Verfahren zur Stabilisierung von Profibus Feldbus Funkverbindungen beim Einsatz in der industriellen Automation 28.12.2011, Dipl.Ing. Thomas Schildknecht, Vorstand Schildknecht AG, 71711 Murr, Haugweg 26 office@schildknecht.ag Feldbusübertragungen wie Profibus & Profinet sind schnelle zyklische Datenübertragungen zwischen einem Master, in der Regel eine SPS Steuerung, und einem oder mehreren Slaves wie Ein-Ausgabeklemmen, Frequenzumrichter, Laserscanner, Messgeräte, Operatorpanels etc. Diese dezentrale Datenübertragung hat sich in der Automatisierungstechnik fest etabliert und wird millionenfach erfolgreich eingesetzt. Mit dem Aufkommen von Funkübertragungsstandards wie WLAN, Bluetooth, DECT, Zigbee (802.15.4) ist die Möglichkeit gegeben auch Feldbusübertragungen über Funk zu realisieren. Seit über 10 Jahren bietet die in Murr, Nähe Ludwigsburg, ansässige Schildknecht AG Datenfunksysteme für Feldbusübertragungen in dr Automatisierungstechnik erfolgreich an. Dabei sind wertvolle Erfahrungen mit praktisch allen auf dem Weltmarkt vorhandenen Funkstandards für die lizenzfreien ISM und SRD Bänder in mehreren Tausend erfolgreichen Anwendungen gesammelt worden. Dieser Artikel soll dabei die Profibus-Kabel-Schnittelle der Funkübertragung beschreiben. Die Umsetzung dieses Verfahrens mündete in der Patenterteilung DE10 207 041 621 A1 Als einer der Pioniere von Wireless Automation hat man bei Schildknecht mit Wireless Profibus seit1998 Erfahrung und befindet sich in der 5 Gerätegeneration. Dabei sind Funktionen in Hardware und Software realisiert worden, die für einen erfolgreichen Einsatz in der Automatisierungstechnik, nach unserer Meinung, unverzichtbar sind. Bei Schildknecht hat man Erfahrung mit der Tunnelung von Profibus über folgende Funktechnologien: WLAN 2.4 GHz 802.11b,g WLAN 2.4GHz 802.11 Proprietäre Funktechnik WLAN 5.8GHZ 802.11h DECT 1.9GHZ Bluetooth 2.4GHz 802.15.1 802.15.4, Zigbee 2.4GHz 4xx, 868MHz, 915Mhz Proprietäre Funktechniken Upbanded DECT 2.4GHz Nanonet 2.4Ghz Über die o.g. Funktechnologien im Allgemeinen gibt es sowohl von Schildknecht wie auch von Fachkollegen und Marktbegleitern eine Vielzahl von Veröffentlichungen. Über die Unterschiede in der Hardware, Software und den Übertragungsstrategien der Technologien findet man jedoch kaum Informationen. Genau diese Unterschiede können jedoch entscheidend sein, ob ein Funksystem in der industriellen Anwendung erfolgreich und zuverlässig arbeitet. Für den Anwender macht sich der Unterschied in mehr oder weniger häufigen und längeren Profibus Fehlern bemerkbar. Seite 1
Die Aufgabenstellung Der Anwender der eine Wireless Profibus Lösung einsetzt, erwartet eine 100% Verfügbarkeit der Funkstrecke wie bei einem Kabel. Für mobile Anwendungen wie Flurförderfahrzeuge, Lagerbediengeräte, Elektrohängebahnen, Kräne, bewegliche Anlagen -und Maschinenteile werden schon lange kabellose Datenübertragungssysteme verwendet die auf Laser-, Infrarot-, induktiver - oder Schlitzhohleiter Datenübertragung basieren oder es werden Schleppkabel & Schleifringe mit Kontaktübertragung für die Datenübertragung verwendet. Die Funkübertragung kann hier als eine alternative Technologie gesehen werden, die bei der einen oder anderen Anwendung bisherige Technologien ersetzen kann. Der Anspruch, bisherige Technologien gänzlich zu