1Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
Feldbusse
Spezielle Peripheriebusse mit schärferen Anforderungen, z.B. für Automatisierungssysteme
3.2.1 Überblick und Anwendungen Hierarchische Struktureines Automatisierungs-systems, z.B. einervollautomatischenProduktionsanlage:
2Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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
3Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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
ProzeßebeneEbene der Prozeßrechner. Hier werden die gemessenen
Größen überwacht und verarbeitet. Mittels Steuer- und
Regelalgorithmen werden die Stellgrößen ermittelt. (operative Aufgaben)
SystemebeneEbene 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)
4Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
LeitebeneEbene 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)
BetriebsebeneEbene 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)
5Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
Zwischen den einzelnen Ebenen müssen Informationen ausgetauscht werden
Nachrichtenverbindungen müssen vorhanden sein
Je nach Ebene wurdenhierfür verschiedeneKommunikationsmedienund –mechanismendefiniert:
6Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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
7Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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
8Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
9Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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, ...
10Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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, ...)
11Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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
12Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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
13Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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
14Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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
15Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
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, ...
Durch wachsende Anforderungen: ständige Erweiterungen der Profibus-Normen (z.B. Profi-Bus DP [Dezentrale Peripherie], PA, ...)
16Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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) erweitertwerden
17Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
maximale Entfernungen in Abhängigkeit von Baudrate und Repeateranzahl:
Maximale Teilnehmeranzahl pro Segment: 32
Maximale Gesamtteilnehmerzahl : 127
(begrenzt durch Teilnehmeradressbereich 0 .. 126)
Baudrate
maximale Entfernung
< 93 kB
187,5 kB
500 kB 12 MB
ohne Repeater 1200 m 600 m 200 m 50 m1 Repeater 2400 m 1200 m 400 m 100 m2 Repeater 3600 m 1800 m 600 m 150 m3 Repeater 4800 m 2400 m 800 m 200 m
18Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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)
19Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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
20Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
Beispiel einer KBL fürzwei Geräte:
Gerät A Gerät B Kommunikationsreferenz #1 #6 eigener Dienstzugangspunkt 17 20 Teilnehmeradresse des Partners 22 21 Dienstzugangspunkt des Partners 20 17
eine Nachricht, die unter
Kommunikationsreferenz #1
von Gerät A abgeschickt wurde, wird von Gerät B unter Kommunikations-referenz #6 empfangen
21Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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
22Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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
23Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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
24Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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)
25Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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
26Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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
27Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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, 2und 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
28Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
A
B
Cenable
Schema eines differenziellen Treiber der RS-485
+ +
Slave #n
Slave#1 Master
Steuereingang(Tx Enable)
Steuereingang(Tx Enable)
Sendedaten Empfangsdaten
Empfangsdaten Sendedaten
Bus A (-)
Bus B (+)
++ ++
Steuereingang(Tx Enable)
Empfangsdaten
Sendedaten
Bidirektionaler Bus
Zweidraht-Variante, Vierdraht-Variante auch möglich
Schicht1: physikalische Übertragungstechnik
30Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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
31Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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)
2 4 6
1 3 5 7
Token
Master
Slaves
32Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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
33Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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)
34Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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
35Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
Alle wesentlichen Dienste im Profi-Bus werden durch vier Dienstprimitive gesteuert:
Dienst.Request(Anforderung)
Dienst.Confirm(Bestätigung)
Dienst.Indication(Anzeige)
Dienst.Response(Antwort)
Dienstprimitive
36Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
Teilnehmer A
SDA.Confirm
SDA.Request
SDA.Indication
Telegramme
Teilnehmer B
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:
37Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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:
Teilnehmer A
SDN.Confirm
SDN.Request
SDN.Indication
Telegramme
Teilnehmer B,C, ...
38Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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
39Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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
40Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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, WriteÜbertragung von Variablen (einfache und zusammengesetzte Variablen)
41Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
Gruppe Domain Access
• Domain Upload, Domain DownloadÜbertragung von zusammenhängenden Speicherbereichen
Gruppe Program Invocation
• Start, Stop, Resume, Kill, ResetAusführen von Programmen in Feldbus-Teilnehmern
Gruppe Event Management
• Event NotificationEreignisgesteuerte Übertragung wichtiger Meldungen (z.B. Alarm)
42Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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
43Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
Gruppe OV-Management
• Get-OV, Put-OVÜbertragung der Objektverzeichnisse zwischen verschiedenen Teilnehmern
Gruppe Context-Management
• Initiate, Abort, RejectAufbau (Initiate) und Abbau (Abort) einer Verbindung, Ablehnung (Reject) einer Verbindung (z.B. wenn ein angesprochener Teilnehmer den von ihm geforderten Dienst nicht erbringen kann)
44Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
Basisdienste der Klasse Netzmanagementdienste Gruppe Context-Management
• FMA7-Initiate, FMA7-AbortAuf- und Abbau einer Verbindung zum Netzwerkmanagement
Gruppe Configuration-Management
• Status-Lokal/Remote, Set/Read-Value, Live-ListVerschiedene Funktionen zur Konfigurationsverwaltung, z.B. zum Laden und Lesen der Kommunikationsbeziehungs-liste (KBL), Zugriff auf Statistikdaten, aktuelle Busteilnehmererfassung
45Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
Gruppe Fault-Management • FMA7-Reset, FMA7-Event
Funktionen zur Fehlerverwaltung, Anzeige von Fehlerereignissen und Rücksetzen von Busteilnehmern
46Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
Beispiel: Dienstablauf des Read-Dienstes
47Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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
48Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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 bekannt5. Programmierung der Kommunikationsaufgabe
Erstellung der Anwendersoftware, welche die Profi-Bus Dienste benutzt
49Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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)
50Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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
51Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
Prinzipieller Aufbau einer Profibus-SchnittstelleEntlastet 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
52Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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
53Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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
54Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
CAN-Knoten
CAN-Knoten
CAN-Knoten
CAN-Knoten
CAN-Knoten
CAN-Knoten
CAN-Knoten
CAN-Knoten
Topologie bei CAN (Linien- bzw. Bustopologie)
55Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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
56Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
Fall 1 2 3 4
A sendet 0 0 1 1 B sendet 0 1 0 1 C empfängt (resultierender Buspegel)
0
0
0
1
CAN-Teilnehmer
‚A’
CAN-Teilnehmer
‚C’
CAN-Teinehmer
‚B’
CAN-Bus
Dominante 0 und rezessive 1 bei der CAN Übertragung
57Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
CAN-Teilnehmer
‚A’
CAN-Teilnehmer
‚C’
CAN-Teinehmer
‚B’
CAN-Bus
Bit-Nr = 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
A: Sendewunsch mit Identifier = 4210
= 000001010102 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0
B: Sendewunsch mit Identifier = 2410
= 000000110002 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0
C: empfängt (resultierender Identifier)
0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0
Bemerkung: Zum Zeitpunkt t=6 erkennt A die höhere Priorität von B und
zieht sich vom Senden zurück, danach sendet nur noch B.
Arbitrierung bei CAN
58Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
Startbit(1 Bit)
Identifier(11 Bits)
RTR-Bit(1 Bit)
Kontrollfeld(6 Bits)
Datenfeld(0..8 Bytes) ...
CRC-Sequenz(15 Bits)
CRC-Ende(1 Bit)
ACK-BIT(1 Bit)
ACK-Ende(1 Bit)
Endefeld(7 Bits)
Trennfeld(3 Bits)...
Startbit(1 Bit)
Identifier(11 Bits)
RTR-Bit(1 Bit)
Kontrollfeld(6 Bits)
Datenfeld(0..8 Bytes) ...
CRC-Sequenz(15 Bits)
CRC-Ende(1 Bit)
ACK-BIT(1 Bit)
ACK-Ende(1 Bit)
Endefeld(7 Bits)
Trennfeld(3 Bits)...
