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Buszugriffsverfahren

- Einführung in die Technik der Feldkommunikationssysteme

Stand 2.6.2012

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung ................................................................................................................. 2

2 Allgemeines zur Kommunikation in der Automatisierungstechnik ........................... 2

3 Analyse der Verbindungs- und Steuerungsstrukturen ............................................. 3

4 Das ISO-OSI-Modell als Voraussetzung für eine „offene Kommunikation“ ............. 5

4.1 Physikalische Schicht (Physical Layer) ........................................................... 6

4.2 Datensicherungsschicht .................................................................................. 6

4.3 Anwendungsschicht (Application Layer) .......................................................... 7

5 Bus-Zugriffsverfahren .............................................................................................. 7

5.1 Master-Slave ................................................................................................... 8

5.1.1 Anwendungsbeispiel: Schlafhorst Autoconer System.............................. 9

5.1.1.1 Das Kommunikationssystem beim Autoconer System .................. 11

5.2 Tokenbasierte Verfahren ............................................................................... 14

5.2.1 Anwendungsbeispiel Profibus ................................................................ 17

5.3 ALOHA, CSMA, CSMA/CD, TSMA, CSMA/CA ............................................. 19

5.3.1 ALOHA ................................................................................................... 19

5.3.2 Slotted ALOHA ...................................................................................... 20

5.3.3 Lösung der Synchronisationsaufgabe beim Slotted ALOHA Verfahren. 22

5.3.4 Das CSMA-Verfahren ............................................................................ 23

5.3.5 Das CSMA/CD-Verfahren ...................................................................... 27

5.3.5.1 Ethernet Frameaufbau ................................................................... 33

5.3.6 CSMA/CA-Verfahren (Collision Avoidance) ........................................... 36

5.3.6.1 Bitweise Arbitrierung der Quellenadresse (oder Zieladresse) ....... 36

5.3.6.2 Verfahren mit dynamischer Priorisierung ....................................... 42

5.4 TDMA ............................................................................................................ 43

5.5 Verteiltes Schieberegister .............................................................................. 45

6 Literatur ................................................................................................................. 47

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1 Einleitung

Bussysteme spielen in der modernen Automatisierungstechnik eine immer größere Be-deutung. Sie stellen eine standardisierte datentechnische Schnittstelle zur Verfügung, an welche Komponenten und Subsysteme in fast beliebiger Kombination angeschlos-sen werden können. Damit wird eine hohe Modularität und Flexibilität komplexer Sys-teme erreicht. Moderne verteilte Automatisierungssysteme auf der Feld- und Prozess-ebene basieren so auf seriellen Bussystemen.

Nachfolgend soll die Problematik der Feldbuskommunikation eingehend betrachtet wer-den. Dabei wird die Entwicklung der Verbindungs- und Kommunikationsstrukturen am Beispiel verschiedenartiger Automatisierungsstrukturen aufgezeigt. Im Anschluss daran werden die prinzipiellen Unterschiede zwischen Bussystemen auf der dispositiven (ver-waltenden, Bürobereiche) und der operativen Ebene erläutert und auf die besonderen Anforderungen der unteren Automatisierungsebenen (Feldebene, Prozessebene) hingewiesen. Anschließend werden die technisch relevanten Merkmale heutiger Feld-bussysteme dargestellt.

2 Allgemeines zur Kommunikation in der Automatisierungstechnik

Der ständig steigende Automatisierungsgrad in der Fertigungs- und Prozessleittechnik macht den Aufbau von hierarchisch gegliederten Kommunikationsstrukturen erforder-lich. Im Mittelpunkt der Diskussion um „Computer Integrated Manufacturing“ (CIM) ste-hen deshalb auch Netzwerkkonzepte, mit denen eine Ebenen übergreifende Kommuni-kation hergestellt werden soll. Dieser Informationsverbund erfordert Kommunikations-strukturen, die Verbindungen zwischen dem operativen und dem dispositiven, d. h. dem Automatisierungs- und dem Planungsbereich, bzw. dem technischen und dem kauf-männischen Bereich herstellen Schn94 .

Bild 1 zeigt die verschiedenen Ebenen im hierarchischen Kommunikationsmodell eines modernen Produktionsbetriebes. Während in der obersten Ebene sog. Fabrikbusse für den relativ zeitunkritischen Transport großer Datenmengen spezifiziert sind, nehmen die teilnehmer- bzw. botschaftsspezifischen Datenmengen stetig ab und gleichzeitig die Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit, d. h. nach kurzen Reaktionszeiten stetig zu.

Für die Datenübertragung im verwaltenden Unternehmensbereich ist es in der Regel nicht sonderlich entscheidend, ob ein Datentransfer Sekunden oder Minuten in An-spruch nimmt. Im Bereich der unteren Automatisierungsebenen hingegen müssen z. B. in Regelkreisen mit festen äquidistanten Abtastzeitintervallen relativ kurze Datenblöcke in wenigen Millisekunden von einem Feldgerät zu einem anderen oder zu einer überge-ordneten Master-Steuereinheit verschickt werden.

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Feldebene

Steuerungsebene

Zellenebene

Leitebene

Einfache Sensor-Aktor Ebene

Kommunikationshierarchie eines IndustrieunternehmensJe weniger unterschiedliche Bussysteme existieren, umso einfacher ist die Integration unterschiedlicher Geräte und Anlagen im Sinne eines durchgängigen Kommunikations-modells. Aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen auf „unteren“ und „höheren“ Automatisierungsebenen kann es jedoch kein allgemeingültiges Kommunikationssys-tem geben, das prinzipiell allen Anforderungen hinreichend genügt.

3 Analyse der Verbindungs- und Steuerungsstrukturen

Eine notwendige Voraussetzung für die Prozessautomatisierung stellen die Informatio-nen aus dem Produktions- bzw. Fertigungsprozess dar. Diese den aktuellen Prozess-zustand charakterisierenden Informationen werden in der Regel mit Hilfe von sog. Sen-soren aus dem laufenden Prozess gewonnen. Sensoren wandeln dabei die zu mes-sende physikalische Größe in ein elektrisches Messsignal um, das nunmehr analog oder digital weiterverarbeitet werden kann.

