1 Einleitung - Institut für Robotik und Prozessinformatik

Industrielle Kommunikation mit 

Feldbussen 

Prof. Dr.-Ing. Thomas Form 

thomas.form@tu-bs.de 

0531-391-3838 

ELEKTRIK / ELEKTRONIK ENTWICKLUNG 

1. Braunschweiger Feldbus 

Feldbuslabor als praktische Ergänzung 

Elektr. Meßgerät 

Roboter 

und Waage 

Prof. Dr.-Ing. T. Form 

Lehrstuhl für elektronische Fahrzeugsysteme 

Institut für Regelungstechnik, TU Braunschweig 

1. Braunschweiger Feldbus 

Motivation 

Transportband 

Stapelmagazin 

Erster Braunschweiger Feldbus: 1904 eröffnete Heinrich Büssing die erste 

Buslinie von Braunschweig nach Wendeburg 

INTERBUS 

PROFIBUS 




Folie 1 Dr. T. Form 06.06.2007 

Folie 3 Dr. T. Form VL Industrielle Kommunikation mit Feldbussen 06.06.2007 


Industrielle Kommunikation mit Feldbussen 

Inhalt 

1 Einleitung 

2 Grundlagen 

3 Aktuator/Sensor-Interface (AS) 

4 Profibus 

5 CAN 

6 Ethernet und drahtlose Netzwerke für den Industrieeinsatz 




1 Einleitung 




Anwendungsbereiche Industrieller Kommunikation 

Fahrzeugtechnik 

Fabrikleitebene 

Zellebene 

Feldebene 

Fertigungsautomatisierung 

Betriebsleitebene 

Zellebene 

Feldebene 




Prozeßautomatisierung 

Gebäudeautomatisierung 

Netzleittechnik 

Geräteautom. 



Folie 6 Dr. T. Form VL Industrielle Kommunikation mit Feldbussen 06.06.2007






Prozessautomatisierung: 

Petrochemische Anlage 

Steuerungen für 

06.06.2007 

• Werkzeugmaschinen 

Feldbussen 

• Transporteinrichtungen 

mit 

• Roboter 

Kommunikation 

• Antriebsregelung 

Industrielle VL Form T. Dr. 

Ferndiagnose und -wartung wartung über das Internet 

Einsatz von Industrie-PCs Industrie PCs und speicherprogrammierbaren Steuerungen 

8 

(SPS) Folie 

Wichtige Sensoren in der Verfahrenstechnik 

Durchfluss- 

Sensor 




Temperatur-/ 

Druck- Sensor 

Füllstands-Sensoren 

Schwimmer, Ultraschall 

Datenkommunikation im Kraftfahrzeug 

Historische Entwicklung der Netzwerkumfänge 

Anzahl vernetzter Steuergeräte 

50 

45 

40 

35 

30 

25 

20 

15 

10 

5 

0 

8er 

Mercedes-Benz 

BMW 

Audi 

VW 

S-Klasse 




7er 

Passat 5 

5er 

C-Klasse 

E-Klasse 

S-Klasse 

Golf 4 MP 

Leitfähigkeit- 

Sensor 

88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 0 1 2 3 

Jahr 

A6 

7er 

C-Klasse 

3er 

A2 

A4 

Phaeton 

Quelle: Dr. M. Daginnus, VW 

A8 

Quelle: Prof. Leohold, U Kassel 






Gebäudeleittechnik 







Betriebstechnik 

Leitebene TU-BS TU BS 

Areal 

Gebäudekomplex 

PROFIBUS 

Gebäudeebene 

Sensor-Aktor-Ebene 

Modem 

Leitrechner (PC) 

Unterstationen (SPS) 

Hochhaus BS8 

Elektrotechnik 

Temperaturregelung, Klimaregelung, Einzelraumregler, 

Präsenskontrolle, Lichtregelung, Jalousiesteuerung 


Klassifikation von Fahrzeug-Netzwerken nach Übertragungsrate/Kosten 

Datenrate/(Bit/s) 

25M 

10M 

1M 

125K 

20K 

embedded control multi media 

CAN High-Speed 

CSMA/CD 

Zweidraht 

CAN Low-Speed 

CSMA/CD 

fehlertolerant, 

Zweidraht 

LIN 

time triggered 

Master/Slave 

J1850 

Eindraht, o. Quarz 

FlexRay, TTP 

TDMA 

fehlertolerant 

2x2Draht/optisch 

D2B, MOST 

Optischer Ring 

Bluetooth 

drahtlos 

0.5 1 2.5 

5 

Relative Kosten pro Knoten 

Klassifizierung nach: 

SAE ISO 

Klasse D 

1-10 MBit/s 

Infotainment 

Klasse C 

250-1000 kBit/s 

Echtzeitkritische 

Anwendungen 

spez. Aggregate 

Klasse B 

bis 100kBit/s 

Instrumentierung 

Klasse A 

bis 10kBit/s 

Karosserie 

High speed 

> 125 kBit/s 

Low speed 

≤ 125 kBit/s 

009-01 




Netzwerkstrukturen der Zukunft 

Sicherheitskritische 

System 

FlexRay 

≥10 MBit/s 

Antriebsstrang 

und Fahrwerk- 

Regelung 

CAN 500kBit/s 




gateway 

Sensor/Aktor 

Subsysteme 

LIN 20kBit/s 

Komfort und 

Bordnetzsysteme 

CAN 125kBit/s 

Vertikale Gliederung industrieller Prozesse 




Produktplanung 

Adaption der 

Produktionsmittel 

Diagnose 

Software 

download 

Multimedia 

?? > 23MBit/s 

Störeinflüsse Zeitanforderungen 

Material 

Markt 

Störungen der 

Automatisierungsgeräte 

oder Übertragungswege 

Material, 

Umgebungsbedingungen, 

defekte Sensoren 

oder Aktoren 

Prozessführung 

Prozessoptimierung 

Steuerung 

Regelung 

Überwachung 

Diagnose 

Prozess 

Feldebene 

Langzeitbereich 

Stunden.... Wochen 

mittlerer Zeitbereich 

Minuten....Stunden 

Quelle: Prof. Leohold, U Kassel 

Kurzzeitbereich 

Millisekunden.... Minuten 

Dezentral organisiertes Automatisierungssystem 

Leitebene 

(Systemebene) 