SRR-Bit(1 Bit)
IDE-Bit(1 Bit)
Identifier(18 Bits)
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
59Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
Topologie Linie mit Stichleitungen, abgeschlossen an beiden Enden
Buslänge 5 km bei 10 kbit/sec
25 m bei 1 Mbit/secÜbertragungsmedium 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
Eigenschaften
60Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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)
61Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
CA
N-B
us
Kommunikation
PDOs, SDOs, spezielle Funktionsobjekte, NMT-Objekte
Objektverzeichnis
Datentypen, Kommuni-kations- und Anwendungsobjekte
Anwendung
Anwendungsprogramm, Implementation des Geräteprofils
Ein-/
Ausgabe
Beispiel 1: CANopen zur genormten Interaktion veschiedener Geräte mittels CAN-Bus (auf Basis von CAN 2.0a)
62Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
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).
CANopen Geräteprofile
63Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
CAN-Bus
8 digitale Ausgänge 8 digitale Ausgänge
Steuerrechner CANopen
Gerätenummer 1
Teilnehmer B CANopen
Gerätenummer 3
Teilnehmer A CANopen
Gerätenummer 2
Schematischer Aufbau eines einfachen CANopen Bussystems
64Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
CAN- Bezeichnung
Identifier Kontroll-
feld ...
CANopen Bedeutung
Funktions-Code
Gerätenummer (bei NMT nicht verwendet)
Daten-länge
...
Feldlänge (4 Bit) (7 Bit) (4 Bit) ...
Wert 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0x2 ...
...
Datenbytes
...
NMT-Code
Geräte-nummer
- - - - - -
... (1 Byte) (1 Byte) - - - - - -
... 0x01 0x02 - - - - - -
NMT Objekt (Starten) Steuerrechner Teilnehmer 2
65Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
CAN- Bezeichnung
Identifier Kontroll-
feld ...
CANopen Bedeutung
Funktions-Code
Gerätenummer (bei NMT nicht verwendet)
Daten-länge
...
Feldlänge (4 Bit) (7 Bit) (4 Bit) ...
Wert 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0x2 ...
...
Datenbytes
...
NMT-Code
Geräte-nummer
- - - - - -
... (1 Byte) (1 Byte) - - - - - -
... 0x01 0x03 - - - - - -
NMT Objekt (Starten) Steuerrechner Teilnehmer 3
66Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
CAN- Bezeichnung
Identifier Kontroll-
feld ...
CANopen Bedeutung
Funktions-Code
Gerätenummer
Daten-länge
...
Feldlänge (4 Bit) (7 Bit) (4 Bit) ...
Wert 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0x1 ...
...
Datenbytes
...
8 digitale Ausgänge
- - - - - - -
... (1 Byte) - - - - - - -
... 0xff - - - - - - -
PDO (Setzen von Ausgängen) Steuerrechner Teilnehmer 2
67Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
Objekt Funktions-Code (binär)
Resultierender Identifier (dezimal)
Typ
NMT 0000 0 Broadcast SYNC 0001 128 Broadcast
TIME-STAMP 0010 256 Broadcast EMERGENCY 0001 129 – 255 Peer-to-Peer
PDO1 (tx) 0011 385 – 511 Peer-to-Peer PDO1 (rx) 0100 513 – 639 Peer-to-Peer PDO2 (tx) 0101 641 – 767 Peer-to-Peer PDO2 (rx) 0110 769 – 895 Peer-to-Peer SDO (tx) 1011 1409 – 1535 Peer-to-Peer SDO (rx) 1100 1537 – 1663 Peer-to-Peer
Nodeguard 1110 1793 – 1919 Peer-to-Peer
Zuordnung von Objekten, Funktionscodes und Identifiern bei CANopen
68Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
CAN- Bezeichnung
Identifier Kontroll-
feld ...
CANopen Bedeutung
Funktions-Code
Gerätenummer
Daten-länge
...