Bedeutend für die geeignete Weiterverarbeitung der aus dem Prozessgeschehen er-haltenen Rohdaten sind die zugrunde liegenden Steuerungs- und Verbindungsprinzi-pien und -strukturen. Allgemein sind hier zwei Trends in der Automatisierungstechnik auf den untersten Automatisierungsebenen zu verzeichnen:

Bild 1: Kommunikationshierarchie eines Industrieunternehmens

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LR

S S/A A S/A

- konventionelle analoge Einzelsignalübertragung

- Datenverdichtung durch Konzentratoren- Reduzierung des Verdrahtungsaufwandes durch Einführung von Zubringersystemen

Charakteristika

LR

K KA

A S/AS/ASS

LR

K/C K/C

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

S/A

- Reduzierung des Verdrahtungsaufwandes durch Busankopplung der Sensoren/Aktoren

- Datenvorverarbeitung in dezentralen Verar- beitungsknoten (C)

LR - Leitrechner

S/A - Sensor/Aktor G - Gateway

- Busverbindung

- Einzelverdrahtung

- Netzkoppler

K/C - Konzentrator (Multiplexer) /lokaler VorverarbeitungsknotenR - Repeater

SK - Sternkoppler

- weitere Reduzierung des Verdrahtungsauf- wandes -> Kostenreduzierung

- Verlagerung dezentraler Vorverarbeitungs- funktionen (C) in die "intelligente" Feldkomponente

- Verlagerung

der

"zentralen"

Verarbeitungskapazität

in Richtung

"lokale"

Verarbeitungskapazität

a)

b)

c)

LR LR

S S

SS S/A

S A

G GA

S/A

ASK

d)

Bild 2: Verbindungs- und Steuerungsstrukturen

1) Feldgeräte, wie z. B. Sensoren und Aktoren entwickeln sich von früher rein ana-log funktionierenden und weitgehend passiven Feldeinheiten in Richtung digital arbeitenden Sensorsysteme mit skalierbarer Vorverarbeitungsleistung. Bislang zentrale Steuerungsstrukturen werden abgelöst von dezentralen Einheiten, die im Verbund innerhalb eines lokalen Automatisierungsbereiches autonom eine

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automatisierungstechnische Aufgabenstellung bearbeiten. Zentrale Intelligenz wird somit an den Ort der Informationsgewinnung „delegiert“ und substituiert bzw. entlastet im gleichen Maße den zentralen Prozessrechner.

2) Die zunehmend „intelligenter“ werdenden Feldgeräte verfügen zukünftig über eine digitale datentechnische Schnittstelle zum Anschluss an einen international genormten Feldbus. Der Feldbus stellt hier ein aufwandsarmes, flexibles Kom-munikationsmittel dar, das nicht nur ein Master-Slave-Übertragungsverhalten, sondern gleichberechtigtes Master-Master-Kommunikationsgebahren erlaubt.

Das Bild 2 veranschaulicht die Entwicklung, die die Verbindungs- und Steuerungsstruk-turen im Laufe der Zeit durchlaufen haben, rechts daneben werden die für den jeweili-gen Entwicklungsschritt kennzeichnenden Merkmale aufgeführt.

4 Das ISO-OSI-Modell als Voraussetzung für eine „offene Kommunikation“

Der Grundgedanke einer „offenen Kommunikation“ besteht darin, herstellerspezifische Automatisierungsgeräte mit unterschiedlichen zueinander inkompatiblen Hardware- und Softwarestrukturen miteinander kommunizieren zu lassen. Es sind hierfür umfangreiche Normierungsbestrebungen, vor allem im Bereich der Kommunikationsprotokolle, d .h. der Art und Weise, wie Informationen bzw. Nachrichten ausgetauscht werden, erforder-lich.

Ein Standard zur Beschreibung und Spezifikation von Kommunikationssystemen stellt das ISO/OSI-Basisreferenzmodell dar. Dieses auch allgemein als 7-Ebenen-Modell be-zeichnete Referenzmodell empfiehlt einen 7-schichtigen Aufbau für die Definition von Kommunikationssystemen. An jeder Schnittstelle zur nächst höheren Schicht werden Dienste bereitgestellt, die die darüber liegende Schicht zur Bewältigung ihrer spezifi-schen Aufgaben jederzeit aufrufen kann. Alle Schichten sind nacheinander von an- oder abgehenden Nachrichten zu durchlaufen, um den eigentlichen Anwendungsprozess, der letztlich den Kommunikationsbedarf anzeigt zu erreichen.

Im Gegensatz zu Kommunikationsnetzen auf höheren Automatisierungsebenen, wie z. B. den dispositiven Ebenen, weisen Kommunikationssysteme auf den unteren Auto-matisierungsebenen eine um wenige Schichten reduzierte Schichtenstruktur auf. Dies ist erforderlich um den spezifischen Erfordernissen auf der Feld- und Prozessebene gerecht zu werden, die da sind

- geringer Implementierungsaufwand (Zeit und Raumbedarf)

- hohe Übertragungsgeschwindigkeit

- Deterministisches Kommunikationsverhalten

- hohe Übertragungssicherheit

- einfacher Installationsaufwand

- etc.

Das OSI-7-Schichtenmodell wird auch auf das Thema „Feldbus-Kommunikation“ ange-wandt. Bild 3 zeigt, dass vor allem die Schichten 1, 2 und 7 betroffen sind; die Schichten 3 bis 6 sind bei fast allen Feldbus-Definitionen leer.

