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Institut für Prozessinformatik und Leittechnik (Institute of Process Information Technology and Control Systems)Hochschule für Technik Wirtschaft und Kultur Leipzig
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Impressum
Dokument-Abschnitte
Protokoll
Zugriffsverfahren
Betriebszustände
Steuerkommandos
Schnittstelle zur Schicht 2 des PROFIBUS
Datenverkehr zwischen DP-Master (Klasse 1) und den DP-Slaves
Datenverkehr zwischen DP-Master (Klasse 1) und DP-Master (Klasse 2)
Zeitverhalten von PROFIBUS DP
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Profibus Übertragungstechnik

Protokoll

Bei PROFIBUS sind die Bits nach der NRZ-Methode (Non Return to Zero) codiert. Die Daten werden in Form eines UART-Zeichens übertragen. D.h. um 8 Datenbit zu übertragen werden tatsälich 11 Bits benötigt (Startbit, 8 Datenbit, Paritätsbit, Stopbit). Damit ein Empfänger das Ende eines Telegramms sicher erkennt, ist eine Busruhe von 33 Bitzeiten vorgeschrieben. Das Telegramm für PROFIBUS DP besitzt folgenden Aufbau:

Aufbau des Profibus DP Telegramms

Bei PROFIBUS FMS gibt es zusätzlich noch folgende Telegrammvarianten:

Aufbau des Profibus FMS Telegramms

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Zugriffsverfahren

Beim PROFIBUS handelt es sich um ein Multi-Master-System. Der kontrollierte Buszugriff wird mittels einer hybriden Buszugriffsmethode geregelt, d.h. aktiven Teilnehmern erhalten ihre Buszugriffsberechtigung nach dem TOKEN-Bus-Verfahren, während für die Kommunikation zwischen aktiven und passiven Teilnehmern das Master-Slave-Prinzip eingesetzt wird.

Token-Bus-Verfahren

Das Token wird von aktiven Teilnehmern zu aktiven Teilnehmern in numerisch aufsteigender Adreßfolge mit dem Token-Telegramm weitergegeben. Zur Schließung des logischen Rings leitet der Teilnehmer mit der höchsten Adresse das Token an den Teilnehmer mit der niedrigsten Adresse weiter. Die Reinitialisierung des logischen Token-Rings und die Aktualisierung der Adresslisten (passive und aktive Teilnehmer) werden mittels verschiedener Mechanismen gewährleistet, welche alle über den Bus abgewickelt werden. Mithilfe dieser Mechanismen ist der PROFIBUS in der Lage, ausgefallene Teilnehmer zu erkennen und diese kenntlich zu machen (Jeder Master führt dazu eine sog. GAP-Liste). Der Teilnehmer, der aktuell im Besitz des Tokens ist, hat das Recht auf den Bus zuzugreifen. Dieser Zugriff muß dabei nicht einmalig sein. Wie oft der aktive Teilnehmer den Bus benutzen darf, hängt von verschiedenen zeitlichen Randbedingungen ab. Die Token-Soll-Umlaufzeit (Target-Rotation-Time), welche als Parameter vorzugeben ist, wird von jedem Master mit seiner gemessenen tatsächlichen Tokenumlaufzeit verglichen. In jedem Fall hat der Master das Recht, mindestens eine hochpriore Nachricht abzusetzen. Der Master hat die Möglichkeit, weitere Nachrichten zu versenden, solange die Token-Soll-Umlaufzeit nicht überschritten wird. Auf diese Weise wird die Nutzdauer der Busbelegung optimiert.

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Betriebszustände

Um eine weitgehende Austauschbarkeit der Geräte zu erreichen, wurde bei PROFIBUS DP auch das Systemverhalten standardisiert. Es wird im wesentlichen durch den Betriebszustand des DP-Masters der Klasse 1 (DPM1) bestimmt. In allen drei Hauptzuständen dieses Masters ist die Kommunikation mit Projektierungs- oder Diagnosegeräten möglich. Es werden folgende drei Hauptzustände unterschieden:

Stop:Es findet kein Datenverkehr zwischen dem Master und dem Slave statt.
Clear:Der Master liest die Eingangsinformationen der Slaves und hält die Ausgänge der Slaves im sicheren Zustand.
Operate:Der Master befindet sich in der Datentransferphase. In einem immer wiederkehrenden Zyklus werden die Eingänge der Slaves gelesen und die Ausgangsdaten an sie übertragen.

