1-1 Bernd SchürmannGrundlagen
AG Entwurfsmethodik Eingebetteter SystemeVorlesung: Bussysteme
Kapitel 7: Prozessbusse, Busse in der Automatisierung
hier: Kommunikation/Automatisierung in
• Steuerung: - Fabrik, Kraftwerk, ...- Gebäude- Fahrzeug, Flugzeug, ...- . . . .
• Fertigung: CIM (Computer Integrated Manufacturing)- Computer steuert den gesamten Entwurfs- und Fertigungsprozess- Prozesssteuerung kann als Teil von CIM angesehen werden
1-2 Bernd SchürmannGrundlagen
AG Entwurfsmethodik Eingebetteter SystemeVorlesung: Bussysteme
prinzipielle Struktur digitaler Automatisierungssysteme
• verteiltes System mit Leitstation(en), (vielen) Prozessstationen und Kommunikationssystem
• Kommunikationssystem kann - als Bus, - als hierarchisches Netzwerk mit Punkt-zu-Punkt-Verbindungen oder - als Kombination dieser beiden
realisiert sein
ProzessrechnerProzessrechner
Führungsrechner
techn.
HeizungVentil Thermoelement Durchflussmesser
Motor
Pumpe
Prozess
Signalumsetzer,Stromversorgung
Prozessebene
„Nahbus“ (Feldbus)
„Fernbus“ (LAN)
„Punkt-zu-Punkt“
Führungsebene
Stellglied
1-3 Bernd SchürmannGrundlagen
AG Entwurfsmethodik Eingebetteter SystemeVorlesung: Bussysteme
Betriebs-ebene
(Produktions)-Leitebene
Prozessleitebene/Führungs-(System)-Ebene
(Basis)-Steuerungsebene
„dezentrale Peripherie“
Sensor/Aktor-Ebene
ZykluszeitDatenmenge
min
s
0,1 s
MByte
kByte
Byte
Bitms
Bürobus(LAN, WAN)
S/A-Bus
Fabrikbus(MAP-Broad-
band)
FeldbusProzess-/
Zellenbus(MAP-Carrier-band, TCP/IP)
Management-
Zell-
Feld-
ebene
ebene
ebene
MAP (Manufacturing Automation Protocol)
1-4 Bernd SchürmannGrundlagen
AG Entwurfsmethodik Eingebetteter SystemeVorlesung: Bussysteme
Anforderungen/Wünsche an das Kommunikationssystem:
• Übertragungsmedium muss für industrielle Umgebung geeignet sein- unempfindlich gegenüber Störungen und Beschädigungen
(z.B. großer Temperaturbereich, Freiluft, Industrieluft, Meeresluft, mechanische Schwingungen, hohe Induktivitäten durch Motoren)
- Fehlertoleranz (z.B. redundante Auslegung)
• leichte und schnelle Wartbarkeit, Fehlerdiagnosemöglichkeit
• Buszugriffsverfahren muss meist Echtzeitverhalten garantieren → deterministisch
• Möglichkeit zur ereignisorientierten Kommunikation → Interruptmöglichkeiten
• auf Einsatzbereich zugeschnittene Übertragungsgeschwindigkeit und Wirtschaftlichkeit ⇒ nicht mehr als 10% ... 20% der Kosten eines Automatisierungsgerätes
für die Busankopplung
1-5 Bernd SchürmannGrundlagen
AG Entwurfsmethodik Eingebetteter SystemeVorlesung: Bussysteme
7.1 Sensor/Aktor-Busse
→ Busse der prozessnahesten Ebene
• Anforderungen an die Sensor/Aktor-Ebene:- Echtzeitverhalten: Systemreaktionszeit i.Allg. einige wenige Millisekunden- Einsatz unter Feldbedingungen (z.B. LWL wegen erhöhter EMV)- flächendeckende Topologie- Wirtschaftlichkeit
→ durch Feldbusse bzw. noch höheren Ebenen nicht/kaum realisierbarz.B. - 10 ms Zykluszeit,
- direkter Anschluss billiger Sensoren/Aktoren (ca. 50,- DM / Stück)
• mögliche Verbindungsstrukturen:
- Sensoren/Aktoren sind direkt mit Leitebene (SPS-Steuerung, Mikroprozessor) Punkt-zu-Punkt verbunden
- eine Gruppe von Sensoren/Aktoren ist sternförmig über eine Ein-/Ausgabeeinheit zusammengefasst und dann über einen Bus (i. Allg. Feldbus) mit der Leitebene verknüpft
- Sensoren und Aktoren haben alle selbst einen eigenen Busanschluss und kommunizieren über den Bus direkt mit der Steuerung - ohne Zwischenebene
1-6 Bernd SchürmannGrundlagen
AG Entwurfsmethodik Eingebetteter SystemeVorlesung: Bussysteme
Feldbus
SPS
CPUCPU PP BIBI
PPPPSensoren / Aktoren
Parallel-verdrahtung(sternförmig)
. . .
