Einführung in Profibus-DP

Zusammenfassung

ProfiBus wurde 1989 von der deutschen Regierung in Zusammenarbeit mit mehreren Herstellern von Automatisierungsgeräten entwickelt. Es handelt sich um ein Nachrichtenformat, das speziell für serielle Hochgeschwindigkeits-E/A in der Fabrik- und Gebäudeautomatisierung entwickelt wurde. Es ist ein offener Standard und gilt als der schnellste FieldBus, der heute in Betrieb ist. Er basiert auf RS485 und der europäischen elektrischen Spezifikation EN50170. Das Suffix DP steht für „Decentralized Periphery“ und bezeichnet verteilte E/A-Geräte, die über eine schnelle serielle Datenverbindung mit einer zentralen Steuerung verbunden sind. Im Gegensatz dazu sind bei einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) die Ein-/Ausgangskanäle normalerweise zentral angeordnet. Durch die Einführung eines Netzwerkbusses zwischen der Hauptsteuerung (Master) und ihren E/A-Kanälen (Slaves) haben wir die E/A dezentralisiert.
ProfiBus basiert auf universellen internationalen Standards und orientiert sich am OSI-Referenzmodell (Open System Interconnection) nach der internationalen Norm ISO 7498. In diesem Modell übernimmt jede Schicht genau definierte Aufgaben. Schicht 1 dieses Modells ist die physikalische Schicht und definiert die physikalischen Übertragungseigenschaften. Schicht 2 ist die Datenverbindungsschicht und definiert das Buszugriffsprotokoll. Schicht 7 ist die Anwendungsschicht und definiert die Anwendungsfunktionen. ProfiBus DP verwendet nur die Schichten 1 & 2 dieses Modells sowie die Anwenderschnittstelle. Die Schichten 3 bis 7 werden nicht verwendet.
Ein ProfiBus-System verwendet einen Bus-Master, um Slave-Geräte abzufragen, die auf einem seriellen RS485-Bus im Multi-Drop-Verfahren verteilt sind. Ein ProfiBus-Slave ist ein beliebiges Peripheriegerät (E/A-Wandler, Ventil, Netzwerkantrieb oder ein anderes Messgerät), das Informationen verarbeitet und seine Ausgabe an den Master sendet. Der Slave bildet eine „passive Station“ im Netzwerk, da er keine Buszugriffsrechte hat und nur empfangene Nachrichten quittieren oder auf Anfrage Antwortnachrichten an den Master senden kann. Es ist wichtig zu beachten, dass alle ProfiBus-Slaves die gleiche Priorität haben und die gesamte Netzwerkkommunikation vom Master ausgeht. Acromag E/A-Module bilden intelligente Slave-Geräte.

Acromag-Module implementieren das ProfiBus-Protokoll über einen Industriestandard SPC3 ASIC von Siemens. Dieser ASIC verhält sich wie ein RAM- oder UART-Chip zum internen Mikrocontroller und erfüllt die Anforderungen des Protokollstandards vollständig. Der ASIC überträgt Netzwerkdaten zum und vom Mikrocontroller und liefert automatisch die Antwort auf den Bus gemäß der ProfiBus-Spezifikation.
Ein ProfiBus-Master bildet eine „aktive Station“ im Netzwerk. ProfiBus DP definiert zwei Klassen von Mastern. Ein Master der Klasse 1 übernimmt die normale Kommunikation bzw. den Datenaustausch mit den ihm zugeordneten Slaves. Ein Master der Klasse 2 ist ein spezielles Gerät, das hauptsächlich für die Inbetriebnahme von Slaves und für Diagnosezwecke verwendet wird. Einige Master können sowohl Funktionen der Klasse 1 als auch der Klasse 2 unterstützen. Eine Master-to-Master-Kommunikation ist bei Profibus normalerweise nicht erlaubt, außer um einem anderen Master durch den Austausch eines Tokens Buszugriffsrechte zu gewähren. Eine Master-to-Master-Kommunikation zwischen zwei Mono-Master-Systemen kann jedoch mit Hilfe eines DP-DP-Gateways ermöglicht werden. Beachten Sie, dass der Austausch von Buszugriffsrechten über diesen „Token-Ring“ nur zwischen den Mastern am Bus gilt.
Ein Master-Gerät der Klasse 1 ist normalerweise eine zentrale speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) oder ein PC mit spezieller Software. Der Klasse-1-Master legt die Baudrate fest, und die Slave-Geräte erkennen diese Rate automatisch. Der Klasse-1-Master wickelt den Datenaustausch mit den ihm zugewiesenen Slaves ab und fungiert als Hauptcontroller für den Austausch von E/A-Informationen mit seinen verteilten Slaves, wobei er zyklisch E/A-Nutzdaten gemäß einem definierten Nachrichtenzyklus abruft. Ein Master kann aktiv mit den ihm zugewiesenen Slaves kommunizieren, aber nur passiv (auf Anfrage) mit einem anderen Klasse-2-Master-Gerät.
Der Klasse-2-Master ist in der Regel ein Konfigurationsgerät, z. B. ein Laptop oder eine Programmierkonsole, und wird für Inbetriebnahme, Wartung oder Diagnosezwecke bereitgestellt. Er verhält sich wie ein „übergeordneter“ Master, indem er zusätzlich zu seinen eigenen Slaves aktiv mit Klasse-1-Mastern und deren Slaves kommunizieren kann, jedoch in der Regel nur zum Zwecke der Konfiguration, der Problemdiagnose und des Daten-/Parameteraustauschs. Das heißt, Klasse-2-Master dürfen nur kurzzeitig die Kontrolle über einen Slave übernehmen. Der gesamte Datenaustausch zwischen einem Klasse-2-Master und einem Klasse-1-Master hat seinen Ursprung beim Klasse-2-Master.

