PROFIBUS-FMS Embedded Control Autor: Christian Ochsenbein Dozent: Prof. Max Felser Klasse: E3a Ort, Datum: Burgdorf,

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1 PROFIBUS-FMS Embedded Control Autor: Christian Ochsenbein Dozent: Prof. Max Felser Klasse: E3a Ort, Datum: Burgdorf,

2 Zusammenfassung Dieser Bericht soll in kompakter Weise den Profibus-FMS erläutern. Profibus-FMS ist die Abkürzung für Prozess Field Bus-Fieldbus Message Specification und wurde in der Automationstechnik eingesetzt. Er wurde in der Leitebene eingesetzt, aber durch Feldbusse auf Ethernetbasis und den Profibus-DP abgelöst. Für Neuentwicklungen wird der Profibus-FMS nicht mehr verwendet. Es sollen die Eigenschaften und Einsatzgebiete des Profibus-FMS gezeigt werden, aber auch ein Auge auf Geschichte geworfen werden. Die Eigenschaften werden an Hand des bekannten ISO/OSI-Modell erläutert. Für den Praktiker zeigt der Bericht, wo die Schwierigkeiten bei Einrichten dieses Busses liegen , Vers. 1.0 II Christian Ochsenbein / E3a

3 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 1 2. Geschichtliches und Ausblick 1 3. Markt- und Einsatzgebiet 2 4. Anwendungsmodelle Buszugriffsverfahren und Systemverhalten Master-Master-Kommunikation Master-Slave-Kommunikation 4 5. Technologie Fieldbus Data Link Lower Layer Interface Field Message Specifiacation (FMS, Layer 7) Netzmanagement Fieldbus Management Layer1/2 (FMA1/2) Fieldbus Management Layer7 (FMA7) Application Layer Interface 6 6. Installationstechnik Übertragungsleitung Busstecker und Steckerbelegung Datenübertragung mit Lichtwellenleiter Signale der beiden Datenleitungen Systemkomponenten Master Slaves Repeater 9 7. Quellen 9 Anhang A 10 Technische Daten 10 Anhang B 11 Geräteübersicht 11 Abbildungsverzeichnis Fig. 2.1: Profibus Nutzerorganisation 1 Fig. 3.1: Ebenen Model 2 Fig. 4.1: Topologie des Profibus-FMS 3 Fig. 4.2: Verlängerung mit Repeater 3 Fig. 5.1: Architektur des Profibus-FMS 4 Fig. 5.2: Telegrammtypen 5 Fig. 6.1: Leitungsabschluss 7 Fig. 6.2: Bussignale im NRZ-Format 8 Fig. 6.3: Die Datenleitung A und B beim Profibus 8 Tabellenverzeichnis Tabelle 6.1: Leitungsparameter... 7 Tabelle 6.2: Leitungslängen bei unterschiedlichen Übertragungsraten... 7 Tabelle 6.3: Steckerbelegung eines 9-poligen D-Sub-Steckers... 7 Tabelle A.1: Technische Daten , Vers. 1.0 III Christian Ochsenbein / E3a