Parallel-verdrahtung(sternförmig)
Sensoren / Aktoren
. . .. . .
seriellerZubringerbus
seriellerBus
BI: Bus-InterfacePP: Prozessperipherie mit Parallelverdrahtung
SPS mit herkömmlicher Peripherie
SPS mit dezentral verteilter Peripherie
1-7 Bernd SchürmannGrundlagen
AG Entwurfsmethodik Eingebetteter SystemeVorlesung: Bussysteme
industrielle Beispiele: - Aktor-Sensor-Interface (ASI)- INTERBUS-S: herstellerspezifisch (Phoenix Contact)
7.1.1 Das Aktor-Sensor-Interface ASI
→ Ziel: direkte Kopplung der Sensoren/Aktoren mit der Steuerung über einen Bus
• Anforderungen (vgl. oben):- einfache Installation- einfache Inbetriebnahme und Wartung
→ möglichst ohne Schulung- günstiger Preis (da viele Busanschlüsse)
⇒ Daten und Energie für alle Sensoren und die meisten Aktoren über ein Zweileiterkabel
⇒ anspruchsloses, robustes Übertragungsverfahren ohne Einschränkung bzgl. Netztopologie
⇒ kleiner, kompakter, billiger Busanschluss(Forderungen werden von den meisten Bussystemen nicht erfüllt)
⇒ Entwicklung von ASI durch 11 Hersteller von Sensoren und Aktoren
1-8 Bernd SchürmannGrundlagen
AG Entwurfsmethodik Eingebetteter SystemeVorlesung: Bussysteme
• Master-Slave-Konzept mit einem Master:
- SPS- PC- Feldbus-Gateway
(z.B. zum Profibus)
ASI-Slaves
Sensor mitintegriertem
Bus-Interface Sensor mitexternemBus-Interface
Aktor mitintegriertem
Bus-Interface Aktor mitexternem Bus-Interfaceund eigenem Netzteil(→ konventionell)
ASI-Master
ASI ASI ASI ASI
Netz-teil
Steuerung
Netz-gerät
ASI-Master
Induktivtastermit eigenem
Koppelmodul
konventionelle Sensorenohne eigene Businterfaces
Businterface
Netz-gerät
1-9 Bernd SchürmannGrundlagen
AG Entwurfsmethodik Eingebetteter SystemeVorlesung: Bussysteme
Übertragungsmedium und Koppelmodul
• Übertragungsmedium: zwei alternative ungeschirmte Zweidrahtleitungen (→ max. 2 A bei 24 V):- 1,5 mm2 Stegleitung/Flachband-Starkstromleitung (→ preisgünstig)- 1,5 mm2 ASI-spezifische Flachbandleitung (→ Vorteile bei der Installation)
- Gesamtleitungslänge: 100 m (⇒ durch Repeater verlängerbar)- max. 100 mA Stromentnahme pro Slave- max. 1 Master und 31 Slaves pro Bus
aber: mehrere ASI-Stränge parallel schaltbar (⇒ max. 124 Sensoren/Aktoren)
• beliebige Netztopologien (Stern, Baum, Linie) durch Koppelmodule realisierbar
• Koppelmodul:- Kontaktierung in Form einer Durchdringungstechnik - Installation durch Einklipsen des ASI-Kabels ohne Schneiden und Abisolieren- jedes Koppelmodul kann 2 Kabel aufnehmen und diese elektrisch verbinden - zwei Arten von Anwendermodulen im Deckel:
- aktives Anwendermodul: enthält die Elektronik der eigentlichen Slave-Anschaltung → bis zu 4 konventionelle S/A anschließbar
