Der P-Net Feldbus. Die Geschichte 2 Markt und Einsatzgebiete 2 Anwendungsmodelle 2 Technologie 4. Installationstechnik 6.

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1 Der P-Net Feldbus Arbeit im Vertiefungsmodul Embedded Control WS 2005 Bernhard Rytz E3b Die Geschichte 2 Markt und Einsatzgebiete 2 Anwendungsmodelle 2 Technologie 4 Die Architektur 4 Die Telegramme 4 Das Zugriffsverfahren 5 Installationstechnik 6 Schnittstelle RS Installation 6 Bitcodierung 7 Quellen 7

2 Die Geschichte P-NET wurde 1983 eingeführt. Das erste Produkt, das diesen Multimaster-Feldbus nutzte, wurde 1984 auf den Markt gebracht. Der P-NET-Standard wurde 1989 zu einem offenen und kompletten Standard. Im Zuge des steigenden Interesses an P-NET wurde die International P-NET User Organization ein Jahr später ins Leben gerufen. Markt und Einsatzgebiete P-NET wird seit vielen Jahren benutzt. Weltweit sind zur Zeit mehr als Installationen in Betrieb. Die Anwendungen reichen von einfachen Installationen mit einigen wenigen I/O- Punkten zu sehr grossen und komplexen Installationen mit mehreren tausend I/O-Punkten. P-NET-Applikationen finden sich sowohl in der Prozesstechnik als auch in der Stückgutfertigung. Die folgenden typischen Beispiele zeigen, wo P-NET zurzeit installiert ist: Molkereien, Brauereien, Umweltmonitoring in der Agrarwirtschaft, Tierfütterungssysteme, Asphalt- und Betonproduktion, Textilindustrie, Qualitätskontrollsysteme, Kraftwerke, Solaranlagen, Plastikformung, Schiffsmaschinen-Überwachung, Wasserversorgung, Gebäudeautomatisierung. Eine typische P-NET Anwendung weist Antwortzeiten bis zu einigen ms und eine Buslänge bis zu 1 km auf. Für Applikationen, bei denen die Antwortzeiten im Mikrosekunden-Bereich liegen, ist P-NET dagegen nicht geeignet. Anwendungsmodelle P-Net arbeitet nach dem Master - Slave Modell. Die Kommunikation findet nur statt wenn nötig und ist auf die Anwendung abgestimmt. Effiziente Lösung Durch mehrere Master (dezentral) ist es nicht von einer Zentrale aus gesteuert. Am laufenden System Anpassungen möglich

3 Multi-Net-Struktur Die Multi-Net-Struktur besteht aus mehreren unabhängigen Zellen. Indem ein System in einzelne Zellen, die jeweils bestimmten Abschnitten einer Anlage entsprechen, unterteilt wird, kann durchaus eine Zelle ausfallen, ohne die anderen in ihrer Funktion zu beeinflussen. Die Programmausführung kann innerhalb einer Zelle auf einen oder mehrere Prozessoren verteilt werden. Ein System dieser Struktur kann jederzeit erweitert werden. P-Net erlaubt die direkte Adressierung zwischen verschiedenen Bussegmenten. Der PC unten links könnte zum Beispiel direkt auf eine Slave hinter einem Multi-port-Master zugreifen. Die Segmentierung erlaubt einen unabhängigen lokalen Datenverkehr in jedem Bussegment. Fehler werden auf ein Segment beschränkt. Diese Struktur kann ohne weiteres erweitert werden

4 Technologie Die Architektur Die Spezifikation und Implementierung von P-NET richtet sich nach dem ISO / OSI Referenzmodell für die Schichten 1, 2, 3, 4 und 7. Üblicherweise implementiert ein Feldbus nur die Schichten 1,2 und 7, da aber P-NET Multinet-Strukturen unterstützt, implementiert das Protokoll auch die Schichten 3 und 4. Die Telegramme P-Net versendet jede Nachricht in Form eines solchen Rahmens (Frame). Node address field Control/Status Info length Info field Error Det bytes 1 byte 1 byte 0-63 bytes 1-2 bytes Frame format Node address field: Control / Status: Info length: Info field: Error Det.: Knotenadresse des Empfängers. Status des Netzes zum Beispiel Too Busy, Wait. Enthält die Länge des Info field. Besteht neben anderem aus Daten. Mit allen Bytes vor dem Error Det. wird eine Checksumme gemacht