Zellebene 

(Prozeßebene) 

Feldebene 

Feldgeräte 




Betriebsleitsystem 

CNC 

SPS 

M 

E/A Sensor Antrieb 

Feldgeräte 

Meßumformer 

TCP/IP Backbone 

Transmission Control Protocol/ 

Internet Protocol 




Horizontale Gliederung industrieller Prozesse 

Teilprozess n-1 Teilprozess n Teilprozess n+1 




bidirektionaler Informationsfluß 

Eingangsgröße Material- und/oder Energiefluss Ausgangsgröße 

2 Grundlagen 

- Kommunikationsmodell 

- Zugriffsverfahren 

- Topologie 

- Hardware 

- Software 

- Datensicherheit 




Anwendungsbereiche Industrieller Kommunikation 

Vernetzungshierachie in der Automatisierungstechnik 




Quelle: Siemens AG 




Aufgabenbereiche und Anforderungen an die 

Kommunikation in der Fertigungsautomatisierung 

Feldgeräte 

Fabrikleitebene: 

CNC 

SPS 

E/A Sensor Antrieb 




M 

Konstruktion, Auftragsverwaltung, 

Produktionsplanung und –steuerung (PPS), 

Bestandsführung, Nachdisposition, 

Istdatenauswertung, Statistik, Archivierung. 

Fertigungsleitebene: Steuerung von Fertigungszellen, 

Anlagenvisualisierung, Bedienung & Beobachtung, 

Stammdatenverwaltung, Datenarchivierung, 

Kopplung zu den über- und unterlagerten Ebenen. 

Feldgeräte 

Meßumformer 




Feldebene: Erfassen von analogen und 

digitalen Signalen, Datenvorverarbeitung 

in den E/A-Komponenten, Steuerung und 

Regelung von Teilprozessen, 

Verteilung der Daten über 

systeminterne Feldbusse. 

. 

Kommunikation im ISO/OSI-Referenzmodell 

deutsch 

Prozess A Prozess B 

Kommunikationspartner 

nastrowje 

englisch 

englisch 

Die Dolmetscher stellen je einen Kommunikationselektroniker ein, 

diese einigen sich auf die Übertragungsart und das Übertragungsmedium. 

ASCII 

deutsch 

guten Tag 

Die Kommunikationspartner einigen sich 

auf eine gemeinsame Vermittlungssprache 

und stellen dafür je einen Dolmetscher ein. 

1010110010111001011 

Sieben-Schichten ISO/OSI-Referenzmodell 

Prozess A Prozess B 

Anwendung (7) 

Darstellung (6) 

Sitzung (5) 

Transport (4) 

Vermittlung (3) 

Sicherung (2) 

Physik (1) 

1001011000110011011110100101 




Anwendung (7) 


Sitzung (5) 

Transport (4) 


Sicherung (2) 

Physik (1) 

russisch 

russisch 

ASCII 




Kommunikation in offenen Automatisierungssystemen 

• Die Anforderung der Anlagenbetreiber, an einem Kommunikationssystem 

Geräte mehrerer Hersteller und unterschiedlicher Leistungsfähigkeit 

anschließen und betreiben zu können, 

fordert eine Offenlegung von Übertragungsspezifikationen. 

• Eine breite Akzeptanz ist ebenfalls wichtig. 

• Globalisierung der Märkte erfordert einheitliche 

Hardware- und Software-Schnittstellen. 

• Die International Standardization Organization ISO hat ein 

Referenzmodell für die Kommunikation in offenen System definiert: 

Open System Interconnection OSI 

Kommunikation im 

ISO/OSI-Referenzmodell 

ISO/OSI Referenzmodell 




Kommunikation im ISO/OSI-Referenzmodell 

Temperaturmessung Kesselheizung 

Sensor 

Temperatur 




Die Kommunikationspartner 

Sensor und Heizung einigen sich 

auf eine gemeinsame Sprache 

Spannung und stellen dafür 

je einen Mikrocontroller ein. 

1010110010111001011 

Heizung 

Leistungsschalter 

Spannung 

Die Mikrocontroller haben sich auf den 

CAN-Bus zur Messwertübertragung geeinigt. Spannung 

Sie übersetzen die analogen Spannungswerte 

in digitale Werte und verpacken diese 

digital 10 Bit 

im Telegramm des CAN-Bus. CAN Bus. 

digital 10 Bit 

µC 

Strukturen 

ISO/OSI – Schichtenmodell Zusammenfassung 

Layer Name Beschreibung 

7 Anwendung Schnittstelle zur Anwendung 

(Applikation) 




µC 

Schreiben, lesen und Status der Daten ohne Details der 

Kommunikation 

6 Darstellung Datenanpassung Formatumwandlung, Komprimierung, Verschlüsselung… 

5 Sitzung Zuordnung der Daten zu 

lokalen Applikationen 

4 Transport Überwachung der 

Datenintergrität 

Synchronisation von Tasks auf Sende- und 

Empfangsebene: 

Verbindungsaufbau und -überwachung, 

Zugangsberechtigung, … 

Umwandlung der Daten in die technologieabhängigen 

Botschaften der unteren Schichten: 

Logisch in physikalische Adressen, Paketaufteilung… 

3 Vermittlung Weiterleitung von Daten an 

andere Teilnehmer 

Lenkung der Botschaften in einem verzeigten Netz 

2 Link Datenübermittlung 

Botschaftsübertragung: 

zwischen zwei Teilnehmern 

an einem Bus 

Buszugriff, Fehlerprüfung, Synchronisation… 

1 Physik Netzwerkschnittstelle Elektrische und mechanische Eigenschaften des 

Übertragungsmediums und der Signale: 

Kabel, Steckverbinder, Kodierung, Steuersignale… 




Schichten bei Feldbussystemen 

• Bei Feldbussen sind aufgrund nicht 

benötigter Dienste einiger Schichten 

(z.B. die Vermittlungsschicht, da alle 

Teilnehmer an einer Leitung 

angeschlossen sind.), und zur 

Kostenreduzierung häufig nur die 

Schichten 1, 2 und 7 realisiert. 