4 1. Einleitung Der Name Profibus-FMS steht für Process Field Bus Field Message Specification. Der Profibus-FMS wurde in den 1990er Jahren in der Systemebene von Automationsanlagen eingesetzt. Wegen den umfangreichen Telegrammen und den ziemlich kleinen Datenraten ist der Profibus schlecht Echtzeittauglich. Die grosse Funktionalität ist wichtiger als eine kurze Busreaktionszeit. Da heute einerseits mehr und mehr Echtzeitanwendungen (Sensor-Aktor-Betrieb) gefragt sind, ist der Profibus- FMS durch den Profibus-DP verdrängt worden. Auf der anderen Seite wird in der Leit- und Prozessebene heute ein Industrielles Ethernet wie z.b. Profinet eingesetzt. Für Neuentwicklungen wird der Profibus-FMS heute nicht mehr eingesetzt. Der Profibus-FMS war für seine Zeit zu komplex und konnte deshalb nicht die Erfolge des heutigen Profibus-DP feiern. 2. Geschichtliches und Ausblick Dieser Abschnitt soll die wichtigsten geschichtlichen Punkte des Profibus-FMS aufzeigen. Damit diese Übersicht nicht zu gross wird, wurde auf die anderen Profibussysteme (Profinet, Profibus-DP, etc.) verzichtet Im Rahmen eines deutschen Forschungsprojekts wird ein Konsortium von Firmen und Institutionen gegründet das den Auftrag hat einen Process Field Bus zu definieren und implementieren Die ersten Bussysteme waren für die allgemeine Automatisierung vorgesehen und hatten deshalb einen komplexen Application Layer. Als Fieldbus Message Specification (FMS) wurde der heutige Profibus-FMS in der Norm DIN festgelegt Profibus wird international. Länder wie z.b. die Schweiz gründen eigene Konsortien Der Profibus-DP wird in die Norm DIN aufgenommen Profibus-International, welche heute weit über 1000 Mitglieder hat, wird gegründet Seit dem Jahr 2000 ist der Profibus, zusammen mit den Feldbussen Foudation Fieldbus, Control Net, P-Net, FIP, High Speed Ethernet, Swift und Interbus in der IEC genormt. Der Profibus ist im Teil Bei der Revision der IEC Norm wird der Profibus-FMS aus der Norm gestrichen. Der Profibus-FMS wird heute für Neuentwicklungen nicht mehr eingesetzt. Seit der Einführung von Profibus-DP und Profinet hat der Profibus-FMS an Bedeutung verloren und wird heute bei Neuentwicklungen nicht mehr eingesetzt. Fig. 2.1: Profibus Nutzerorganisation , Vers Christian Ochsenbein / E3a

5 3. Markt- und Einsatzgebiet Der Profibus-FMS wird vorwiegend in der Gebäudetechnik, in der Fertigungstechnik und im Anlagebau eingesetzt. Die Stärken von FMS sind aufgrund des objektorientierten Datenaustauschs mit den komplexen Application Layers vor allem zur Kommunikation unter verschiedenen Speicher programmierbaren Steuerungen (SPS) und Industrie PCs zu sehen. Durch die Offenheit und Herstellerunabhängigkeit des Profibusses sind viele Produkte von verschiedenen Herstellern auf dem Markt. Dank der klaren Spezifikation sind diesen untereinander kompatibel und der Anwender ist nicht von einer einzigen Firma abhängig, wie bei anderen Bussystemen. Fig. 3.1: Ebenen Model Figur 3.1 zeigt das typische Einsatzgebiet von Profibus. Profibus-FMS und Profibus-DP können aber auch ohne gegenseitige Beeinflussung am gleichen Bus Daten austauschen , Vers Christian Ochsenbein / E3a

6 4. Anwendungsmodelle Der Profibus-FMS ist Topologisch als Linienstruktur mit Abschlusswiderständen zur Vermeidung von Reflexionen aufzubauen. Die Stichleitung zu den einzelnen Teilnehmern muss kleiner als 0.3m sein. Es können mehrer Master in einem System eingesetzt werden. Die verschiedenen Master kommunizieren untereinander über einen logischen Tokenring, das heisst, wer im Besitz des Tokens ist darf kommunizieren. Die Kommunikation von Master zu Slave funktioniert über ein Polling, das heisst, nur der Slave, der Master angepollt wird darf senden. Fig. 4.1: Topologie des Profibus-FMS Durch den Einsatz von Repeatern kann die Struktur von einer Stichleitung in eine Baumstruktur gebracht werden. Weiter kann die Leitungslänge vergrössert werden. Eine Verbindung zwischen zwei Teilnehmern kann aber maximal über drei Repeater bestehen. Fig. 4.2: Verlängerung mit Repeater 4.1 Buszugriffsverfahren und Systemverhalten Master-Master-Kommunikation Wie oben erwähnt kommunizieren die verschiedenen Master über einen logischen Tokenring. Ein Token-Telegramm wird in strikter Reihenfolge im Tokenring von einem Master zum nächsten in aufsteigender Adressfolge weitergegeben. Um zu gewährleisten, dass jeder Master nach Ablauf einer maximalen Zeit senden kann, ist es notewendig, eine Zeitspanne vorzugeben, in der das Token den Ring vollständig durchlaufen haben muss. Da sich die Sendezeiten im laufenden Betrieb ständig ändern, werden keine festen Sendezeiten vorgeschrieben. Aus diesem Grund ermittelt jeder Master durch Start eines Timers die Tokenumlaufzeit. Nur falls die ermittelte Zeit kleiner ist als die vom , Vers Christian Ochsenbein / E3a