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Feldbus-Management

Protokoll-Management

FlußkontrolleVerbindungssteuerung

DatensicherungBuszugriffsregelung

Funktions-ManagementEvent-ManagementNetzwerk-BasisdiensteNetzwerk-Prozeßdienste

NetztopologieÜbertragungsrateelektrische Anschaltung

Anwendung(Application Layer)

Darstellung(Presentation Layer)

Kommunikationssteuerung(Session Layer)

Transport(Transport Layer)

Netzwerk(Network Layer)

Datensicherung(Link Layer)

Bitübertragung(Physical Layer)

Feldbus- und ISO/OSI-Schichtenmodell

4.1 Physikalische Schicht (Physical Layer)

Die physikalische Ebene befasst sich mit der übertragungstechnischen Seite der Daten-kommunikation, wie z. B. der Signaldarstellung und der Leitungsankopplung, sowie der Wahl des Übertragungsmediums. Sie legt die elektrischen und mechanischen Eigen-schaften der Übertragung fest. Des weiteren wird vereinbart, wie die Übertragung der einzelnen Bits erfolgen soll. Hierzu gehört die Art der Codierung, die Spannungspegel der Übertragung, die vereinbarte Zeitdauer für ein einzelnes Bit, die Wahl der Über-tragungsleitung und die Art der Ankopplung, sowie die Zuordnung der Anschlüsse (Pin-Belegung) für die Übertragung des Bitstroms.

Die physikalische Schicht 1 ist wie jede andere Schicht im System austauschbar, ohne dass andere Schichten davon betroffen sind. Die ISO/OSI Schicht 1 kann z. B. eine Glasfaserstrecke betreiben, ebenso wie eine elektrische Übertragungsstrecke nach der RS232, RS422 oder RS485-Norm etc., sie repräsentiert jedoch nicht das Übertragungs-medium selbst, sondern definiert quasi die Eigenschaften und Merkmale der physikali-schen Übertragungsstrecke.

4.2 Datensicherungsschicht

Die Aufgabe der Datensicherungsschicht (Data Link Control) besteht darin, unabhängig von der physikalischen Übertragungstechnik, beliebig große Bitfolgen zuverlässig, d. h. fehlerfrei zu übermitteln. Daraus resultieren folgende Aufgabenbereiche:

Bild 3: Feldbus- und ISO/OSI-Schichtenmodell

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- Angabe der Teilnehmeradressen, z. B. nur die Empfängeradresse oder zusätzlich die Sendeadresse,

- Fehlersicherung durch Hinzufügen von redundanten Informationen beim Senden und durch Prüfen beim Empfangen einer Nachricht.

- Fehlerbehandlung, also Maßnahmen zur Korrektur des Fehlers und zur Wiederherstellung eines normalen Betriebs nach einem erkannten Fehler, z. B. nochmalige Anforderung des Datenrahmens

Die Datensicherungs-Schicht gleicht beispielsweise unterschiedliche Geschwindigkeiten von Sender und Empfängerstationen aus. Sie synchronisiert den Datenfluss zwischen den beteiligten Stationen und verhindert ein „Überlaufen“, falls eine Station schneller sendet, als die empfangende Station Daten weiterverarbeiten kann. Die Datensiche-rungs-Schicht besitzt dabei keine Kenntnis über den Inhalt und die Semantik (Bedeutung) der übertragenen Information.

4.3 Anwendungsschicht (Application Layer)

In der obersten Schicht des ISO/OSI-Referenzmodells, der Anwendungsschicht, wird die Verbindung zwischen dem Benutzer und den nachfolgenden Protokollschichten eingeleitet. Der Anwender kann hiermit, ohne Detailkenntnisse über das zugrunde lie-gende Kommunikationssystem besitzen zu müssen, Informationen bzw. Nachrichten „transparent“ übertragen.

Die Schicht 7 stellt dem Anwender, d. h. dem eigentlichen Prozesstask Kommunika-tionsdienste zur Verfügung, wie z. B. das Lesen oder Beschreiben einer Prozessvari-ablen in einem anderen Busteilnehmer. Dabei wird das Client-Server-Prinzip verwendet.

Zukünftig ist auf der Anwendungsschicht zu erwarten, dass es für die unterschiedlichs-ten Anwendungsfälle, wie z B. Industrieautomation, Gebäudeleittechnik, Fahrzeugtech-nik spezialisierte Schicht-7-Protokolle geben wird, um auf diese Weise den speziellen Anwendungsanforderungen gerecht werden.

5 Bus-Zugriffsverfahren

An einem Bussystem können definitionsgemäß alle Teilnehmer zuhören, es muss je-doch explizit geregelt werden, welcher Teilnehmer bei gleichzeitigem Übertragungs-wunsch zu welchem Zeitpunkt das Recht erhält, auf dem Bus zu senden. Wie in einer Dis-kussionsrunde sollte immer nur ein Teilnehmer sprechen.

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Bild 4: Klassifikation der Bussysteme nach Buszugriffsverfahren

Das Zugriffsrecht wird durch die Medium Access Control (MAC)-Schicht geregelt, die als Teilschicht 2a der Datensicherungs-Schicht definiert ist. Bild 4 stellt in hierarchischer Form die grundsätzlichen Möglichkeiten der sog. Busarbitrierung dar.

5.1 Master-Slave

Beim Master/Slave-Zugriffsverfahren übernimmt ein Teilnehmer die Masterfunktion und koordiniert zentral das Buszugriffsrecht. Kommunikation erfolgt nur zwischen dem Master und den Slaves, Interslave-Kommunikation nutzt den Master als Vermittler. Der Master wählt in jedem Falle den Kommunikationspartner explizit aus.

Der Feldbus FIP aus Frankreich nutzt beispielsweise ein Master/Slave-Zugriffsverfahren: Der als sog. „Bus-Arbiter" bezeichneter Master teilt die Sprech-Erlaubnis von zentraler Stelle zu.

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Meist ist mit dem Master/Slave-Zugriffsverfahren auch ein einfaches Basis-Protokoll nach dem Schema „Command / Response" verbunden, der adressierte Slave-Teilnehmer bestätigt entweder den Empfang einer Nachricht durch eine Rückmeldung, oder er sendet seine Nachricht als Antwort auf ein Kommando. Ausgaben zu den Slave-Teil-nehmern werden bei Bedarf des Masters ausgeführt. Eingaben nach einem zyklischen Fahrplan. Wichtige oder zeitkritische Teilnehmer können auch mehrmals in diesem Fahrplan aufgerufen werden.

Eine besondere Rolle spielt die Erfassung von Alarmeingaben, da eine Übertragung von Alarmen durch den Slave nicht möglich ist. Meist dienen sehr kurze Command/ Res-ponse-Folgen dazu, die Teilnehmer sequenziell und zeitnah abzufragen.