ersetzen, ist sicher nicht zu erfüllen. Einerseits wegen der um ca. Faktor 1000 geringeren Übertragungsrate über einen Funkkanal verglichen mit einem Kabel anderseits der technischen und gesetzlichen Limitierung der zur Verfügung stehenden Funkbänder. Eine elektromagnetische Welle muss dabei auch noch das denkbar schlechteste und unkalkulierbarste Übertragungsmedium, die Luft, verwenden. Deshalb ist das Know-how unter welchen Bedingungen Feldbusfunkübertragungen erfolgreich eingesetzt werden können, auch bei Herstellern, noch sehr begrenzt. Was muss der Anwender und Planer tun um eine Feldbusübertragung über Funk erfolgreich betreiben zu können? 1. Analyse, ob eine Funkverbindung die Automatisierungsaufgabe überhaupt lösen kann 2. Aufnahme der bereits in einer Fabrik oder Halle eingesetzten Funktechnologien 3. Planung, welche Funktechnologie geeignet und eingesetzt werden kann 4. Dauerhafte Überwachung der Funkübertragung Über diese technischen und organisatorischen Maßnahmen gibt es beim VDI die Richtlinie 2185 Blatt 2 Koexistenz von industriellen Funktechnologien. Die Richtlinie hat mittlerweile auch internationale Beachtung erfahren und hat auch schon die erste Hürde in die amerikanische IEC genommen. Zusammen mit einigen Fachkollegen ist Thomas Schildknecht Mitautor dieser Richtlinie. Strategie der Funkübertragung Ein extrem wichtiger Punkt wurde bisher in keiner Pressmitteilung oder Richtlinie erwähnt: Die Funklösungen der unterschiedlichen Anbieter unterscheiden sich massiv darin, mit welcher Strategie eine Funkübertragung erfolgt. Telegramablauf bei der kabelgebundenen Profibusübertragung Seite 2
Telegrammablauf bei einer Funkübertragung Bei den wenigen technischen Lösungen dies es überhaupt auf dem Markt gibt, wird Profibus bzw. ein RS485 asynchrones Zeichen Byte für Byte über WLAN, Bluetooth oder eine proprietäre Schmalbandfunktechnologie übertragen. Dabei wird der Profibusframe, der über die Kabelschnittstelle eintrifft, in ein entsprechendes Funkframe des jeweiligen Funkstandards verpackt, über Funk übertragen und beim Funkempfänger wieder entpackt und dann über Kabel zum DP Slave weitergeleitet. Identische Lösungsansätze findet man auch für Ethernet / Profinet. Bild 1 zeigt den zeitlichen Ablauf einer normalen transparenten Feldbusfunkübertragung (Strategie "Transparent"). Der Feldbus Master sendet ein Datenpaket das im Funkmodem in das jeweilige Funkprotokoll verpackt wird und nach der Zeit T1 am Funkempfänger wieder ausgegeben wird. Der Feldbus Slave antwortet auf dieses Kommando i.d.r. mit den angeforderten Daten die nach der Zeit T6 beim Feldbusmaster wieder eintreffen. Nach der Zeit T3 kann der Feldbusmaster wieder neue Daten senden. Da die Antwortzeit des Slaves über die Funkstrecke nicht konstant ist, muss die Zeit T3 entsprechend groß gewählt werden um Reserven für Verzögerungen der Funkstrecke zu haben. Die Zeit T1 ist die reine Verzögerungszeit der Funkstrecke die im Bereich von 5ms bis 10ms liegen kann. Für den Anwender ist jedoch die deutlich längere Zykluszeit T2 von Bedeutung, da sie entscheidend ist innerhalb welcher Zeit die Feldbusklemme neue Daten erhält. Diese Zeit liegt bei transparenter Übertragung bei ca. 100ms (@187,5kbit, Tslot 16000). Bild 1: zeitlicher Ablauf einer Feldbusübertragung über eine Funkstrecke Seite 3
