Ihr Wegweiser für
industrielle Netzwerke

Profibus-DP

Profibus-DP ist für den effizienten Datenaustausch in der Feldebene konzipiert. Hier kommunizieren die zentralen Automatisierungsgeräte, wie z.B. SPS/PC über eine schnelle serielle Verbindung mit dezentralen Feldgeräten wie E/As, Antrieben, Ventilen und Messumformern. Der Datenaustausch mit den dezentralen Geräten erfolgt vorwiegend zyklisch. Die dafür benötigten Kommunikationsfunktionen sind durch die DP-Grundfunktionen festgelegt. Über diese Grundfunktionen hinaus bietet DP auch azyklische Kommunikationsdienste (DPV1-Funktionen). Nachfolgend werden die Grundlagen von Profibus-DP beschrieben.

SchaubildDie zentrale Steuerung (Master) liest zyklisch die Eingangsinformationen von den Slaves und schreibt die Ausgangsinformationen zyklisch an die Slaves. Neben der zyklischen Nutzdatenübertragung stehen bei DP auch leistungsfähige Funktionen für Diagnose und Inbetriebnahme zur Verfügung. Der Datenverkehr wird durch Überwachungsfunktionen auf Master- und Slave-Seite überwacht.

Geschwindigkeit:
Für die Übertragung von 512 Bit Eingangs- und 512 Bit Ausgangsdaten verteilt auf 32 Teilnehmer benötigt DP nur ca. 1 ms bei 12 Mbit/s.

Diagnosefunktionen:
Die umfangreichen Diagnosefunktionen von DP ermöglichen die schnelle Fehlerlokalisierung. Die Diagnosemeldungen werden über den Bus übertragen und beim Master zusammengefasst. Sie werden in drei Stufen eingeteilt:

  • Stationsbezogene Diagnose: Meldungen zur Betriebsbereitschaft eines Teilnehmers wie z.B. Übertemperatur
  • Modulbezogene Diagnose: Meldungen über Fehler innerhalb eines E/A-Teilbereichs, z.B. 8-Bit-Ausgangsmodul
  • Kanalbezogene Diagnose: Meldngen über Fehler eines einzelnen Ein- / Ausgangs, z.B. Kurzschluss an Ausgang 7

Systemkonfiguration und Gerätetypen

Mit Profibus-DP können Mono- oder Multi-Master-Systeme realisiert werden. Dadurch wird ein hohes Maß an Flexibilität bei der Systemkonfiguration ermöglicht. Es können maximal 126 Geräte (Master oder Slaves) an einem Bus angeschlossen werden. Die Festlegungen zur Systemkonfiguration beinhalten die Anzahl der Stationen, die Zuordnung der Stationsadresse zu den E/A-Adressen, Datenkonsistenz der E/A-Daten, Format der Diagnosemeldungen und die verwendeten Busparameter. Jedes DP-System besteht aus unterschiedlichen Gerätetypen. Es werden drei Gerätetypen unterschieden:

Profibus-DP Slave
Ein Slave ist ein Peripheriegerät (E/A, Antriebe, HMI, Ventile, Messumformer), das Eingangsinformationen einliest und Ausgangsinformationen an die Peripherie abgibt. Die Menge der Eingangs- und Ausgangsinformationen ist geräteabhängig und kann max. 246 Byte Eingangs- und 246 Byte Ausgangsdaten betragen.
DP-Master Klasse 1 (DPM1) DP-Master Klasse 2 (DPM2)
Diese Master regeln den zyklischen Datenverkehr, d.h. sie tauschen in einem festgelegten Nachrichtenzyklus die Prozessdaten mit den Slaves aus. Typische Geräte sind SPS oder PC. Bei diesen Mastern handelt es sich um Engineering- oder Bediengeräte. Sie greifen azyklisch auf den Bus zu und ermöglichen die Konfiguration und Parametrierung intelligenter Feldgeräte.

SchaubildBei Mono-Master-Systemen ist in der Betriebsphase des Bussystems nur ein Master am Bus aktiv. Die SPS-Steuerung ist die zentrale Steuerungskomponente. Die Slaves sind über das Übertragungsmedium dezentral an die SPS-Steuerung gekoppelt. Mit dieser Systemkonfiguration wird die kürzeste Buszykluszeit erreicht.

Im Multi-Master-Betrieb befinden sich an einem Bus mehrere Master. Sie bilden entweder voneinander unabhängige Subsysteme, bestehend aus je einem DPM1 und den zugehörigen Slaves, oder zusätzliche Projektierungs- und Diagnosegeräte. Die Eingangs- und Ausgangsabbilder der Slaves können von allen DP-Mastern gelesen werden. Das Schreiben der Ausgänge ist nur für einen DP-Master (den bei der Projektierung zugeordneten DPM1) möglich.

Systemverhalten

Um eine weitgehende Geräteaustauschbarkeit zu erreichen, wurde bei DP auch das Systemverhalten standardisiert. Es wird im Wesentlichen durch den Betriebszustand des DPM1 bestimmt.

  • Stop: Es findet kein Datenverkehr zwischen dem DPM1 und den Slaves statt.
  • Clear: Der DPM1 liest die Eingangsinformationen der Slaves und hält die Ausgänge der Slaves im sicheren Zustand.
  • Operate:
  • Der DPM1 befindet sich in der Datentransferphase. In einem zyklischen Datenverkehr werden die Eingänge von den Slaves gelesen und die Ausgangsinformationen an die Slaves übertragen.

Der DP-Master Klasse 1 sendet seinen Status in einem konfigurierbaren Zeitintervall mit einem Multicast-Kommando zyklisch an alle ihm zugeordneten Slaves. Die Systemreaktion nach dem Auftreten eines Fehlers in der Datentransferphase des DPM1, wie z.B. Ausfall eines Slaves, wird durch den Betriebsparameter "Auto-Clear" bestimmt. Wurde dieser Parameter auf "True" gesetzt, dann schaltet der DPM1 die Ausgänge aller zugehörigen Slaves in den sicheren Zustand, sobald ein Slave nicht mehr für die Nutzdatenübertragung bereit ist. Danach wechselt der DPM1 in den Clear-Zustand. Ist dieser Parameter gleich "False", dann verbleibt der DPM1 auch im Fehlerfall im Operate-Zustand und der Anwender kann die Systemreaktion bestimmen.

Zyklischer Datenverkehr zwischen Master und den Slaves

SchaubildDer Datenverkehr zwischen dem Profibus-DP-Master Klasse 1 und den ihm zugeordneten Slaves wird in einer festgelegten, immer wiederkehrenden Reihenfolge automatisch durch den Master abgewickelt. Bei der Projektierung des Bussystems legt der Anwender die Zugehörigkeit eines Slaves zum DPM1 fest. Weiterhin wird definiert, welche Slaves in den zyklischen Nutzdatenverkehr aufgenommen oder ausgenommen werden sollen.

Der Datenverkehr zwischen dem DPM1 und den Slaves gliedert sich in die Parametrierungs-, Konfigurations- und Datentransfer-Phasen. Bevor ein DP-Slave in die Datentransferphase aufgenommen wird, prüft der DPM1 in der Parametrierungs- und Konfigurationsphase, ob die projektierte Soll-Konfiguration mit der tatsächlichen Gerätekonfiguration übereinstimmt. Bei dieser Überprüfung müssen der Gerätetyp, die Format- und Längeninformationen sowie die Anzahl der Ein- und Ausgänge übereinstimmen. Der Benutzer erhält dadurch einen zuverlässigen Schutz gegen Parametrierungsfehler.

Sync und Freeze Mode

Zusätzlich zum teilnehmerbezogenen Nutzdatenverkehr, der automatisch vom DPM1 abgewickelt wird, besteht für die Master die Möglichkeit, Steuerkommandos an einen, eine Gruppe oder an alle Slaves gleichzeitig zu senden. Diese Steuerkommandos werden als Multicast übertragen. Sie ermöglichen die Sync- und Freeze-Betriebsarten zur ereignisgesteuerten Synchronisation der Slaves.

Die Slaves beginnen den Sync-Mode, wenn sie vom zugeordneten Master ein Sync-Kommando empfangen. Daraufhin werden bei allen adressierten Slaves die Ausgänge im momentanen Zustand eingefroren. Bei den folgenden Nutzdatenübertragungen werden die Ausgangsdaten bei den Slaves gespeichert, die Ausgangszustände bleiben jedoch unverändert. Erst nach Empfang des nächsten Sync-Befehls werden die gespeicherten Ausgangsdaten an die Ausgänge durchgeschaltet. Mit Unsync wird der Sync-Betrieb beendet.

Analog dazu bewirkt ein Freeze-Steuerkommando den Freeze-Mode der angesprochenen Slaves. In dieser Betriebsart werden die Zustände der Eingänge auf den momentanen Wert eingefroren. Die Eingangsdaten werden erst dann wieder aktualisiert, wenn der Master das nächste Freeze-Kommando gesendet hat. Mit Unfreeze wird der Freeze-Betrieb beendet.

Schutzmechanismen

Aus Sicherheitsgründen ist es erforderlich, DP mit wirksamen Schutzfunktionen gegen Fehlparametrierung oder Ausfall der Übertragungseinrichtungen zu versehen. Es werden dazu Überwachungsmechanismen beim DP-Master und bei den Slaves in Form von Zeitüberwachungen realisiert. Das Überwachungsintervall wird bei der Projektierung festgelegt.

Beim DP-Master
Der DPM1 überwacht den Datenverkehr der Slaves mit dem Data_Control_Timer. Für jeden Slave wird ein eigener Zeitgeber benutzt. Die Zeitüberwachung spricht an, wenn innerhalb eines Überwachungsintervalls kein ordnungsgemäßer Nutzdatentransfer erfolgt. In diesem Fall wird der Benutzer informiert. Falls die automatische Fehlerreaktion (Auto_Clear = True) freigegeben wurde, verlässt der DPM1 den Operate-Zustand, schaltet die Ausgänge der zugehörigen Slaves in den sicheren Zustand und geht in den Clear-Zustand über.

Beim Slave
Zur Erkennung von Fehlern des Masters oder der Übertragung führt der Slave die Ansprechüberwachung durch. Findet innerhalb des Ansprechüberwachungsintervalls kein Datenverkehr mit dem Master statt, so schaltet der Slave die Ausgänge selbständig in den sicheren Zustand.

Zusätzlich ist für die Ein- und Ausgänge der Slaves beim Betrieb in Multi-Master-Systemen ein Zugriffsschutz erforderlich. Damit ist sichergestellt, dass der direkte Zugriff nur vom berechtigten Master erfolgt. Für alle anderen Master stellen die Slaves ein Abbild der Eingänge und Ausgänge zur Verfügung, das auch ohne Zugriffsberechtigung gelesen wird.