3.2 Feldbusse

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. einervollautomatischen 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-EbeneEbene 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)

4. 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)

5. 3.2 Feldbusse Zwischen den einzelnen Ebenen müssen Informationen ausgetauscht werden  Nachrichtenverbindungen müssen vorhanden sein Je nach Ebene wurdenhierfür verschiedeneKommunikationsmedienund –mechanismendefiniert:

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 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, ...)

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 0 .. 126)

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

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 GruppeContext-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 GruppeConfiguration-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 GruppeFault-Management • 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