Feldlänge (4 Bit) (7 Bit) (4 Bit) ...
Wert 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0x1 ...
...
Datenbytes
...
8 digitale Ausgänge
- - - - - - -
... (1 Byte) - - - - - - -
... 0xf0 - - - - - - -
PDO (Setzen von Ausgängen) Steuerrechner Teilnehmer 3
69Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
Gefahrenbereich
Sicherheitszaun
Zu
ga
ng
stü
r Prozess
Feldbus
Türschalter
Not-Aus
Licht-gitter
Freigabe
Sicherheits-steuerung
Prozess-steuerung
Beispiel 2: SafetyBus p für sicherheitsrelevante Anwendungen
ohne Bus
70Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
Gefahrenbereich
Sicherheitszaun
Zu
ga
ng
stü
r Prozess
Feldbus
Türschalter
Freigabe
Sicherheits-steuerung
Licht-gitter
SafetyBUS p
Not-Aus
Prozess-steuerung
mit SafetyBus p
71Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
• Wiederholung von Telegrammen
• Einfügung von Telegrammen
• Falsche Abfolge von Telegrammen
• Verzögerung von Telegrammen
• Verlust von Telegrammen
Mögliche Übertragungsfehler
72Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
AP
BIP
SafetyBUS p (CAN Bus)
Transceiver
SafetyBUS p Kanal 1
SafetyBUS p Kanal 2
Mikrocontroller MC1
Mikrocontroller MC2
Teilredundante Hardware bei ‚sicheren Teilnehmern’
73Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
CAN-
Bezeichnung Identifier(11 Bits)
...
SafetyBUS p Verwendung
Start -bit
(1 Bit) Klasse(3 Bit)
Senderadresse(8 Bit)
RTR (1 Bit)
Kontroll -feld
(6 Bits) ...
...
... Datenbytes(0-8 Bytes)
... Kopf(1 Byte)
Empfänger(1 Byte)
Sichere Nutzdaten(max. 4. Byte)
CRC(2 Byte)
CRC-Feld
(16 Bit)
ACK-Feld
(2 Bit)
Ende -feld
(7 Bit)
Trenn -feld
(3 Bit)
...
Klasse: SicherheitsklasseKopf: Laufende Nummer eines TelegrammsEmpfänger: Empfängeradresse
Aufbau eines SafetyBUS p Telegramms (CAN-2.0a)
74Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 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 m E/A-Modul max. 256
E/A-Modul n+7
E/A-Modul max. 8......
...
...
...
...
Busklemme 1
Busklemme k
Master
... ...
3.2.4 Der INTERBUS
75Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
Master
Busklemme
E/A Modul (Peripheriebusgerät)
E/A Modul (Fernbusgerät)
Realisierung einer Baumstruktur mit Hilfe der bei INTERBUS verwendeten Ringstruktur
76Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
Zyklus der Datenübertragung bei INTERBUS: Summenrahmentelegramm durchläuft Schieberegister-
Master
Teilnehmer 1 Teilnehmer n ...
Daten von
Slave 1 (E)
Daten von
Slave 2 (E)
Daten von
Slave n (E) ...
Slave Slave 2 (A) Slave n (A) ...
SR 2
( Empfangen)
SR 1
(Senden)
Teilnehmer 2 ...
Slave
Slave...
Daten für ...
Date für Daten für
1 (A)
Loop Back Word
Loop Back Word
Frame Check Sequence
Frame Check Sequence
77Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
Summenrahmentelegramme bei INTERBUS
Summenrahmentelegramm beim Absenden im Master:
Name LBW Daten für Gerät 1
Daten für Gerät 2 ...