- passives Anwendermodul: ohne eigene Elektronik → zur weiteren Verzweigung der ASI-Leitung
1-10 Bernd SchürmannGrundlagen
AG Entwurfsmethodik Eingebetteter SystemeVorlesung: Bussysteme
Struktur eines ASI-Slave
→ keine komplizierte Software notwendig
Stromver-sorgung
Sender
Empfänger
Ablauf-steuerung
EEPROM
DatenE/A
ParameterAusgabe
ASI+ASI-
Uout
0 VresetD0D1D2D3Data Strobe
P0P1P2P3ParameterStrobe
ASI-InterfaceSensor/Aktor-
Interface
enthält Register mitSlave-Adresse
wird bei Herstellung konfiguriert
1-11 Bernd SchürmannGrundlagen
AG Entwurfsmethodik Eingebetteter SystemeVorlesung: Bussysteme
Modulationsverfahren
• Anforderungen: - gleichstromfrei, da Datensignal der Energieversorgung überlagert ist- Master und Slaves müssen das Signal auf einfache Weise erzeugen können- schmalbandig, da die Dämpfung der Kabel schnell mit der Frequenz ansteigt
→ Verwendung der Alternating Pulse Modulation (APM):1. Manchester-Kodierung der Rohdaten (→ Phasenwechsel bei jeder Änderung des Sendesignals)
2. Erzeugung eines entsprechenden Sendestroms3. Sendestrom induziert über eine nur einmal im System vorhandene Induktivität einen
Signalspannungspegel, der größer als die Versorgungsspannung des Senders sein kann (→ neg. Spannung bei Stromanstieg, pos. Spannung bei Stromabfall)
⇒ niedrige Grenzfrequenz, wenn Spannungspulse etwa als sin2-Pulse geformt sind⇒ auf spezifizierten Leitungen Bitzeiten von 6 µs (⇒ 167 kBit/s) realisierbar
0 0 1
I
U0
UB
Sendebitfolge
Manchester-Code
Sendestrom
Bussignal(Sendespannung)
0
1-12 Bernd SchürmannGrundlagen
AG Entwurfsmethodik Eingebetteter SystemeVorlesung: Bussysteme
Übertragungsverfahren
• Buszugriffsverfahren: Master-Slave mit zyklischem Polling ⇒ echtzeitfähig• Master sendet Telegramm mit Adresse eines Slave (14 Bit à 6 µs)• Slave antwortet innerhalb einer vorgesehenen Zeit (7 Bit à 6 µs)• Master-Pause: i. Allg. 3, max. 10 Bitzeiten (danach geht Master davon aus,
dass keine Antwort mehr kommt und sendet nächste Anfrage• Slave-Pause: 1 Bitzeit (6 µs)
→ nur 5 Bit-Informationsfelder in Telegrammen, um Telegramme kurz zu halten
⇒ 14 + 3 + 7 +1 = 25 Bit je Zyklus ⇒ 150 µs je Zyklus⇒ 5 ms Gesamtzykluszeit bei 31 Slaves (ausreichend für SPS-Steuerungen)
0 SBA4 A3 A2 A1 A0 I4 I3 I2 I1 I0 PB 1 0 I3 I2 I1 I0 PB 1
ST EB ST EB
Master-Aufruf Master-Pause Slave-Antwort
Slave-Pause
A4...A0: Slave-Adresse (5 Bit)I4...I0: InformationsbitsPB: Paritätsbit
ST: StartbitSB: SteuerbitEB: Endebit
1-13 Bernd SchürmannGrundlagen
AG Entwurfsmethodik Eingebetteter SystemeVorlesung: Bussysteme