Dieses elementare Prinzip ist einerseits recht einfach zu handhaben, führt jedoch auf-grund der zentralen Bedeutung des Masters zu Zuverlässigkeitsproblemen, da mit dem Ausfall des Masters keine Kommunikation mehr möglich ist. Viele Systeme ergänzen daher das Master/Slave-Zugriffsverfahren um eine Token-Passing-Komponente. durch welche die Kontrolle von einem Master zu anderen Mastern übergeben werden kann Die-ses Prinzip wird auch als Flying-Master Prinzip bezeichnet. (z. B. Mastertransfer beim PDV-Bus).

5.1.1 Anwendungsbeispiel: Schlafhorst Autoconer System

Schlafhorst bietet Textilunternehmen, die in ihrer Ringspinnerei mit dem Autoconer 238 oder dem Autoconer System 238 arbeiten, durch Nachrüstung einer unterdruckgeregel-ten Sauganlage deutliche Produktions- und Qualitätsvorteile:

Verringerter Energieverbrauch durch schnellere Absenkung der Lüfterdrehzahl nach dem Spleißzyklus

Höhere Produktivität durch verkürzte Schaltzyklen

Verbesserte Spulenqualität durch gesicherte Oberfadenerfassung

Vereinfachte Bedienung durch zentrale Einstellung des Unterdrucks am Informator bei Partiewechsel.

Keine Beschränkung der Partieanzahl innerhalb eines Vorlagenbereichs

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Bild: Autoconer mit den Spulstellen

Reduzierung des Energieverbrauchs Entsprechend dem zu spulendem Garn arbeitet die geregelte Sauganlage auf einem äußerst niedrigen, einstellbaren Unterdruckniveau. Die Energieeinsparung wird durch eine geringere Motordrehzahl realisiert, die sich am aktuellen Bedarf und nicht den auftretenden Maximalwerten anpasst. Gleichzeitig ist sichergestellt, dass für eine zu-verlässige Fadenerfassung der erforderliche Unterdruckwert nicht unterschritten wird.

Bild: Autoconer Statistik

Bei der unterdruck geregelten Sauganlage treibt ein frequenzgesteuerter Motor das den Unterdruck erzeugende Lüfterrad direkt an. Dessen Drehzahl passt sich den unter-

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schiedlichen Volumenstromanforderungen an .Der Unterdruck bleibt auf einem kon-stanten Niveau.

Ändert sich während der Schaltvorgänge der Luftdurchsatz durch zusätzlich öffnende Saugdüsen, sinkt bei der konventionellen Sauganlage aufgrund der fest vorgegebenen Motordrehzahl der Unterdruck. Dieser Unterdruckverlauf (Schwankungen je nach An-zahl schaltender Spulstellen) ist nicht beeinflussbar, da durch die Riemenscheiben-kombination eine bestimmte Motordrehzahl und damit Lüfterradleistung gegeben ist.

Bild: Das Autoconer System 238 der Fa. Schlafhorst

5.1.1.1 Das Kommunikationssystem beim Autoconer System

Aufgabe

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Prinzipbild

Anforderungen

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Erfassung des IST-Zustandes

Bewertung

Verbesserungen

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5.2 Tokenbasierte Verfahren

Prinzip

Beim Token-Passing gibt es keinen expliziten Master, vielmehr wird das Buszugriffs-recht (der Token) zyklisch weitergereicht

Nur wer den Token besitzt, darf auf dem Bus agieren. Der Token wird nach einer genau definierten Zeit an den nächsten Busteilnehmer weitergereicht. Der Token läuft somit zyklisch um.

Hierdurch wird ein gutes Echtzeitverhalten erreicht. Die Echtzeitfähigkeit ist grundsätz-lich dann gewährleistet, wenn ein vorhersagbares Zeitverhalten gegeben ist (Determi-nismus des Antwortverhaltens).

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Bild: Prinzipbild „Token-Master“ Verfahren

Bild: Busabitrierung durch zentrale Tokenvergabe

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Bild: Busabitrierung durch zentrale Tokenvergabe

Token-Passing gibt es in folgenden Ausprägungen:

Token-Bus: Alle Teilnehmer hängen an einem Bus, es gibt eine logische Folge von Teilnehmern, die meist durch die Adresse gegeben ist. Die logische Kette ist so aufgebaut, dass jeder Teilnehmer seinen Vorgänger und seinen Nachfolger kennt. Jeder Teilnehmer erkennt seinen am Bus sendenden Vorgänger und über-wacht ebenso, ob sein Nachfolger die Kontrolle korrekt übernommen hat. (Der MAP-Backbone-Bus nutzte dieses Token-Bus-Verfahren nach IEEE802.4).

Der Token-Ring ist eine weitere Alternative, bei der die Reihenfolge der Teilnehmer durch die physikalische Reihenfolge an dem durch die Teilnehmer unterbrochenen Ring gegeben ist. Die in der IEEE-Norm 802.5 festgelegten Regeln steuern dieses Verfahren.

Das Token-Passing-Verfahren weist ein gutes vorhersagbares Echtzeitverhalten auf. Auch im Hochlastfall kann eine obere Zeitschranke für die Nachrichtenübertragung an-gegeben werden. Lange Zeitverzögerungen können sich jedoch in Fehlerfällen einstel-len, insbesondere, wenn durch Fehler Token verdoppelt wurden oder Token verloren gehen. Über lange Time-out-Zeiten gesteuerte Protokolle führen dann zu langen „Worst-case“-Totzeiten auf dem Bus.

Einen Sonderfall bilden die Verfahren, die bei ringartigen Strukturen auf Anforderung ei-nen hochprioren Nachrichtenrahmen in die schon bestehende Nachrichtenkette ein-schieben können (z. B. CAMAC Serial Loop). Ein Teilnehmer mit einer wichtigen Alarm-nachricht kann bei einem Sendewunsch entscheiden, ob er zunächst die vom Ring an-kommende Nachricht an den nächsten Teilnehmer weiterreicht oder ob er sie zunächst

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speichert und seine eigene, wichtigere Nachricht an den Nachbarn weitergibt. Die Priori-täts-Entscheidung kann also dezentral, gegebenenfalls unter Nutzung der Kenntnis über die Wichtigkeit der anderen Nachrichten, getroffen werden.

