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| Profibus Übertragungstechnik
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 |
 
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.
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.
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:
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.
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.
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.
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.
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.
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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