7 System vorgegebene Sollzeit darf der Master Telegramme senden. Jeder Master kennt die Adresse seines Vorgänger und seines Nachfolgers. Diese werden dynamisch im Betrieb aktualisiert, somit können im Teilnehmer im laufenden Betrieb hinzugefügt oder entfernt werden Master-Slave-Kommunikation Jeder Master besitzt das Token für einen genau vorherbestimmten Zeitabschnitt. In dieser Zeit kann der Master mit Slaves kommunizieren. Der Master arbeitet zuerst die hochprioren Nachrichten ab, gefolgt von der Abfrage der zyklischen Daten gemäss Polling Liste. Anschliessend werden die azyklischen Daten abgearbeitet. Falls noch Zeit übrig ist, erstellt der Master eine Life-Liste, indem er alle angeschlossenen Slaves anpollt. 5. Technologie Dieses Kapitel behandelt Protokollaufbau und Datenverkehr. In den folgenden Unterkapiteln werden die einzelnen Dienste die im Bild5.1 dargestellt sind erklärt. Bild5.1 zeigt die Architektur im ISO/OSI- Refernzmodell. Fig. 5.1: Architektur des Profibus-FMS Der Profibus-FMS kennt zwei grundsätzliche Möglichkeiten zu kommunizieren, die verbindungslose Kommunikation (unbestätigter Dienst) für Broad oder Multicastmeldungen und verbindungsorientierte Kommunikation (bestätigter Dienst) für Master-Master- oder Master-Slave-Kommunikation. Die Kommunikation erfolgt objektorientiert, das heisst bevor über den Bus Kommuniziert werden kann, müssen dem Profibus die Kommunikationsobjekte bekannt gemacht werden. Dieses erfolgt über das Objektverzeichnis (OV). Alle Profibusdienste adressieren also nur Objekte und nie die direkte Kommunikationspartner. Die Objektorientierte Kommunikation ist der Grund für die komplexe Architektur des Profibus-FMS. 5.1 Fieldbus Data Link Beim Profibus bezeichnet man den Layer 2 als Fieldbus Data Link, über den der eigentliche Buszugriff erfolgt und hat die Aufgabe den Buszugriff zu steuern, die Token Umlaufzeit zu kontrollieren und stellt den Datenübertragungsdienst bereit. Hier sind die Telegramme für die Kommunikation definiert. Diese können eine feste oder variable Datenlänge von bis zu 255 Byte haben. Der Layer 2 bietet drei azyklische Datenübertragungsdienste an: SDN Send Data with no acknowledge Datensendung ohne Quittung SDA Send Data with acknowledge Datensendung mit Quittung SRD Send and Request Data Datensendung mit anforderung und rückantwort Daneben ist auch ein zyklischer Dienst möglich: CSRD Cyclic Send and Request Data zyklischer SRD-Dienst , Vers Christian Ochsenbein / E3a

8 Fig. 5.2: Telegrammtypen 5.2 Lower Layer Interface Das Lower Layer Interface, als Bestandteil der FMS-Anwendungsschicht, stellt die Schnittstelle zwischen Layer 2 und der Anwendungsschicht 7 dar. Die Aufgabe ist, die Dienste, die der Layers 7 dem Anwender zur Verfügung stellt, auf die Dienste des Layers 2 anzupassen. Zu dessen Aufgaben gehören die Flusskontrolle und die Verbindungsüberwachung. Zur Realisierung der Schnittstelle zur FMS-Schicht bietet das Lower Layer Interface folgende Dienste an: ASS Associate Dienst Verbindungsaufbau bei verbindungsorientierter Kommunikation DTU Data Transfer Unconfirmed Dienst Unquittierter Dienst des Layer 7 auf verbindungslose Kommunikation DTA Data Transfer Acknowledge Dienst Unquittierter Dienst des Layer 7 auf verbindungsorientierte Kommunikation DTC Data Tranfer Confirmed Dienst Quittierter Dienst des Layer 7 auf verbindungsorientierte Kommunikation ABT Abort Dienstag Verbindungsabbau in verbindungsorientierter Kommunikation Unterstützt wird die Funktionalität des Lower Layer Interface durch FMA-Dienste (Kapitel 5.4.), die den Verbindungsauf und abbau ermöglichen. 5.3 Field Message Specifiacation (FMS, Layer 7) Die FMS-Anwendungsschicht stellt die für den Anwender nutzbaren Kommunikationsdienste bereit, die den Zugriff auf die Variablen, die Übertragung und die Ablaufsteuerung von Programmen sowie die Ereignisübertragung ermöglichen. Die FMS-Dienste sind in folgende Gruppen unterteilt: Context Management Einrichten und Beenden von logischen Verbindungen und Abweisen unzulässiger Dienste Variablen Access Zugriff auf Einfachvariablen, Records, Arrays, Variablenlisten Domain Management Übertragung grosser Speicherbereiche Program Invocation Management Programmsteuerung Event Management Alarmmeldung VFD Support Identifikation und Zustandsabfrage eines Gerätes , Vers Christian Ochsenbein / E3a