• Fehlende Funktionalitäten werden in 

diesen Schichten realisiert. 




Schicht 2: Sicherungsschicht (data link layer) 

Sicherung (2) 

Physik (1) 




Datenübertragung im Basisband 

Gleichstrombehaftete Kodierung 

NRZ 

RZ 




Anwendung (7) 


Sitzung (5) 

Transport (4) 


Sicherung (2) 

Physik (1) 

Die zweite Schicht ist für den Aufbau und 

die Aufrechterhaltung einer Verbindung 

zwischen zwei oder mehr Stationen verantwortlich. 

Dazu gehört auch das Verfahren, 

nach dem einzelne Stationen den Zugriff 

auf das Übertragungsmedium erhalten 

(Buszugriffsverfahren). 

Außerdem erfolgt in dieser Schicht die 

Kennzeichnung von Dateneinheiten 

(Telegrammen), die Markierung von 

Beginn und Ende eines Telegramms und 

die Behandlung von Übertragungsfehlern. 

Quelle: Bussysteme i. d. Automatisierungstechnik, Vieweg 




Schicht 7: Anwendungsschicht (application layer) 

Anwendung (7) An den Enden einer Kommunikationsverbindung 

stehen mindestens zwei 


Prozesse, die aus ihren technischen 

Funktionen heraus bestimmte Dienst- 

Sitzung (5) 

leistungen voneinander benötigen oder 

einen Dienst füreinander leisten. 

Transport (4) 

Dabei werden von der Anwendungsschicht 

nicht diese Dienstleistungen erbracht, 


sondern lediglich anwendungsspezifische 

Protokolle dargestellt. 

Sicherung (2) 

Es stehen also Prozedur- oder 

Variablendeklarationen zur Verfügung, 

die innerhalb der Applikation genutzt 

Physik (1) 

werden können. 

Busleitung 




Schicht 1: physikalische Schicht (physical layer) 

Physik (1) 

Busleitung 




Datenübertragung im Basisband 

Alternierendes Flankenpulsverfahren 




In der physikalischen Schicht wird die 

Kodierung der Information auf der 

Leitung (z.B. Signalpegel, optische 

Datenübertragung oder Funkverbindung), 

alle Eigenschaften der physikalischen 

Verbindung also Art und Anschlußbelegung 

der zu verwendenden Steckverbinder, 

Leitungsarten, etc. sowie die Form 

der elektrischen Impulse einer Nachricht 

beim Sender und Empfänger beschrieben. 





Busarchitekturen 

Arten von Netzwerktopologien 

Stern: 

+ jeder Knoten eigene Anbindung 

+ optisch gut realisierbar 

- ggf. große Gesamtlänge 

- aufwendiger Sternkoppler 

- Kommunikation nur über Sternkoppler 

Baum: 




Echtzeitverhalten 

Bus: 

+ einfache Verkabelung 

- elektr. Kompromiß bei Busabschluß 

- begrenzte Anzahl von Busknoten und Buslänge 

Ring: 

+ minimaler Verkabelungsaufwand 

- ggf. aktive/passive Koppler notwendig 

+ ausgedehnte Netzwerke möglich 

- Ausfall eines Teilnehmers 

bedeutet Gesamtausfall des Netzwerks 

• Gleichzeitigkeit 

� Variablen (Meßwerte) und Alarme mehrerer Teilprozesse können wirkungsmäßig parallel 

übertragen werden. 

� Möglichkeiten zur ereignisorientierten Kommunikation sollten bestehen 

(Interruptanforderungen). 

� Das Buszugriffverfahren muß ein möglichst unbeeinträchtigtes Echtzeitverhalten haben. 

• Rechtzeitigkeit 

� Der Abschluß einer Kommunikation muss in einer bestimmten Zeit erfolgt sein, 

damit z. B. die aus den Informationen erzeugten Steuersignale einen bestimmten Jitter nicht 

überschreiten. 

• Vollständigkeit 

� Es müssen alle Informationen übertragen werden, und es dürfen auch bei Überlast keine 

Daten verlorengehen. 

• Störsicherheit 

� Das Übertragungsmedium muß in industrieller Umgebung gegen Störungen (und 

Beschädigungen) unempfindlich sein (fehlertolerierendes Verhalten des Systems). 




Zugriffsarten 

Carrier Sense, Multiple Access (CSMA) 

Collision Detection CD: 

1. Knoten erkennen Kollision 

2. Abbruch der Übertragung 

3. Jeder Knoten versucht nach 

statistischer Wartezeit erneuter 

Datenübertragung 

Collision Avoidance CA: 

1. Knoten erkennen Kollision 

während Arbitrierungsphase 

2. nieder priorer Knoten 1 bricht 

Übertragung ab 

3. nach statistischer Wartezeit 

erneuter Versuch der 

Datenübertragung durch Knoten 1 




Teilnehmer erkennen Kollision 

und beenden Buszugriff 

1 

1 2 

1 

2 

1 

2 

2 

Teilnehmer 1 erkennt Kollision 

und beendet Buszugriff 

1 

2 

Statistische Wartezeit 

Statistische Wartezeit 

3 

3 

1 

3 

2 

t 

t 




Datenrate - Leitungslänge 

max. Leitungslänge [m] 

5000 

4500 

4000 

3500 

3000 

2500 

2000 

1500 

1000 

500 

0 

10 

5000 

2500 

20 

1000 

50 

125 

500 

250 

250 

Baudrate [kBaud] 




Zentral 

gesteuert 

Master-Slave 

z.B. Profibus DP 

Determinstisch 

(gesteuert) 

CSMA Carrier-Sense Multiple Access 

CD Collision Detect 

CA Collision Avoidance 




µC 

CAN-Controller 

Transceiver 

500 

Dezentral 

gesteuert 

100 50 40 

800 

Zugriffsarten 

Einteilung von Buszugriffsverfahren 

T prop 

1000 

Zugriffsverfahren 

... 