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Steuerkommandos

Zusätzlich zu dem teilnehmerbezogenen Nutzdatenverkehr können die Master auch Steuerkommandos an einen Slave, eine Gruppe von Slaves oder an alle Slaves senden, und zwar gleichzeitig. Mit diesen Steuerkommandos lassen sich die Sync- und die Freeze-Betriebsarten zur Synchronisation der Slaves vorgeben, womit eine ereignisgesteuerte Synchronisation der Slaves möglich wird.

Sync-SteuerkommandoEs wird von einem Master gesendet, und "friert" bei den adressierten Slaves die Ausgänge auf den momentanen Zustand ein. Bei den folgenden Nutzdatenübertragungen werden die Ausgangsdaten bei den Slaves gespeichert, die Ausgangszustände bleiben jedoch unverändert. Beim Erteilen des nächsten Sync-Steuerkommandos erfolgt das Durchschalten der gespeicherten Ausgangsdaten auf die Ausgänge. Mit dem Unsync-Kommando kann der Sync-Betrieb beendet werden.
Freeze-SteuerkommandoAnalog zum Sync-Steuerkommando ermöglicht Freeze die Eingänge auf den momentanen Wert "einzufrieren". Die Eingangsdaten werden erst dann wieder aktualisiert, wenn der DP-Master das nächste Freeze-Steuerkommando an die betroffenen Geräte gesendet hat. Mit einem Unfreeze-Kommando wird der Freeze-Betrieb wieder beendet.

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Schnittstelle zur Schicht 2 des PROFIBUS

Der Zugriff des Anwenders auf die Schicht 2 erfolgt nicht direkt über die Telegrammformate. Es sind verschiedene Dienste festgelegt, durch die dieser Zugriff definiert wird. Die Dienste selbst werden wiederum in verschiedene Dienst - Primitive aufgeteilt, deren sequentielle Abfolge den jeweiligen Dienst realisieren. Dies gilt grundsätzlich für alle Dienste beim PROFIBUS, auch für die Dienste der Schicht 7.

Die Dienste sind im einzelnen :

SDA - Send Data with Acknowledge

Dieser Dienst erlaubt dem User eines aktiven Teilnehmers, Userdaten an einen einzelnen Teilnehmer zu senden. Der Sender erhält eine Bestätigung über den Empfang oder Nichtempfang der Userdaten. Sollte sich ein Fehler in der Übertragung ereignen, wiederholt der untere Teil der Schicht 2 selbständig die Datenübertragung.

SDN - Send Data with No Acknowledge

Dieser Dienst erlaubt einem User, Daten an einen einzelnen Teilnehmer, an mehrere (Multicast) oder an alle (Broadcast) Teilnehmer gleichzeitig zu senden. Der Sender erhält eine Bestätigung über das Beenden der Übertragung. Eine Bestätigung über den ordnungsgemäßen Empfang der Daten wird nicht gegeben, da es sonst zu einer Kolison auf dem Bus kommt.

SRD - Send and Request Data with Reply

Dieser Dienst erlaubt einem User, Daten an einen einzelnen Teilnehmer zu senden und gleichzeitig von diesem Daten anzufordern. Der User empfängt entweder die angeforderten Daten oder eine Anzeige, daß die Daten nicht verfügbar waren oder eine Bestätigung über den Nichtempfang der gesendeten Daten. Sollte sich ein Fehler in der Übertragung ereignen, wiederholt der untere Teil der Schicht 2 selbständig die Datenübertragung.