9 OV Management Lesen und Schreiben des Objektverzeichnisses Die einzelnen FMS-Dienste sind zu umfangreich und werden hier nicht beschrieben, diese können in den Normen IEC nachgelesen werden. 5.4 Netzmanagement Fieldbus Management Layer1/2 (FMA1/2) Der FMA1/2 stellt die Funktionen zur Verwaltung der Layer 1 und 2 zur Verfügung. Im FMA1/2 werden die Dienste bearbeitet, angepasst und in die einzelnen Schichten zur Bearbeitung zur Bearbeitung weitergeleitet Fieldbus Management Layer7 (FMA7) Die FMA7 Funktionen sind optional und ermöglichen eine zentrale Projektierung. Der FMA7 besitzt neben der Anwenderschicht weiter Schnittstellen: Schnittstelle zur FMS aktivieren, deaktivieren, rücksetzen der FMS, Identifikation der FMS Schnittstelle zum LLI aktivieren, deaktivieren, rücksetzen des LLI, Identifikation des LLI, Ereignismeldung Schnittstelle zum FMA1/2 lesen, schreiben lokaler Variablen des FMA1/2 vom FMA7, Identifikationsabfrage Anwenderschnittstelle Alle an der Anwenderschnittstelle angebotenen Dienste werden vom FMA7 auf lokale Dienste abgebildet und über die Schnittstellen zur FMS, der LLI, der FMA1/2 abgewickelt. 5.5 Application Layer Interface Die Aufgabe des Application Layer Interface ist die Abbildung lokaler Objekte (z.b. Messwert) auf die bekannten Kommunikationsobjekte und die Übergabe der dafür nötigen Dienste an das Kommunikationssystem , Vers Christian Ochsenbein / E3a

10 6. Installationstechnik Das Kapitel behandelt den Physical Layer (Layer 1) des ISO/OSI Referenzmodells. 6.1 Übertragungsleitung In der IEC Norm sind zwei Varianten spezifiziert. Da der Leitungstyp B veraltet ist, wird hier nur auf Leitungstyp A eingegangen. Leitungsparameter sind wie folgt spezifiziert: Tabelle 6.1: Leitungsparameter Parameter Wellenwiderstand [Ω] Betriebskapazität [pf/m] Schleifenwiderstand [Ω/km] Aderndurchmesser [mm] Aderquerschnitt [mm 2 ] Werte bei 3 20MHz < 30 < 110 > 0.64 > 0.34 Mit den spezifizierten Leitungsparametern ergeben sich folgende Längenausdehnungen eines Bussystems. Tabelle 6.2: Leitungslängen bei unterschiedlichen Übertragungsraten Übertragungsgeschwindigkeiten [kbit/s] Leitungslänge [m] Durch die Terminierung des Buskabels an beiden Enden eines Segments mit den Abschlusswiderständen ist sichergestellt, dass Leitungsreflexionen minimiert werden und ein konstantes Lastverhalten am Bus eingestellt ist. Fig. 6.1: Leitungsabschluss 6.2 Busstecker und Steckerbelegung Ein Busstecker verbindet das Buskabel mit einer Station. Durch den Aufbau des Bussteckers ist ein störungsfreies Abtrennen und Zuschalten einer Station während dem Betrieb gewährleistet. Am weitesten verbreitet sind Busstecker der Schutzart IP20 und IP65 mit axialem, um 30 versetztem und mit senkrechten Kabelgang. In der IEC wird für Profibus ein 9-poliger D-Sub-Stecker empfohlen. Tabelle 6.3 zeigt wie der D-Sub-Stecker verdrahtet wird. Tabelle 6.3: Steckerbelegung eines 9-poligen D-Sub-Steckers Pin-Nr. Signal Bedeutung Schirm M24 RxD/TxD-P* CNTR-P DGND VP P24 RxD/TxD-N* CNTR-N Schirm / Funktionserde Masse der 24V-Ausgangsspannung Empfangs-/Sendesignal-Plus Steuersignal für Repeater (Richtungssteuerung) Plus Datenübertragungspotential (Masse zu 5V) Versorgungsspannung der Abschlusswiderstände-P Ausgangsspannung plus 24V Empfangs-/Sendesignal-Minus Steuersignal für Repeater (Richtungssteuerung) Minus *) Diese Signale müssen dem Anwender zwingend zur Verfügung stehen , Vers Christian Ochsenbein / E3a