Kollisionsfrei 

(CSMA/CA) 

z.B. CAN-Bus 

CSMA / CA: zeitlicher Ablauf der Busarbitation 

Sender M1 

Sender M2 

Sender M3 

Busleitung 




Stochastisch 

(zufällig) 

µC 

CAN-Controller 

Transceiver 

Nicht 

kollisionsfrei 

(CSMA/CD) 

z.B. Ethernet 

M1 M2 M3 Bitorientierte Arbitration 

Synchronisation aller Teilnehmer 

Arbitrationsfeld Daten 

Nicht mehr 

gesendete 

Bits! 




Zugriffsarten 

Master/Slave 

Busmaster verantwortlich für Steuerung des Buszugriffs 

durch zyklischen Aufruf (Pollen) der anderen Teilnehmer (Slaves) durch den Master 

Zykluszeit 

M � 1 1 � M M � 2 2 � M M � n n � M 

Master Slave 1 Master Slave 2 … Master Slave n Master Slave 1 

Nachteile: 

• Direkter Datenaustausch zwischen Slaves nur über Master, 

Master 

• Maximale Latenzzeit bestimmt durch Zykluslänge, 

• Jeder Slave wird abgefragt, 

egal ob dieser Kommunikationsbedarf hat oder nicht. 

Slave 1 Slave 2 … Slave n 

Vorteile: 

• Aufwand konzentriert im Master, einfache Slaves, 

• einfache Skalierbarkeit, da das gesamte Netzwerkprotokoll im Master implementiert ist. 




Feldbussysteme 

Vergleich 

BUS 

Sicherheit 

Topologie 

Buslänge 

Übertragungsrate 

Zykluszeit 

Teilnehmer 

ASi 

ASi-Safety at work 

Linie, Stern, Baum 

Mono-Master 

100m 

300m (Repeater) 

167kbit/s 

500µs (min.) 

5ms (31Slaves) 

10ms (62Slaves) 

31 

62 

CANopen 

CANopen-Safety 

Linie mit Stichltg. 

Multimaster 

40m (1Mbit/s) 

620m (100kbit/s) 

10km (5kbit/s) 

5kbit/s 

10kbit/s 

100kbit/s 

1Mbit/s 

abhängig von: 

-Tln.anzahl 

-Übertr.geschw. 

-Datenmenge 

-Art der Kommun. 

124 

Adressierung Adressiergerät, Codierschalter 


Lehrstuhl für automatisch 

elektronische Fahrzeugsysteme 



Beispiel Vernetzungshierachie 




Interbus 

Interbussafety 

Ring 

Mono-Master 

400m Abstand 

13km (Cu-Ltg.) 

80km (LWL) 

500kbit/s (Cu) 

2Mbit/s (LWL) 

1ms ...linear 

steigend... 

7.8 ms 

(1 E/A) … 

(1096E/A) 

256, 4096 E/A 

automatisch 

Aufruf 

Antwort 

Profibus 

ProfiSafe 

Linie 

Mono-/Multimaster 

100m (12Mbit/s) 

200m (1.5Mbit/s) 

400m (500kbit/s) 

1km (187.5kbit/s) 

xx km (LWL) 

187.5 

500kbit/s (FMS) 

1.5Mbit/s (DP) 

12Mbit/s (DP) 

nach Datenrate und 

Übertragungsmenge 

1ms:10Slaves/12Mbit/s 

2ms:10Slaves/1.5Mbit/s6 

ms:30Slaves/1.5Mbit/s 

32 pro Segment 

126 maximal 

Codierschalter 

Aufruf 

Quelle: Siemens AG 

Antwort 

Ethernet 

Stern 

t 

Safeethernet 

10MByte/s 

(1500 TIn.) 

12µs (256D-E/A) 

50µs (200A-E/A) 

350µs 

(12000d-E/A) 

100 (Segment) 

1024 (Netzwerk) 

48-Bit Länge 

(6-Bytes) 




Token Passing 

An einem Bus können mehrere Master arbeiten. 

Dabei sind die Master zu einem logischen Ring 

zusammengeschlossen. 

Die Slaves können mehreren Mastern zugeordnet sein. 

M1 

S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 

S3 gehört zu 

M1 und M2, 

S4 gehört zu 

M2 und M1 





Übersicht Vernetzung 




Aktor/Sensor-Interface 

Überblick 

M2 

Internationaler Standard ( EN 50295 ) 

Markteinführung 1993 

> 80 Mitglieder in 10 nat. Vereinen 

7% Marktanteil bei Feldbussen (2002) 

• Busverwaltung: Master – Slave System 

• Topologie: frei wählbar, z.B.: Bus, Baum, 

Ring 

• Leitungsart: ungeschirmte Zweidrahtleitung 

• Leitungslänge: 100m (500m mit Extender) 

• Teilnehmerzahl: 1 Master, 31 Slaves 

• Adressierung: feste Adresse vom Master oder 

Adressiergerät 

• Datenaustausch: Master-Slave � 4 Bit 

Slave-Master � 4 Bit 

• Datenrate: 167 kBit/s 

• Zykluszeit: abhängig von der Slaveanzahl 

bei 31 Slaves = 5 ms 




M3 

Master Master 1 2 3 1 2 3 übergibt bedient 

seine an Master Slaves 23 

1 





Topologie 

• Die Topologie ist frei wählbar !!! 