Datensicherheit→ Prüfung nach anderen Kriterien als bei bisher betrachteten Bussystemen
• wegen der Kürze der Telegramme wäre der Prüfsummen-Overhead zu groß• bei ASI wird auf OSI-Schicht 1 der Signalverlauf getestet:
sechzehnmalige Abtastung während einer Bitzeit
• folgender Regelsatz wird von Slave-Modul getestet:- Start-/Stoppbits: erster Impuls muss negativ, letzter Impuls muss positiv sein- aufeinanderfolgende Impulse müssen unterschiedliche Polarität haben- zwischen zwei Impulsen in einem Telegramm darf nur ein Impuls fehlen- kein Impuls in Pausen- gerade Parität
⇒ hohe Sicherheit: - alle Ein- und Zweifach-Impulsfehler erkannt- 99,9999% aller Drei- und Vierfach-Impulsfehler erkannt- Paritätsprüfung wird erst ab Dreifach-Impulsfehler wirksam
• theoretische Abschätzung:bei Bitfehlerrate von 100 Fehlern/s wird nur alle 10 Jahre ein fehlerhaftes Telegramm nicht erkannt
• fehlerhafte Telegramme werden wiederholt, erhöhen aufgrund ihrer Kürze aber kaum die Gesamtzykluszeit
1-14 Bernd SchürmannGrundlagen
AG Entwurfsmethodik Eingebetteter SystemeVorlesung: Bussysteme
7.1.2 INTERBUS-S
• herstellerspezifisch (Phoenix Contact)
• Master-Slave-System mit Master als Ankopplung an höheres Bussystem
• Zykluszeit eindeutig berechenbar, da nur “dumme” Sensoren/Aktoren ohneeigenen Kontroller eingesetzt werden; jeder Sensor/Aktor weist feste Anzahl an Messwerten bzw. Steuerwerten auf
• Zykluszeit ist abhängig von Anzahl von Stationen ⇒ i. Allg. wenige Millisekunden
• Ringtopologie: an ein vom Master ausgehenden Hauptring können über Busklemmen (→ spezielle Koppelkomponenten) Subringe angekoppelt werden
• Subringe können lokalen Charakter (→ Peripheriebus zur Bildung lokaler I/O- Cluster) haben oder zur Ankopplung dezentraler Einheiten über große Entfernungen (→ Installationsfernbus) dienen
• Datenhin- und -rückleitungen gehen durch alle Geräte, so dass sich eine Linien- bzw. Baumstruktur ergibt
1-15 Bernd SchürmannGrundlagen
AG Entwurfsmethodik Eingebetteter SystemeVorlesung: Bussysteme
Fernbus 400 m
400 m
Peripheriebus8 Teilnehmer, 10 m
Installationsfernbus50 m
Fernbus13 km
Busklemmen:- Repeater- schaltet alternative Wege
→ zur Systemkonfiguration→ zur Fehlerlokalisierung
Master
1-16 Bernd SchürmannGrundlagen
AG Entwurfsmethodik Eingebetteter SystemeVorlesung: Bussysteme
Übertragung (OSI-Schicht 1)
• Medium: - Twisted-Pair, 5 Adern (4 Datenleitungen und Masseleitung zwischen zwei Geräten) oder- LWL
• RS-485-Schnittstelle
• in jeder Busklemme kann das Medium gewechselt werden (Kupfer ↔ LWL)
• Übertragungsgeschwindigkeit: standardmäßig 500 kBit/s auch 125 kBit/sin Zukunft auch 2 MBit/s
