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Profibus - Buszugriffsprotokoll (FDL)

Alle Profibus-Varianten verwenden ein einheitliches Buszugriffsprotokoll (FDL). Es ist der Schicht 2 des OSI-Referenzmodells zugeordnet. Es beinhaltet auch die Funktionen der Datensicherung sowie die Abwicklung der Übertragungsprotokolle und der Telegramme. Die Schicht 2 wird bei Profibus als Fieldbus Data Link (FDL) bezeichnet. Die Buszugriffssteuerung (MAC, Medium Access Control) legt das Verfahren fest, zu welchem Zeitpunkt ein Busteilnehmer Daten senden kann. Die MAC muss sicherstellen, dass zu einem Zeitpunkt immer nur ein Teilnehmer die Sendeberechtigung besitzt. Beim Profibus-Protokoll wurden zwei wesentliche Anforderungen an die Buszugriffssteuerung berücksichtigt:

  • Einerseits ist für die Kommunikation zwischen komplexen Automatisierungsgeräten (Master) sicherzustellen, dass jeder dieser Teilnehmer innerhalb eines definierten Zeitrasters ausreichend Zeit für die Abwicklung seiner Kommunikationsaufgaben erhält.
  • Andererseits ist für die Kommunikation zwischen einem komplexen Automatisierungsgerät und den zugeordneten einfachen Peripheriegeräten (Slaves) ein zyklischer, echtzeitbezogener Datenaustausch mit möglichst wenig Aufwand zu realisieren.

Das Buszugriffsprotokoll beinhaltet deshalb das Token-Passing-Verfahren für die Kommunikation von komplexen Busteilnehmern (Master) untereinander und unterlagert das Master-Slave-Verfahren für die Kommunikation der komplexen Busteilnehmer mit den einfachen Peripheriegeräten (Slaves).

Schaubild

Das Token-Passing-Verfahren garantiert die Zuteilung der Buszugriffsberechtigung, dem Token, innerhalb eines genau festgelegten Zeitrahmens. Die Token-Nachricht, ein besonderes Telegramm zur Übergabe der Sendeberechtigung von einem Master an den nächsten Master, muß hierbei in einer (parametrierbaren) maximalen Token-Umlaufzeit reihum einmal allen Mastern übergeben werden. Das Token-Passing-Verfahren wird beim Profibus-Buszugriffsprotokoll nur zwischen den komplexen Teilnehmern (Master) angewendet.

Das Master-Slave-Verfahren ermöglicht es dem Master (aktiver Teilnehmer), der gerade die Sendeberechtigung besitzt, die ihm zugeordneten Slave-Geräte (passive Teilnehmer) anzusprechen. Der Master hat hierbei die Möglichkeit, Nachrichten an die Slaves zu übermitteln bzw. Nachrichten von den Slaves abzuholen.

Mit dieser Zugriffsmethode können folgende Systemkonfigurationen realisiert werden:

  • reines Master-Slave-System
  • reines Master-Master-System (Token-Passing)
  • eine Kombination aus beiden Verfahren

Unter einem Token-Ring ist die organisatorische Aneinanderreihung von aktiven Teilnehmern zu verstehen, die durch ihre Busadressen einen logischen Ring bilden. In diesem Ring wird der Token, die Buszugriffsberechtigung, von einem Master zum nächsten Master in einer vorgegebenen Reihenfolge (aufsteigende Adressen) weitergereicht. Erhält ein aktiver Teilnehmer das Token-Telegramm, so kann er für eine gewisse Zeit die "Masterfunktion" über den Bus ausüben und mit allen Slave-Teilnehmern in einer Master-Slave-Kommunikationsbeziehung und mit allen Master-Teilnehmern in einer Master-Master-Kommunikationsbeziehung stehen.

Die Aufgabe der Buszugriffssteuerung (MAC) der aktiven Teilnehmer besteht darin, in der "Hochlaufphase" des Bussystems diese logische Zuordnung zu erkennen und den Token-Ring zu etablieren. Im laufenden Betrieb ist ein defekter oder abgeschalteter (aktiver) Teilnehmer aus dem Ring auszutragen bzw. ein neu hinzukommender aktiver Teilnehmer aufzunehmen. Weiterhin sorgt die Buszugriffssteuerung dafür, dass der Token von einem Master zum nächsten Master in einer aufsteigenden Adressreihenfolge weitergegeben wird.
Die Tokenhaltezeit eines Masters ergibt sich aus der projektierten Tokenumlaufzeit. Diese Leistungsmerkmale sind neben der Erkennung von Defekten im Übertragungsmedium und am Leitungsempfänger sowie von Fehlern bei der Teilnehmeradressierung (z.B. Mehrfachbelegung) oder der Tokenweitergabe (z.B. Mehrfachtoken oder Tokenverlust) charakteristisch für die Eigenschaften der Profibus-Zugriffssteuerung.

Eine weitere wichtige Aufgabe des Buszugriffsprotokolls (FDL) ist die Datensicherung. Die Telegrammformate der Schicht 2 des Profibus ermöglichen eine große Übertragungssicherheit. Alle Telegramme weisen einen Hamming-Abstand von HD=4 auf. Dies wird durch die Anwendung der Vorschriften der internationalen Norm IEC 870-5-1 durch Auswahl von besonderen Start- und Endezeichen der Telegramme, schlupffeste Synchronisierung, Paritätsbit und Kontrollbyte erreicht.

Das Profibus-Buszugriffsprotokoll arbeitet verbindungslos. Es ermöglicht neben der logischen Punkt-zu-Punkt-Datenübertragung auch Mehrpunktübertragung mit Broadcast- und Multicast-Kommunikation.

Bei Broadcast-Kommunikation sendet ein aktiver Teilnehmer eine unquittierte Nachricht an alle anderen Teilnehmer (Master und Slaves).

Bei Multicast-Kommunikation sendet ein aktiver Teilnehmer eine unquittierte Nachricht an eine Gruppe von Teilnehmern (Master und Slaves).

Das Profibus-Buszugriffsprotokoll (FDL) stellt den übergeordneten Profibus-Anwendungsprotokollen folgende Dienste zur Verfügung:

Dienst Funktion DP FMS
SDA Send Data with Acknowledge   X
SRD Send and Receive Data with Reply X  
SDN Send Data with No Acknowledge X X
CSRD Cyclic Send and Receive Data with Reply   X

Die verschiedenen Profibus-Varianten verwenden jeweils ein spezifisches Subset der Schicht-2-Dienste. Die Dienste werden über die Dienstzugangspunkte (SAPs) der Schicht 2 von den übergeordneten Schichten aufgerufen. Bei Profibus-FMS werden diese Dienstzugangspunkte für die Adressierung der logischen Kommunikationsbeziehungen benutzt. Bei DP ist jedem verwendeten Dienstzugangspunkt eine genau festgelegte Funktion zugeordnet. Bei allen aktiven und passiven Teilnehmern können mehrere Dienstzugangspunkte parallel benutzt werden. Es wird zwischen Quell- (SSAP) und Ziel-Dienstzugangspunkten (DSAP) unterschieden.