11 Zum übertragen der Daten (Pin3/Pin8) wird bei Profibus ein verdrilltes Zweidrahtkabel mit angeschlossenem Schirm verwendet. Zum Anschluss von externen Geräten ohne eigene Spannungsversorgung kann der Anwender optional 24V (Pin2/Pin7) zur Verfügung stellen. (Wird bei Profibus-FMS normalerweise nicht verwendet). Jeder Teilnehmer hat dafür zu sorgen, dass er 5V und GND (Pin5/Pin6) zur Verfügung stellt, um den Bus physikalisch sauber mit den Abschlusswiderständen terminieren zu können. 6.3 Datenübertragung mit Lichtwellenleiter In Anlagenbereichen, in denen mit grossen elektromagnetischen Störfeldern zu rechnen ist, können Anlageteile oder eine komplette Anlage mit Lichtwellenleitern eingerichtet werden. Die wesentlichen Vorteile von Lichtwellenleitern sind: Überbrückung von grossen Entfernungen zwischen zwei Teilnehmern Störspannungen innerhalb einer Anlage können sich nicht ausbreiten, da Potentialtrennung zwischen den Teilnehmern besteht Unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen Lichtwellenleiter gibt es in der Ausführung aus Quarzglas und aus Kunststoff. Mit Glasfaserübertragung sind Abstände zwischen zwei Repeater von ca. 15km möglich. Bei Kunststofffaser sind ca. 50m möglich. Bei der Übertragung mir Lichtwellenleitern werden standardmässig Busstecker (Optical Link Plugs) und Repeater (Optical Link Module) angeboten, die eine Signalwandlung von RS485-Signalen auf Lichtwellenleiter und umgekehrt vornehmen. Somit ist es möglich, innerhalb einer Anlage beiden Übertragungstechniken zu haben 6.4 Signale der beiden Datenleitungen Profibus-FMS tauscht die Daten im NRZ-Code (non return to zero) aus, das heisst, der Signalverlauf von binär 0 oder 1 ändern sich während der Bitdauer nicht. Ein Zeichen besteht aus 11 Bits (1 Startbit, 8 Datenbits, 1 Paritätsbit [gerade], 1 Stoppbit). Wenn nichts gesendet wird, liegt auf der Leitung das Ruhepotential 1 an. Mit dem Startbit wird die Leitung auf 0 gezogen. Fig. 6.2: Bussignale im NRZ-Format Bei der Datenübertragung ist die Datenleitung B als Originalleitung und die Datenleitung A als die invertierte Datenleitung festgelegt. 6.5 Systemkomponenten Fig. 6.3: Die Datenleitung A und B beim Profibus Master Masterstationen bestimmen den Datenverkehr auf dem Bus. Eine Masterstation darf senden ohne externe Aufforderung, wenn sie im Besitz des Tokens ist. In der Praxis sind Masterstationen als Einschübe für SPSen oder PC erhältlich (siehe Anhang B) Slaves Slave-Geräte dürfen nur senden wenn sie von einem Master angefragt werden. Slave-Geräte sind Peripheriegeräte wie Ventile, Messumformer, Antriebe etc , Vers Christian Ochsenbein / E3a