• max. 13 km Gesamtausdehnung, max 400 m zwischen zwei Stationen
• max. 256 Teilnehmer
1-17 Bernd SchürmannGrundlagen
AG Entwurfsmethodik Eingebetteter SystemeVorlesung: Bussysteme
Übertragungsprotokoll (OSI-Schicht 2)
• Zugriffsverfahren: TDMA (Time Devision Multiple Access):jeder Teilnehmer erhält einen festen Zeitschlitz
• Summenrahmentelegramm: ein Telegramm für alle Stationen
⇒ Protokoll-Overhead wird mit steigender Zahl von Teilnehmern geringer⇒ Telegramm wird an alle Teilnehmer gesendet - jede Station entnimmt die für
sie bestimmten Teildaten aus dem Telegramm und fügt Daten für den Master ein (⇒ verteilte Schieberegisterstruktur)
CRC-Check CTRData n Data 1Data 2Data 3 Para 3Loopbackword
Station 3: Daten- und Parameterblock
Loopback-Wort: 16 Bit - Beginn eines neuen Telegramms des Masters
Data/Para: 16 Bit Nutzdaten2 Bit Start/Stop: ⇒ asynchrone Punkt-Punkt-Übertragung3 Kontrollbit (u.a. Data/Para-Unterscheidung)
CRC: 16 Bit-Prüfpolynom nach CCITT
CTR: 16 Bit mit denen die Stationen dem Master die fehlerfreie Datenübertragung bestätigen
1-18 Bernd SchürmannGrundlagen
AG Entwurfsmethodik Eingebetteter SystemeVorlesung: Bussysteme
Master
S1 S2 A3 S4
CTR CTR
CTR CTR
CTR
CRC0
CRC1
CRC2
CRC3
CRC4
LBW
S1 S2 A3 S4 LBW LBW
LBW
LBW
S1
S1 S1
S1
S2
S2
S2
A3
A3 S4
S2 A3
A3
S4
S4
S4
AnfangEnde Daten an Slaves
Daten zum Master
1-19 Bernd SchürmannGrundlagen
AG Entwurfsmethodik Eingebetteter SystemeVorlesung: Bussysteme
7.2 Feldbusse
• Busse oberhalb der Sensor/Aktor-Ebene• i. Allg. Multimaster-Busse• Ebenen lassen sich aber nicht immer genau abgrenzen
(oft werden Sensor/Aktor-Busse zu den Feldbussen gerechnet)
• Anforderungen an Feldbusse
- Entfernungen: einige Meter .... einige Kilometer
- flächendeckend, aber Unterstützung relativ autonomer Teilbereiche
- Flexibilität: zusätzliche Busteilnehmer sollten problemlos eingebracht werden können
- harte Zeitanforderungen:- maximale Reaktionszeit des Systems, Echtzeitfähigkeit- je nach Anwendung Reaktionszeiten im Millisekunden- .... Sekundenbereich
- aus wirtschaftlichen Gründen: serielle Bussysteme
- Zuverlässigkeit: Bussysteme sind störanfälliger als sternförmige Verkabelung ⇒ entspr. Maßnahmen notwendig, um Ausfallwahrscheinlichkeit zu reduzieren
(z.B. entspr. Kodierung, Fehlererkennung, störunempfindliches Übertragungsmedium)
1-20 Bernd SchürmannGrundlagen
AG Entwurfsmethodik Eingebetteter SystemeVorlesung: Bussysteme
7.2.1 PROFIBUS (Process Field Bus)
• herstellerübergreifend: von 14 Herstellern und 5 wissenschaftlichen Instituten entwickelt• hoher Verbreitungsgrad in Europa, in Deutschland nationale Feldbusnorm (DIN E 19245)• drei Varianten (s.u.)