(bei Netzausbau muss keine Topologie eingehalten werden) 

Slave 

Stern Linie Strang Baum 

Steuerung 

Slave 

Master 

Slave 

Slave 

Steuerung 

Slave 

Slave 

Slave 

Master 





Komponenten 

• Typische Komponenten eines 

AS-i Systems 

– Energieversorgung 

– Datenentkopplung 

– SPS (Master) 

– Slave-Module 

– Sensoren / Aktoren 

Energieversorgung 





Anschlusstechnik 

Kodierte verpolsichere Flachleitung 

• Zwei-Leiter-Kabel für Daten 

und Energie 

Durchdringungstechnik 

• einfache, sichere Kontaktierung 

(Piercing Technologie) 

• hohe Schutzart IP67, auch nach 

Entfernung der Verbindung 

(Selbstheilung) 

Direkter einfacher Anschluß von 

Sensoren/Aktoren oder Modulen 




Slave 

Slave 

Slave 

Datenentkopplung 

Steuerung 

Master 

Slave 

Slave 

Steuerung 

CPU 

AS-Interface- 

Master 

AS-Interface- 

Slave 

Slave 

Koppelmodul 

Modul-Schaltung 

S / A S / A S / A S / A 

Durchdringungsdorne 

Slave 

Slave 

SPS, IPC 

Steuerung 

Slave 

Master 

Slave 

AS-Interface-Leitung 

Slave 

Slave 

Slave 

AS-Interface- 

Slave 

Sensor / 

Aktuator 

Sensor mit 

integriertem 

AS-Interface 

verpolsichere 

Flachleitung 

AS-Interface 

Elektromechanik 





Vergleich konventionelle Verdrahtung �� AS-Interface 

konventionelle Verdrahtung �� AS-Interface 

(1) EA-Karten (4) Unterverteiler 

(2) Rangierklemmen (5) Sensoranschlüsse 

(3) Kabelbaum 

ASI + 

ASI - 





Aufbau Empfänger 

Interface 1 Interface 2 

Stromversorgung 

Sender 

Empfänger 

AblaufAblaufsteuerung Steuerung 

nichtflüchtiger 

Speicher 




Daten 

I/O 

Parameter 

Output 

•Dekodierung und Fehlererkennung 

•Anwortgenerierung 

•flüchtiger und nichtflüchtiger Speicher (EEPROM) 


Energieversorgung und Datenaustausch 

Quelle: Bussysteme in der Automatisierungstechnik, Vieweg Verlag 




U+ 

U0 

RESET 

D0 

D1 

D2 

D3 

Data Strobe 

P0 

P1 

P2 

P3 

Parameter Strobe 





Physical Layer – Modulation im Sender 

Zu übertragende 

Bit - Sequenz 

Manchester - II 

Code 

Sendestrom 

Signal auf 

der Ltg. 

60 mA 

0 mA 

U b + 2 V 

U b - 2 V 





Nachrichtenpaket (SB=0) 




0 0 1 0 

I4 I3 I2 I1 I0 

Pause 

Datenaufruf 0 D3 D2 D1 D0 

Parameteraufruf 1 P3 P2 P1 P0 

Adressieraufruf A4 A3 A2 A1 A0 

Stromquelle mit 

Kurvenformung 

Spannungspulse 

näherungsweise si2- 

Funktion, daher niedrige 

obere Grenzfrequenz und 

Störabstrahlung 

U = -L di/dt 

• Datenaufruf: 

Setzen der Ausgänge und Lesen der Eingänge 

• Parameteraufruf: 

Setzen der Parameterausgänge des Slaves 

• Adressieraufruf: 

Zuweisung einer Adresse an einen Slave mit Adresse 00h. Slave 

speichert neue Adresse im EEPROM 


Übertragung von Analogdaten 

• 4 Datenbit: d.h. keine direkte Übertragung von Analogdaten möglich 

• nicht ein Zugriff 

sondern Zeitmultiplex 

• Ein 16-Bit Wert wird 

in insgesamt 8 

Datenzyklen 

transportiert 

• Übertragungszeit: 

8 x 5ms, also 40ms 

• Das ist für die allermeisten Anwendungen, wie Temperaturen, 

Füllstände, Druck usw. immer noch schnell genug. 








Kommunikationsablauf 

• AS-i ist ein reines Master / Slave System 

• Slaves werden vom Master zyklisch gepollt 

• Zykluszeit ist abhängig von der Zahl der Slaves 

• z.B. 6 Tln. � 1ms; 31 Tln. � 5ms 

• Der Master kann ein gestörtes Telegramm innerhalb des Zyklusses 

wiederholen 

Dateneffizienz ca. 32% 

S S A A A A A I I I I I P E 

T B 4 3 2 1 0 4 3 2 1 0 B B 




Masteraufruf 

ST 

SB 

A4 .. A0 

I4 .. I0 

PB 

EB 


Kommandopaket (SB=1) 




Masterpause 

Slaveantwort 

3 .. 10 

Bit 

S I I I I P E 

T 3 2 1 0 B B 

= Startbit = 0 

= Steuerbit 

= Adresse des Slaves 

= Informationsbits Master - Slave 5 Bit 

Slave - Master 4 Bit 

= Paritätsbit 

= Endebit = 1 

I4 I3 I2 I1 I0 

Slave 1 1 1 0 0 

Adresse löschen 0 0 0 0 0 

E/A-Konf. lesen 1 0 0 0 0 

ID-Code lesen 1 0 0 0 1 

Status lesen 1 1 1 1 0 

... und löschen 1 1 1 1 1 

• Adresse löschen: 

Slaveadresse wird vorübergehend auf 00h gesetzt 

• E/A-Konfiguration lesen: 

Slave überträgt seine eingestellte E/A-Konfiguration 

• ID-Code lesen: 

unveränderbaren ID-Code lesen. => Profilzuordnung 

• Status lesen: 

Slave überträgt seine Statusbits 


Fehlererkennung 

Erkennung durch a-priori 

Kenntnis des Telegrammaufbaus 

Sehr hohe Zuverlässigkeit: 

1- und 2-fach-Impulsfehler in 

einer Nachricht werden 

immer erkannt. 

3- und 4-fach-Impulsfehler 

werden zu mind. 99,9999 % 

erkannt. 