12 6.5.3 Repeater Repeater verbinden zwei Bussegmente miteinander. Wenn Lichtwellenleiter verwendet werden anstelle der Repeater Optical Link Module eingesetzt. Diese Module wandeln die RS485 Signale in optische um und umgekehrt. 7. Quellen [1] PROFIBUS-DP/DPV1 Grundlagen, Tipps und Tricks für Anwender Manfred Popp, Hüthig, ISBN [2] Profibus-FMS (Euronorm, IEC-Norm) [3] Systembeschreibung PROFIBUS , Vers Christian Ochsenbein / E3a

13 Anhang A Technische Daten Tabelle A.1: Technische Daten Topologie max. Teilnehmeranzahl max. Gesamtausdehnung max. Teilnehmerabstand (ohne Repeater) Übertragungsmedium Hilfsenergieversorgung Teilnehmer über Bus Linie (Bus) mit Abschlusswiderstand max. 32 Teilnehmer pro Segment, insgesamt 124 (4 Segmente in Linie, 3 Repeater, Repeater zählt als Teilnehmer!) max. 32 Master 1,2 km ohne Repeater, ca. 10 km mit Repeatern (bis 93,75 kbit/s) bis 1,2 km verdrillte, geschirmte 2-Drahtleitung oder LWL nein Interface RS 485 Übertragungsrate Buszugriffsverfahren max. Telegrammlänge Protokollzugänglichkeit Datenframe-Effizienz Reaktionszeiten 9,6 kbit/s bis 500 kbitls Token-Passing (mit unterlagertem Master- Slave-Verfahren) 255 Byte offen gelegtes Protokoll (Normung) abhängig von Nutzdatenmenge ca. 50 ms Übertragungssicherheit HD = 4 Fehlererkennung Reaktionen bei Datenübertragungsfehlern Wiederanlauf Parität und Quersumme (LRC) definierbare Anzahl von Telegrammwiederholungen, reagiert Teilnehmer auf Anfrage nicht, wird er aus Teilnehmerliste gestrichen automatische Konfiguration Schutzart IP 20 bis IP 67 Ex -Schutz (Eigensicherheit ) Normung Zertifizierung Unterstützung durch Interessengemeinschaft nein EN DIN , Teile 1 und 2 RWTH/WZL Aachen PROFIBUS Nutzerorganisation e. V. (PNO) mit ca. 180 Firmen/Institutionen, weltweit ca. 650 Mitglieder , Vers Christian Ochsenbein / E3a

14 Anhang B Geräteübersicht Master: PLC 5 Schnittstellenmodul (Fa. Rockwell Automation / Allen Bradley) Kombimaster (Fa. Kuhnke) FMS-Master (Fa. Omron) Kommunikationsprozessor CP 5431 (S5, Fa. SIEMENS) Buskoppler / Gateways / Repeater: Buskoppler FMS-DP (Fa. Beckhoff) Gateway FMS-RS 232 (Fa. Comsoft) Repeater RS 485IP 20 (Fa. SIEMENS) Slaves: Chip IX 1 (Fa. Delta t) SUCOnet-Baugruppen, Motorschutzsysteme (Fa. Klöckner Moeller) E/A-Baugruppen (Fa. Pepperl+Fuchs, Kuhnke, Weidmüller) Ventilinseln (Fa. FESTO) Stellantriebe - AUMAMATIC (Fa. Auma) - SIPOS (Fa. SIEMENS) PC-Karten: FMS-Master, Protokollkonverter (Fa. Gap, Hilscher) Optical Link Module: OLM/S3, OLM/S4, OLM/P3, OLM/P4 für Plastik- und Glas-LWL (Fa. SIEMENS) Buskabel / Abschlusswiderstände: elektrische Kabel für RS 485 LWL (plastik-, Glas-LWL) Busterminal für RS 485 mit PG-Anschluss Busmonitoring, Prozessvisualisierung: Hard- und Softwarelösungen für verschiedene Mikrocontroller (FZI, TMG i-tec, Fa. Softing SIEMENS) , Vers Christian Ochsenbein / E3a