ProfiBus DP arbeitet normalerweise mit einer zyklischen Datenübertragung zwischen Master(s) und Slave(s) in einem RS485-Netzwerk. Das heißt, ein zugewiesener Master fragt periodisch jeden Knoten (Slave) im Netz ab (Polling). Der gesamte Datenaustausch zwischen einem Master- und einem Slave-Gerät geht von dem Master-Gerät aus. Jedes Slave-Gerät ist einem Master zugewiesen, und nur dieser Master kann Ausgangsdaten an diesen Slave schreiben. Andere Master können Informationen von jedem Slave lesen, aber nur Ausgangsdaten an ihre eigenen zugewiesenen Slaves schreiben.
Master können einzelne Slaves, eine bestimmte Gruppe von Slaves (Multi-Cast) adressieren oder ein Telegramm an alle angeschlossenen Slaves senden. Slaves antworten auf alle individuell an sie adressierten Telegramme, nicht aber auf Broadcast- oder Multi-Cast-Telegramme eines Masters. ProfiBus sendet Broadcast- und Multi-Cast-Nachrichten als globale Steuertelegramme unter Verwendung der Adresse 127 und einer optionalen Gruppennummer für eine bestimmte Gruppe von Slaves.
Da ProfiBus einen zyklischen (periodischen) Polling-Mechanismus zwischen Mastern und Slaves verwendet, ist er auch deterministisch. Das heißt, das Verhalten eines ProfiBus-Systems kann im Laufe der Zeit zuverlässig vorhergesagt werden. Tatsächlich wurde ProfiBus entwickelt, um ein deterministisches Verhalten zu garantieren. Im Gegensatz dazu sind CAN und Ethernet ereignisgesteuerte Bussysteme und bilden folglich nicht-deterministische Systeme.
Die Länge (und das Timing) der E/A-Daten, die von einem einzelnen Slave zu einem Master übertragen werden, ist in der Gerätedatenbank oder GSD-Datei des Slaves vordefiniert. Die GSD-Dateien aller über das Netzwerk angeschlossenen Geräte (nur Slaves und Klasse-1-Master) werden zu einem Master-Parametersatz zusammengestellt, der Parametrierungs- und Konfigurationsdaten, eine Adresszuordnungsliste und die Busparameter für alle angeschlossenen Stationen enthält. Ein Master verwendet diese Informationen, um die Kommunikation mit jedem Slave während der Inbetriebnahme einzurichten.
Nachdem ein Master seinen Master-Parametersatz erhalten hat, ist er bereit, den Datenaustausch mit seinen Slaves zu beginnen. Während des Hochfahrens, nach einem System-Reset oder nach der Rückkehr zur Stromversorgung versucht ein Master, den Kontakt mit allen ihm zugewiesenen Slaves wiederherzustellen, bevor er den zyklischen Austausch von E/A-Daten aufnimmt. Jeder Slave muss bereits eine eindeutige gültige Adresse von 0-125 haben, um mit dem Master kommunizieren zu können. Jeder Slave, der eine Standardadresse von 126 hat, wartet auf den Befehl Set_Slave_Address von einem Master der Klasse 2, bevor er parametriert werden kann. Beim Versuch, eine Kommunikation aufzubauen, beginnt der Master mit dem Slave mit der niedrigsten Adresse und endet mit dem Slave mit der höchsten Adresse. Ein Master sendet Parametrierungs- und Konfigurationstelegramme an alle ihm zugeordneten Slaves (auf einen Slave kann nur der ihm zugeordnete Master schreibend zugreifen, also der Master, der ihn bei der Inbetriebnahme parametriert und konfiguriert hat). Die Parametrier- und Konfigurationstelegramme stellen sicher, dass die Funktionalität und Konfiguration eines Slaves dem Master bekannt ist. Wird ein zusätzlicher Slave zum Netzwerkbus hinzugefügt, der nicht bereits im Master-Datensatz berücksichtigt ist, muss ein neuer Master-Datensatz erzeugt und eine neue Konfiguration durchgeführt werden, damit der Master über den Status des neuen Geräts informiert ist.