Daten für Gerät n FCS
Länge 16 Bit 4-64 Bit 4-64 Bit ... 4-64 Bit 32 Bit
Summenrahmentelegramm beim Empfangen im Master (nach Durchlaufen des Rings):
Name Daten von Gerät 1
Daten von Gerät 2
... Daten von Gerät n
LBW FCS
Länge 4-64 Bit 4-64 Bit ... 4-64 Bit 16 Bit 32 Bit
78Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
Topologie aktiver Ring
Buslänge max. 12,8 km (Fernbus)
max. 10 m (Peripheriebus)Übertragungsmedium Paarweise verdrillt, abgeschirmt;
LichtwellenleiterAnzahl Nutzdaten 4-64 Bit individuell für jeden Teilnehmer
Anzahl E/A Stationen max. 256 mit insgesamt max. 4096 E/As
Protokoll Summenrahmen Telegramm
Bitkodierung NRZ-Kodierung
Übertragungsrate 500 kBit/sec
Übertragungssicherheit CRC-Check (mit Hamming-Distanz 4),Loopback Word
Buszugriffsverfahren Festes Zeitraster
Busverwaltung Monomaster
Eigenschaften
79Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
Master
Stern
SPS, NC, RC, PC
Feldbus
Master
Stern
SPS, NC, RC, PC
Feldbus
3.2.5 ASI (Aktor Sensor Interface)
80Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
Mastertelegramm:
Start-bit
(1 Bit)
Steuer-bit
(1 Bit)
Slaveadresse
(5 Bit)
Befehl an Slave
(5 Bit)
Parität
(1 Bit)
Ende-Bit
(1 Bit)
Slavetelegramm:
Start-bit
(1 Bit)
Antwort an Master
(4 Bit)
Parität
(1 Bit)
Ende-Bit
(1 Bit)
Basistelegramme von Master und Slave beim ASI-Bus
81Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
Topologie Linie, Baum, Stern
Buslänge max. 100m (300m mit Repeater)
Übertragungsmedium ungeschirmte 2-Drahtleitung für Daten undEnergie
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 max. 4 ( => insgesamt max. 124)
Bitkodierung Modifizierte Manchester-Codierung:Alternierende Puls Modulation
Übertragungsrate 150 kBit/sec
Übertragungssicherheit Identifikation und Wiederholung gestörter
TelegrammeBuszugriffsverfahren Polling
Busverwaltung Monomaster
Eigenschaften (vor Version 2.1)
82Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
Topologie Linie, Baum, Stern
Buslänge max. 100m (300m mit Repeater)
Übertragungsmedium ungeschirmte 2-Drahtleitung für Daten undEnergie
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
TelegrammeBuszugriffsverfahren Polling
Busverwaltung Monomaster
Eigenschaften (ab Version 2.1)
83Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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
84Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
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)
85Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
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
EIB-Merkmale:
86Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
Bussystem in Linien organisiert Jede Linie bis zu 64 Geräte Bis zu 12 Linien über Linienkoppler zu Bereich
zusammengeschlossen Gesamtsystem besteht aus bis zu 15 Bereiche
zulässiger Adressraum von bis zu 11520 Geräten
Datenrate: 9600 Bits/s bei Twisted PairAusreichend für kurze Event- und SteuernachrichtenSprach- oder Bildübertragung ausgeschlossen
87Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
Übertragungsprotokoll: Physikalische Schicht: Twisted Pair:
Gleichspannung, 28 V, seriell asynchron Sicherungsschicht:
Prüfbyte für jedes TelegrammBestätigung erfolgreich empfangener Telegramme mit ACKCSMA/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 TeilnehmerGruppenadressierung: 2-Byte Multicast-AdressePolling Adressierung: spezielle Multicast-Adresse an Busknoten
derselben Linie; Abfrage gemeinsamer Statusmeldungen möglich
88Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
Telegrammaufbau im EIB-System
89Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
Typisches EIB-Gerät: Buskoppler (physikalischer Buszugriff und 8-Bit-Mikroprozessor für die Protokollsoftware) und Applikationsmodul
90Goethe-Universität Frankfurt am Main – Lehrstuhl für Eingebettete Systeme - Prof. Dr. U. Brinkschulte
3.2 Feldbusse
Weitere EIB-Anwendungsmodule
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