Vorteile:

Nachteile:

5.2.1 Anwendungsbeispiel Profibus

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5.3 ALOHA, CSMA, CSMA/CD, TSMA, CSMA/CA

5.3.1 ALOHA

Das einfachste nicht deterministische Zugriffsverfahren ist das ALOHA-Verfahren. „Aloha" bedeutet „Hallo". Es ist eines der ältesten Zugriffsverfahren und wurde 1970 an der Universität von Hawaii entwickelt. Da es damals nicht möglich war die einzelnen In-seln über Kabel zu verbinden, baute man ein Funknetz auf.

Bild 5: Ablaufdiagramm des Zugriffsverfahrens „Aloha“

Prinzip

Jede Station darf jederzeit senden. Danach wartet die sendende Station auf eine Bes-tätigung auf einem separaten Rückkanal.

Senden zwei Stationen zur gleichen Zeit, treten Kollisionen auf. Die Datenblöcke sind defekt und es erfolgt keine Bestätigung.

Nachdem eine Bestätigung empfangen wurde, kann bei Bedarf weitergesendet werden. Findet keine Bestätigung statt, wartet jede Sendestation eine Zeitspanne, deren Länge zufällig bestimmt wird. Anschließend wird erneut versucht den Datenblock zu senden.

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Da die Wartezeiten zufällig bestimmt werden, löst sich der "Stau" sehr schnell wieder auf, solange die Leitung nicht überlastet ist.

Mit steigender Netzlast steigen ebenfalls die Kollisionen, bis schließlich kein Datenblock mehr übermittelt werden kann. Belegen die Sendeblöcke ca. 18 % der Gesamtzeit, er-gibt sich der höchste Durchsatz.

Bewertung

5.3.2 Slotted ALOHA

Verbesserungen gegenüber ALOHA

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Prinzip

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5.3.3 Lösung der Synchronisationsaufgabe beim Slotted ALOHA Verfahren

Bild: Time_A Block Diagram (aus MSP430_UserGuide_slau056g.pdf, S. 15-3)

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5.3.4 Das CSMA-Verfahren

Das durch Ethernet am meisten bekannte Buszugriffsverfahren stellt das CSMA (Car-rier Sense Multiple Access)-Verfahren dar. Dieses Verfahren gibt es in mehreren Ab-wandlungen, auf die im Folgenden kurz eingegangen werden soll.

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Bild 6: Busanordnung und Carrier Sense Multiple Access (CSMA)

Das klassische Verfahren funktioniert wie folgt: Jeder Busteilnehmer prüft, ob das Netz frei ist von Übertragungsvorgängen, entdeckt er den Träger nicht, darf er auf das Netz senden. Aufgrund der endlichen Signalausbrei-tungszeiten können mehrere Teilnehmer bei nahezu gleichzeitigem Übertragungs-wunsch diesen „bus-frei“ Zustand feststellen und mit ihrer Sendung beginnen. Es kommt zur Kollision, d. h. beide Nachrichten werden verfälscht und müssen zu einem späteren Zeitpunkt wiederholt werden.

Die Kollision wird beim klassischen CSMA-Verfahren erst am Ende des Übertragungsvorganges anhand der verfälschten CRC-Sicherungssumme erkannt.

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„1-persistent CSMA“ „non-persistent CSMA“

Bild: Ablaufdiagramm des Zugriffsverfahrens „1-persistent CSMA“ und „non-persistent CSMA“

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Bild: Ablaufdiagramm des Zugriffsverfahrens „p-persistent CSMA“

Die Sendestation verhält sich mit einer Wahrscheinlichkeit p von 0 ≤ p ≤ 1 1 wie 1-per-sistent CSMA.

Mit einer Wahrscheinlichkeit von 1-p wartet die Sendestation eine kurze Zeit T und hört das Übertragungsmedium dann erneut ab.

1 entspricht einer Wahrscheinlichkeit zwischen 0 und 100 Prozent

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Bild: Kollisionsrate und Datenübertragungsrate in Abhängigkeit der Anzahl Stationen

5.3.5 Das CSMA/CD-Verfahren

Das CSMA/CD-Verfahren beinhaltet zusätzlich eine Funktion zur Kollisionserkennung (Collision Detection). Bevor eine Station im Netz Daten sendet, hört sie das Medium ab, um festzustellen, ob es nicht schon durch andere Stationen belegt ist. Nur bei freier Lei-tung wird gesendet.

Auch während der Sendung hört die Station weiterhin die Leitung mit, um festzustellen, ob eine Kollision mit einer Station auftritt, die zufällig zum gleichen Zeitpunkt mit dem Senden begonnen hat (Collision Detect).

Kollisionen am Bus werden durch aktives Mithören und Vergleich mit den gesendeten Daten sofort von jedem sendenden Teilnehmer festgestellt. Bei erkannter Kollision wird sofort der Sendevorgang abgebrochen, dies spart Zeit und Bandbreite.

Wird eine Kollision erkannt, produzieren alle sendenden Stationen ein sog. JAM-Signal (=Broadcast-Nachricht) auf der Leitung, damit alle Sende- und Empfangsknoten die Bearbeitung des aktuellen Datenpakets abbrechen. Das JAM-Signal besteht aus einer 32 Bit langen Folge von ,,101010..." Anschließend warten alle sendewilligen Stationen eine zufällige Zeitspanne und versuchen nach Ablauf der Zeitspanne nochmals ihre Nachricht zu transferieren.

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Nach 10 Versuchen steigt die Wartezeit nicht weiter an. Es finden maximal 16 Sende-versuche statt, danach wird mitgeteilt, dass das Medium nicht verfügbar ist und es wird ein „Collision Error“ generiert .

Das Verfahren eignet sich hervorragend für geringe Buslasten, bei hoher Busbelastung steigen jedoch die durch Kollision bedingten Wartezeiten für den Buszugriff überpro-portional stark an.