• Linienstruktur (Bus) mit kurzen Stichleitungen
• Multi-Master-Bus mit Token-Passing Zugriffsverfahren
• Buszuteilung: - logischer Tokenring unter aktiven Teilnehmern (z.B. SPS-Steuerung)- Busmaster kann mit passiven Teilnehmern (Sensoren/Aktoren) kommunizieren- Kommunikationsdauer hängt von der Token-Soll-Umlaufzeit ab,
die vom Master mit gemessener, tatsächlichen Tokenumlaufzeit verglichen wird- jeder Master darf mindestens eine hochpriore Nachricht absenden und weitere
normale Nachrichten, wenn Token Soll-Umlaufzeit noch nicht überschritten ist⇒ gut vorhersagbares Echtzeitverhalten
Bus
1 2
3 4 5
6
7 8
aktive Teilnehmer(z.B. SPS, IPC)
passive Teilnehmer(Sensoren, Aktuatoren)
logischer Token-Ring
2 Prioritätsebenen
1-21 Bernd SchürmannGrundlagen
AG Entwurfsmethodik Eingebetteter SystemeVorlesung: Bussysteme
Übertragung (OSI-Schicht 1)
• Medium: - Shielded-Twisted-Pair (Bussegmente passiv abgeschlossen) → RS-485-Schnittstelle, NRZ-Kodierung
und/oder- LWL (für störbehaftete Umgebung)
• max. Leitungslänge abhängig von Übertragungsgeschwindigkeit/Fasertyp:
• Verlängerung durch max. 7 bidirektionale Repeater zwischen zwei Stationen• Kopplung Kupfer ↔ LWL möglich
• max. Anzahl von Teilnehmern: - zeitkritische Anwendungen: 32 (in einem Segment)- unkritische Anwendungen: 126 (insgesamt)
Kupferkabel Lichtwellenleiter
Bandbreite[kBit/s]
max. Länge je Segment[m]
Fasertypmax. Länge
[m]
9,6 / 19,2 / 93,75 1.200 Multimode-Glasfaser 2.000 - 3.000
187,5 600 Monomode-Glasfaser > 15.000
500 400 Kunststofffaser < 80
1.200 100 PCF-Faser 500
1-22 Bernd SchürmannGrundlagen
AG Entwurfsmethodik Eingebetteter SystemeVorlesung: Bussysteme
Übertragungsprotokoll (Schicht 2: FDL - Fieldbus Data Link)
• zeichenorientierte Übertragung: ein Zeichen besteht aus 11 Bit (→ UART1-Zeichen)
→ verschiedene Telegrammformate, die vier Kategorien zugeordnet werden können:
Start Daten Parity Stopp
0 DDDDDDDD P 1
1. UART = Universal Asynchronous Receiver-Transmitter - s. serielle Schnittstelle
SD1 DA SA FC FCS ED
SD2 DA SA FC FCS EDDaten
SD3 DA SA FC FCS EDDatenLE LEr SD3 Daten
Format mit fester Informationsfeldlänge (L = 3) ohne Daten (D = 0)
Format mit variabler Informationsfeldlänge (L = 4 ... 249)
Format mit fester Informationsfeldlänge (L = 11) mit Daten
8 Zeichen
0 ... 246 Zeichen
SD1 ... SD4: Startsequenz (Start Delimiter)
LE, LEr: Längenbyte (Length)
DA: Zieladresse (Destination Address)
SA: Quelladresse (Source Address)
FC: Kontrollbyte (Frame Control)
FCS: Prüfpolynom (Frame Check Sequence)
ED: Endesequenz (End Delimiter)SD4 DA SA
Tokenformat(Wiederholung)
1-23 Bernd SchürmannGrundlagen
AG Entwurfsmethodik Eingebetteter SystemeVorlesung: Bussysteme
• Zugriff der Anwendung auf Telegramme über verschiedene Dienste:
Höhere Schichten
• OSI-Schichten 3 ... 7 sind beim PROFIBUS nicht vollständig ausgeprägt⇒ direkt auf der FDL-Schicht (Schicht 2) sitzt die Anwendungsschicht
• Anwendungsschicht (Schicht 7) ist in zwei Teilschichten unterteilt:- untere Teilschicht: LLI - Lower Layer Interface
→ Schnittstelle zwischen Anwendungsschicht und Schicht 2→ Realisierung der Schnittstelle zur FMS-Schicht über 5 Dienste
- obere Teilschicht: FMS - Fieldbus Message Specification→ Vielfalt von Diensten für den Anwender
SDNSend Data with No acknowledge