Alternation: 

Aufruflänge: Pause: Information: 

Parität: Endbit: Startbit: 

Zwei Nach Zwischen Die 

In Der 1. Summe 

der Impuls aufeinander 

letzte dem zweiten zwei Endebit eines aller im 

folgende des Impulsen Codewort 

Bithälfte Impuls ASI- Masteraufrufes muß eine Impulse innerhalb stets 

müssen dar eine enthaltenen 

ein gültigen Telegramms Impuls kein Telegramms Impuls 1-Bits 

liegenmehr 

unterschiedliche 

übertragen darf (pos. Codewortes muß maximal Impulse ein werden ein in der 

Polarität Impulslänge zweiten muß negativer ein Bithälfte) aufweisen Ruhe 

herrschen muß postiver Impuls eine sein gerade Impuls 

Zahl seinergeben 

korrektes 

Telegramm 

Startbit 

Alternation 

Pause 

Information 

Parität 

Endebit 

Aufruflänge 




Slavepause 

1 

Bit 

ST SB A4 A3 A2 A1 A0 I4 I3 I2 I1 I0 PB EB P 





Adressiergerät 

• Vor Inbetriebnahme der Anlage muss jeder Teilnehmer eine eindeutige 

Adresse besitzen 

• Master 

– muss Adressierfunktion unterstützen 

– nur ein Slave darf Adresse 0 haben! 

• Adressiergerät 

– nur ein Slave zur Zeit 

– aktuelle Adresse ermitteln 

– neue Adresse schreiben 

– weniger Sicherheitsüberprüfungen, 

da nur 1 Gerät zur Zeit parametriert wird 





Applikation 

Schleifring 





Sicherheit – Safety at Work Arbeitsprinzip 

• Jeder Slave besitzt eine eindeutige 8 * 4 Bit Codetabelle 

• Per “Teach In“- Funktion liest der Sicherheitsmonitor die Codetabellen aller 

sicheren Slaves ein 

• Im Betrieb erfolgt ein permanenter Vergleich der erwarteten und der 

gesendeten Code- Tabellen. 

• Abschaltung durch den Sicherheitsmonitor erfolgt bei 

erwartetem Code ≠ gesendetem Code, d.h. wenn: 

• ein Stopp angefordert wurde (0000) 

• die Kommunikation gestört ist 

• die übertragenen Folgen falsch sind 

• der sichere Slave zerstört ist 

• fehlende oder verspätete Slaveantworten erkannt werden 








Profilbeispiel 

• Zuordnung der Datenbits: 

D0 (E): Meßwert 

D1 (E): Warnsignal 

D2 (E): Sensor verfügbar / nicht verfügbar 

D3 (A): Testfunktion 

• Zuordnung der Parameterbits: 

P0: niedrige / hohe Arbeitsfrequenz 

P1: Schaltersignal invertieren 

P2: Schaltschwelle (bei induktiven Sensoren) 

Timerfunktion ein / aus (optische Sensoren) 

P3: Sonderfunktionen 

• Die Verwendung von D1..D3 sowie von P0...P3 ist optional 





Sicherheit – Safety at Work Kompatibilität 

Sicherheitsgerichtete- und Standardkomponenten 

in einem AS-Interface-Netz 

Standard-SPS und 

Standard-Master Sicherheitsmonitor 

AS-i - 

Netzteil 

Sichere 

Lichtschranke 

Standard- 

Modul 

Sicheres 

Lichtgitter 




Standard- 

Modul 


Sicherheit – Safety at Work Funktionsprinzip 

Sicherer 

Not-Aus-Taster 

Sicheres- 

Modul 

Sicherer 

Positionsschalter 

Dynamisierte Codetabellen garantieren Übertragung sicherer Daten 

am AS-Interface 

Standard SPS und 

Standard Master 

AS-i Netzteil 

Master Aufruf 




Sicherheitsmonitor 

Slave Antwort 

Sicherer Slave 




Profibus 




Profibus 

Universelle Einsetzbarkeit 

Leitebene 

Buszykluszeit 

< 1000 ms CNC 

Zellebene 

Buszykluszeit 

< 100 ms 

Feldebene 

Buszykluszeit 

< 10 ms 




Profibus 

Offenes System 

User 

Application 

(7) 

(3)-(6) 

Data Link 

(2) 

Physical 

(1) 

Layer 

VME/PC 

Rechner 

Ethernet/TCP/IP TCP/IP/Ethernet 

PROFIBUS-FMS 

SPS 

FMS 

FMS 

Geräteprofile 

Fieldbus Message 

Specification (FMS) 

PROFIBUS-DP 

* Die Integration als Anhang 2 zur EN 50170 Volume2 wurde beantragt 




PLS 

DP 

PC/VME 

Nicht ausgeprägt 

Fieldbus Data Link (FDL) 

RS-485 / Fiber Optic 

DP-Profile 

PROFIBUS-PA 

PA 

PA-Profile 

DP-Funktionserweiterungen 

DP-Grundfunktionen 

IEC Interface* 

IEC 1158-2 

EN 50 170 PROFIBUS Richtlinien 




Profibus 

Automatisation in der Industrie 

1987 

Erste Aktivitäten 

von Bosch, 

Klöckner Moeller 

und Siemens 

1988 

Vorabstandard 

DIN 19245 

veröffentlicht 




Profibus 

Übersicht Anwendungen 

Allgemeine 

Automatisierung 

PROFIBUS-FMS 

RS 485 / LWL 




1989 

Erste Vorführung 

mit Geräten 

verschiedener 

Hersteller auf 

Messen 

EN 50170 Volume 2 


PROFIBUS-DP 

RS 485 / LWL 

1991 

1993 

1995 

DIN 19245 

Teil 1+2, 3, 4 

FMS, DP, PA 

Prozessautomatisierung 

PROFIBUS-PA 

IEC 1158-2 

Universell Schnell Branchenorientiert 

- Breiter Anwendungsbereich 

- Multi-master Kommunikation 

Profibus 

Layer 1 – Topologie RS485 




- Plug and Play 

- Effizient und kostengünstig 

- Busspeisung 

- Eigensicherheit 

Profibus verwendet Linientopologie, andere Topologien durch Segmentierung: 

Master 

Segment 1 

S SR 

S 

Segment 3 

SR 

Segment 2 

S S 

S 

� maximal 32 Stationen pro Segment 

� maximal 126 Stationen insg. zulässig 

S 

�maximal 3 Repeater zwischen 2 Stationen 

�Busabschluss notwendig 

An- und Abkoppeln von 

Stationen im Betrieb 

möglich. 