Alle Stationen im Netz prüfen die empfangenen Datenpakete und nehmen diejenigen, die an sie selbst adressiert sind.

Eigenschaften von CSMA/CD: faires Zuteilungsverfahren effizientes Verfahren Priorisierung durch unterschiedlich lange Wartezeit bei erneutem Zugriff nach Kon-

flikt Robust durch Abschaltemöglichkeit bei Dauerbelegung im Netzabschluss Beschränkung der Netzausdehnung durch Laufzeiten (Kollision muss rechtzeitig er-

kannt werden) Mindestlänge, für Datenpakete (laufzeitabhängig), da Kollision erkannt werden muss keine Beschränkung auf Netzstruktur

Technische Daten von CSMA/CD: min. Rahmenlänge 512 bit max. Rahmenlänge 1518 Oktett

Rahmenschutzzeit 9,6 s Sendeschlitzzeit 512 bit max. Backofflimit 10 max. Sendeversuche 16

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Bild 7: Ablaufdiagramm des Zugriffsverfahrens CSMA/CD

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Bild 8: Busanordnung und Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CD)

Bild: Phsikalischer Ethernet-Anschluss

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Die Random Backoff-Strategie

Bild: Optimierung des Zugriffsverhaltens durch Backoff-Strategie

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Definition Kollisionsfenster: Die Zeit, in der eine Kollision passieren kann, d. h. die Zeit, die ein Signal braucht, um sich von einer Station zu einer anderen auszubreiten. Im Normalfall tritt beim Ethernet eine Kollision innerhalb der ersten 64 Byte (=512 Bits) auf.

Die wichtigsten werden hier kurz vorgestellt:

Fehler Beschreibung Mögliche Ursache

Late Collisions Kollisionen, die außerhalb des Kollisionsfensters von 512 Bit, also später auftreten

- eine Station mit Hardwaredefekt (Netzwerkinterface, Transceiver, etc.) - ein Fehler in der Software (Treiber) - Konfigurationsregeln für die Kabellänge sind nicht eingehalten worden (zu lange Signallaufzeit)

Jabber (zu deutsch: „Ge-plapper“).

Eine Station sendet längere Zeit ohne Unterbrechung, also Frames mit mehr als den maximal zugelassenen 1518 Bytes.

- defekte Netzwerkkarten oder defekter Treiber

Short Frames Frames, die kleiner als die minimal zugelassenen 64 Bytes sind.

- defekte Netzwerkkarten oder defekter Treiber

Ghost Frames Erscheinung ähnlich einem Datenframe, haben jedoch bereits im Start-Delimiter Fehler.

- Störungen, die auf das Kabel einwirken

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Bild: Aufbau des Crystal LAN Ethernet Controllers CS8900A

Bild: Grundsätzliche Aufbau einer 100Base-T-Ethernet-Schnittstelle

Aufgrund des nicht deterministischen Übertragungsverhaltens ist ein mit einem solchen Zugriffsverfahren ausgestattete Kommunikationssystem nicht für Echtzeitanwendungen geeignet. Andererseits zeigt es im Niederlastbereich hervorragende zeitliche Eigenschaf-ten.

Das TSMA-Verfahren (Transition Sense Multiple Access) setzt auf das CSMA/CD-Prin-zip auf. Im Unterschied hierzu steigt jedoch der mittlere zeitliche Abstand zum nächsten Wiederholungsversuch mit der Buslast stark an. Hierdurch kommt es zu weniger Kolli-sionen und es wird ein besseres Hochlastverhalten erreicht. Ein Vertreter stellt bei-spielsweise der LON-Bus (Local Aera Network) dar.

5.3.5.1 Ethernet Frameaufbau

Ethernet basiert auf einer Entwicklung der Hersteller Digital, Intel und Xerox (DIX-Fir-mengruppe). Die 4 Frametypen werden von den Herstellern verschieden bezeichnet.

Bild: Ethernet-Frametypen

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Bild: Vergleich der Ethernet Frames: Ethernet II und IEEE 802.3

IEEE 802.3 Frames haben statt des Typenfeldes ein 2 Byte langes Längenfeld. einge-fügt. Es gibt die Anzahl der Bytes im Datenfeld einschließlich 802.2 LLC-Header an. Statt Typfeld mit der Protokoll-ID ist der Destination Service Access Point (DSAP) und der Source Service Access Point (SSAP) vorhanden. Das Control Field enthält den Typ des LLC-Frames.

Bild: Ethernet Frame IEEE 802.3

Erläuterungen zum Frameaufbau

Präambel Die dient zur Realisierung der Kollisionserkennung und der Synchronisation der Statio-nen vor der Übertragung.

Sie besteht aus 7 Bytes. Es werden Bits in der Folge 10101010 ... gesendet.

SFD (start frame delimiter) Der SFD ist ein Byte lang und weist die Bitfolge 10101011 auf. Er steht unmittelbar vor Beginn des eigentlichen Frames.

Die Präambel und der SFD zählen nicht zur Frame-Länge.

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Header Der Header besteht aus der Zieladresse, der Absenderadresse und der Länge des Da-tenpaketes.

Sie besteht aus 7 Bytes. Es werden Bits in der Folge 10101010 ... gesendet.

Zieladresse (Destination Address) Adresse des Empfängers (6 Byte).

Absender-Adresse (Source Address) Adresse des Absenders (6 Byte).

Die ersten beiden Bits der Ziel- und Absenderadresse haben eine bestimmte Kodie-rung:

Bit 1 = 0 Einzeladresse (Unicast) 1

Bit 1 = 1 Gruppenadresse (für Multi- oder Broadcasts)

Bit 2 = 0 global verwaltete Adresse handelt (nach IEEE)

Bit 2 = 1 lokal verwaltete Adresse handelt (für private Netze), falls alle Bits =1 liegt Broadcast vor.

Länge Länge des Datenpakets (max. 1500 Datenbytes)

Daten Enthält die eigentlichen Nutzdaten. Zusätzlich sind Steuerinformationen höherer Schich-ten enthalten (LLC).