CSRD - Cyclic Send and Request Data with Reply

Dieser Dienst erlaubt einem User, zyklisch Daten an einen einzelnen Teilnehmer zu senden und gleichzeitig von diesem Daten anzufordern. Die einzelnen Teilnehmer müssen in einem Dienst -Primitiv vorgegeben werden (Poll - Liste). Der User empfängt zyklisch entweder die angeforderten Daten oder eine Anzeige, daß die Daten nicht verfügbar waren oder eine Bestätigung über den Nichtempfang der gesendeten Daten. Sollte sich ein Fehler in der Übertragung ereignen, wiederholt der untere Teil der Schicht 2 selbständig die Datenübertragung. Die gewünschten Teilnehmer und die Anzahl und Reihenfolge der Datensendungen mit Anforderungen für den zyklischen Betrieb muß der Sender durch die Poll - Liste vorgeben.

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Datenverkehr zwischen DP-Master (Klasse 1) und den DP-Slaves

Die Zugehörigkeit eines Slaves zu einem Master wird bei der Projektierung des Bussystems durch den Anwender festgelegt. Die Kommunikation des Masters mit dem ihm zugeordneten Slaves erfolgt in einer festgelegten, immer wiederkehrenden Reihenfolge.

Der Datenverkehr gliedert sich dabei in die Parametrierungs-, die Konfigurations- und die Datentransfer-Phase. Bevor ein Slave in die Datentransferphase aufgenommen wird, prüft der Master in der Parametrierungs- und Konfigurations-Phase, ob die projektierte Sollkonfiguration mit der tatsächlichen Gerätekonfiguration übereinstimmt. Der Vergleich beinhaltet die Überprüfung der Anzahl der Ein- und Ausgänge sowie deren Datenkonsistenz. Die Überprüfung des Gerätetypes erfolgt anhand der Ident-Nummer. Abschließend prüft der Master die Betriebsbereitschaft des DP-Slaves.

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Datenverkehr zwischen DP-Master (Klasse 1) und DP-Master (Klasse 2)

Zusätzlich zu den Funktionen zwischen Master und Slave gibt es auch Funktionen für die Kommunikation von Master zu Master. Sie ermöglichen es den Projektierungs- und Diagnosegeräten, das System über den Bus zu projektieren. Die Projektierungsdaten eines Masters und der zugehörigen Slaves werden als Master-Parametersatz bezeichnet. Sie können mit den Download-Funktionen in den Master übertragen oder mit den Upload-Funktionen aus dem Master ausgelesen werden. Weiterhin bieten die Master-Master-Funktionen die Möglichkeit, einzelne Slaves dynamisch aus der zyklischen Bearbeitung des Masters zu entfernen oder wieder aufzunehmen, die Busparameter zu ändern, Statistikzähler oder Diagnosemeldungen auszulesen sowie den Betriebszustand des Masters zu steuern. Die Multimaster-Fähigkeit erlaubt es auch, mehrere Diagnosegeräte gleichzeitig am Bus zu betreiben, um komplexe Störungen leichter zu finden.

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Zeitverhalten von PROFIBUS DP

Die "abgespeckte" Architektur von PROFIBUS DP und die daraus resultierenden niedrigen Buszykluszeiten machen ihn interessant für zeitkritische Anwendungen. Eine wichtige Maßnahme zur Verbesserung des Zeitverhaltens ist die Steigerung der Übertragungsrate auf bis zu 12 Mbit/s. Bei PROFIBUS DP mit 12 Mbit/s ist die Verzögerungszeit des Feldbus auch bei einer größeren Anzahl von Slaves und E/A-Daten vernachlässigbar klein. Diese hohe Übertragungsrate läßt sich aber in industrieller, stark elektromagnetisch "verseuchter" Umgebung nicht immer realisieren. In diesem aall muß die Übertragungsrate stufenweise verringert werden.

Zykluszeiten

Die erhebliche Geschwindigkeitssteigerung gegenüber PROFIBUS FMS ist insbesondere darauf zurückzuführen, daß die Übertragung der Ein- und Ausgangsdaten in einem Nachrichtenzyklus durch Nutzung des SRD-Dienstes (Send and Receive Data Service) der Schicht 2 durchgeführt wird.

Nachrichtenzyklus bei PROFIBUS DP:

Nachrichten-Zyklus bei Profibus DP

Nachrichtenzyklus bei PROFIBUS FMS:

Nachrichten-Zyklus bei Profibus FMS

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Dokument-Version: 7 2004-11-08 16:47:54 +0000 (Mon, 08 Nov 2004) mayoXML Quelldatei
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