meist für Broadcast-Nachrichten(⇒ Adresse 127)
SDASend Data with Acknowledge
Elementardienst
SRDSend and Request Data
Elementardienst zur Datenabfrage
CSRDCyclic Send and Request Data
Empfänger hat in Zukunft zyklisch immer Daten zur Verfügung zu stellen⇒ Daten werden nicht erst bei Anfrage
erzeugt (wie bei SRD)
1-24 Bernd SchürmannGrundlagen
AG Entwurfsmethodik Eingebetteter SystemeVorlesung: Bussysteme
Zeitverhalten
• Reaktionszeit eines Masters ist abhängig von Anzahl der Slaves im System
• fallen ein oder mehrere Master aus, optimiert sich das System über spezielle Nachrichten selbst
• Token-Soll-Umlaufzeit stellt den Worst-Case für einen Umlauf dar
Overhead
• der Overhead beim PROFIBUS kann erheblich sein:- jedes Zeichen hat 3 Bit Overhead (Start, Parity, Stopp)- Telegrammformate besitzen mehr oder weniger viele Steuerzeichen
⇒ im Extremfall fallen bis zu 90% Steuerzeichen an
1-25 Bernd SchürmannGrundlagen
AG Entwurfsmethodik Eingebetteter SystemeVorlesung: Bussysteme
Varianten
• 1987 - 1991: Entwicklung des (Standard-) FMS-Profils→ 39 verschiedene Kommunikationsdienste→ nicht geeignet für zeitkritische Anwendungen
• 1993: Entwicklung von PROFIBUS-DP (Dezentrale Peripherie) für Einsatz im unteren Feldbusbereich→ Anwendung setzt direkt auf Schicht 2 auf (ohne LLI-Schicht)→ einfacheres Protokoll
⇒ schneller
• 1996: Entwicklung von PROFIBUS-PA (Prozessautomatisierung) → Unterschied zum DP-Profil nur im Übertragungsmedium→ wichtige Eigenschaft: Eigensicherheit (für explosionsgefährdete Bereiche)
(u.a. durch geringe Signalenergie und Übetragungsrate [max. 31,25 kbit/s])
Einsatzbereich Fertigungsautomatisierung Prozessautom.
Profil FMS(Field Message Specification)
DP(Dezentrale Peripherie)
PA(Prozessautomatisierung)
1-26 Bernd SchürmannGrundlagen
AG Entwurfsmethodik Eingebetteter SystemeVorlesung: Bussysteme
7.2.2 CAN (Controller Area Network)
• 1981 von Bosch und Intel entwickelt• Ursprung: Automobilbereich
(→ Reduzierung des KFZ-Gewichts, Vereinfachung der Kabelführung, Erweiterbarkeit, ...)
• Ziel: Vernetzung komplexer Controller und Steuergeräte• internationale Verbreitung u.a. in - Automobilbereich (Mercedes, BMW)
- Haushaltsgerätesektor (Bosch)- Textilmaschinen- Apparate der Medizintechnik
• auch als Sensor/Aktor-Bus bei Einhaltung von Echtzeitanforderungen einsetzbar
• preisgünstige Busanschaltkomponenten durch hohe Stückzahl
• zwei aktuelle Standards: CAN 2.0A und 2.0B
• Festlegung der OSI-Schichten 1, 2 und 7 → Schicht 7: CAN Application Layer (CAL)→ hier: nur Schichten 1 und 2
1-27 Bernd SchürmannGrundlagen
AG Entwurfsmethodik Eingebetteter SystemeVorlesung: Bussysteme
Übertragung (OSI-Schicht 1)
• Medium: Shielded-Twisted-Pair (RS-485)NRZ-Kodierung, Bitstuffing
• differentielle Spannungspegel (bei Zweidraht), um Störungen durch elektromagnetische Einstrahlung zu vermeiden
• hohe Datenübertragungsrate: 10 kBit/s ... 1 MBit/s (→ in Praxis: effektiv 500 kBit/s) bei Buslängen von 40 m bis 1 km
• kurze Nachrichten in Blöcken von max. 8 Byte (s.u.)⇒ geringe Latenzzeit, kurze Reaktionszeit (bei 40 m und 1 MBit/s: 134 µs Reaktionszeit)
• Multi-Master-Bus mit serieller Übertragung
• Differenzierung zwischen hochprioren und normalen Nachrichten⇒ viele hochpriore Nachrichten können normalen Nachrichten den Buszugang versperren