FCS Die FCS (Frame Check Sequence) besteht aus einer 32 Bit Prüfsequenz, welche nach dem CRC-32 Verfahren berechnet wird. Der Abstand zwischen einzelnenn Frames (Rahmenabstand) beträgt mindestens 9,6 us Interframe-Gap).

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5.3.6 CSMA/CA-Verfahren (Collision Avoidance)

Neben den klassischen CSMA-Zugriffsverfahren, die allesamt eine Kollision per Prinzip zulassen, gibt es Varianten hiervon, die durch eine entsprechende Zugriffsdisziplin die Kollision a priori vermeiden. Zwei Verfahren sollen kurz vorgestellt werden:

5.3.6.1 Bitweise Arbitrierung der Quellenadresse (oder Zieladresse)

Wie eingangs erwähnt, ist es durch die asynchrone Art des Zugriffs jederzeit möglich, dass mehrere Teilnehmer gleichzeitig auf den Bus zugreifen wollen, wodurch Zugriffs-konflikte entstehen. Um derartige Konflikte zu erkennen, liest jeder sendende Teilneh-mer während der Übertragung das soeben auf dem Bus gespielte Signal nochmals ein. Solange dieses Signal mit dem von ihm zur Übertragung freigegebenen übereinstimmt, darf er den Bus weiter benutzen. Stellt ein Teilnehmer hingegen fest, dass das aktuell am Bus anliegende Signal nicht mehr von ihm stammt (dass also eine Kollision aufge-treten ist), muss er augenblicklich die Übertragung abbrechen (sich sozusagen vom Bus zurückziehen). Dieser Teilnehmer kann einen erneuten Anlauf unternehmen, sobald sein "Gegner" die Übertragung einstellt und der Bus für eine gewisse Zeit lang un-benutzt blieb.

Grundlage dieses Zugriffsverfahrens, das bitweise Arbitrierung genannt wird, ist die Unterscheidung von zwei physikalischen Buspegeln, nämlich einem dominanten (lo-gisch 0) und einem rezessiven (logisch 1) Pegel. Solange der Bus von keinem Teilneh-mer belegt wird, befindet er sich auf rezessivem Pegel.

Jeder "sendewillige" Teilnehmer beginnt, nachdem der Bus für mindestens 50 Bitzeiten auf rezessivem Pegel gelegen ist, das erste Bit aufzuschalten. Das erste Bit ist das Startbit des ersten Zeichens. Dieses Startzeichen ist logisch 0 und somit „dominant“ codiert. Der Buspegel wechselt daher ebenfalls von dem ursprünglich rezessiven Zustand in den dominanten Zustand. Nun wissen alle anderen Teilnehmer, die nichts zu versenden hatten, dass der Bus belegt ist.

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Bild 9: CSMA/CA Zustandsdiagramm

Mit dem Senden des Startbits ist die sogenannte Arbitrierungsphase eröffnet. Während dieser Phase vergleicht jeder sendende Teilnehmer das von ihm aufgeschaltete Signal mit dem tatsächlich auf dem Bus vorhandenen Pegel. Jeder Teilnehmer, der ein re-zessives Bit gesendet hat, jedoch ein dominantes Bit am Bus beobachtet, stellt den Arbitrierungsversuch sofort ein und wird zum Empfänger des gerade von einem ande-ren Teilnehmer gesendeten Zeichens.

Der soeben vorgestellten Arbeitsweise verdankt das Verfahren seinen Namen. Es wird bitweise, verlustlose Arbitrierung (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoi-dance, CSMA/CA) genannt. Zieht man in Betracht, dass die zu übertragenden Nach-richten mit Prioritäten, die die Busarbitrierung mitentscheiden, zu versehen sind, könnte man das zugrundeliegende Protokoll auch als Carrier Sense Multiple Access with Colli-sion Detection and Arbitration on Message Priority bezeichnen.

Die nachfolgende Abbildung zeigt die Adress-Arbitrierung anhand eines Signal-Zeitdia-gramms: Gleichzeitig sendende Teilnehmer senden ihre Quell/Zieladresse auf den Bus, beginnend mit dem höherwertigen Adressbit. Es findet ein bitweiser Vergleich der Quell/Zieladresse statt, wobei ein dominanter Zustand (meist Zustand „0“) sich gegen-über einem rezessiven Zustand (meist „1“) durchsetzt.

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0 = dominanter Zustand / 1 = rezessiver Zustand

1T 1R -> Teilnehmer abschalten

-> Teilnehmer mit kleinster (größter) Adresse setzt sich durch (höchste Priorität)

Bild 10: Collision Avoidance (CA) durch Adressarbitrierung

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Bild: MAX489/MAX491 Pin Configuration and Typical Operating Circuit (half-Duplex)

Bild: MAX488/MAX490 Pin Configuration and Typical Operating Circuit (full-Duplex, ohne DE, RE)

Bld: MAX489/MAX491 Pin Configuration and Typical Operating Circuit (full-Duplex, mit Enable)

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Funktion der Bit-Arbitrierung:

Prägt ein Teilnehmer dem Bus einen dominanten Signalpegel auf, während ein anderer ein rezessives Bit übertragen möchte, so erkennt Letzterer die Kollision und bricht sei-nen Sendeversuch ab. Auf diese Weise setzt sich der Teilnehmer mit der höher prioren

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Nachricht durch. Ein Vertreter dieses Verfahrens ist beim CAN-Bus implementiert. Re-striktionen ergeben sich hinsichtlich der maximalen Übertragungsrate und der maxima-len Busleitungslänge, da die Arbitrierung in jedem Bittakt möglich sein muss. Für den CAN-Bus werden beispielsweise 40 Meter bei 1 Mbit/s Datenübertragungsrate angege-ben.