ProfiBus DP verwendet in den meisten Fällen ein einzelnes Klasse-1-Master-Gerät (Mono-Master), das zyklisch viele verteilte Slaves abfragt. ProfiBus ermöglicht jedoch auch eine azyklische Kommunikation zwischen Klasse-2-Mastern und -Slaves, so dass mehr als eine aktive Station oder ein Master möglich ist. Ein Klasse-1-Master erkennt automatisch das Vorhandensein einer neuen aktiven Station, die an den Netzwerkbus angeschlossen ist (ein Klasse-2-Master). Wenn der Klasse-1-Master seinen Abfragezyklus abgeschlossen hat, übergibt er dem Klasse-2-Master ein „Token“, das ihm vorübergehenden Zugang zum Bus gewährt. Das deterministische Verhalten wird beibehalten, da der Klasse-2-Master nur die Zeit nutzen kann, die ihm über die angegebene Lückenzeit zugewiesen wurde. Obwohl der Mono-Master-Betrieb generell empfohlen wird, ist er nicht zwingend erforderlich. Das heißt, ein ProfiBus-System kann mehr als einen Klasse-1-Master haben, aber eine Master-zu-Master-Kommunikation ist nicht erlaubt, außer für die Vergabe von Buszugriffsrechten über Token-Austausch.
Um die Idee der Kommunikation zwischen Mastern in einem ProfiBus-DP-System zu veranschaulichen, tauscht ein Klasse-1-Master zyklisch Daten mit allen ihm zugeordneten Slaves aus, und zwar einen nach dem anderen, entsprechend der Liste der ihm zugeordneten Slaves aus dem Master Record. Am Ende dieses Datenzyklus wird eine zusätzliche Zeit (Lückenzeit) für die azyklische Kommunikation zwischen einem Klasse-2-Master und denselben Slaves eingeplant. Während dieser Zeit übergibt der Klasse-1-Master dem Klasse-2-Master ein Token, das ihm Buszugriffsrechte gewährt. Der Klasse-2-Master, der das Token gerade hält, hat die Möglichkeit, innerhalb eines bestimmten Zeitraums, der Token-Halbzeit oder Token-Haltezeit (TH) genannt wird, Daten mit allen Slaves auszutauschen. Der Klasse-2-Master kann dann Daten oder Diagnoseinformationen von jedem der Slaves lesen und am Ende seines Zyklus den Token an den Klasse-1-Master zurückgeben.
Da während der Lücke in der Regel nicht genügend Zeit für einen vollständigen Datenaustausch zur Verfügung steht, kann sich dieser Prozess der Datenabfrage durch den Klasse-2-Master über mehrere Zyklen erstrecken. Am Ende der Datensatzübertragung wird der Klasse-2-Master die Verbindung löschen. Es ist jedoch zu beachten, dass der Klasse-2-Master nur während der Lückenzeit eine Kommunikation mit den Slaves aufbauen kann.
Wie bereits erwähnt, ist es möglich, dass ein Klasse-2-Master vorübergehend die Kontrolle über einen DP-Slave übernimmt. Während dieser Zeit stellt der DP-Slave seinen normalen Datenaustausch mit seinem Klasse-1-Master ein. Der Klasse-1-Master erkennt dies und fordert zyklisch Diagnosen vom Slave an, wobei er das Master-Adressfeld so lange überprüft, bis eine andere gültige Adresse vorhanden ist. Nachdem der Klasse-2-Master seine Kommunikation mit dem Slave beendet hat, setzt er das Master-Adressfeld des Slaves auf ungültig (255). Dies veranlasst den Klasse-1-Master, zu versuchen, die Kontrolle über den Slave wiederzuerlangen, und er wird den Slave neu parametrieren und konfigurieren, bevor er den Datenaustausch mit ihm wieder aufnimmt.
ProfiBus DP –

• Offener Standard basierend auf EN 50170.
• Bisher schnellster Feldbusstandard mit Datenraten bis zu 12MB.
• Plug & play Betrieb.
• Bis zu 244 Bytes Eingangs-/Ausgangsdaten pro Nachricht.
• Bis zu 126 Stationen können an den Bus angeschlossen werden.
• Bis zu 32 Stationen pro Bussegment.

Master der Klasse 1 –

• Zentrale Steuerung, die E/A-Daten mit angeschlossenen Slaves austauscht.
• Bestimmt die Baudrate (Slaves erkennen diese Rate automatisch).
• Steuert den Token-Transfer zwischen Mastern. Erkennt einen anderen Master während der Lückenzeit.

Master der Klasse 2 –

• Diagnose-, Konfigurations- oder Startup-Tool.
• Kann nur einen Slave gleichzeitig steuern.
• Hat keinen Schreibzugriff auf den Slave.
• Hat keine GSD-Datei.

Slave –

• Eine passive Station, die nur auf eine Master-Anfrage antworten und Nachrichten quittieren kann. Ein Slave hat keine Bussteuerungsrechte.
• Die GSD-Datei definiert den Slave für den Master.

Dies ist ein kurzer Überblick über Profibus-DP. Für detailliertere Informationen über die Profibus-Technologie und das Protokoll können Sie dieses vollständige 40-seitige Papier herunterladen.
Dieses White Paper wurde von Acromag verfasst und bereitgestellt. Acromag stellt eine Reihe von E/A-Modulen her, die Profibus DP über RS485 unterstützen. Besuchen Sie die Website www.acromag.com, um die neuesten Informationen über diese und andere Acromag-Produkte zu erhalten.
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