• max. 2032 Identifier (→ 11 Bit) für verschiedene Nachrichtenobjekte⇒ CAN ist nachrichten-/objektorientiert (nicht teilnehmerorientiert)
(keine Adressen in Nachrichten, sondern Broadcast - jede Station muss selbst aus Nachrichten-Id herausfinden, welche Nachricht für sie ist)
• wichtig: Übertragungssicherheit und Datenkonsistenz (→ starke Störungen im Automobilbereich)→ CRC-Prüfung→ Restfehlerwahrscheinlichkeit von 10-13
1-28 Bernd SchürmannGrundlagen
AG Entwurfsmethodik Eingebetteter SystemeVorlesung: Bussysteme
Buszugriff (OSI-Schicht 2a - MAC)
• Busarbitrierung: CSMA/CA: dezentrale, bitweise, prioritätsgesteuerte Arbitrierung → dominante (“0”) und rezessive (“1”) Spannungspegel
• Voraussetzung: alle Stationen fangen zur gleichen Zeit mit Arbitrierung an (→ quasisynchron)
Bitorientierter Nachrichtenaustausch (OSI-Schicht 2b - LLC)
• 4 Rahmenformate:
- Data Frame: Datenübertragung
SO
F
Ident RT
R
DLC
3 2 1 0
Data CRC ACK EOF IFS
11 0...64 15 7 3
Arbitrierungs-feld
Steuer-feld
Datenfeld CRC-Feld ACK-Feld
IDE
r0CAN 2.0A
1-29 Bernd SchürmannGrundlagen
AG Entwurfsmethodik Eingebetteter SystemeVorlesung: Bussysteme
- Remote Frame: Anforderung von Daten
IDE ext. Ident
RT
R
DLC
3 2 1 0
Data CRC ACK EOF IFS
18 0...64 15 7 3
Arbitrierungs-feld
Steuer-feld
Datenfeld CRC-Feld ACK-Feld
SOF, EOF, IFS: Start Of Frame, End Of Frame, Inter Frame SpaceRTR: Remote Transmission Request (→ Anforderung einer Nachricht)
0 = Data Frame; 1 = Remote FrameSRR: Substitute Remote RequestIDE: Identifier Extension Bit (CAN 2.0A: “0”, CAN 2.0B: “1”)Steuerfeld: r0, r1 reserviert für Extended CAN, 4 Bit Datenlänge (DLC - Data Length Control)ACK: Sender überträgt rezessives Bit (“1”), Knoten, die fehlerfrei empfangen
haben, senden dominantes Bit (“0”) in diesem Feld
SO
F
Ident
r0 r1SR
R
11
CAN 2.0A
1-30 Bernd SchürmannGrundlagen
AG Entwurfsmethodik Eingebetteter SystemeVorlesung: Bussysteme
- Error Frame: Fehlererkennung
- Overload Frame: Flussregelung
Fehlererkennung
• keine Quittierung, da mehrere Empfänger angesprochen (→ Multicast)
• ACK-Feld: sobald ein Empfänger korrekte Nachricht erkennt, überschreibt er die rezessive “1”→ Sender prüft die “0”, um Sendefehler auszuschließen
• jeder Sender liest seine Daten (außer Arbitrierung und ACK)⇒ Detektion von Bitfehlern
• Bit-Stuffing: max. 5 gleiche Bits
• Error-Frame: sobald eine Station einen Fehler erkannt hat, sendet sie 6 dominante “0”→ Verletzung der Bit-Stuffing-Regel, wodurch Fehler von anderen erkannt wird→ andere Stationen senden ebenfalls Fehlerflag
→ durch Überlagerung wird Error-Frame max. 12 “0” lang
EOFData IFS
86
6...12
(primär) (sekundär)
1-31 Bernd SchürmannGrundlagen
AG Entwurfsmethodik Eingebetteter SystemeVorlesung: Bussysteme
7.2.3 Weitere Bussysteme im Automatisierungsbereich
Anwendungsfeld Bezeichnung
S/A-Ebene• VariNet-2 (Pepperl + Fuchs)• Merkur • ME-Net
Fabrikautomation
• Bitbus (von Intel; IEEE 1118 standardisiert) • FIP (Factory Instrumentation Protocol) • DIN-Messbus• SERCOS (Serial Real-Time Comm. System)• II/O-Feldbus (Industrial I/O)
Gebäude
• LON (Local Operating Network)• EIB (European Installation Bus)• Powerline• HBS (Home-Bus-System)
Kraftfahrzeuge• SAE J1850• ABUS• I-, M-, P-Bus