Die Zeiten werden wie folgt definiert: T1 Übertragungsverzögerung Funkstrecke ungestört T2 Aktualisierungszeit/Zykluszeit Feldbus nach der ungestörten Funkstrecke T3 Aktualisierungszeit/Zykluszeit Feldbus vor der Funkstrecke T4 Übertragungsverzögerung Funkstrecke gestört T5 Aktualisierungszeit/Zykluszeit Feldbus nach der gestörten Funkstrecke T6 TSDR Antwortzeit des Slaves Bei der Strategie "Transparent" der Funkübertragung wird die Feldbusübertragung am Master stark verlangsamt ausgegeben sowie längere Pausen zwischen den Telegrammen eingefügt. Dazu muss man Änderungen der Profibus Timing Einstellungen vornehmen. Bei Profibus wird dies erreicht durch Erhöhung der TSLOT Zeit und Verringerung der Datenrate auf höchstens 187,5kbit. In der Praxis hat sich gezeigt dass man sogar auf 93,75kbit oder 19,2kbit verringern muss, sowie einer fiktiven Erhöhung der Anzahl der Repeater und einer Erhöhung der Profibus Retries in den Einstellungen für die Profibus Eigenschaften. Die Anpassung der TSLOT muss dabei abhängig von der Profibustelegrammlänge also der angeschlossenen Peripherie, der verwendeten Funktechnologie, dem Zustand des Funkkanals und der Anzahl der angeschlossenen Profibusteilnehmer individuell ausprobiert werden. Dies erfolgt ausnahmslos durch Try & Error. Es gibt Lösungen von Marktbegleitern die hier Zeiten von 16000 Tbit (normal sind 100-300) benötigen, was einer völligen Verbiegung des Profibustimings gleichkommt. Die Profibuszykluszeit wird dadurch drastisch reduziert, Messungen haben ergeben, dass im ungestörten Betrieb bestenfalls 100 bis 150ms erreichbar sind. Bei Profinet ist es etwas einfacher, hier kann man für jeden Teilnehmer das Reductionratio einstellen, einer zusätzlichen Wartezeit in der der Teilnehmer nicht angesprochen wird. Kabelgebunden können bei diesen Änderungen der Profibus Timingeinstellungen keine weiteren Profibus Teilnehmer an der SPS angeschlossen werden. Die Hersteller solcher einfachen Funksaysteme verwenden dieses Verfahren, um mit technisch einfachen und damit billigen Funkmodulen arbeiten zu können. Der Nachteil liegt beim Kunden der einen instabilen Feldbus erhält und Profibus Funktionseinschränkungen akzeptieren muss. Bild 2 zeigt den Einfluss einer Funkstörung auf den Feldbus der zu einem Busfehler führt. Die schwarzen Pfeile stellen die Funkverbindung dar, die bei einer Störung die Daten wiederholen muss. Seite 4
Bei der Strategie "Transparent" mit diesem einfachen Übertragungsverfahren der Marktbegleiter treten Profibusfehler systembedingt reproduzierbar in regelmäßigen Zeitabständen auf. Bild 3 zeigt das Verhalten einer einfachen Profibus Funkstrecke eines Marktbegleiters Bild 4 Profitraceanalyse der Profibus Telegramme am Master Werden Profibus Retries bei Strategie "Transparent" Funksystemen in den Profibus Parametern eingestellt, kommt es auch schon bei kurzen Funkstörungen zu Busfehlern da die aufgelaufenen Retries zum falschen Zeitpunkt bzw. zu spät am Bus wieder ausgegeben werden. Bild 4 zeigt diesen mit einem Profibusdiagnosetool (Profitrace der Firma Procentec) gemessenen Zustand. Der rote Pfeil zeigt den Moment in dem der Profibus Master auf die Antwort über die Funkstrecke wartet und mit einem Repeat den Übertragungsversuch wiederholt. Nach 126 ms (Störung der Funkstrecke) kommen 2 Antworttelegramme über die Funkstrecke vom Slave. Der Master interpretiert dieses Verhalten als fehlerhaft, antwortet Seite 5
nach 693ms mit einem Sync, geht in den Busfehler und initialisiert die Kommunikation neu (Set Parameter, Get Diagnostic, Check Config), obwohl die Antworttelegramme des Slaves gar nicht verloren gegangen sind. Man erkennt auch sehr gut dass die Aktualisierung der Profibustelegramme nach der Funkstrecke sehr langsam ist und ca. 100ms beträgt (ca. 70ms SD2 + ca. 26ms ACK). Die Profibus Busgeschwindigkeit ist im Laborbetrieb auf 187,5kbit limitiert. Bild 5 Analyse der Profibustelegramme nach der Funkstrecke des Produktes eine Marktbegleiters dessen Funklösung nicht für Profibus geeignet ist Bild 5 zeigt dass Bluetooth intern alle Daten solang zwischenspeichert, bis die Funkstrecke wieder aufgebaut ist. Dies führt zu Problemen bei einer transparenten Profibusübertragung nach Strategie "Transparent" ohne Filterung und Steuerung dieser Datenübertragung. Der illegale Frame zum Zeitpunkt 4939,30ms enthält den gesammelten Datenmüll der Funkstrecke. Ohne die streng definierte Einhaltung der Pausenzeit zwischen 2 Profibusframes oder einer nicht schlupffreien Ausgabe eines Frames führt zu das Verhalten zu einem Busfehler. Ähnliche Effekte gibt es auch bei einer Profinet (Ethernet) Funkübertragung mit WLAN oder Bluetooth. Seite 6
Transparente Profinet Funkübertragung Bei WLAN 802.11 gibt es mit dem CSMA Verfahren noch eine weitere Problematik. Bei diesem Verfahren wartet ein Funksystem solange bis andere Funksysteme dieses Band nicht mehr belegen. Bei einer TCP/IP Übertragung ist das nicht weiter dramatisch, da übernimmt die TCP - Schicht die Steuerung, Einsortierung und gegebenenfalls Wiederholung der Telegrammpakete. Bei Profinet werden jedoch zyklisch die Daten wiederholt. Belegt nun ein anderes Funksystem den Funkkanal, erkennt der Funkempfänger die Kanalbelegung und wartet bis keine Energie mehr auf dieser Frequenz empfangen wird. Bei nur 3 nicht überlappenden Kanälen bei WLAN im 2.4GHz Band ist die Resource Funkbandbreite sehr schnell überlastet. Schon ein weiteres System auf dem gleichen Funkkanal führt zu Verzögerungen die ab einer gewissen Dauer dann zu Feldbusfehlern führen. Bild 6 Das WLAN CSMA Verfahren führt dazu, dass die zyklischen Daten zwischengespeichert werden und dann auf einmal gesendet werden. Schon mit einer einfachen analogen Funkvideokamera kann man damit dauerhaft eine Profinetfunkübertragung blockieren. Seite 7
DATAEAGLE Datenfunksystem Strategie Einen gänzlich anderen Lösungsansatz hat man bei Schildknecht gewählt, basierend auf den Erfahrungen mit mehreren Tausend erfolgreichen Anwendungen mit Wireless Profibus in mehr als 10 Jahren. Die Feldbusdaten werden dabei in den Funkmodulen vorverarbeitet. Das Ziel der Vorverarbeitung ist dabei, den Funkkanal möglichst wenig zu belegen und eine zeitliche Zugriffsteuerung sowohl der Kabelschnittstelle wie auch des Funkmediums zu ermöglichen. Die Funkstrecke kann im ungünstigsten Fall nur eine Halbduplex Übertragung ermöglichen. Durch die, bei Bluetooth teilweise automatische, Wiederholungen auf der Funkschnittstelle ist die Zugriffssteuerung auf der Kabelschnittstelle sehr problematisch. In einigen Thesisarbeiten und Dissertationen zum Thema wireless Profibus sind die Verfasser deshalb davon ausgegangen, dass eine deterministische Feldbusübertragung über Standard Funktechnologien technisch gar nicht möglich wäre. Integriert man jedoch in jedes Funkmodul eine Vorverarbeitung und entsprechende Speicherung und Steuerung, ist einerseits die Einhaltung des Bustimings auch bei Funkstörungen sehr wohl möglich, andererseits die Verwendung von Standard Funktechnologien. Bild 7 zeigt das entsprechende Prinzip. Kernpunkt dabei ist, dass der Profibus mit hoher Baudrate von bis zu 1.5Mbit/s mit dem Standardtiming betrieben werden kann. Es sind also keinerlei Modifikationen, im Vergleich zu einer Kabelverbindung, im Steuerungsprojekt oder den Einstellungen notwendig. Bild 7: In Hard-und Software realisierter Funktionsblock zur Stabilisierung der Feldbusübertragung in DATAEAGLE Wireless Profibus Systemen Seite 8
Der hellblau gezeichnete Funktionsblock in Bild 7 besteht aus einer kombinierten Hard- und Softwarelösung die fest im Funkmodem integriert ist. Folgende Aufgaben werden von diesem Funktionsblock erfüllt: Verarbeitung und Zwischenspeicherung aller Profibus Telegramme Busarbitrierung der Antworttelegramme Ausfilterung der benötigten Telegramme Firewall für nicht benötigte Telegramme FDL Telegramm Bearbeitung Token Telegramm Bearbeitung Überwachung Filterzeit Eigener Profibus Teilnehmer für Diagnosedaten Funktionsweise DATAEAGLE Strategie Die Steuerung sendet im ungestörten Funkbetrieb ein Profibustelegramm über die Funkstrecke (1) das vom Profibus Slave beantwortet (2) und nach der Übertragung vom Funkmodem zum Profibus Master ausgegeben wird (3). Der Profibus Master gibt zyklisch solange redundante Daten aus, bis sich eine Zustandsänderung ergibt (4). In der Skizze dargestellt als Farbänderung. Die direkte Antwort (5) gibt das Funkgerät dem Master noch mit den zwischengespeicherten alten Daten des Slaves zurück. Ist der Funkkanal nun gestört (7) versucht das Funkmodem die Daten zu übertragen bis eine Verbindung wieder möglich ist (6). Durch die Trennung der Funkstrecke durch den Funktionsblock im Funkmodem ist das Funksystem rückwirkungsfrei am Bus. Ein Profibusfehler auf der Masterseite ist auch bei Störungen der Funkstrecke ausgeschlossen. Erfahrungen zeigen dass Funkstörungen über 24 Stunden verteilt im Bereich von 50 bis 500 Millisekunden auftreten. FDL Request und Tokentelegramme, die im Rundspruch vom Profibusmaster gesendet werden (8), können bei Bedarf ausgefiltert werden. Antworten der Slaves auf diese Rundspruchtelegramme die nicht mehr zum Timing passen werden aktiv unterbunden und führen dadurch nicht zu Kollisionen am Bus und damit ausgelösten Busfehlern. (9) zeigt den Fall eines Token oder FDL Rundspruchs zu dem Zeitpunkt in dem eigentlich die Antwort des Funkslaves eintrifft. Funkübertragungssysteme die ohne diesen Funktionsblock Profibus übertragen, werden regelmäßig Busfehler erzeugen, das ist ein systemimmanenter Fehler. In der Praxis muss das Funksystem bei dieser Datenrate jede Millisekunde ein Profibustelegramm verarbeiten, die längste inaktive Zeit auf dem Profibus beträgt nur 200us und wird als Tslot bezeichnet. Durch eine Funkstörung erhöht sich die Übertragungszeit T1 auf T4 und die Aktualisierungszeit von T2 auf T5. Dies führt z.b. dazu dass das Ausgangssignal einer Busklemme um diese Zeit verzögert geschaltet wird. Diese Zeit liegt bei Bluetooth im ungestörten Fall zwischen 15 bis 30ms und erhöht sich um die Dauer der Funkstörung. Seite 9
Bild 11 Typische prozentuale Verteilung der gemessenen Antwortzeiten DATAEAGLE mit Wireless Profibus über Bluetooth: NLOS keine Sichtverbindung 20m, gute Reflexionsmöglichkeiten der Funkstrecke. Die Auflösung wurde sehr klein gewählt um auch einzelne höhere Aktualisierungszeiten zu erkennen. Die Messdauer betrug in diesem Fall ca.10 Minuten. In der Praxis können auch noch längere Antwortzeiten auftreten. Bild12 zeigt eine Profibus Funkübertragung über WLAN 802.11.g. Besonders auffällig ist der Totalverlust von Telegrammen (255ms). Seite 10
Ohne den im DATAEAGLE realisierten Funktionsblock müsste man die Profibusverbindung durch Vergrößerung der TSLOT und Reduzierung der Busgeschwindigkeit auf 93,75kbit so verlangsamen, dass 90ms keine neuen Daten vom Profibus Master gesendet werden. Die Einstellung der T-Slot Zeit erfolgt ausschließlich durch das "Try and Error" Prinzip. Mit dem DATAEAGLE Konzept werden Daten jedoch alle 23ms - 50ms aktualisiert und nur vereinzelt treten bis zu 89ms Verzögerungen auf die nicht zu Busfehler führen können. Die angegebenen Zeiten sind nicht absolut, sondern abhängig von der jeweiligen Anwendung. Im o.g. Beispiel für eine Busklemme mit 2 Byte Schreiben /Lesen. Überwachung Filterzeit Innerhalb einer einstellbaren Filterzeit kann die Profibusübertragung, auch bei einer kurzen Funkstörung, aufrecht erhalten werden. Man erreicht damit, dass kurze Funkstörungen nicht zu einem Busfehler und damit zu einem Anlagenstillstand führen. Bis ein Busfehler vom Bedienungspersonal quittiert und wieder aufgehoben ist, können 60 Sekunden und mehr vergehen. Hat man also eine schlechte Funkstrecke die jede Minute eine Verzögerung von 300ms erzwingt liegt die Anlagenverfügbarkeit bei 0%. Ein durchaus realistisches praxisnahes Szenario, gerade bei WLAN als Funktechnologie. Der längere Ausfall der Funkverbindung soll sich auf die Profibusverbindung wie bei einer Kabelverbindung auswirken. Dies hat den Vorteil, dass sich alle in der Steuerung vorhandenen Überwachungsstrukturen ohne Änderungen auch bei einer Funkstörung verwenden lassen. Aus diesem Grund wurde eine Filterfunktion in den Funktionsblock integriert. Bild 8 zeigt den Fall eines erzwungenen Busfehlers nach Ablauf der Filterzeit Die Filterzeit wird gestartet mit dem Eintreffen eines Telegramms über die Funkstrecke. Nach Ablauf der einstellbaren Filterzeit T8 wird vom Funktionblock das Profibustelegramm des Seite 11
Funkslaves nicht mehr automatisch beantwortet (9). Dies führt zu einem erzwungenen Busfehler. In der Siemens S7 wird der OB86 angesprungen und der Ausfall des Profibusteilnehmers dem Zyklusprogramm gemeldet. Die Filterzeit kann vom Anwender zwischen 20ms und 20 Sekunden eingestellt werden. Tokenverwaltung Token-Telegramme dienen bei Profibus dazu, anderen Mastern am Bus einen Kommunikationszeitslot zuzuweisen. Ein Profibus Master ist eine SPS (AG), ein Operatorpanel (OP) oder ein Programmiergerät (PG) oder auch ein Teleserviceadapter. Um auch diese Geräte über Funk ankoppeln zu können, muss das bisher beschriebene Verfahren um einen weiteren Funktionsblock im Funkgerät der Slaveseite erweitert werden. Beide Funktionsblöcke nehmen stellvertretend die am jeweiligen Bussegment vorhandenen Token des Funkpartners an und bearbeiten diese auch stellvertretend. Wir nennen das Tokenmirroring oder Tokenspiegelung. Wird ein Teilnehmer entfernt, wird diese Statusinformation über die Funkstrecke übertragen und das Partnergerät angewiesen, das Token für die entsprechende Station zu löschen. Bild 9: Aktive Teilnehmer nach der Funkstrecke durch Tokenmirroring Seite 12
Diagnosemöglichkeiten der Funkstrecke Für die Langzeitüberwachung und Diagnose der Funkstrecke wurde ein Konzept zur Einbindung in die Automatisierungslösung verwirklicht. Im Datenfunksystem ist zusätzlich zur transparenten Profibusübertragung ein eigener Profibus Teilnehmer realisiert, der über eine mitgelieferte GSD Datei in die Steuerung eingebunden werden kann. Über diesen Weg kann aus dem Zyklusprogramm heraus auf Daten der Funkstrecke zugegriffen werden. Eine optische Überwachung durch LEDs im Funksystem, wie von Marktbegleitern ausschließlich verwendet, ist nicht praxistauglich. Das Datenfunksystem DATAEAGLE liefert zum Beispiel aktuelle Messwerte wie die Zyklus bzw. Aktualisierungszeit T5 über die Funkstrecke, die Anzahl der Wiederholversuche Z1, Kalt -und Warmstarts der Funkstrecke und der angeschlossenen Profibusteilnehmer sowie auch Servicedaten bei einem Ausfall. Bild 10: Funktion Diagnoseslave Seite 13
Auswirkungen von Funkunterbrechungen auf die Feldbuskommunikation und die Gesamtverfügbarkeit der Anlage Führen Funkstörungen zu einer Erhöhung der Latenzzeit und wird diese Latenzzeiterhöhung auf das Feldbussystem weitergeben, kann das zu einer dramatischen Verschlechterung der Anlagenverfügbarkeit führen. Die Praxis zeigt, dass schon eine Verzögerung von 50ms zu einem Profibus / Profinet Busfehler führen kann. Die Steuerung selbst nimmt dann den betroffenen Feldbusteilnehmer aus der Umlaufliste und es dauert, je nach CPU Typ, zwischen 10 und 60 Sekunden bis der Busfehler wieder zurückgesetzt wird. Müssen anwendungsspezifisch solche Fehler vom Bedien oder Servicepersonal manuell quittiert werden, können sogar mehrere Minuten vergehen. In der Regel steht die Anlage solange. Tritt also jede Minute eine Verzögerung ab 50ms auf, kann die Anlagenverfügbarkeit auf 0% sinken. Das Bild oben zeigt die Auswirkungen der Verfügbarkeit der Funkstrecke (blau) auf die Anlagenverfügbarkeit. Während einer Funkverfügbarkeit = 0 für die Dauer von T3 ist keine Datenübertragung möglich. Ist die Verfügbarkeit =1 kann die Funkstrecke die Feldbustelegramme übertragen. Die grüne Linie zeigt das erwünschte Verhalten der Feldbuskommunikation. Kurze Unterbrechungen sollen nicht zu einem Busfehler führen. Ist die Unterbrechung zu groß (Zeitdauer T1), soll dies, wie bei einem Kabelbruch, zu einem Busfehler führen. Die Zeit T1 kann im DATAEAGLE Master von 20ms bis 20 Sekunden eingestellt werden. Bei einem dadurch erzwungenen Busfehler können alle angeschlossenen und betroffenen Systeme in einen vordefinierten Anlagenzustand überführt werden. Die orangene Line zeigt das Verhalten der Feldbuskommunikation, wenn das Funksystem Störungen der Funkstrecke nicht ausgleichen kann. Dies führt zu einem Profibusfehler der Dauer T2. Mit jeder Unterbrechung der Funkstrecke beginnt die Zeit T2 neu. Besonders gravierend ist das Zeitverhältnis der Störung von 50ms zum anstehenden Anlagenstillstand T2. Seite 14
Fazit einfache Funksysteme von Marktbegleitern Das analysierte Produkt eines Marktbegleiters (Bild Schildknecht AG) Eine völlig transparente Funkübertragung von zyklischen Feldbus Telegrammen wie Profibus und Profinet ist äußerst fehleranfällig und führt zu Busfehlern in unregelmäßigen Abständen. Buskonflikte können jedoch prinzipiell nicht vermieden werden. Es ist ein statistisches Problem wie häufig dies zu Fehlern führt. Kunden berichten von mindestens 1 Fehler pro Stunde. Der Feldbusmaster (SPS) nimmt dann einen nicht antwortenden Slave aus der Umlaufliste und springt den OB 86 an. Nach ca. 20-60 Sekunden, abhängig von der eingesetzten SPS, wird versucht den Teilnehmer erneut in den Bus einzubinden. Busfehler die vom Anlagenbetreiber quittiert werden müssen bleiben bis zur Quittierung bestehen. Die Anlagenverfügbarkeit hängt sehr extrem von der Verfügbarkeit der Funkstrecke ab. Verzögerungen der Funkstrecke bis maximal 100ms können gegebenenfalls auch mit einfachen Funklösungen durch Änderungen der Tslot und Reduzierung der Busgeschwindigkeit auf 19200 Baud gerade noch ausgeglichen werden. Ändert man diese Profibus Parameter, verlangsamt man aber generell bei jeder zyklischen Funkübertragung die Übertragungszeit dramatisch. Kabelgebundene Teilnehmer können am Master nicht zusammen mit Funkmodems angeschlossen werden. Es muss also eine eigene Baugruppe für die Funkstrecke eingesetzt werden mit einer eigenen Verkabelung bis zum Funkmodem was die geringeren Kosten der Funkmodule deutlich relativiert. Aktualisierungszeit von 200ms bei 2 Teilnehmer Multipointverbindungen, 1 Funkmaster bedient 2 Funkslaves, sind bei diesem Konzept kaum möglich. Seite 15
Fazit DATAEAGLE Konzept Systembedingt treten keine Busfehler durch Störungen auf der Funkstrecke auf Dank der beschriebenen DATAEAGLE Strategie ist eine schnelle und trotzdem hoch verfügbare Datenfunkübertragung auch mit zyklischen Feldbussen möglich. Die typische Profibus Aktualisierungszeit bei Bluetooth beträgt 20ms und ist somit 5 x schneller als vergleichbare Lösungen von Marktbegleitern. Durch die funktionelle Transparenz ist auch Profisafe über Profibus möglich. Dies erlaubt die Ankopplung von allen fehlersicheren Profisafe Komponenten über die Funkstrecke. Die Tokenverwaltung nach der Funkstrecke ermöglich die Ankopplung von Profibus Mastern wie OP,AG,PG. Damit ist auch Teleservice zu den Teilnehmern nach der Funkstrecke möglich. Mit dem Diagnoseslave ist die Einbindung in das Automatisierungskonzept und eine Langzeitüberwachung der Funktrecke möglich. Aktualisierungszeit von 80ms bei je Aktualisierungszeit von 160ms 4 Teilnehmern bei 8 Teilnehmer Es können Sowohl Punkt-zu-Punkt Verbindungen wie auch ein Funknetzwerk realisiert werden. Durch die Ausnutzung von 2 Funkkanälen ist die Punkt-zu-Punkt Verbindung doppelt so schnell. Die Profibus Funkstrecke arbeitet rückwirkungsfrei. Der am Profibus Master über Kabel angekoppelte Teilnehmer wird bei einer möglichen Funkstörung/Unterbrechung nicht beeinflusst. Quellen Thomas Vogel (2003): Wireless Profibus über WLAN 802.11(b) Andreas Willig (2002): Investigations on MAC and Link Layer for a wireless Profibus over IEEE 802.11 Bildmaterial: Schildknecht AG Alle Zeichungen sind urheberrechtlich geschützt Verwendung, auch auszugsweise, nur mit schriftlicher Genehmigung der Schildknecht AG Seite 16