Profibus 

Layer 1 – RS485 Verschaltung 

Erste Station 

VP 

B 

A 

DGND 

Profibus 

Buszugriff 

Busabschluss 

390 Ω 

220 Ω 

390 Ω 







Profibus 

Layer 7 – Merkmale Profibus FMS 

Datenleitung B 

Datenleitung A 

Busabschluss 

A B A B 

Station 2 Station 3 

� Verbindet intelligente Feldgeräte wie SPS, PC 

390 Ω 

220 Ω 

390 Ω 

� Leistungsfähige Anwendungsfunktionen bieten große Funktionalität 

� Zugriff auf Variablen, Programme und Domains möglich 

� PROFIBUS-FMS arbeitet objektorientiert 

� Multi-Master und Master - Slave Kommunikation möglich 

� Peer-to-Peer, Broadcast und Multicast Kommunikation 

� Zyklische und azyklische Datenübertragung möglich 

� Bis zu 240 Byte Ein- und Ausgangsdaten pro Station 

� Unterstützt von allen wichtigen SPS-Herstellern 

� Große Produktvielfalt: SPS/PC, E/A, Antriebe, Ventile, Encoder .... 




Letzte Station 

VP 

B 

A 

DGND 



Profibus 

Medium Attachment Unit für Profibus PA 




Profibus 

Systemzustände 


Vom System beherrschte Stör- und Betriebszustände 

06.06.2007 

Feldbussen 

� Mehrfachtoken 

mit 

� Der Verlust des Tokens 

Kommunikation 

� Fehler bei der Tokenweitergabe 

Industrielle VL 

� Mehrfachbelegung von Teilnehmeradressen 

� Teilnehmer mit gestörtem Sender / Empfänger 

Form T. Dr. 

� Zufügen und Entfernen von Teilnehmern 

� Kombinationen von aktiven und passiven Stationen 

70 

Quelle: Bussysteme i. d. Automatisierungstechnik, Vieweg Folie 





Profibus 

Layer 7 – objektorientierung FMS 

� Prozessvariablen, Parameter werden als Kommunikationsobjekte bezeichnet 

� Jedes Kommunikationsobjekt hat festgelegte Eigenschaften (Read/Write...) 

� Die Kommunikationsobjekte werden im Objektverzeichnis (OV) abgelegt 

� Das OV wird individuell für jeden Teilnehmer bei der Projektierung erstellt 

Steuerung 

Kommunikationsbeziehung 

PROFIBUS-FMS 




Objekte eines typischen FMS Gerätes 

Stückzahl 

Stillstandzeit 

Fehlerrate 



Profibus 

Layer 7 – Beispiel Objektverzeichnis 




Objektverzeichnis (OD) 

Header 

• ROM/RAM Flag 

• Namenslänge, Zugriffsschutz, Version OV 

• Erster Index und Länge des statischen OV 

• Erster Index und Länge des Datentyp OV 

• Erster Index und Länge der dynamischen OV Teile 

Datentypverzeichnis 

Index Objekt-Code Bedeutung 

1 Datentyp Integer 8 

....... Datentyp Integer 16 

6 Datentyp Floating Point 

Statisches Objektverzeichnis 

Index Objekt- Daten- Interne 

Symbol 

Code Typ Adresse 

20 VAR 1 4711H Stückzahl 

21 VAR 2 5000H Ausfallrate 

22 VAR 6 100H Stillstandszeit 

Profibus 

Projektierung am Beispiel PA 

Geräteprofile (vereinfacht) 




Profibus 

Profisafe Struktur 

● Software realisierten 

Sicherheitsmaßnahmen 

● Neue Schicht 

● Sicherheits- und Standardgeräte an dem 

selben Buskabel. 




Status 

Messwert 

Messbereich 

Filterzeit 

Alarmlimits 

Alarm summary 

TAG 

Herstellerspezifische 

Parameter 

DP Dienste 

zyklisch 

DP Dienste 

azyklisch 

DP Dienste 

azyklisch 

● Keine Zusatz-Hardware und 

Stromversorgung 

PA-Profil 

(z.B. für 

Druckmessumformer) 




Profibus 

Layer 7 – Kommunikationsbeziehungen FMS 

Die Datenübertragung zwischen den Stationen wird durch 

Kommunikationsbeziehungen geregelt. 

� Die Kommunikationsbeziehungen ermöglichen Zugriffsschutz und automatische 

Verbindungsüberwachung. Kommunikationsbeziehungen 

Master/ 

Master/ 

Master 

Master 

verbindungsverbindungsorientiertorientiert 




Master/ 

Master/ 

Slave 

Slave 

Mit oder ohne Slave-Initiative 

azyklisch zyklisch oder azyklisch 

Broadcast 

Broadcast 

verbindungsverbindungsloslos 

Bestätigung erforderlich Bestätigung nicht erforderlich 

Alle Kommunikationsbeziehungen werden in die Kommunikationsbeziehungsliste eingetragen (KBL) 

Profibus 

Profisafe Anwendung 




Profibus 

Profisafe Anwendung 

Multicast 

Multicast 


Maßnahmen zur Fehlervermeidung: 

● Übertragungsmechanismus, der zu jeder Zeit die „Lieferung“ aktueller Daten 

sicherstellt 

● Empfänger, der aktualisierte Daten innerhalb einer bestimmten Zeitspanne erwartet 

● Eine für Master- und Slavegeräte eindeutige Identifizierung im Netzwerk und 

● Eine Methode zur Aufdeckung verfälschter Daten. 

► Sicherheitsklassen SIL 3 

(Safety Integrity Level, 

IEC 61508) 

► Kategorie 4 (EN 954-1). 







CAN 




CAN-Bus 

Aufbau Datentelegramm 

• Daten werden in Telegrammen (Botschaften) versendet 

• Strukturierter Aufbau: 

– Startbit (Start of Frame, SOF) 

– Identifier (Absender) gleichzeitig Arbitration Field (Buszugriffskontrolle) 

– Steuerfeld mit Datenlänge - Control Field 

– Daten (0 - 8 Byte) 

– CRC (Fehlerüberprüfung, d=6) 

– Acknowledge (von mindestens einem Empfänger) 

– Stopbits (End of Frame, EOF (Pause)) 




CAN-Bus 

Pegelerzeugung High-Speed CAN 







Zugriffsarten 

Inhaltsadressierung am Beispiel CAN 

Motorsteuergerät 

Zündung und 

Einspritzung 

Lastregelung 

Kombiinstrument 

Darstellung von 

Geschwindigkeit, 

Drehzahl etc. 

Getriebesteuergerät 

Gangwahl 

Beschleunigung 

Verzögerung 




Bremsensteuergerät 

ABS 

ASR 

ESP 

• Jeder Busteilnehmer empfängt alle Datentelegramme. 

• Die Adresse der Datentelegramme beschreibt deren Inhalt und nicht das Ziel. 

Datenfestlegungstabelle: 

• Nach dem Empfang eines Telegramms wertet jeder Busknoten über ein Akzeptanzfilter aus, ob 

die enthaltene Information weiterverarbeitet wird oder nicht. 

• Analoges Beispiel: 

Verkehrsnachrichten im Radio, jeder Empfänger (Radio) decodiert alle Nachrichten. Der Hörer 

entscheidet für sich, ob die Informationen für ihn gerade relevant sind oder nicht. 

CAN-Bus 

Zugriffskontrolle - Arbitration 

Alle CAN-Bus-Tranceiver (Treiber) eines Netzwerkes sind als hartverdrahtete ODER-Verschaltung ausgelegt. 

Wenn mehrere Tranceiver (Busknoten) gleichzeitig versuchen einen dominanten und/oder rezessiven Buspegel 

einzustellen, überschreibt bei gleichzeitiger Sendung ein dominantes Bit immer ein rezessives. Die Logik im 

Schnittstellenbaustein der rezessiven Teilnehmer erkennt dies als Arbitrationsverlust und zieht seinen Sender 

für die Dauer des anliegenden Telegramms (Botschaft) vom Bus zurück. 




CAN-Bus 

Telegrammaufbau – Ackknowledge 

Knoten 3 gewinnt den Buszugriff 

und überträgt seine Daten 

CAN-Telegramm 

R 

06.06.2007 

1 12/32 6 0…64 16 1 1 7 

D 

Acknowledge 

R 

Feldbussen mit 

D 

Kommunikation Industrielle 

Acknowledge Slot (1 bit) 

Acknowledge Delimiter (1 bit) 

VL 

Sender verhält sich rezessiv, jeder Knoten, 

rezessiv 

der das Telegramm empfängt, erzeugt hier 

ein dominantes Bit. 

Form T. 

Damit kann der Sender sicherstellen, dass 

Dr. 

mindestens ein anderer Knoten seine Botschaft 

empfangen hat und er noch mit dem Netzwerk 

verbunden ist. 

84 

Quelle: Müller, Grundlagen der Kfz-Elektronik, Hanser Verlag Folie 






CAN-Bus 

Blockschaltbild fehlertoleranter Low-Speed Tranceiver 

Zeitabschaltung gegen 

fehlerhafte dominante Pegel 




CAN-Bus 

Elektrische Fehlerfälle 

Flankensteilheitskontrolle 




CAN OPEN 

Warum und Wozu 




Zuschaltbare 

Abschlusswiderstände 

Fehlerlogik 

Quelle: Datenblatt TJA1054, Fa. Philips 

Eingangsfilter zur 

Verbesserung der 

Störunempfindlichkeit 

Quelle: www.elektronikschule.de 




CAN-Bus 

Verhalten eines Busknotens im Fehlerfall 

Zustandsdiagramm: 

Sendefehlerzähler: Empfangsfehlerzähler: 




CAN OPEN 

Warum und Wozu 




• Error active: Knoten nimmt weiter an Kommunikation teil, 

sendet aber ACTIVE ERROR FLAG 

Andere Teilnehmer erfahren so, dass eine Störung vorlag. 

• Error passive: Knoten nimmt weiter an Kommunikation 

teil, unterdrückt aber ACTIVE ERROR FLAG 

Hiermit wird sichergestellt, dass ein gestörter Teilnehmer 

nur für begrenzte Zeit Telegramme blockieren kann. 

• Bus Off: Ausgangstreiber abgeschaltet 

Teilnehmer ist so stark gestört, dass er vom Bus isoliert 

wird. 

CANopen ist eine standardisierte Anwendung für verteilte industrielle Automatisierungssysteme 

auf der Basis von CAN. 

• ist ein standardisiertes Schicht-7-Protokoll. 

• beschreibt standardisierte Geräteprofile und ihre Funktionalität. (Kommunikationsprofil) 

• ermöglicht den einfachen Austausch von Geräten in einem offenen System. 

• ermöglicht die leichte Integration neuer Geräte. 

• ermöglicht einer Anwendung, auf einer definierten Daten- und Objektschnittstelle zu arbeiten. 

• realisiert Plug&Play-fähige CAN-Systeme. 

• definiert das „Wie“ und das „Was“ der Kommunikation. 

Beschreibung der Funktionalität und Parameter von Gerätetypen in Geräteprofilen für: 

• digitale und analoge Ein/Ausgabemodule (CIA Device Profile 402), 

• Antriebe (CIA Device Profile 402), 

• Mensch-Maschine-Interface (MMI/HMI) (CIA Device Profile 403), 

• Regler (CIA Device Profile 404), 

• programmierbare Steuerungen (CIA Device Profile 405), 

• Encoder (CIA Device Profile 406). 

Ethernet und drahtlose Netzwerke im 

Industrieeinsatz 







Ethernet und drahtlose Netzwerke 

Echtzeitanforderungen 

Real-Time (RT) 

• Verwendung von 

Standard-Komponenten 

• Leistungsklasse wie 

heutige Feldbussysteme 

(z.B. PROFIBUS) 

• Typisches 

Anwendungsfeld ist die 

Factory Automation 

Isochrones Real-Time 

(IRT) 

• Taktsynchrone 

Datenübertragung 

Zykluszeiten

1 Einleitung - Institut für Robotik und Prozessinformatik

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