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5.3.6.2 Verfahren mit dynamischer Priorisierung

Ein weiteres Verfahren, das neben dem geforderten Echtzeitverhalten auch eine gegen-über dem letzten Verfahren faire Behandlung aller Teilnehmer zeigt, schließt sich hieran an. Jedem Busteilnehmer wird eine bestimmte Zeitspanne nach der Beendigung der letzten Sendung zugeordnet, nach welcher er den Zugriff aufs Medium durchführen kann. Dabei kann die Zuordnung von Zeitspanne und Adresse absolut sein (feste Prio-rität) oder relativ zur Adresse des sendenden Teilnehmers erfolgen (dynamische Priori-sierung). Das Verfahren zeigt im ersteren Falle ein ähnliches Verhalten wie beim To-ken-Passing-Verfahren. Ein typischer Vertreter ist der Feld- und Prozessbus P-NET.

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5.4 TDMA

Bei dem Time Division Multiple Access (TDMA)-Verfahren liegt die Grundidee in einer gleichmäßigen Aufteilung der Bandbreite auf die einzelnen Teilnehmer. Die zur Verfü-gung stehende Buszeit wird unter allen aktiven Teilnehmern in einer festen Zuordnung aufgeteilt.

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Es gibt einen Zeitrahmen der Länge T, der bei n Teilnehmern in n gleichgroße Zeitstücke aufgeteilt wird, jedem Teilnehmer wird ein solcher Zeitslot zugeteilt. Haben die Teil-nehmer unterschiedlichen Bandbreitenbedarf, erhalten sie entsprechend mehr oder weniger Zeit zugeteilt. In jedem Fall ist die Zuteilung statisch.

Bild 11: Hybrides TDMA-Protokoll

Voraussetzung hierfür ist, dass die Teilnehmer über dezentrale, zueinander synchroni-sierte „Uhren“ verfügen.

Die Vorteile des TDMA-Verfahrens sind:

Die Übertragungsleistung ist pro Teilnehmer aufgrund des ihm zugewiesenen Zeits-lots garantiert und unabhängig von der Last der anderen Teilnehmern. Dies erlaubt eine a priori-Planung des Systemzeitverhaltens.

Das Protokoll ist relativ einfach mit wenig Overhead; es kann z. B. die Teilnehmeradresse entfallen werden, da die Adresse des einzelnen Teilnehmers durch die relative Lage im Zeitrahmen implizit festgelegt ist.

Natürlich bedeutet das Verfahren auch eine ,,Vergeudung" von Bandbreite, es besteht keine Möglichkeit, Übertragungsbandbreite entsprechend sich dynamisch ändernder Lastsituation zu verteilen. Ein Vertreter des TDMA-Verfahrens ist das Bussystem IN-TERBUS-S.

Feldbusse mit TDMA-Zugriffsverfahren sind der Feldbus:

Interbus-S. In den zyklischen Rahmen werden pro Teilnehmer eine bestimmte An-zahl von festen Bitpositionen eingeplant, auf denen Prozessdaten zyklisch übertragen werden. Zusätzlich können Teilnehmer auch azyklische Information übertragen: Dafür sind gesonderte Bitpositionen vorgesehen, auf welchen in mehreren aufeinan-der folgenden Rahmen jeweils Teile einer Gesamtnachricht übertragen werden (on demand). Die Prozessdaten werden also mit einer garantierten Zykluszeit, die ande-ren Informationen sequentiell übertragen. Es handelt sich hier um ein sehr einfaches und effizientes Verfahren.

SERCOS-Bus. Der SERCOS-Bus wurde speziell zur Steuerung von zueinander synchronisierten Antrieben konzipiert. Die zeitliche Synchronisierung zwischen den Teilnehmern sollte im s-Bereich liegen. Der Rahmen wird jeweils durch ein Master-Synchronisationstelegramm eingeleitet, es folgen Telegramme von den einzelnen Slave-Teilnehmern (Antriebe), die Nachrichten des Masters an die Slaves sind in

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dem Master-Datentelegramm zusammengefasst. Als Zykluszeit stehen Zeiten von 62,5 s bis 1 ms zur Auswahl.

Bild: TDMA-Telegramme beim Feldbus Sercos

5.5 Verteiltes Schieberegister

Eine sehr alte Technik stellt das „verteilte Schieberegister" dar. Das nachfolgende Bild zeigt dieses Schema:

Bild 12: Verteiltes Schieberegister

In jedem Teilnehmer sind Schieberegister mit M bit, die Teilnehmer werden zu einem Gesamt-Schieberegister von N x M bit verbunden. auf Seiten des Masters gibt es ebenfalls ein Schieberegister derselben Länge. Zu Beginn des Zeitrahmens wird die Eingabe-Information parallel in die Schieberegister übernommen, es folgt ein Schiebe-vorgang mit nx M Takten, danach steht die Information an den entsprechenden Aus-gängen der Teilnehmer und des Master-Schieberegisters zur Verfügung. IBM hat be-reits Mitte der 60er Jahre ein solches Ringleitungssystem angeboten (IBM 1800: de-zentrale Prozessperipherie).

Manchmal wird der TDMA-Zeitrahmen nicht voll mit Zeitschlitzen für die Teilnehmer be-setzt, sondern es verbleiben Zeitabschnitte, für die sich die Teilnehmer nach einem an-deren Zugriffsverfahren bewerben können, um zusätzliche Information „on demand" zu übertragen. Auch hier bleibt die Zeitgarantie für kritische Prozessdaten erhalten, zusätz-lich kann Bandbreite „on demand" verteilt werden. Solche Techniken sind von MAN (Metropolitan Area Network) her bekannt.

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Bild 13: 3-Achsen-Bahnsteuerung einer Drehmaschine

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Bild 14: Bewertung des TDMA-Verfahrens

6 Literatur

Bonf94 Bonfig, Karl Walter Feldbus-Systeme

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Technische Akademie Esslingen, Weiterbildungszentrum expert-Verlag 1992

Färb94 Färber, Georg Feldbus-Technik heute und morgen Automatisierungstechnische Praxis 36 Oldenbourg Verlag, München 1994

Hall89 Halling, Horst; Conrads, Dieter Serielle Busse: neue Technologien, Standards, Einsatzgebiete Technische Akademie Wupperteal (TAW) VDE-Verlag, Offenbach 1989

Schn94 Schnell, Gerhard Bussysteme in der Automatisierungstechnik Friedrich Vieweg & Sohn Verlagsgesellschft mbH Braunschweig/ Wiesbaden 1994