

79 3.2 Feldbusse 3.2.5 ASI (Aktor Sensor Interface)

80 3.2 Feldbusse Basistelegramme von Master und Slave beim ASI-Bus

81 3.2 Feldbusse Eigenschaften (vor Version 2.1) Topologie
Linie, Baum, Stern Buslänge max. 100m (300m mit Repeater) Übertragungsmedium ungeschirmte 2-Drahtleitung für Daten und Energie Anzahl Nutzdaten pro Telegramm 5 Bit (Master  Slave) 4 Bit (Slave  Master) Anzahl Stationen max. 31 Anzahl Eingänge pro Station max. 4 ( => insgesamt max. 124) Anzahl Ausgänge pro Station Bitkodierung Modifizierte Manchester-Codierung: Alternierende Puls Modulation Übertragungsrate 150 kBit/sec Übertragungssicherheit Identifikation und Wiederholung gestörter Telegramme Buszugriffsverfahren Polling Busverwaltung Monomaster

82 3.2 Feldbusse Eigenschaften (ab Version 2.1) Topologie
Linie, Baum, Stern Buslänge max. 100m (300m mit Repeater) Übertragungsmedium ungeschirmte 2-Drahtleitung für Daten und Energie Anzahl Nutzdaten pro Telegramm 5 Bit (Master  Slave) 4 Bit (Slave  Master) Anzahl Stationen max. 62 Anzahl Eingänge pro Station max. 4 ( => insgesamt max. 248) Anzahl Ausgänge pro Station max. 3 ( => insgesamt max. 186) Bitkodierung Modifizierte Manchester-Codierung: Alternierende Puls Modulation Übertragungsrate 150 kBit/sec Übertragungssicherheit Identifikation und Wiederholung gestörter Telegramme Buszugriffsverfahren Polling Busverwaltung Monomaster

83 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

84 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 EIB- Weiterentwicklung gemeinsam mit Batibus und EHS (European Home System)

85 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

86 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 Geräten Datenrate: 9600 Bits/s bei Twisted Pair Ausreichend für kurze Event- und Steuernachrichten Sprach- oder Bildübertragung ausgeschlossen

87 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

88 3.2 Feldbusse Telegrammaufbau im EIB-System

89 3.2 Feldbusse Typisches EIB-Gerät: Buskoppler (physikalischer Buszugriff und 8-Bit-Mikroprozessor für die Protokollsoftware) und Applikationsmodul

90 3.2 Feldbusse Weitere EIB-Anwendungsmodule