Digitale Prozeßdaten-Kommunikations-Systeme (Bus-Systeme) 380071177X

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I Kommunikations-Systeme (Bus-Systeme) Arbeitsgemeinschaft des VDE-Bezirksvereins WARNEN |

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Digitale ProzeßdatenKommunikations-Systeme (Bus-Systeme)

Arbeitsgemeinschaft des VDE-Bezirksvereins

Frankfurt am Main vom 14. Januar bis 4. Februar 1980

Herausgegeben von Dipl.-Ing. K. Fleck

VDE-Verlag GmbH

ISBN 3-8007-1177-X © 1980 by VDE-Verlag GmbH, Alle Rechte vorbehalten.

1000 Berlin 12

Gesamtherstellung: Verlagsdruckerei der VDE-Verlag GmbH

Inhalt

Einführung in die Technik der digitalen Prozeßdaten-Kommunikations-Systeme Dipl.-Ing.

Winfried Hofmann; Dipl.-Ing. Walter Büsing

Digitale Prozeßdatenkommunikation

in der Automatisierungstechnik

Schrifttum

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Einleitung Struktur des Automatisierungssystems ......2 2222 c2eceeeeer nn Systemverfügbarkeit ..........222c2ceeeeeeeeeeeereenne rennen Prozeßdaten-Kommunikations-System..........222cecceeere en Zusammenfassung. ..... 2.222220 eeeeseeeeeeeeeeeeen ernennen

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von Dipl.-Ing. Winfried Hofmann, Hoechst AG, Frankfurt/Main

Die Technik der bitseriellen Kommunikation

von Dipl.-Ing. Walter Büsing, Bayer AG, Leverkusen Einleitung Grundstrukturen und Netze ..........2222eceeeeeeeseeeen nenn Parallele und serielle Übertragung. ............c2cccccceeenn Teilprobleme der bitseriellen Punkt-zu-Punkt-Übertragung...... Aufbau einer Verbindung

...........2.22c2cuceeeeeeeerenennn

Verfügbare Normen ........:22222cceeeseeeeeeeeneen ernennen Zeichen- und Blockübertragung .............2222eccceeeen en Vorgänge an der Anwenderschnittstelle ...............-..22.0. Adressierungsarten ..... 2222 ceseeeeeeeeeneeeeeeeneen ernennen Besonderheiten der Datenbustechnik..............222ccs2c.0... Arten der Buszuteilung............22222cecccc Fa Teilnehmerfunktionen ..............222220cseeeeeeeeeren nenn Protokollebenen.............222222eesseeeeeneeneeeeneene nenn Leitungsprobleme

..........222222sseeseeeseneseereeen nenn

Besondere Anforderungen der Prozeßtechnik................... Normung, Weiterentwicklung............2222cseeseeeeeeenenn Schrifttum [ee

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Bericht über die Implementierung eines Bussystems an der TU-Stuttgart im Rahmen des PDV-Forschungsvorhabens

Einführung ........... cc co oe een nennen Anlagenübersicht und Aufgabenstellung. .............2c22220.. Strukturmerkmale...........2 con s een een

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von Dipl.-Ing. Erwin Buxmeyer, Hartmann & Braun AG, Frankfurt/M.

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NIE 1070) ı K19)2 0] 0 Aufbau einer Station...

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Zusammenspiel der Stationskomponenten PE und ÜSE......... Arten des Datenverkehrs.... 2.22.2002 ccoeeennnenn Direkter Datenverkehr... ......... oc cco en Ereignisverkehr .......... 2 cc ce ee een nneenn

Dialog- oder Botschaftsverkehr............. 0 cc cc.

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Kenndaten der Übertragungsleistung. .

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Effizienz des Datenbusses ........... ocean Fehlerbehandlung ............. oo ooooennnn Schrifttum. ......22 cc cos nn een essen eeeenen

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Die Datenbahn des TDC-2000-Systems von Honeywell

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von Dipl.-Ing. Gad Stein, Frankfurt am Main Digitale Telekommunikation innerhalb verteilter MSR-Systeme . Einleitung ......... cc oceee nennen e nenne eeneeeen Risikoverteilung durch Dezentralisierung............222222.... Teilsysteme und ihre automationsspezifischen Funktionen....... Aufgabenstellung des Datenübertragungssystems ...............

53 53 55 57 58

2 2.1

Struktur und Technik des TDC 2000-Datenbahnsystems........ Kategorien der Datenbahngeräte ............--c-rrereeeeennen

60 62

2.3 3 3.1 3.2

nenn Datenbahnsteuereinheit .............2222ssecseeeeeeenene nennen Übertragungsmerkmale .............:222eeeeeeeeeeee nenne nenn essen en neeenes 220 co ceeeneeeeeee Bitformat.....2222 nee nenn rennen tere eeese Wortformat....:ccooooseeeeeeeeeeeeee

64 67 67 68

2.2

3.3

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enenn Kommunikationsprozedur..........---2csesesesernennen

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72

Übertragungszuverlässigkeit............-.--2cseeeeeeeseneene:

74

3.4 3.4.1 3.4.2

Prioritäten und Steuerung des Datenverkehrs ................-nen ernennen Abfragebefehl................creeeeeeeeeeeneenee nen neenee nenne Aufrufbefehl..............22222c2seeeeeeerse

3.5

Übertragungszeiten und Informationsdichte..................+-

3.4.3

3.6

3.6.1 3.6.2

4

4.1

4.2 4.3 4.4 5

Vorgezogene Geräte

BCH-Fehlererkennungscode .............:22reeeeeeeeneennnne _ Wahrscheinlichkeit von unerkannten Übertragungsfehlern.......

nenn nen Übertragungskanal ..........2e2esescseeeseeesneneee

nennen Das Kabel...........:.222cceueeeeeeeeeseseeeesneneen

Anschluß der Datenbahnkoppler.................2sr2eeeenerSystemzuverlässigkeit und Verfügbarkeit .............cercrr... eneee nen rennen Störanfälligkeit.............--.e2sceeeeeeee e nennen Implementierung. ............:2s2ceeeeeeeeeeeenenn

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6

63

Der Prozeßbus CS 275 im neuen Automatisierungssystem TELEPERM der Siemens AG

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von Dipl.-Ing. Eduard Hofmann, Siemens AG, Karlsruhe 1 2 2.1 2.2 3 3.1

nenne nenn eeeeneeee ernennen Einleitung............22...222cee Das Automatisierungssystem TELEPERM M.............r...: Die Automatisierungssysteme (AS) ..........22c2eceeereenneen 2. .Die Bedien- und Beobachtungssysteme (OS) .............r.. nenn ern een eeneneen 2esseeeeenes Der Prozeßbus............222 nn nn nn een ner ee eeeeneenen cseseeeeee 22222222 Protokolle ....:

85 85 87 90 93 94

3.3 3.4 3.5 3.6 4 5

e Fernbus und Busumsetzer............-.22ereeeeseenerennnee nenn Nahbusanschaltungen...............:22ceeeeeeenenenerne ee nennen nennen nennt Buskoppler ............-eeeeeeeeeeeeee enen Prozeßbuskonfigurationen ...........2222reeeneeennennen nennen .........-..sereeeeeeeeneenenen Schlußbetrachtung nn eseee ernennen scsesee rennen .:.22ec Schrifttum...........

96 99 108 109 111 112

3.2

rennen esse nee eenenn Nahbus .....:. cc con. neeneneneeeeee

95

Hofmann, W., Digitale Prozeßdaten-Kommunikation

Einführung in die Technik munikations-Systeme

7

der digitalen Prozeßdaten-Kom-

(Dipl.-Ing. Winfried Hofmann; Dipl.-Ing. Walter Büsing)

Digitale

Prozeßdatenkommunikation

rungstechnik

in der

Automatisie-

Dipl.-Ing. Winfried Hofmann, Hoechst AG, Frankfurt/Main 1

Einleitung

In der Automatisierungstechnik werden für die Aufgaben des Messens, Steuerns und Regelns unterschiedliche Automatisierungsstrukturen parallel eingesetzt. Einerseits in der analogen Regelungstechnik die vollständige Aufgabenteilung mit getrennten Reglern pro Regelkreis, andererseits die in der Digitaltechnik bei der Anwendung von Steuerungen oder Prozeßrechenanlagen verwendete Zentralisierung mit einem Gerät für eine große Anzahl von Aufgaben und Funktionen. Durch die Auflösung mit getrennten Geräten pro Regelkreis in der Analogtechnik ergeben sich Vorteile hinsichtlich der Verfügbarkeit des Automatisierungssystems, da bei Ausfall eines Gerätes nur ein Regelkreis und nicht die gesamte Anlage betroffen ist. Als besonders nachteilig ist der große Aufwand für die Verknüpfung von Regelkreisen zu erwähnen, der für fortschrittliche Regelstrategien bei schwierigeren Regelstrecken erforderlich wird. Mit der Zusammenfassung von allen Funktionen in einem Gerät, wie es bei der Digitaltechnik erfolgt, können die Verknüpfungen zwar geräteintern per Programm einfach realisiert werden, jedoch ergibt sich der Nachteil, daB bei Ausfall des einzelnen zentralen Gerätes alle Automatisierungsfunktionen ausfallen. Die Vorteile der beiden gegensätzlichen Automatisierungsstrukturen - hohe Verfügbarkeit durch Aufgabenteilung der Analogtechnik, beliebige Meßdatenverknüpfung, große Flexibilität und fast universelle Verwendbarkeit der Digitaltechnik werden jetzt in technisch sinnvoller Weise kombiniert und mit den Schlagwörtern »verteilte« oder »dezentrale« Systeme beschrieben. 2

Struktur des Automatisierungssystems

Bei Automatisierungsaufgaben treten an unterschiedlichen Stellen Aufgaben auf, die in zwei Gruppen zusammengefaßt werden können. Zum einen die Erfassung der Meßwerte und Prozeßsignale, sowie deren Verarbeitung und daraus abgeleitet der regelnde und steuernde Eingriff in den Prozeß, zum anderen die ProzeBüberwachung und -bedienung durch den Anlagenfahrer. Während die Meßwert- und Sıgnalerfassung ebenso wie der regelnde und steuernde Prozeßeingriff in der Anlage

8

Hofmann, W., Digitale Prozeßdaten-Kommunikation

vorgenommen werden kann, arbeitet der Anlagenfahrer in einer zentralen Meßwarte. Die Aufgaben sind örtlich verteilt, und die Funktionen können dementsprechend dezentral realisiert werden. Da die Begriffe »verteilt« bzw. »dezentral« auch bei Automatisierungssystemen verwendet werden, die nicht über die beiden Funktionen Regeln und Steuern verfügen, soll hier von strukturierter Automatisierung gesprochen werden [1]. Strukturiert deshalb, weil die einzelnen Prozeßregel- und Steuereinheiten einzelnen Produktionseinheiten oder Produktionsabschnitten zugeordnet werden können. Somit wird mit dem Automatisierungssystem die Struktur des Produktionsprozesses abgebildet (Bild 1).

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PROZESSREGELSTEUEREINHELT

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KOMMUNIKATIONSEINHEIT |

Bild 1.

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UND

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BEDIENEINHEIT

Strukturierte Automatisierung

Für die Informationsübermittlung zwischen den einzelnen Prozeßregel- und Steuereinheiten und der zentralen Anzeige- und Bedieneinheit dient das ProzeßdatenKommunikations-System. 3

Systemverfügbarkeit

Mit der Zuordnung von Prozeßregel- und Steuereinheiten zu einzelnen Produktionseinheiten bzw. Produktionsabschnitten sowie der Integration von Regel- und Steuerfunktionen in die Einheiten können diese selbständig und unabhängig die zugeordneten Produktionseinheiten bearbeiten. Dadurch ist vom Ausfall einer Prozeß- . regel- und Steuereinheit auch nur eine Produktionseinheit betroffen und nicht der gesamte Prozeß. Eine Prozeßregel- und Steuereinheit wird damit vergleichbar mit der Rücklaufpumpe für eine Destillationskolonne. Fällt die Rücklaufpumpe aus, kann die Kolonne nicht weiter betrieben werden, es sei denn, eine zweite Rücklauf-

Hofmann, W., Digitale Prozeßdaten-Kommunikation

pumpe ist installiert. Übertragen auf das Automatisierungssystem auch dort, wo eine fortwährende Verfügbarkeit der Prozeßregelerforderlich ist, eine Verdopplung vorgenommen werden muß. zentral organisierten Automatisierungssystemen handelt es sich generelle, sondern nur um eine partielle Verdopplung. 4

9

bedeutet das, daß und Steuereinheit Im Gegensatz zu hier nicht um eine

Prozeßdaten-Kommunikations-System

Beim Prozeßdaten-Kommunikations-System gibt es eine große Anzahl von Variationen für physikalisch sehr unterschiedliche Übertragungsleitungen und ebenso unterschiedliche Organisationsformen. Gemeinsam für alle Systeme können die Funktionen aufgezeigt werden, wie Bild 2 zeigt. Jede Station ist mit einem BuskoppÜBERT

EITUNG

LEI

SYSTEM

KOPPLER SD-SCHNITTSTELLE

ÜBER EINHEIT PROZESSEINHEI

STATION

Bild 2.

Struktur des Übertragungssystems

ler an die Übertragungsleitung angeschlossen. Aufgabe des Buskopplers ist die An-

passung der Übertragungsleitung an die Übertragungssteuereinheit. Diese organi-

siert für die einzelnen Prozeßeinheiten die Kommunikation [2]. Als Prozeßeinheiten können sowohl Prozeßregel- und Steuereinheiten als auch Anzeige- und Bedieneinheiten verstanden werden. Da in der Übertragungssteuereinheit die Organisation des Prozeßdaten-Kommunikations-Systems durchgeführt wird und viele unterschiedliche Organisationsformen denkbar und auch bereits bei den verschiedenen auf dem Markt angebotenen Systemen realisiert worden sind, gehen über die SD-Schnittstelle (Serielle DatenSchnittstelle) Nachrichten, die von Übertragungssteuereinheiten unterschiedlicher Hersteller nicht verstanden werden. Eine Abhilfe aus dieser Situation wird aus Bild 3 ersichtlich, welches aus dem Prozeßdaten-Kommunikations-System eine Station,

10

Hofmann, W., Digitale Prozeßdaten-Kommunikation

PRODUKTIONSEINHEIT

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PROZESSDATEN-KOMMUNIKATIONSSYSTEM

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einer Station

die die Prozeßregel- und Steuereinheit etwas detaillierter darstellt, zeigt. Aus den eingangs beschriebenen Funktionen der Prozeßregel- und Steuereinheit ergibt sich der Aufbau mit Meßwert- und Signalerfassung sowie mit den Ausgängen zur Produktionseinheit. Die Verarbeitung der Eingänge erfolgt, dem Stand der Technik entsprechend, programmgesteuert mit einem Mikrorechner. Ebenso ist in der Kommunikationseinheit für die Organisation der Kommunikation und der Bearbeitung des

Übertragungsprotokolls ein Mikrorechner eingesetzt.

Somit ergibt sich als ideale

Verbindung zwischen der Prozeßregel- und Steuereinheit und der Kommunikationseinheit der Mikrorechnerbus. Über einen Datenaustauschspeicher (»Mailbox«), der einer der beiden Einheiten, hier beispielsweise der Kommunikationseinheit, zugeordnet werden kann, erfolgt der Informationsaustausch zwischen den beiden Einheiten. Durch die Einführung dieser Schnittstelle zwischen Prozeßdaten-Kommunikations-System und Prozeßeinheiten ergeben sich für Anwender wie Hersteller Vor-

Hofmann, W., Digitale Prozeßdaten-Kommunikation teile. Der Hersteller kann

diese Schnittstelle als Option

zu seinem

11

bestehenden

System anbieten und zukünftige neue Prozeßdaten-Kommunikations-Systeme mit anderen Organisationsformen oder Übertragungsprotokollen können diese einheitliche Schnittstelle unverändert behalten. Für den Anwender ergibt sich die Möglichkeit, zu unterschiedlichen Prozeßdaten-Kommunikations-Systemen einheitliche Prozeßregel- und Steuereinheiten bzw. Anzeige- und Bedieneinheiten oder an einem Prozeßdaten-Kommunikations-System Prozeßeinheiten verschiedener Hersteller zu verwenden. Die Normung einer einheitlichen Schnittstelle zwischen dem Prozeßdaten-Kommunikations-System und den Prozeßeinheiten, wie den Prozeßregel- und Steuereinheiten sowie Anzeige- und Bedieneinheiten, die von der Organisationsform des Prozeßdaten-Kommunikations-Systems und dem Übertragungsprotokoll unabhängig ist, ist eine der vordringlichsten Aufgaben auf dem Gebiet der Standardisierung von modernen Automatisierungssystemen. Nur wenn dem Anwender die Möglichkeit geboten wird, Systemkomponenten in der zuvor beschriebenen Form zu kombinieren, werden sich diese Systeme auf breiter Basis durchsetzen. 5

Zusammenfassung

Mit den neuen digital arbeitenden Automatisierungssystemen zur strukturierten Automatisierung werden die gegensätzlichen Strukturen dezentral und zentral zusammengeführt. Dabei sind separate Prozeßregel- und Steuereinheiten den einzel-

nen Produktionseinheiten bzw. Produktionsabschnitten zugeordnet und über ein Prozeßdaten-Kommunikations-System mit Anzeige- und Bedieneinheiten verbunden. Die Vorteile derartiger Automatisierungssysteme liegen in der hohen Systemverfügbarkeit, der großen Flexibilität und der Möglichkeit beliebiger Meßdatenverknüpfung. Um die für den Anwender notwendige Eigenschaft der Kombination von Prozeßeinheiten verschiedener Hersteller mit einem Prozeßdaten-Kommunikations-System zu gewährleisten, ist die Normung einer Schnittstelle, die von der Organisation und dem Übertragungsprotokoll unabhängig ist, dringend erforderlich.

6

Schrifttum

[1]

Hofmann W.: Automatisierung verfahrenstechnischer Prozesse mit dezentralen MSRSystemen.Regelungstechnische Praxis (1979) 11.

[2]

Walze H.: BUS-System für die Prozeßlenkung (PDV-Bus). Elektronik (1979) 20, 53 - 56 und (1979) 21, 69 - 74.

Büsing, Die Technik der bitseriellen Kommunikation

13

Die Technik der bitseriellen Kommunikation Dipl.-Ing.

1

Walter Büsing, Bayer AG, Leverkusen

Einleitung

Kommunikation, also Informationsübertragung, ist die Grundlage jeder biologischen wie technischen »Intelligenz«. Kein Denkvorgang, keine Computerfunktion ohne Transport von Informationen! Aufgaben und Lösungsformen der technischen Informationsübertragung haben bereits eine lange Entwicklung hinter sich. Offensichtlich löst aber die neue Tendenz zur Dezentralisierung der technischen Intelligenzsysteme, zur Systemstrukturierung aus Mikrorechnerbausteinen, zur »Open ended architecture«, wie die Computer-Fachleute sagen, auch im Bereich der Kommunikationstechnik einen Innovationsschub aus. Das vergrößerte Gewicht, das die Aufgabe der Informationsübertragung zwischen den Teilsystemen nun gegenüber der Informationsverarbeitung in den Teilsystemen bekommt, erzeugt naturgemäß ein entsprechend verstärktes Interesse im Bereich der Hersteller wie der potentiellen Anwender solcher Systeme. Der Verfasser dieses Beitrags ist als Mitarbeiter eines Chemiewerks mit Aufgaben der ProzeBleittechnik befaßt, gehört also zur Anwenderseite. Seine Erfahrungen stammen aus dem praktischen Einsatz von Prozeßrechnern und dezentraler Systemtechnik, sowie aus der Mitarbeit in einschlägigen Normengremien. 2

Grundstrukturen und Netze

Bild 1 ist eine Aufzählung, zeigt aber auch ein wenig Entwicklungsgeschichte, die wir kurz Revue passieren lassen wollen:

Grundelement jeder Kommunikation ist die einfache Verbindung zwischen Informationsquelle, die hier als intelligentes System angenommen ist, und Informationssenke. Wir sagen auch: Sender und Empfänger, Sprecher und Zuhörer. Die Information kann z. B. als Rauchzeichen, als Schrei, als elektrischer Impuls oder — wie im vorliegenden Fall - als Aufeinanderfolge vieler elektrischer Signale übertragen werden. Unverzichtbarer Bestandteil intelligenten Lebens, also auch der technischen Nachbildungen, ist der Informationsaustausch, das Spiel von Frage und Antwort,

Aktion und Reaktion, im Bild veranschaulicht durch das Bedienungsterminal. Zwei unabhängige Simplex-Übertragungskanäle ergeben ein Duplex-System. Getrennte Übertragungswege in beiden Richtungen finden wir auch bei Lebewesen, die sich ja mit mehreren Sinnesorganen an der Kommunikation beteiligen. Wenn das Übertragungsmittel seine physischen oder physikalischen Grenzen er-

reicht, benötigt man Relaisstationen, wie sie uns von den Läuferstafetten der Antike

14

Büsing, Die Technik der bitseriellen Kommunikation .

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Kette, Ring

Sternstruktur

Datenbus

(halbduplex) gekoppeite Datenbusse

PS-programmierbares System K-Koppeleinrichtung Bild 1. Grundstrukturen technischer Kommunikationsverbindungen

und von der Pferdepost bekannt sind. Das elektrische Analogon sind Leitungsverstärker oder - englisch - Repeater, welche die ursprüngliche Signalqualität wiederherstellen. Im vorliegenden Fall wurde angenommen, daß die intelligenten Kommunikationsteilnehmer diese Primitivfunktion beiläufig mit erledigen, daneben aber anspruchsvollere Arbeit tun: Sie senden ihre Nachrichten in die jeweils zutreffende Richtung - oder in die günstigste Richtung, falls die Kette zum Ring geschlossen ist.Nachrichten an die eigene Adresse werden aussortiert, also nicht weitergeleitet. Diese Übermittlungstechnik ist in der Prozeßautomatisierung in Japan eingeführt, aber auch beim Lichtleitersystem des Fraunhoferinstituts in Karlsruhe.

Lichtleiter lassen sich bisher noch nicht so gut wie elektrische Leitungen anzapfen, um Signale auszukoppeln oder einzuspeisen. Daher erreicht man hier die Busstruktur durch Aneinanderreihen von Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Flexibler für eine Vielzahl räumlich verteilter Teilnehmer ist zweifellos die Sternstruktur mit zentralen Vermittlungsknoten. F ernsprech- und Fernschreibsysteme in aller Welt sind so ausgeführt. Der Datenbus hat neue und andere Eigenschaften, weshalb sich beide Strukturen vorzüglich ergänzen. Als wichtiges Element der technischen Kommunikation wird der Datenbus eingehend zu besprechen sein. Neuere Entwicklungen bei den digitalen ProzeBautomatisierungssystemen belegen die zunehmende Bedeutung von Mischstrukturen, wie sie durch die Einführung

Büsing, Die Technik der bitseriellen Kommunikation

15

von Kommunikationsknotenpunkten (»Cluster«-Prinzip) oder die Kopplung mehrerer Datenbusse entstehen. 3

Parallele und serielle Übertragung

Die Bezeichnung »Bus« ist englisch und heißt in deutsch »Sammelschiene«. Bild 2 zeigt den internen Bus eines Mini- oder Mikrorechnersystems mit gesonderten LeiÜbertragungssteuerungen

Prozeßein-und - ausgänge

Prozessorbus .

.

Peripheriebus .

| Punkt -zu-PunktVerbindung

Fernschreiber

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Bitserielle Datenwege

.

Speicher

Proz

|

|

— Prozeßrechnersystem

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Bild 2.

|

|

Weitere PR-Systeme (Subsysteme)

Parallele und serielle Datenübertragung bei programmierbaren Systemen

tungen für Daten, Adressen und Steuerung, sowie Variationen, die man als Ergebnisse einer Spartendenz auffassen kann. Zum einen lassen sich Daten und Adressen

aufden gleichen Leitungen nacheinander übertragen, zum anderen ist es sogar möglich, alle Informationen seriell über nur einen Kanal zu übertragen. Der sogenannte »IEC-Bus«, ein von der Firma Hewlett-Packard für intelligente Meßsysteme entwickeltes und von TC 66 der IEC!) genormtes byteserielles Bussystem mit 8 Daten/AdreBleitungen und 8 Steuerleitungen, darf in diesem Sinne vielleicht auch als Zwischenlösung auf dem Wege zum voll-seriellen einkanaligen System betrachtet werden. Die Besonderheiten der bitseriellen Übertragung sollen nun in den beiden Kapiteln »Punkt-zu-Punkt-Übertragung« und »Busübertragung« behandelt werden. I)

Internationale Elektrotechnische Kommission, Technisches Komitee 66

16

Büsing, Die Technik der bitseriellen Kommunikation

4

Teilprobleme der bitseriellen Punkt-zu-Punkt-Übertragung

4.1 Aufbau einer Verbindung Zwischen dem bitparallelen Prozessorbus und der bitseriellen Verbindung muß eine Anpassung vorgenommen werden, für die hier der Name »Übertragungssteuerung« gewählt wurde.

Bild 3 nennt als Hauptfunktion dieser Einrichtung die Umwandlung von der par-

allelen zur seriellen Bitdarstellung und umgekehrt. Um das Bild weiter zu deuten:

Programmierbares

Programmierbares

System (Sender)

Anwenderebene

System (Empfänger)

Umwandlung

Übertragungssteuerung

Umwandlung

parallel / seriell

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Leitung

Bild 3.

Aufbau einer seriellen Datenverbindung

Angenommen ist eine Informationsübermittlung von einem Prozessorsystem links zu einem zweiten Prozessorsystem rechts. Beide Systeme gelten aus der Sicht des Übertragungssystems als »Teilnehmer« oder »Anwender«. Zwischen Übertragungssteuerung und Anwenderebene liegt eine Schnittstelle, die nachfolgend als Anwenderschnittstelle bezeichnet werden soll. Sie führt, wie vom vorhergehenden Bild in Erinnerung, unmittelbar zum bitparallelen Prozessorbus. Leider ist es in der Kommunikationstechnik üblich, die Übertragungssteuerung, die in Wahrheit ja die Funktion der Anpassung, des Brückenschlags zwischen zwei nicht miteinander verträglichen Schnittstellen oben und unten hat, selbst als »Schnittstelle« oder »Interface« zu bezeichnen. Benutzt man diesen Begriff, so wird man also zweckmäßigerweise jeweils klarstellen, ob man die Baugruppe oder eine echte Schnittstelle meint. In diesem Beitrag wird die Baugruppe weiterhin als »Übertragungssteuerung« bezeichnet.

Büsing, Die Technik der bitseriellen Kommunikation

17

4.2 Verfügbare Normen Im bitseriellen Bereich ist man zwangsläufig in der Gesellschaft von Postkunden.

Die Internationale Fernmeldeunion hat nun in einer Reihe von Arbeitskreisen (Stu-

dienkommissionen) die sogenannten CCITT-Empfehlungen?) [1] erstellt, die durch Übernahme seitens der nationalen Fernmeldebehörden insbesondere für Benutzer von posteigenen Leitungen verbindlich werden. Der Inhalt dieser Empfehlungen ist zum Teil in ISO- und DIN-Normen überführt worden [2]. Auf die Einzelheiten der Bezeichnungen in der unteren Bildhälfte soll hier nicht eingegangen werden. Hingewiesen sei lediglich darauf, daß der vielbenutze Begriff »V.24-Schnittstelle« nicht eindeutig ist. Die Empfehlung V.24 definiert die Bedeutung und Benennung von Schnittstellenleitungen, schreibt aber nicht vor, welche von Fall zu Fall zu benutzen sind. Vor der Zusammenschaltung unterschiedlicher Fabrikate sollte man daher stets die Funktionsfähigkeit prüfen, um sich vor uner-

freulichen Überraschungen zu schützen. Modems sind obligatorisch bei Verwendung von Postleitungen und zweckmäßig zur Überbrückung größerer Entfernungen. Ein kurzer Hinweis zur bildlichen Darstellung: Die Funktionseinheiten der einzelnen Ebenen (Anwendereinheit - Übertragungssteuerung — Leitungsanpassung/Modem) sind in der Regel für Zweirichtungsverkehr, also duplex, ausgelegt. Etwas detaillierter, wenn auch immer noch stark vereinfacht, sind die Zusam-

menhänge der Punkt-zu-Punkt-Übertragung in Bild 4 dargestellt. Statusreaister

Übertragungssteuerung

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Leitungsmerkmale:

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Nachrichtenrahmen

Bild 4.

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für Blockübertragung

Merkmale der bitseriellen Übertragung

4.3 Zeichen- und Blockübertragung Für die zeichenweise Übertragung nach der sogenannten Start-Stop-Methode gibt es LSI-Bausteine (UAR/T: Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), wel2)

CCITT:

Comite Consultatif International des Telegraphique et Telephonique.

18

Büsing, Die Technik der bitseriellen Kommunikation

che die wesentlichen Funktionen der Übertragungssteuerung ausführen, wie Erzeu-

gung und Auswertung des Impulstelegramms, Parity-Check, Interrupt-A uslösung

und Statusmeldung zum Anwendersystem. Mit »T« sind Leitungstreiber bzw. Rückumsetzer gemeint, die man zur Anpassung an die CCITT-Empfehlungen oder an das sehr beliebte Linienstromsignal benötigt. Mit dem Teletype-Fernschreiber eingeführt, hat sich dieses Signal bekanntlich zu einem De-facto-Standard entwickelt. Der Informationsempfänger muß Anfang und Ende einer Nachricht sicher erken-

nen können, damit er den Nachrichteninhalt versteht. Bei der menschlichen Sprache oder Schrift werden Worte und Sätze durch Pausen und Veränderung der Stimmlage oder durch Zwischenräume und Satzzeichen verdeutlicht, d.h. so gegliedert, daß der Nachrichtenempfänger sich »synchronisieren« kann. Entsprechendes geschieht bei Nachrichtentelegrammen. Als Start-Stop-Methode bezeichnet man die Auflösung einer Nachricht in einzelne Bytes bzw. »ASCII«-Zeichen, die jedes für sich, versehen mit einem Start-Bit am Anfang und mit einem oder zwei Stop-Bits am Ende, auf die Leitung geschickt werden. In der Praxis werden mit dieser Technik nicht nur Fernschreiber und Bildschirme versorgt, sondern vielfach auch Daten zwischen Rechnern ausgetauscht. Für den Verkehr zwischen Rechnern bietet allerdings die blockweise Übertragung Vorteile, insbesondere einen schnelleren Datendurchsatz. Ein aus mehreren Bytes bestehender Datenblock wird hierbei gemeinsam in einem sogenannten Nachrichtenrahmen übertragen. Synchronisierzeichen und andere Steuerinformationen, wie Adresse und Funktion der Nachricht, werden am Anfang hinzugefügt, am Ende dagegen folgt eine redundante Bitserie, die nach einem vereinbarten Sicherungscode aus der Nachricht abgeleitet wird. Für das Format solcher Nachrichtenrahmen gibt es Normen [3], daneben aber auch zweckoptimierte herstellergebundene Festlegungen. Hierauf wird in den Berichten über ausgeführte Bussysteme der Prozeßautomatisierung noch näher eingegangen. 44 Vorgänge an der »Anwenderschnittstelle« ?) Da die Funktionsabläufe in der Anwendereinheit und im Kommunikationssystem asynchron zueinander erfolgen, benötigt man Zwischenspeicher zur Übergabe der Daten, sowie etwaige Steuer- und Statusinformationen. Solche Register nehmen bei

zeichenweiser Übertragung in der Regel genau eine Byte auf. Das Anwenderprogramm muß also jedesmal durch Interrupt unterbrochen werden, sobald auf der Sendeseite ein neues Zeichen zu übergeben oder auf der Empfangsseite ein Zeichen zu übernehmen ist. Bei nicht rechtzeitiger Reaktion des sen-

denden

Systems

entstehen

Übertragungspausen,

beim

Empfänger

gehen

— was

schwerer wiegt - Zeichen verloren und die Nachricht kommt verstümmelt an. Für hohe Übertragungsgeschwindigkeiten, wie sie in Bussystemen zur Prozeßautomati3)

Der Begriff application unit - »Anwendungseinheit«- hat sich in der Datenbus-Normung für das Subsystem (programmierbares System, Rechner) eingeführt, an dessen Prozessorbus die Übertragungssteuerung des Kommunikationssystems angeschlossen ist. Obgleich für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen bisher unüblich, wird diese Bezeichnungsart hier einheitlich zugrundegelegt.

Büsing, Die Technik der bitseriellen Kommunikation

19

sierung notwendig sind, und für Blockübertragungen benötigt man deshalb einen größeren Pufferspeicher, zu dem Anwendereinheit und Übertragungssteuerung direkt Zugriff haben. Bei Anwendersystemen, die Komponenten eines digitalen Prozeßautomatisierungssystems sind, etwa bei Mehrfachprozeßreglern, organisiert man den Datenübergabespeicher beispielsweise derart, daß jede Speicheradresse eine feste Zuordnung bekommt (Bild 5). Die Adressen O bis 15 z. B. seien analogen Meßwerten zu-

geordnet. Die Anwendereinheit überträgt dorthin zyklisch die jeweils zuletzt eingeMeßwerte

—

Sollwerte

>

Prozeß | _—— variable | — .

Übertragungsleitung

|

——— - - | —

——ı_/

m

Anwendereinheit

Bediensystem

\

Übertragungssteuerung

Datenübergabespeicher m

ig

I

Mehrfach-Regler

Bild 5.

Datenübergabe mit fest zugeordneten Pufferspeicheradressen

lesenen Werte, um den aktuellen Stand verfügbar zu halten, für eine Bedienstation oder einen am System angeschlossenen Prozeßrechner. Zur Übertragung eines dieser Werte muß die angeforderte Station an die Adresse des Mehrfachreglers einen »Lesebefehl« senden, der die zugeordnete Unteradresse für den Datenübergabespeicher enthält. Dieser Lesebefehl wird von der Übertragungssteuerung des Mehrfachreglers sofort mit dem Inhalt der Unteradresse beant-

wortet. Mit einem von der Bedienstation übermittelten »Schreibbefehl«, der wiederum die richtige Unteradresse und dazu den neuen Wert enthält, kann man einen Soll-

wert oder einen anderen Regelparameter ändern. Auch ein Schreibbefehl wird üblicherweise sofort nach Eintreffen bei der Übertragungssteuerung des adressierten Mehrfachreglers beantwortet - in diesem Fall durch eine Empfangsquittung. Das beschriebene Verfahren ist einfach und zuverlässig. Die Zahl der benutzten Adressen im Datenübergabespeicher definiert den Umfang der zu transferierenden

Daten, der »Kommunikationssprache«. Das Datenformat ist im Speicher und in der

übertragenen Nachricht gleich, es wird nur ein einziges Datenwort pro Nachricht übertragen. Die Abwicklung des Lesebefehls mit Aufruf und sofortiger Antwort bedingt Voraussetzungen, die zu beachten sind: - Alle Variablen im Übergabespeicher müssen vorsorglich laufend aufgefrischt werden, um für den möglicherweise seltenen Fall einer Anforderung aktuell zu sein. - Zwischen beiden Kommunikationsteilnehmern muß eine direkte Daten-

20

Büsing, Die Technik der bitseriellen Kommunikation verbindung bestehen. Also nicht anwendbar für den Verkehr über Koppelstationen mit Zwischenspeicherung, wie sie in komplexeren Kommunikationsstruk-

turen erforderlich werden (siehe Bild 1 unten).

Eine noch vollkommenere Entkopplung zwischen Anwendereinheit und Kommunikationssystem sei mit Bild 6 veranschaulicht. Hierzu einige Stichworte: Die

Postamt

Gemeinsamer Zustell-

und

Postkunden mit Briefkästen für ein- und ausgehende

Abholdienst

Post

Teilprobleme: K prache (Umfang, Format) Datenübergabe an der A d hnittstell (Beispiel: Zirkular -Pufferspeicher) Ziel- und Quellenadressierung Empfangsquittung Abfrage (_Polling”)

Bild 6.

Briefpostdienst, abgewandelt zur Veranschaulichung von Teilproblemen der technischen Datenkommunikation

Funktionen des Postkunden sind völlig unabhängig davon, über wie viele Verteilerstellen seine aus- und eingehende Post läuft. Das elektrische Analogon zum Postbriefkasten ist beispielsweise ein Zirkularpufferspeicher (vfirst in - first out«), in den die Nachrichten von der einen Seite eingetragen, aus dem sie von der anderen Seite übernommen werden. Das Aufbereiten der zu versendenden, sowie das Interpretieren und Auswerten der eintreffenden Nachrichten ist Sache der Anwendereinheit,

ebenso die zweckmäßige Größe der Pufferspeicher. Umfang und Format der »Kommunikationssprache« müssen nun, da keine feste Zuordnung zu Pufferspeicher-

adressen besteht, in ähnlicher Weise vereinbart werden wie die beim Briefwechsel zwischen Postkunden benutzte Sprache.

4.5 Adressierungsarten Es gibt Bussysteme mit Zieladressierung und andere mit Quellenadressierung. Für eine flexible, die Übertragung in Kommunikationsnetzen erlaubende Technik dürfte sich aber das Vorbild der Postsache durchsetzen: Die Angabe von Anschrift und Absender ist erforderlich, um unabhängig von der Netzstruktur dem Absender eine Empfangsbestätigung oder den Bescheid »unzustellbar« zukommenlassen zu können.

Büsing, Die Technik der bitseriellen Kommunikation

21

Besonderheiten der Datenbustechnik

5

5.1 Arten der Buszuteilung Im Bild 6 ist angenommen, daß der Postbote regelmäßig zu jedem Kunden kommt und in den Briefkasten für ausgehende Post schaut. Die Abfrage der an einem Datenbus angeschlossenen Teilnehmerstationen nach Kommunikationswünschen geschieht ganz analog, nur ist es hier eine übergeordnete Station oder Einrichtung am Bus, der die Datenverkehrssteuerung obliegt. Beim »Polling«-Verfahren fragt diese Station die Teilnehmer ab und erteilt ihnen im Bedarfsfall die Erlaubnis, einen Da-

tentransfer vorzunehmen. Die Methoden der Buszuteilung sollen anhand von Bild 7 näher erläutert werden. Beispiele für die wechselseitige Kommunikation über nur einen Kanal sind der )) )

( ( ( S

| (&

Polizei- Zentrale

BEBEBEN

Funksprechverkehr

„Party:

I

Line,

—

L

|

ww

—

—

Nebenstellenamt

| Konferenzschaltung,

Art der „Bus”-Zuteilung (Sprecherlaubnis) 1. Zentral/hierarchisch durch Konferenzteiter („Master-Siave”-Prinzip=Befehl-Rückmeldung,

2.Gegenseitige

(„Master- Transfer”, „Fiying-Master Prinzip”,

= Partner-System”)

3.Selbstzuteilung nach vorgegebenen

Bild 7.

Abfrage- Antwort)

Zuteilung nach vorgegebenen Regeln

zyklischer

„Master

Transfer”

Regeln („Contention-Prinzip")

Steuerung des Sprechverkehrs mehrerer Teilnehmer bei nur einem Übertragungskanal

Funksprechverkehr und sind Telefonsysteme, bei denen mehrere Anschlüsse parallelgeschaltet werden, etwa zur Leitungseinsparung oder für Konferenzschaltungen. Hier sind es Menschen, die sich nach vorgegebenen Regeln in die Benutzung des Sprechkanals teilen.

Bei der technischen Kommunikation muß die Übertragungssteuerung die dafür erforderliche Intelligenz aufweisen. Methode I mit zentraler Steuerung ist sehr gebräuchlich. Solange die Intelligenzfunktionen nicht in einem billigen LSI-Chip zusammengefaßt sind, lohnt es sich, möglichst viele einfache Stationen im System zu haben, nämlich solche, die lediglich auf einen Aufruf antworten, nicht aber selbst

einen Datentransfer initiieren können.

22

Büsing, Die Technik der bitseriellen Kommunikation

Demgegenüber hat das »demokratische« System entsprechend Methode 2 lauter gleich intelligente Stationen, die einander — wie bei einem Gesellschaftsspiel - die Busbenutzung übergeben. Was hier sehr geordnet geschieht, wird bei Methode 3

dem

Zufall überantwortet:

Bei einer Station, die eine Nachricht aussenden

will,

horcht dort die Übertragungssteuerung, ob die Leitung frei ist, und sendet gegebenenfalls sofort. Dabei besteht natürlich prinzipiell Kollisionsgefahr. Im Falle des

Durcheinandersprechens muß wie bei der menschlichen Kommunikation die Übertragung abgebrochen und nach einer Pause ein neuer Versuch gestartet werden. Die

erforderliche Intelligenz ist geringer als bei Methode 2, da die einzelne Station sich nur um sich selbst und um ihren jeweiligen Gesprächspartner kümmert, während alle anderen Stationen am Bus von ihr nur als Störfaktor in Betracht gezogen werden. 5.2

Teilnehmerfunktionen

Bild 8 zeigt die wesentlichen »Teilnehmerfunktionen«,

die in der Übertragungs-

steuerung einer Datenbusstation realisiert sein können. Testeinrichtung zur Überı IECSC65A Zuhören Sprechen

|

- Listen

Beantworten- Respond

| Listener

Aufrufen

-

Initiate

| Responder | | Initiator

Anfordern

-

Demand

| Demander

(Request)

|

Bussteuerung-

Control

Supervisor

Abfragen

-

Poll

Manager

Zuteilen

- Allocate

Director

(Grant) Bild 8.

Teilnehmerfunktionen am Datenbus

wachung des Datenverkehrs hören nur, einfache prozeßnahe Stationen hören und antworten, Bedienststationen fordern zusätzlich die Buszuteilung an und rufen auf. Dem »Buscontroller« »Supervisor«, »Leitstation«) obliegt die Abfrage der nachrangigen Stationen und die Zuteilung der Sendeerlaubnis. Das für den Prozeßdatenbus zuständige Gremium der IEC hat oberhalb der Supervisor-Funktion noch weitere Hierarchiestufen definiert. Da deren Zweckmäßigkeit umstritten ist, soll hier nicht weiter darauf eingegangen werden. Festgehalten

Büsing, Die Technik der bitseriellen Kommunikation

23

sei, daß in einem »demokratischen« System alle vollwertigen Stationen »Supervi-

sor«-Fähigkeiten besitzen müssen.

5.3 Protokollebenen Die Funktionen einer Datenbusstation (Bild 9) lassen sich in vier oder fünfGruppen

(Protokollebenen, Schichten) gliedern, je nachdem, ob die Anwendereinheit an ei/

Anwenderfunktionen

Übertragung in richtiger Reihenfolge allgemein

Steuerfelder

| ei

|

Netzwerk-

|

n funktionen

!

generieren nach

Anforderungen

anderer Stationen

\

Datenverkehr

Anzahl

Bussystemfunktionen

überwachen

Aufrufer

|

bei

Leitungs-

\

Hörer

anfordern

zum

2 Empfänger

fehlender Quittung

empfangene Beantworter

koppier

Bild 9.

Nachricht

n Datenverkehrsstörungen

von

Busbenutzung

Dat u enweg funktionen

zuteilen

der Übertragungen begrenzen

| Behandlung

_

oben

einholen und Busbenutzung Bussteuerung

I

u. interpretieren

Fehlermeldung

Nachricht

ggfis. vollständig X interessierende

senden

wiederholen quittieren

beantworten

Nachricht

empfangen

Protokollebenen und Bussystemfunktionen

nen Bus oder an mehrere (funktionsbeteiligte) Busse angeschlossen ist. Nur im zweiten Fall sind »Netzwerkfunktionen« erforderlich. Die spezifischen »Bussystemfunktionen« sind im Bild 9 einzeln aufgeführt. Wegen der Einzelheiten sei auf die einschlägigen Arbeitsergebnisse in der IEC [4] hingewiesen, aber auch auf die noch folgenden Beiträge über ausgeführte Datenbussysteme.

Die restlichen Funktionsgruppen sind im wesentlichen von der Besprechung der Punkt-zu-Punkt-Verbindungen her bereits bekannt. Der Leitungskoppler ist in seiner Funktion einem Modem ähnlich.

5.4 Leitungsprobleme Einige Stichworte zu Bild 10: Als Leitungstypen kommen verdrillte Aderpaare oder Koax-Leitungen in Betracht. Mit »Twinax« bezeichnet man ein abgeschirmtes verdrilltes Aderpaar mit qualitativ hochwertigem Leitungsaufbau, das bei hohen Frequenzen ähnlich günstige Dämpfungswerte hat wie Koax-Leitungen und noch unempfindlicher ist gegen elektromagnetische Störeinwirkung von außen. Wichtige Leitungsmerkmale sind Dämpfung und Wellenwiderstand.

24

Büsing, Die Technik der bitseriellen Kommunikation

Leitungstypen a) Verdrilltes Paar, Twinax b) Koax

Stationsankopplung_(Fernbereich) -—

Galvanische

—

Dämpfung

Trennung

gering (z.B.< 1%o je Station)

Signalform

Bei einkanaliger Übertragung: Selbsttaktend

a) Basisband: Bit-Transparenz empfehlenswert bei Trafo - Ankopplung gleichstromfrei

b) Trägerfrequenzsysteme Hier

Frequenzmultiplextechnik

Signalpegel

Zusammenhang Eigensicherheit Bild 10.

möglich

mit Reichweite, Störsicherheit,

Einige Merkmale der Leitungsschnittstelle

Zur galvanischen Trennung von Busleitung und Station wird die Transformatorkopplung bevorzugt. Nur so kann die nötige Sendeleistung ohne zusätzliche Hilfsenergieeinspeisung auf die Leitung übertragen werden. Die Rückwirkung der Stationen auf die Leitung muß aus zwei Gründen klein gehalten werden: - Störende Signalreflexionen an der Ankopplungsstelle sind zu vermeiden. -— Die zusätzliche Dämpfung reduziert die ohne Leitungsverstärker mögliche

Übertragungsreichweite.

Eine detaillierte Erörterung der zur Bitdarstellung gebräuchlichen Signalformen würde den Rahmen dieses Beitrags sprengen. Zur Begriffserklärung: Selbsttaktende Signale enthalten nicht nur die Bitinformation, sondern auch die Taktinformation, mit deren Hilfe das aufder Empfangsseite ankommende Signal bitweise ausgewertet werden kann (Bitsynchronisation). »Bittransparenz« bedeutet eindeutige Erkennbarkeit jedes einzelnen Bit in der Signalfolge und damit die Möglichkeit, als zusätzliche Datensicherungsmaßnahme bitweise die Signalqualität auf der Empfangsseite zu überwachen. Durch Modulation einer Trägerfrequenz lassen sich mit nur einer Leitung mehrere Übertragungskanäle realisieren. Solche parallelen Kanäle werden beispielsweise benutzt, um Vorrangsanforderung zur Leitstation zu übermitteln, um die Funktionsfähigkeit des Buskabels fortlaufend zu testen und um notfalls alle angeschlossenen Stationen in den Initialisierungszustand zurückzuversetzen. Eine derart ein-

schneidende Maßnahme

ist erforderlich, wenn eine Station »wild« sendet. Diese

Büsing, Die Technik der bitseriellen Kommunikation eventuell automatisch

Station kann anschließend

selektiert und

25

an der weiteren

Busbenutzung gehindert werden.

6 Besondere Anforderungen der Prozeßtechnik Einige Leistungsmerkmale, die den in der IEC erarbeiteten »funktionellen Anforderungen« an einen Prozeßbus [4] entnommen wurden, zeigt Bild 11. Ob die angeführ-

Leistungsmerkmale (typisch) 100 Stationen

2km 30000

bitsIisec

bis1204

BytesINachricht

Wartezeit für Prozeßanforderungen

oo

3

&

S|

RECHNER I

=

xin

BEDIENTEIL

|

LEITSTATION

T--roAxıaınaseı 30m

DK1

|

Armee [TEIL

A

_.

“— -—DK2

TTTIT

-

=,

ANALOGE swing SONALE 0%dp 7 +

*| DATENKONZENTRATOREN

T-ANKOPPLUNG

KONTAKT SCHALTER MOTOR RELAIS

RECHNER 2

REDUNDANTE

7582

Bild 3.

LEITSTATION

1

Dezentrale Automatisierungsstruktur

Von neu installierten konventionellen Fühlern, teils mit, teils ohne Meßumfor-

mer

werden

die

physikalischen

Größen

Druck,

Differenzdruck,

Temperatur,

Durchfluß, Drehwinkel erfaßt und in Datenkonzentratoren in Digitalgrößen von 12 bit Auflösung verschlüsselt und durch digitale Filter, Mittelwertbildung und andere arithmetische Rechenfunktionen für die weitere Verarbeitung aufbereitet. Diese kann eine Grenzwertüberwachung, Regelfunktion oder Steuerungsfunktion sein. Bis auf wenige Fälle werden diese Automatisierungsfunktionen in den beiden angeschlossenen Rechnern durchgeführt, die ihre Eingangsgrößen über den seriellen Datenbus von den Datenkonzentratoren beziehen. Für zwei Regelstellen wird demnächst die Regelfunktion in einem Datenkonzentrator durch einen Mikroprozessor

Buxmeyer, Implementierung eines Bussystems

33

vor Art durchgeführt,d.h., daß die Stellgröße nach bestimmtem Algorithmus ım Datenkonzentrator ermittelt wird und einmal als kontinuierliches Ausgangssignal und dann als Dreipunktausgangssignal direkt zur Ansteuerung des Stellgliedes verwendet wird. Die erarbeiteten Regelverfahren machen es notwendig, daß auch die bereits installierten Stellglieder mitverwendet werden. Da jedoch der Betreiber des Heizkraftwerkes zu jeder Zeit für die Versorgung des Campus mit Heißwasser und elektrischer Energie garantieren muß, ist die Errichtung kostenintensiver und komplexer Umschalteinrichtungen mit Grenzwertüberwachungen in den back-up-Betrieb erforderlich gewesen. Für die geregelten Prozeßgrößen werden in einem Bedienteil die Ist- und StellgröBen gleichzeitig analog und digital angezeigt. Weitere charakteristische Größen eines Regelkreises können ebenfalls durch direkte Adressierung über den Bus aus Datenkonzentratoren oder aus dem Rechner besorgt werden. Von dem Bedienteil aus werden die Betriebsarten Hand-, Automatik- und Rechner-Betrieb vorgegeben. Hierbei bedeutet Handbetrieb: Inkrementelle Stellwertvorgabe vom Bedienpult aus, Automatikbetrieb: Regeln mittels Mikroprozessor vor Ort und Rechnerbetrieb: Regeln mittels Rechner. Eine kanalweise Umschaltung in den back-up-Betrieb ist vom Bedienteil aus zusätzlich vorgesehen. Es wird deutlich, daß bei dieser Anlage nicht konsequent die dezentrale Automatisierungsstruktur eingehalten worden ist. Es war auch nicht das Ziel, ein fertigungsreifes modernes Automatisierungssystem zu installieren und zu testen. Bei dieser Pilotanlage geht es allen beteiligten Stellen darum, insbesondere die Übertragungs-

technologie des PDV-Busses zu erproben und dessen Leistungsfähigkeit hinsichtlich Übertragungsfrequenz, Länge des Busses und Teilnehmerzahl zu ermitteln. Ferner soll die ausreichende Übertragungssicherheit und Übertragungseffizienz der ausgewählten PDV-Übertragungsmodi nachgewiesen werden.

Die in dieser Hinsicht harten Testanforderungen an das Übertragungssystem be-

züglich Realzeitverhalten und Sicherheit sind insbesondere deswegen gegeben, weil anlagenkritische Regelkreise über das Übertragungssystem geschlossen werden. Ein rauhes Umgebungsklima der Leitung ist bewußt dadurch geschaffen worden, daß das Übertragungskabel kilometerweit unmittelbar neben einer 15-kV-Leitung verlegt wurde. Insgesamt sind 9 Datenkonzentratoren, 2 Prozeßrechner und ein Bedienteil an das Koaxialkabel angeschlossen, das zwischen den entferntesten Stationen eine Gesamtlänge von 3 km hat. Jeglicher Datenaustausch zwischen 2 Stationen wird ausschließlich über dieses Kabel geführt. Alle Stationen sind durch transformatorische Ankopplung galvanisch voneinander getrennt. Durch die ausgeführte T-Ankopplung ist es möglich, Stationen an- oder abzukoppeln, ohne den laufenden Betrieb zu stören.

Die Dirigentenfunktion des Übertragungssystems übernimmt die Leitstation, die mit gleichartiger Ankopplung wie alle anderen Stationen an jeder beliebigen Stelle an das Kabel angeschlossen werden kann. Bezogen auf die Aufgabe nimmt diese Leitstation eine Sonderstellung im System ein. Dem dadurch drohenden Verfügbarkeitsengpaß wird durch Redundanz begegnet.

34 3

Buxmeyer, Implementierung eines Bussystems Strukturmerkmale

Das zur Lösung der übertragungsspezifischen Aufgaben eingesetzte System ist gekennzeichnet durch folgende Strukturmerkmale: Die Leitungsführung ist linienartig. Es besteht keine systembedingte Notwendigkeit, die Leitung zu einem Ring zu schließen.

Es existiert nur eine Übertragungsleitung, die bidirektional genutzt wird. Rückwirkungsfreie, galvanisch trennende T-Ankopplung der Stationen. Keine Zwischenspeicherung, Verzögerung oder Veränderung einer gesendeten Nachricht durch dazwischen liegende Stationen. Damit ist gleichzeitig ausgesagt: keine Hintereinanderschaltung von Punkt-zu-Punkt-Verbindungen über aktive Stationsankopplung. Mit dieser Eigenschaft wird ohne aufwendige Zusatzmaßnahmen das Blockieren des Systems bei Ausfall einer Station verhin-

dert.

Aus diesen Strukturmerkmalen resultieren nachstehende F unktionseigenschaften

des Systems:

Das bidirektionale Übertragungssystem arbeitet im Halbduplex-Betrieb.

Zu jedem Zeitpunkt gibt es nur eine sendende Station im System.

Alle Stationen sind gleichberechtigte Teilnehmer des Übertragungssystems. Systembedingte Stationshierarchie gibt es nicht. Prinzipiell erlaubt diese dezen-

trale Struktur, daß Stationen mit entsprechender Funktionsausstattung direkt

miteinander korrespondieren können.

4

Ablaufschema des Datenaustausches

Jeder Datenaustausch zwischen 2 Stationen des Systems läuft nach der in PDV. spezifizierten Querverkehrsmethode ab. Bild 4 zeigt das Ablaufschema. LEITSTATION

BUSZUTEILUNG

BUSZUTEILUNG

AUFRUFSTATION

STARTE

QUERVERKEHR

ENDE

QUERVERKEHR

STARTE QUERVERKEHR

ANTWORTSTATION

BUSRÜCKGABE

>

AUFRUF

SENDE DATEN

ee

_ ENDE QUERVERKEHR Bild 4.

DATEN

BUSRÜCKGABE

Ablaufschema des Datenaustausches

ANTWORT

Buxmeyer, Implementierung eines Bussystems

35

Jeder Datenaustausch beginnt mit der Zuteilung des Busses durch die Leitstation.

Gemäß

einer vorgegebenen

Reihenfolge sendet die Leitstation an die betreffende

Station den Befehl »Starte Querverkehr«. Damit ist dieser Station die Sendeerlaubnis erteilt und sie darf jetzt an jede andere Station im System eine Nachricht senden, die Aufruf genannt wird. Mit dem Aussenden des Aufrufs überträgt die Aufrufstation die Sendeerlaubnis an die Station, für die der Aufrufbestimmt ist. Sie wird Ziel-

station genannt. Sie selbst schaltet auf Empfang und erwartet eine Reaktion der Ziel-

station. Hat diese den Aufruf fehlerfrei empfangen und verstanden, quittiert sie dieses mit einer Antwort an die Aufrufstation und gibt ihr damit die Sendeerlaubnis zurück. Ist die Antwort fehlerfrei bei der Aufrufstation angekommen, sendet diese an die Leitstation die Nachricht »Ende Querverkehr«. Damit erlischt die Sendeerlaubnis der Aufrufstation und der Datenaustausch ist beendet. Wird der Aufruf gestört, so daß er von der Zielstation nicht verstanden werden kann, bleibt die Antwort aus. Nach Ablauf einer systemeinheitlichen Überwachungszeit wiederholt die Aufrufstation ihren Aufruf. Eine zweite Wiederholung innerhalb einer Buszuteilungsphase ist nicht möglich. Benötigt eine Station im Augenblick der Buszuteilung den Bus für einen Datenaustausch nicht, teilt sie dieses unmittelbar mit der Nachricht »Ende Querverkehr« der Leitstation mit. Diese kann dann gemäß Buszuteilungsfolge die Sendeerlaubnis vergeben. Das Grundprinzip des Datenaustausches nach der Querverkehrsmethode

wird

hiermit sehr deutlich: Jeder actio einer Station folgt die reactio einer anderen. Mit dieser Konsequenz des ständigen Reagierens in einer systemeinheitlichen Mindestzeit ist die Voraussetzung der Funktionskontrolle des Systems durch gestaffelte Zeitüberwachung erfüllt.

5

Stationen

5.1 Stationsfunktionen Um den Datenaustausch nach der beschriebenen Querverkehrsmethode durchführen zu können, müssen in den einzelnen Stationen die nachstehenden übertragungsspezifischen Funktionen implementiert sein: -

—

Hören Wie im menschlichen Leben, so ist auch hier die Voraussetzung, an einer Kom-

munikation teilnehmen zu können, die Fähigkeit zu hören und zu verstehen. Dies bedeutet, daß, abgesehen von gewissen Hardwareübereinstimmungen, jede angeschlossene Station die im System benutzte Sprache versteht. Bus zuteilen Besondere Schwierigkeiten in einer Diskussionsrunde entstehen immer dann, wenn mehrere Teilnehmer gleichzeitig reden. Diese Problematik ist direkt auf ein Bussystem übertragbar. Abhilfe wird durch die Systemvereinbarung geschaf-

fen, daß nur die Stationen einen Aufrufsenden dürfen, die dazu die Sendeerlaub-

36

Buxmeyer, Implementierung eines Bussystems

nis haben. Mit der Aufforderung »Starte Querverkehr« erteilt die Leitstation einer anderen die Sendeerlaubnis. Dies ist gleichbedeutend der Buszuteilung.

-

Aufrufen

-

Antworten

Es ist die Reaktion einer Station nach Erhalt der Sendeerlaubnis durch die Leitstation. Die dann ausgesendete Nachricht wird Aufruf genannt.

Jede durch einen Aufruf angesprochene Station sendet an die aufrufende Station in einer vorgegebenen Zeitspanne eine Antwort und dokumentiert damit den richtigen Empfang des Aufrufs. Ist dieser Aufruf eine Leseoperation, enthält die Antwort die angeforderten Daten.

3.2 Stationstypen Abhängig von der Kombination der in einer Station implementierten übertragungs-

X

X

SPEZIELLE AUF- | x RUFSTATION LEITSTATION Tabelle 1.

x

BUS ZUTEILEN

ANTWORTEN x

AUFRUFSTATION

AUFRUFEN

HÖREN ANTWORTSTATION

x

bezogenen Funktionen werden in der Pilotanlage die in Tabelle 1 stehenden Stationstypen unterschieden.

x x

Stationstypen

In einer Antwortstation sind führt. Definitionsgemäß sendet System; folglich wird ihr auch Die Aufrufstationen sind die

nur die Funktionen Hören und Antworten ausgesie keine Aufrufe und verhält sich immer passiv im niemals der Bus zugeteilt. aktiven Stationen in einem System. Sie beinhalten

die Funktionen Hören, Antworten und Aufrufen und sind in der Lage, als Initiato-

Buxmeyer, Implementierung eines Bussystems

37

ren einen Datenaustausch zu führen. Dieser Stationstyp kann somit die Aufgabe ei-

nes

Koordinators

eines

oder

Betreuers

oder

eines

Überwachungselementes

im

System übernehmen. Die spezielle Aufrufstation ist wohl in der Lage Aufrufe zu senden, jedoch nicht fähig, Aufrufe zu beantworten. Sie ist vergleichbar mit einem Telefonapparat ın einer öffentlichen Fernsprechzelle. Die Leitstation ist als einziger Stationstyp in der Lage, den Bus einer Aufrufsta-

tion zuzuteilen. Da ihr die Fähigkeit zu antworten oder aufzurufen fehlt, wird sie in

keinen Datenaustausch einbezogen. Für die Unterscheidung in diese 4 Stationstypen waren in erster Linie Kostenbetrachtungen ausschlaggebend. Da zum augenblicklichen Zeitpunkt kein VLSISchaltkreis zur Verfügung steht, der die gesamte prozedurale Abwicklung des Datentransfers innerhalb einer Station übernehmen könnte, sind die entsprechenden Schaltungen mit den heute marktüblichen Bauelementen aufgebaut. Dabei ist es naheliegend, die übertragungsspezifischen Aufgaben zu differenzieren und jeweils nur die dann notwendige Untermenge zu implementieren. Der Einsatz eines Mikroprozessors zur Lösung dieser Aufgabe scheiterte an dem Ziel, die Reaktionszeit einer Station

USE

SR

SENDETAKT

ST

REFLEKT. SENDETAKT

RT

SENDEDATEN

sd

VERSORGUNG #15V, +5V

vs

>

Serielle Digitale Schnittstelle SDS

Die korrespondierenden Signalleitungen haben folgende Bedeutung: 1 Empfangsrahmensignal ER

46

Buxmeyer, Implementierung eines Bussystems

Das Empfangsrahmensignal ER wird vom Buskoppler zu Beginn einer empfangenen Nachricht auf »High« gesetzt und mit dem Erkennen vom Ende der Nachricht wieder auf »Low«. Als Endeerkennung dient die Pause. Wie der Name sagt, umrahmt dieses Signal die empfangene Nachricht. 2 Empfangsdaten ED Über diese Leitung sendet der Buskoppler die empfangenen Daten im NRZ-Code. [NRZ = non return to zero] 3 Empfangstakt ET Zur Trennung der NRZ-Signale in der ÜSE ist der Takt erforderlich. Der Buskoppler, der den Takt aus dem Leitungssignal gewinnt, sendet ihn über diese Leitung an

die Übertragungssteuereinheit.

4 Erkennung von Übertragungsstörung UE Werden im BK beim Empfang Störungen auf der physikalischen Ebene erkannt, wird dies der ÜSE über diese Leitung signalisiert. 5 Senderahmen SR Zu Beginn einer zu sendenden Nachricht setzt die ÜSE dieses Signal und nimmt es nach dem letzten übertragenen Informationsbit wieder zurück. Mit diesem Signal wird der Buskoppler aufgefordert, normalerweise ein Nachrichtenanfangszeichen zu senden. Im vorliegenden Fall ist dieses Zeichen die Pause. 6 Sendetakt ST Nach dem Aussenden des »Sendezeichens« Pause sendet der Buskoppler den in ihm erzeugten Sendetakt auf dieser Leitung an die ÜSE. 7 Reflektierter Sendeakt RT Aufdieser Leitung wird der vom BK an die ÜSE gesendete Takt an den BK zurückgegeben. 8 Sendedaten SD Zusammen mit dem reflektierten Takt werden auf dieser Leitung die Sendedaten im NRZ-Code

an den Buskoppler übertragen.

9 Versorgungsspannungsleitungen VS Der Buskoppler wird von der Übertragungssteuereinheit über diese Leitungen mit den Spannungen +15 V und +5 V versorgt.

7.1 Aufbau und Funktionen der Übertragungssteuereinheit Mit dieser Funktionstrennung durch die SDS fallen der Übertragungssteuereinheit folgende Aufgaben zu: - Serien/Parallelwandlung der empfangenen Nachricht

— -

— —

Adreßerkennung der Hauptadresse A Funktionsbyte-Interpretation und die daraus sich ergebende Ablaufsteuerung

Fehlerprüfung mittels CRC-Check, Zeitüberwachung und Bitzahlkontrolle Parallel/Serienwandlung der in Registern stehenden Sendeinformation Erzeugung des Funktionsbytes Betreuung der Parallelschnittstelle und der SDS In Bild 8 sind die einzelnen Funktionseinheiten der ÜSE einer Antwortstation grob skizziert.

Buxmeyer, Implementierung eines Bussystems

47

—e] FUNKTION

ADAESSTeL _ _ —e_ —

A

.

ABLAUF-

ADRESS-

EINSTIEG

STEUERUNG

STEYERTEIL

T ® — 1

DATEN-

DA

DATENTEIL ATEN-

N-

PARALLELDSCHN.TT-

STELLE

.—

HAUPT-

ADRESS

FUNKTION

SGAN

AUSGANG

2

ee T

-

ÄHLER 8

|

«8

7

AHLER

AAAL

|

ETIER

ED SR

Bild 8.

4

sT

8,16,24

-

CHECK

-

UMSCHALTEINHEIT

“ \

\

!

y

SD

_

RAT

SDS

Aufbau der ÜSE einer Antwortstation

Der aus dem Buskoppler kommende Empfangstakt und die Empfangsdaten wer-

den auf alle Empfangsregister aufgeschaltet. Es sind die Adreßregister für Hauptund Unteradresse, das Funktionsregister und die beiden Datenregister. Die Datenübernahme wird durch Signale aus dem Empfangszähler gesteuert. Dieser ist an die Taktleitung ET angeschlossen und teilt den Takt. Für jeden 8., 16.,24.,48. und 72. Takt wird ein Steuersignal ausgegeben. Synchron mit dem Einschreiben der Information in die betreffenden Register wird das Sicherungsfeld in der Funktionseinheit CRC-Check ausgewertet, so daß nach jedem 16. bit die Fehleraussage vorliegt. Die Funktionsfeld-Interpretation wird in der Einheit Ablaufsteuerung vorgenommen. Hier wird auch das Ergebnis der Adreßerkennungsschaltung mit berücksichtigt, die den Inhalt des Hauptadreßregisters mit voreingestellten Bitkombinationen vergleicht. Es ist auch die Aufgabe der Ablaufsteuerung, den Datenaustausch mit der Prozeßeinheit über die Parallelschnittstelle zu kontrollieren. Bei einer Leseprozedur werden die aus der Prozeßeinheit geholten Daten in die Datenausgaberegister geschrieben. Das zugehörige Funktionsfeld wird durch die Ablaufsteuerung vorgegeben und die Adresse der Antwort wird von dem Hauptadreßregister in ein Adreßausgaberegister geladen. Auch für diese Operation ist die Ablaufsteuerung der Koordinator. Sie sendet das Senderahmensignal an den Buskoppler, der mit dem Ausgeben des Sendetaktes antwortet. Dieser Sendetakt wird

auf den Takteingang der Schieberegisterkette geschaltet, die ihre Information über die Sendedatenleitung an den Buskoppler überträgt. Hierzu wird eine vom Sendezähler gesteuerte Umschalteinrichtung notwendig. Synchron mit dem Aussenden

48

Buxmeyer, Implementierung eines Bussystems

der Daten wird das Sicherungsfeld gebildet, das nach je 16 bit eingeschoben wird, was durch die Umschalteinrichtung ermöglicht wird. 7.2 Aufbau und Funktion des Buskopplers Dem Buskoppler fallen folgende Aufgaben zu: — Demodulation des empfangenen Leitungssignals

_

_ _ — -

Erzeugen des Empfangsrahmens

Rückgewinngung des Taktes aus dem Leitungssignal Bereitstellung der Empfangsdaten im NRZ-Code Modulation des Leitungssignals Galvanische Trennung Fehlererkennung und Melden von Übertragungsfehlern.

Ein Blockschaltbild des Buskopplers ist in Bild 9 dargestellt.

ERKENNUNG PHYS.FEHLER

u

|

I

R

>—

BITTg = ER DemoouL Aaron)I —— = —o EDer

—

—

—o 0

.

-O

© Regel- und Steuerfunktionen

Bild 7. Optimale Entkopplung eines Systems

Grunde ist es sinnvoll, bei der Lösung. der »Back-up«-Frage andere Wege als in der herkömmlichen Technik zu gehen. Bei TDC 2000 wird dies durch redundante Regler »Uninterupted Automatic Control«) realisiert. 1.3 Teilsysteme und ihre automationsspezifischen Funktionen Ein Automationssystem hat drei »Berührungsebenen« zu seiner Umwelt: zum Prozeß, zum Personal (Montage, Bedienung und Wartung) und zur Energieversorgung (Bild 8). Automationsspezifisch sind die Teilebenen Prozeß und Bedienungspersonal. Die Schnittstellen zum Prozeß sind durch Feldgeräte (Meßwertgeber und Stellglieder), die zum Betriebspersonal durch Anzeige und Bedienungselemente charakterisiert. Sowohl in der konventionellen Analoginstrumentierung als auch beim Einsatz von zentralen Prozeßrechnern sind die primären Regelungs- und Steuerungsfunktionen mit den sekundären Funktionen stark gekoppelt, weil sie häufig innerhalb desselben Geräts durchgeführt werden (z. B. Kompaktregler bzw. Zentraleinheit). Wegen der räumlichen Trennung zwischen Prozeß und Meßwarte ergeben sich dadurch viele lange Leitungen zur Signalübertragung von und zu den Feldgeräten.

Bei einem verteilten Automationssystem ergibt sich eine einfache Möglichkeit, Regelungs- und Steuerungsfunktionen von Anzeige- und Bedienungsfunktionen zu

58

Stein, Die Datenbahn des TDC

2000-Systems

in der Lage elektrische Größen wie analoge Meß- und Stellsignale und digitale (hier: binäre) Status- und Schaltsignale zu erfassen und zu verarbeiten. Sie kommunizie-

Bei einer optimalen Auslegung des verteilten Systems gehören primäre Funktionsketten, die ohne die Intervention des Bedienungspersonals geschlossen werden können, aus Gründen der Fehlertoleranz, in die Signalverarbeitungsgeräte. Dazu zählen sowohl Regler als auch sequentielle Steuerungen einfacher Art. Obwohl letzteres bei TDC 2000 noch nicht realisiert ist, geht das Datenübertragungssystem von TDC 2000 bereits von der Annahme eines hierarchischen Aufbaus aus (Bild 9).

u.U. räumlich verteilten, Signalverarbeitungsgeräten zu ermöglichen und zu unterstützen. Damit soll eine flexible Fernbedienung, -anzeige, -alarmierung, -überwachung, -protokollierung, -aufzeichnung und -konfigurierung sichergestellt werden.

Stein, Die Datenbahn des TDC

2000-Systems

59

Informationsverarbeitungsgeräte

\

Signalverarbeitungsgeräte

AN

Bild 9. Datenübertragungssystem deren Systemauslegungen der Fall ist. Manuelle oder z. B. durch Prozeßrechner automatische Eingriffe in das Prozeßgeschehen über die Datenbahn sind zwar möglich, doch dienen sie hauptsächlich der Inbetriebnahme und anschließend im Sinne einer hierarchischen Anweisung. Das Problem der Betriebssicherheit hingegen wird durch Redundanzen behandelt.

Zur Definition der Aufgabenstellung gehört die Festlegung der Mindestanforderungen an das Übertragungssystem. Sie werden durch den Verwendungszweck des Automationssystems diktiert: Räumliche Ausdehnung: Die Entfernung zwischen Produktionsanlagen und MeBwarte beträgt in den meisten Fällen weniger als 1000 m. Deswegen sollte die zulässige Kabellänge zwischen zwei Teilnehmern mindestens 1500 m betragen. Teilnehmerzahl: Je nach Umfang des Automationsvorhabens sollte die Anzahl der angeschlossenen Teilnehmer variabel sein, wobei die maximale Auslegung für große und komplexe Produktionsanlagen gedacht ist. Solche Anlagen haben selten mehr als 500 Regelkreise bzw. 4000 Feldgeräte. Da ein Kernregler von TDC 2000 bis zu 8 Regelkreise, andere Signalverarbeitungsgeräte mehrere hundert Meßgrößen bedienen, sollten neben Informationsverarbeitungsgeräten mindestens 62 Signalverarbeitungsgeräte anschließbar sein. Integrität: Ein Fehler in einem Teilnehmer darf nicht die Kommunikation der übrigen Teilnehmer beeinträchtigen. Die Wartung, sowie eine Systemerweiterung (Ankopplung weiterer Teilnehmer bis zur maximalen Auslegung), muß also ohne Unterbrechung des laufenden Betriebes möglich sein. Kompatibilität: Der Anschluß von handelsüblichen Minirechnern sollte möglich sein. Daher wird die Nutzlänge eines Datenwortes denen der gängigen Prozeßrechner entsprechen müssen: 16 Bit. Übertragungskapazität: Schließt man eine Kommunikation zwischen gleichartigen Teilnehmern aus und folgt man ferner dem Konzept der funktionellen Ent-

60

Stein, Die Datenbahn des TDC 2000-Systems kopplung von primären und sekundären Funktionen, dann wird der überwiegende Teil des Datenverkehrs der Anzeige und Überwachung, nicht aber der Bedie-

nung und der direkten Steuerung von Stellgrößen dienen. D.h., daß die Reak-

tionszeit, bzw. die zulässige Übertragungsverzögerung bei TDC 2000 vornehmlich von der Anzahl der Meßgrößen und den Zeitkonstanten der Meßstrecken bestimmt wird. Letztere liegen bei verfahrenstechnischen Prozessen überwiegend über I s. Das bedeutet, daß die Übertragung (der Meßwerte (Lesevorgang) höchstens einmal in der Sekunde, meistens jedoch nur einmal in 5 s erforderlich ist. Sorgt man also für eine schnelle Alarmübertragung (Annahme: maximal 200 verschiedene Alarmmeldungen pro Sekunde), dann reicht bei einer Anlage mit 4000

Feldgeräten eine Übertragungskapazität von 4000 Werte a

5

8

——

+

200 Alarme S

nennen

1000 Variable S

nn

————

Wie bereits im Einführungsvortrag erwähnt, gibt es eine ganze Reihe von Lösungsmöglichkeiten von Datenübertragungssystemen für industrielle Applikationen. Aus der Fülle der realisierbaren System-Strukturen (Stern-, Bus- oder netzför-

mige Verbindungen), der möglichen Übertragungskonzeptionen (Simplex-, Duplex-

oder Halbduplexverfahren;

Bit-serielle oder Bit-parallele Übertragung) sowie der

Materialwahl für die Übertragungskanäle (z. B. Telefonleitungen, Koaxkabel oder Lichtleiter) muß, gemessen an der Aufgabenstellung, die optimale Kombination gewählt werden. Kriterien für die Bestimmung des Optimums sind: Aufwand an Kosten und Zeit für die Planung, Beschaffung, Installation, Dokumentation, Zuverlässigkeit, Wartung, Flexibilität und Erweiterbarkeit. 2

Struktur und Technik des TDC 2000-Datenbahnsystems

Der hierarchische Aufbau von TDC 2000, in dem eine Kommunikation gleichartiger Teilnehmer untereinander nicht gefördert zu werden braucht, schließt die Verwendung von aufwendigen netzförmigen Verbindungen aus. Eine Stern-Struktur mit Stichleitungen hat vor allem den Nachteil, daß die Integrität des gesamten Übertragungssystems mit der Verfügbarkeit des zentralen Knotenpunktes steht und fällt. Aus diesen, aber auch aus Gründen der einfachen Erweiterbarkeit und des reduzierten Aufwandes, benutzt TDC 2000 ein Bus-System (»Datenbahnsystem«). Charakteristisch für ein Bus-System ist, daß alle potentiellen Kommunikationspartner an den gleichen Übertragungskanal angeschlossen sind, und dieser in aller Regel nicht in der Lage ist, Nachrichten (»Telegramme«) verschiedener Teilnehmerpaare gleichzeitig zu übertragen. Es stellt sich die Frage der Koordination des Datenverkehrs,

z. B. durch eine Steuerstation. Es wäre natürlich möglich,

einen

Teilnehmer als »Master« festzulegen, mit der Maßgabe, neben seinen übrigen Aufgaben auch den Datenverkehr zu steuern und zu überwachen. Hieraus ergibt sich auch das Konzept des beim PDV-Bus realisierbaren »Mastertransfers«, dessen Pro-

zedur besonders für den Fall eines Fehlers im Master selbst ausgelegt zu werden

Stein, Die Datenbahn des TDC 2000-Systems

61

braucht. Das Datenübertragungssystem vom TDC 2000 macht keinen Gebrauch von dieser Funktion, weil sie eine Kommunikation zwischen gleichartigen Teilnehmern voraussetzt, was im Widerspruch zur Aufgabenstellung steht. Die Koordination des Datenverkehrs im Übertragungssystem von TDC 2000 wird durch eine »Datenbahnsteuereinheit« (Hiway Traffic Director) durchgeführt. Sie stellt einen empfindlichen Knotenpunkt dar, weil sie den zentralen Charakter, der für eine sternförmige Struktur typisch ist, wieder einführt. Honeywell begegnet diesem Problem mit einer inhärenten Redundanz dieser Datenbahnsteuereinheit (Bild 10). Teilnehmer

Steuereinheit

I! O-

Teilnehmer

I

1

|

1

Teilnehmer

-

7”

I! -

L._

__.

l

7

L

Teilnehmer

Bild 10.

Teilnehmer

Teilnehmer

Redundantes Datenübertragungssystem

Die Wahl der Übertragungskonzeption wurde bei TDC 2000 bestimmt durch die notwendige Übertragungskapazität von 250 kBaud!). Dabei entschied man sich für eine Bit-serielle Halbduplex-Übertragung, weil sie die wirtschaftlichste Lösung darstellt. Die bei einer Bit-parallelen und/oder Vollduplex-Übertragung erzielbare Informationsdichte geht weit über die geforderte Übertragungskapazität hinaus und bedeutet einen größeren Aufwand, vor allem wenn das Übertragungssystem, redundant ausgelegt werden soll. Die durch die Bit-serielle Übertragungskonzeption notwendig gewordene Bandbreite?) machte die Verwendung von einfachen Telefonleitungen unbrauchbar und ließ den Einsatz von Lichtleitern überflüssig werden. Zwar haben Lichtleiter unbestrittene Vorteile (große Bandbreite, Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetıschen Störungen, Eigensicherheit), doch ist die Verwendung von Koax-Kabel als

Übertragungskanal nicht zuletzt auch wegen der Sende- und Empfangstechnik bil-

liger.

I)

Bemerkung: Die Maßnahmen, die für die Sicherstellung einer fehlerfreien Übertragung von Nachrichten erforderlich sind, reduzieren die Effektivität des Übertragungskanals. Ereignisorientierte Systeme haben häufig eine Effektivität von 30%, und auch das nur solange das Verhältnis des Nutzsignalpegels zum Rauschpegel größer als 13 dB ist. Hinzu kommt bei TDC 2000, daß Angaben über Meßbereiche in den Signalverarbeitungsgeräten gespeichert sind. Für jede Darstellung einer Meßgröße in technischen Einheiten müssen also ne-

ben dem Meßwert auch Meßbereichsanfang und -ende übertragen werden. Demnach sind,

bei einer Nutzlänge eines Wertes von 16 Bits: 1000Variable

S

3Werte

16Bits

100%

Variable

Wert

30%

160000Bits

S

die durch eine Kapazitätsreserve von 50 % und einer großzügigen Aufrundung zu den genannten 250 000 Bits/s = 250 kBaud führen.

62

Stein, Die Datenbahn des TDC 2000-Systems

2.1 Kategorien der Datenbahngeräte Alle am Datenverkehr teilnehmenden Stationen (Bild 11) werden an die Datenbahn über geeignete »Datenbahnkoppler« angeschlossen. Aus der Sicht des Übertragungssystems sind sie dann »Datenbahngeräte«, die sich in drei Kategorien unter-

teilen: KR

KR

KR

PKE

1

DDC

Betriebs-

station

T

]

vorgezogene Zugriffsleitungen

Betriebsstation

HTD

l

SIT

Datenbahnzweig Nr. 1

PKE

KR

DDC

Betriebs-

PKE

PKE

2)

11.

rechner

1

KR

Datenbahnzweig Nr. 2

Bild

Prozeß-

station

PKE

I

Datenbahnzweig Nr. 3 Anmerkung: 1. Pro Datenbahnzweig maximal 1525 m Kabellänge und 28 Datenbahngeräte. 2. An allen drei Datenbahnzweigen zusammen nicht mehr als 63 Datenbahngeräte. 3. Alle drei Datenbahnzweige enden an der Datenbahnsteuereinheit.

Legende: KR = Kernregler PKE & Prozeßkoppeleinheit HTD = Datenbahnsteuereinheit

Datenbahnsystem

DDC = DDC-Koppier

Bemerkung: Die Fourier-Analyse einer kontinuierlichen Impulsfolge mit dem im Kapitel 3.1 beschriebenen Bitformat liefert die Reihe ul)=09V-f() fl)

h)=

22

= a2

ht)

< 23 m=|

= 0,9 hl)

(pr

) ot ] (( ) ot or) _ sin((4m-1) ( | sin((4m-3) 4m - 1 4m -3

Bei Abbruch der Reihe nach dem m.-ten Glied entsteht ein Fehler

in(4m+1) ’ F=|Rest, < | Sinlamt Denot _ sintam+3)N) Die notwendige Bandbreite ergibt sich aus der, durch die Spezifikation des Empfängers bestimmte, zulässige Verzerrung. Je nach dem zulässigen Amplitudenfehler müssten bei 250 kBaud folgende Bandbreiten verlangt werden: Impulsscheitelfehler obere Eckfrequenz (Idealwert: 0,9 V)

20% 10% 5% 1%

2 4 8 44

MHz MHz MHz MHz

Stein, Die Datenbahn des TDC

-—

—

2000-Systems

63

Passive Datenbahngeräte (»Respond Only Devices«): Diese können aufgrund eines Lese- oder Schreibbefehls eines anderen Gerätes am Datenverkehr teilnehmen, indem sie den Befehl empfangen, ausführen und eine geeignete Antwort aussenden. Von sich aus können sie weder Zugang zum Datenverkehr verlangen, noch ihren Kommunikationspartner auswählen, noch Befehle erteilen. Eventuell von ihnen festgestellte Alarmzustände müssen von anderen Geräten besonders erfragt werden.

Aktive Datenbahngeräte (»Polled Devices«): Diese können, über die Eigenschaften der passiven Datenbahngeräte hinaus, sich zu Wort melden, sobald sie Änderungen im Prozeßablauf feststellen (z. b. Überschreitung einer Alarmgrenze oder Änderung eines Kontaktzustandes). Wird ihnen die Benutzung der Datenbahn gewährt, können sie ihre Nachrichten an einen vorbestimmten ProzeBrechner aussenden. Ansonsten verhalten sie sich wie passive Datenbahngeräte. - Privilegierte Datenbahngeräte (»Preferred Access Devices«): Diese können über direkte Anforderungsleitungen zur Datenbahnsteuereinheit einen sofortigen Zugriff zur Datenbahn verlangen, bzw. eine Umschaltung auf die redundante Datenbahn erzwingen. Darüber hinaus sind sie frei in der Gestaltung ihres Datenverkehrs und in der Wahl ihrer Kommunikationspartner unter den Signalverarbeitungsgeräten. Bei TDC 2000 sind Kernregler (»Basic Controller File«) und DDC-koppler (»Analog Unit«) passive, Prozeßkoppeleinheiten (»Process Interface Unit«) aktive und Prozeßrechner sowie Bedienungsstationen (»Operator Station«) privilegierte Datenbahngeräte. 2.2 Datenbahnkoppler Die Schnittstelle zwischen der Datenbahn und den Datenbahngeräten stellen die Datenbahnkoppler dar. Sie führen alle Funktionen aus, die eine Kommunikation anderer Teilnehmer mit dem über sie angeschlossenen Datenbahngerät erfordert. Dazu zählen vor allem das selbsttätige Senden und Empfangen von Nachrichten mit der dazu notwendigen Logik und Treiberstufen. Sie bestehen aus festverdrahteten Halbleiterschaltungen (ohne Mikroprozessoren) auf Steckkarten untergebracht. Diese sind in den Baugruppenträgern der angeschlossenen Datenbahngeräte eingesteckt (Bild 12), oder, im Falle von Prozeßrechnern, als gesonderte Einheit in der

64

Stein, Die Datenbahn des TDC 2000-Systems

Nähe (maximal 7 m) der Prozeßrechner aufgestellt. Die »Datenbahnadresse« eines

Gerätes wird bestimmt durch Kurzschlußbrücken im Schaltkreis ihres Datenbahnkopplers. Die Datenbahnkoppler der Kernregler von TDC 2000 sind in der Lage, unabhängig von der Funktionstüchtigkeit des Mikroprozessors im Kernregler, im DMAVerkehr Daten von den Dateien zu lesen und sie zu überschreiben (Bild 13). Damit Datenbahnkoppler

MN

ß

HalbleiterLogik

————— —__

-Datei-

ROM

aP

D/A

Muiltiplexer

und AD

u)

Bild 13. Anschluß eines passiven Signalverarbeitungsgerätes . an die Datenbahn

wird eine Stellsignalsteuerung über die Datenbahn unterstützt. Der Nutzen dieser Eigenschaft ist jedoch deswegen beschränkt, weil ein Defekt im Multiplexer oder im Mikroprozessor den Zugang zu den Meßgrößen blockiert, ohne die eine Handsteuerung blind ist. Die Einhaltung der Übertragungsprozedur ist eine Obliegenheit der Datenbahnkoppler. Die Zeit zwischen dem Empfang des letzten Bits eines Befehltelegramms und dem Beginn der Antwortsendung beträgt 5 bis 10 us. Das General Purpose Computer Interface (GPCI) dient zur Kopplung eines Nicht-Honeywell Rechners an die Datenbahn (Bild 14). Auf der Rechnerseite enthält es 16 bidirektionale parallele Datenleitungen sowie 11 Steuerleitungen, inklu-

siv Interrupt-Request. Die an der Schnittstelle zum Rechner benutzte Spannung ist

0 bzw. 4 V, negative Logik. Das Laden bzw. Lesen eines der 3 Register durch den Rechner beansprucht 500 ns bzw. 750 ns. Die Aufbereitung eines Lesebefehls zur Übertragung über die Datenbahn benötigt zwei Ladevorgänge (Adresse und Operationscode), also 1,5 us netto und die Aufbereitung eines Schreibbefehls drei Ladevorgänge (Adresse, Data, Operationscode), also 2,5 us netto. Mit dem Laden des Operationscodes verlangt das GPCI automatisch Zugang zur Datenbahn, der von der Datenbahnsteuereinheit bevorzugt, in der Regel spätestens nach 30 ms, gewährt wird.

2.3 Datenbahnsteuereinheit Die Datenbahnsteuereinheit (Bild 15) besteht aus einem Baugruppenträger mit daran befestigtem Kartenaufnehmer, einer Klemmenanschlußplatte und einem Bedie-

Stein, Die Datenbahn des TDC 2000-Systems 26 bit shift register

Hiway

ransmit

Cable drivers

logic

Data buffer

R(1)

Receive logic

address (16 bits)

CE

data (16 bits)

Bit counter

65

Cable

Hiway

receiver

Crystal MHz

(Load)

Error checking

: INT. REOQ. : READY

Bus

control

control

logic

CLEAR

Bild 14. General-Purpose-Computer-Interface (GPCI) nungsfeld. Im Baugruppenträger befinden sich 2 Sätze (kalte Redundanz) von Steck-

karten. Jeder Satz besteht aus 3 Steckkarten: Spannungsregulierer, Kabelkoppler und Logik. Über 12 BNC-Buchsen am Kartenaufnehmer lassen sich drei Datenbahnzweige jeweils in redundanter Ausführung anschließen. Außerdem werden dort die Zugriffsleitungen der privilegierten Datenbahngeräte untergebracht. Jedes privilegierte Gerät ist mit drei Leitungspaaren direkt an die Datenbahnsteuereinheit

K.] SUR

Bild 15.

EL. ee

Datenbahnsteuereinheit

66

Stein, Die Datenbahn des TDC 2000-Systems

angeschlossen: einer Aufforderungs-, einer Gewährungs- und einer Umschaltlei-

tung. Insgesamt können 4 privilegierte Geräte an die Datenbahnsteuereinheit ange-

schlossen werden.

Die Datenbahnsteuereinheit führt 5 Funktionen aus: — Abbildung des Datenverkehrs eines Datenbahnzweiges auf die beiden anderen Zweige (Verzögerung: 4 bis 5 us) bei gleichzeitiger Verstärkung der ankommende Signale; - Feststellung von Zugriffisanforderungen der privilegierten Datenbahngeräte (diese melden sich durch ein 10 mA Dauersignal über die Anforderungsleitung) und Erteilung des Zugriffsgewährungssignals (5 mA), —

Abfrage und Aufruf von Geräten niedriger Priorität (mindestens alle 10 ms);

—

Erkennen der aktiven und der stillen Datenbahn, sowie Umschaltung aufdie Reservedatenbahn bei Erhalt eines entsprechenden Befehls (ein 10 ms dauernder 10 mA Impuls über eine der Umschaltleitungen oder manuell über das Bedienungsfeld);

-

Sammelpunkt für Kabelerdung (Anschluß aller Abschirmungen der Koaxkabel

an Erde, mit einem Übergangswiderstand kleiner IQ).

Am Bedienungsfeld (Bild 16) wird angezeigt, welche Datenbahn aktiv und welche in Reserve ist, ob das Übertragungssystem zeitlich überlastet ist (das ist dann der

a 7 SELECT

ALARM

BACKUP RESET

ENABLE

-

ı

DISABLE 2 3

4

LITE 0 x”

Bild 16. Bedienungsfeld der Datenbahnsteuereinheit

Stein, Die Datenbahn des TDC

2000-Systems

67

Fall, wenn ein Abfragebefehl 30 ms nicht gesendet werden konnte) und welches privilegierte Gerät unter Umständen die Datenbahn blockiert. Das Personal kann über das Bedienungsfeld eine Datenbahnumschaltung manuell veranlassen oder einzelne privilegierte Datenbahngeräte (die z. B. wegen einer unendlichen Schleife infolge eines Programmfehlers die Datenbahn blockieren) vom Zugang zum Datenverkehr gezielt ausschließen. Da die maximale Entfernung zwischen Bedienungsfeld und Datenbahnsteuereinheit 60 m Kabellänge beträgt, wird vorausgesetzt, daß letztere in der zentralen Meßwarte untergebracht ist.

3

Übertragungsmerkmale

3.1 Bitformat Die große Bandbreite eines Koaxkabels ermöglicht die Verwendung von leicht handhabbaren Rechteckimpulsen. Zur Vermeidung von Leistungsverlusten durch Gleichstromkomponenten besteht ein Bit aufder Datenbahn immer aus einem positiven und einem negativen Impuls, die in einem konstanten Abstand aufeinander folgen (Bild. 17). Der Unterschied zwischen einer logischen »1« und einer logischen Volt

logisch „1”

+0.9V

l |

|

logisch „O“

|

| '

|

l

|

!

1

I pt

+0 Volt

-0.9V-

| |

I

tape) 4.

| |

|

|

———. 1bit

—

(ap sch ———

|

Bild 17. Bitformat

1 bit —

ı

»0« ergibt sich lediglich aus der Reihenfolge: bei einer »1« führt der positive, bei einer »0« der negative Impuls. Der Abstand der Impulse voneinander ist gleich der Impulsbreite. Wegen der erforderlichen Übertragungsrate von 250 kBaud wurde die Bitbreite auf ls

350000

7

festgelegt, d. h. eine Impulsdauer von jeweils I us. Alle Sender der Datenbahnkoppler (einschließlich GPCI) halten dieses Format

auf der mit einer Genauigkeit von 0,1 % ein, wobei der Scheitelwert eines Impulses

Senderseite 0,9 V, auf der Empfängerseite zwischen 0,25 V und 1,1 V liegen muß.

68

Stein, Die Datenbahn des TDC 2000-Systems

Die zulässige Verzerrung beträgt also etwa 1,1 V-0,9V 0,9 V

- 100% = 22,2%

und die zulässige Dämpfung ungefähr 0,9V 02V

20log

”

lldB

Ein Vergleich mit Bemerkung in Abschnitt 2 zeigt, daß zur vollständ igen Übertragung einer Bitfolge des angegebenen Formats eine Bandbreite von 2 MHz ausreicht. Beim Empfang einer Bitfolge wird der Empfänger zunächst feststellen, ob die ankommenden Signale gültig sind. Kann ein Signal nicht als ein Bit anerkann t werden, wird eine Fehlübertragung angenommen und das Bit abgelehnt. 3.2 Wortformat Alle Nachrichten über die Datenbahn bestehen aus 31-Bit-Worten, unabhängig vom Inhalt der Nachricht (Bild 18). Wegen der vorangegangenen Überprü fung der Bitformate kann der Empfänger feststellen, ob das übertragene Wort 31 gültige Bits enthält. Ist das nicht der Fall, wird ein Übertragungsfehler angenommen und das Wort abgelehnt. I Abfrage mu

htm

2

3456789

[ılı

m

oloooo

10_ 11 oo

oo

12

13

14

15

ooo

oo

16

17 _18_19 20

21 22

23

oo

Oo

oo

oo

Vo

24

25 26 09V

B

9

27

28

28 30 BCH

e

n| um f|

Aufruf

Ir

0 0oloo

0000|

l

s W| >

Lesebefehl

ı11ı171

Datenbahnadresse des Senders

11011

des Senders

t

ee

OO

Datenbahnadresse des Empfängers

Oo OOo OO

0 00

BCH

Speicherplatzadresse des Empfängers

BCH

Speicherplatzadresse

BCH

e Schreib-

befehi D|

al

e n w| o| r t | e

Daten/Echo/ -

Endeeines lockes

Datenblock (ausgenomnen EOB)

Besetzt

|1

jo 0

Datenbahnadresse

ı

[101

1j000

D.

Operations Code

Bild 18.

Wortformat

des Empfängers

bahnad

na 8588

Daten oder Echo

Datenbahnad atenbahnadresse des Senders

Datenbahnadresse

des Senders

nicht benutzt | ' |o 1 0 [ Batenbahnadresse rn

Datenbahnadresse

des Empfängers

Daten

°

hne Bedeutun

nicht definiert

BCH BCH

°

BCH

BCH

31

Stein, Die Datenbahn des TDC 2000-Systems

69

Bit Nr. 1 ist immer eine logische »1«, die damit den Wortanfang kennzeichnet und für Synchronisierung sorgt. Es folgt ein Operationscode, bestehend aus 3 Bits, der das Wort als Befehls- bzw. Datenwort markiert. Für die Identifizierung des Senders werden 6 Bits benötigt, womit 64 verschiedene Datenbahnadressen möglich sind. Damit können bis zu 62 Signalverarbeitungsgeräte angeschlossen und adressiert werden, wie es in der Aufgabenstellung hieß. Informationsverarbeitungsgeräte brauchen keine Adressen, weil sie über ihren direkten Anschluß zur Datenbahnsteuereinheit die Datenbahn monopolisieren und untereinander nicht kommunizieren. Der Senderadresse (»Quellenadresse«) folgt bei Datenworten die eigentliche 16 Bit lange Nutzinformation, bei Befehlsworten die 6-Bit-Adresse des Empfängers (»Zieladresse«) und eine 10 Bit lange Adresse des angesprochenen Speicherplatzes in der Datei des Empfängers (maximale Länge einer Datei: 512). Die letzten 5 Bits dienen als BCH-Fehlererkennungscode, um Bit-Inversionen erkennen zu können (Bit-Löschungen werden bereits bei der Überprüfung des Bitformats entdeckt). