Profibus DP

Mehr als ein Ersatz

08.08.2006 | Redakteur: Jan Vollmuth

Profibus DP ist in Europa als Feldbus unangefochtener Marktführer mit weit über 50% Marktanteil. Kann man kein Kabel verlegen, weil z.B. Anlagenteile mobil sind, verwendete man bisher

Profibus DP ist in Europa als Feldbus unangefochtener Marktführer mit weit über 50% Marktanteil. Kann man kein Kabel verlegen, weil z.B. Anlagenteile mobil sind, verwendete man bisher Datenlichtschranken, Schleifringe, Schleppkabel, induktive Datenübertragungen oder Datenhohlleiter. Funkübertragung von Profibus ist eine mehr als attraktive Alternative zu diesen Technologien.

Zur Übertragung von Profibus über eine Funkstrecke gibt es verschiedene technische Lösungen. Eine Lösung besteht darin, dass eine Steuerung als Profibus Master das Funkmodem wie ein Profibus Slave anspricht. Dazu wird eine eigene GSD-Datei des Funkmodems eingebunden. Aus dieser Beschreibungsdatei erfährt ein DP-Master, z.B. eine Siemens S7 SPS, wie groß der Übergabedatenbereich ist.

Das Funksystem übertragt die Daten an einen oder mehrere Empfänger. Der Funkempfänger arbeitet entweder als Profibus-Slave oder ist selbst Master in diesem Bussegment. Als Master kann er DP-Slaves wie z.B. Ein-/Ausgangsbaugruppen direkt ansprechen, als Slave kann er nur von einer SPS angesprochen werden. Diese beiden Lösungen verhalten sich wie Profibus-DP/DP-Koppler über Funk. Dieses Verfahren verwendet Schildknecht im DATAEAGLE 2000 -System seit vielen Jahren.

Die Datenfunkfamilie DATAEAGLE 3000 verwendet einen anderen Lösungsansatz. Hier werden die Profibustelegramme über eine Funkstrecke getunnelt, beim Empfänger entpackt und auf dem Profibus-Kabelausgang wieder ausgegeben. Der Vorteil: Der Anwender sieht die Funkstrecke nicht und muss sich auch nicht um sie kümmern. Alle Parametrierungen und Einstellungen an den Baugruppen werden wie bei einer Kabelverbindung vorgenommen.

Die Anforderungen an eine solche transparente Funkstrecke sind entsprechend hoch: Profibustelegramme erlauben keine Pausen zwischen den Zeichen innerhalb eines Telegramms. Ist die Pause zu lang, wird dies als Start eines neuen Telegramms interpretiert. Da das Tunneln über die Funkstrecke Zeit benötigt, die bei einer Kabelverbindung nicht anfällt, muss eine Lösung gefunden werden, die Zeitüberwachung bei allen angeschlossenen Teilnehmern zu unterdrücken.

Zudem muss eine Profibus-Übertragung über Funk unterschiedliche Bustopologien berücksichtigen:

• Auf der Masterseite sind weitere DP Slave-Teilnehmer am Kabel angeschlossen

• Es befinden sich mehrere Master im Netzwerk

• Es sind mehrere Funkempfänger vorhanden

• Nach der Funkstrecke hängen mehrere Profibus-Slaves an einem Empfänger

• Unterschiedliche Master kommunizieren mit unterschiedlichen Slaves.

Für diese Aufgabenstellung gibt es jedoch keine fertigen ICs. Lieferbare Profibus-Bausteine wie ein SPC3 von Siemenskönnen nur Daten für eine DP-Adresse aufnehmen, außerdem werden bei diesem DP-Slaveinterface Informationen gelöscht, die für eine transparente Weiterleitung benötigt werden.

Am Markt gibt es Lösungen, die mit einem Mikrokontroller auf Softwarebasis ein Interface mit sehr geringer Busgeschwindigkeit von max. 187,5 KBit nachbilden. Bei dieser Lösung müssen die Profibusparameter wie z.B. die T-Slot-Zeit am Master eingestellt werden. Dies erlaubt auch einem langsamen Slave die Kommunikation mit dem Master – mit dem Nachteil, dass der Datenaustausch stark gebremst wird. In der Regel lässt sich damit ein zyklischer Datenaustausch mit max. 200 ms erzielen. Diese Werte sind jedoch in der Automatisierungstechnik nicht mehr praktikabel.

Dank der hohen Verarbeitungsgeschwindigkeit kann selbst Profisafe übertragen werden

Daher hat Schildknecht eigene Hardware und Software für das Profibus-Interface entwickelt. Basis ist ein spezieller Mikrocontroller mit DMA-Modus für die serielle Schnittstelle, der die 1,5-MBit/s-Übertragungsrate des Profibus verarbeiten kann. Auf unnötige Änderungen in der T-Slot-Zeit, wie die für langsamere Teilnehmer am Profibus Master einstellbare Wartezeit, kann man verzichten (Bild 2). Zudem kann aufgrund der hohen internen Verarbeitungsgeschwindigkeit auch Profisafe, die Sicherheitsvariante des Profibus, über diesen Funktunnel übertragen werden. In der Praxis werden Werte von ca. 20 ms Dataexchangetime am Slave erreicht, d.h., die zyklischen Daten werden alle 20 ms aktualisiert. Damit können alle verfügbaren Baugruppen unterschiedlicher Hersteller mit den gleichen Profibus-Parametern angeschlossen werden, die auch für ein Kabel eingestellt sind. Natürlich unterstützt das DATAEAGLE-Modul auch die Profibus-Variante DPV1 für azyklische Dienste.

Die Software im Funkgerät lernt in den ersten 5 Anlaufsekunden, wie sich der oder die Profibusteilnehmer nach der Funkstrecke verhalten und wie groß der jeweilige Datenbereich ist. Danach übernimmt DATAEAGLE das gelernte Verhalten und ersetzt stellvertretend den abgesetzten Busteilnehmer. Verglichen mit einer Kabelverbindung entsteht dabei ein kleiner zeitlicher Verzug in der Größenordnung von 20 ms, da die Profibus-Daten in ein Funktelegramm verpackt, übertragen und am Empfänger wieder entpackt werden müssen.

Die Software arbeitet vergleichbar einem Ethernet-Switch: Die eintreffenden Datenströme kommen in einen Puffer, werden einem Funk-Empfänger zugeordnet, komprimiert und über die Funkstrecke übertragen; anschließend werden sie beim Empfänger dekomprimiert und über eine Profibus-Masterfunktion wieder ausgegeben. Auf diese Weise lassen sich viele neue Verhaltensweisen integrieren, die für eine Funktunnelung benötigt werden. Dabei werden eventuelle Störquellen berücksicht.

Mit der DATAEAGLE 3000-Funkmodulserie hat Schildknecht eine spezielle Lösung für die Datenfunkverbindung zwischen Profibus-Teilnehmern entwickelt, die verschiedene Funktechnologien wie Bluetooth und WLAN unterstützt und sich durch hohe Verfügbarkeit auszeichnet.

Schildknecht Elektronik, Tel. +49(0)7042 841061

*Thomas Schildknecht ist Geschäftsführer und Inhaber der Firma Schildknecht

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