5 Das Zugriffsverfahren Jeder P-NET-Master erhält eine Knotenadresse, die zwischen 1 und der erwarteten Gesamtanzahl der Master liegt. Alle Master verfügen über einen idle bus bit period counter, der mit jeder Bitperiode, zu der der Bus inaktiv (idle) ist, inkrementiert wird. Sobald der Bus aktiv wird, wird er zurückgesetzt. Jeder Master verfügt weiterhin über einen access counter, der immer dann inkrementiert wird, wenn der idle bus bit period counter 40, 50, erreicht. Wenn der access counter in einem Master den Wert der eigenen Knotenadresse enthält, dann erhält dieser Master den Token und kann auf den Bus zugreifen. Wenn der access counter die Maximalzahl der Master überschreitet, wird er auf 1 zurückgesetzt. Das Diagramm zeigt ein Beispiel des Virtuellen Token Passing-Prinzips bei P-NET für ein System mit 4 Mastern. senden nichts senden senden Zuerst hat Master 3 den Token und empfängt eine Antwort von einem Slave. Daraufhin wird der Bus inaktiv (idle). Sobald 40 idle bit periods gezählt wurden, werden alle access counters um eins erhöht und Master 4 kann nun auf den Bus zugreifen. Da Master 4 gerade nichts zu senden hat, kommt beim Stand von 50 bit periods wieder Master 1 an die Reihe. Master 1 benötigt den Bus auch nicht (er könnte sogar ganz vom Bus abgeschaltet sein), woraufhin der virtuelle Token zu Master 2 transferiert wird, sobald der idle bus bit period counter 60 erreicht hat. Da auch Master 2 und 3 keinen Zugriff durchführen wollen, gelangt der Token zu Master 4, wenn der idle bus bit period counter 80 enthält. Zu dieser Zeit kann Master 4 auf den Bus zugreifen. Daten erscheinen auf dem Bus, wodurch der idle bus bit period counter auf Null zurückgesetzt wird. Die Weitergabe des virtuellen Tokens findet innerhalb von nur 130 µs bzw. 10 Bit-Perioden statt. Es werden dazu keine Daten über den Bus gesendet. Ein einfaches Netzwerk kann bis zu 32 Master mit gleicher Priorität enthalten, wobei keine Hierarchie verwaltet werden muss. Daraus folgt, dass P-NET keine zentralen Buszuteilungsfunktionen erfordert. Virtuelles Tokenpassing ist wesentlich effizienter als die Weitergabe des Tokens durch eine Nachricht

6 Installationstechnik Die elektrische Spezifikation von P-NET basiert auf dem RS-485-Standard (RS-232 auch möglich) und benutzt eine geschirmte Zweidrahtleitung. Dies erlaubt eine Kabellänge von bis zu m ohne Repeater. Daten werden asynchron im NRZ-Code übertragen. Schnittstelle RS-485 Es werden 2 Leitungen benötigt die halbduplex angesteuert werden. Die Schnittstelle wird im Gegentakt betrieben. Der Vorteil der 2-Draht-Technik liegt hauptsächlich in der Multimaster- Fähigkeit. Jeder Teilnehmer kann prinzipiell mit jedem anderen Teilnehmer Daten austauschen. Ein RS485-Bus kann sowohl als 2-Draht- als auch als 4-Draht-System aufgebaut werden (mit Handshake, oder ohne). Außerdem ermöglicht RS-485 mit Hilfe eines Protokolls, Anschluss mehrerer Sender und Empfänger (bis zu 32 Teilnehmer). Die ISO- Norm 8482 sieht eine maximale Kabellänge von 500 Metern vor. Danke moderner, symmetrischer Leitungstreiber und kapazitäts- bzw. dämpfungsarmen, paarig verdrillten (twisted pair) Kabel, konnte die Entfernung zwischen zwei Endgeräten wesendlich erhöht werden: RS-485 unterstützt heutzutage somit Kabellängen von bis zu 1.2 km (100kBit/s) und Datenübertragungsraten bis zu 10MBit/s (10m Länge). Aufgrund der großen Übertragungslänge von über 1 km kann zwischen der Betriebserde des Daten-Senders und des Empfängers eine grosse Potentialdifferenz auftreten. Damit Potentialdifferenzen keinen Einfluss auf die Schaltungen bzw. Endgeräte ausüben können, ist in der DIN-Norm eine galvanische Trennung der Schnittstelle vom Rest der Schaltung (z.b. mit Optokoppler) zwingend vorgeschrieben. Eine einheitliche Belegung der Anschlussverkabelung existiert nicht. Da mehrere Sender auf einer gemeinsamen Leitung arbeiten, muss durch ein Protokoll sichergestellt werden, dass zu jedem Zeitpunkt maximal ein Datensender aktiv ist (Virtual Token Passing). Alle anderen Sender müssen sich zu dieser Zeit in hochohmigem Zustand befinden. Gegentakt-Betrieb: Beim Gegentakt-Übertragungsverfahren wird eine Leitung mit dem zu übertragenden Signal, die zweite Leitung mit dem invertierten Signal gespeist (symmetrische Leitung). Dadurch heben sich Gleichtaktstörungen und zum Teil Rauschen auf, so dass diese sich auf die Signalübertragung kaum auswirken. Installation Busstruktur Übertragungsmedium Einen physikalischen Ring ohne Terminierung. Bus Länge max 1200 m (EIA RS 485). Anzahl der Geräte bis zu 125. Abgeschirmtes, verdrilltes 2 Adriges Kabel mit mind mm²

7 Bitcodierung Das NRZ (non return to zero) Codierverfahren für pulsecodemodulierte Daten. Hierbei werden die Binärsignale direkt abgebildet: Ein 1-Bit-Signal durch einen hohen Pegel, ein 0-Bit-Signal durch ein niedrigen Pegel. NRZ Codes sind die einfachsten Leitungscodes. Die Bitfolgen 10 und 01 können so durch einen einzigen Frequenzzyklus dargestellt werden. Bei aufeinander folgenden Bits von gleichem logischen Wert bleibt der Signalpegel unverändert. Dies führt zu Problemen da dadurch der Gleichspannungsanteil grösser wird. Das Verfahren ist nicht selbsttaktend, d.h. es besitzt keine Synchronisiereigenschaften; es erlaubt höchste Datenraten. Ein wichtiger Vorteil ist die Bandbreiteneffizienz, da das Signal nur aus Nutzdaten besteht und keine Taktinformationen enthält. Quellen CENELEC Normteil EN IEC Norm IS Type 4-7 -

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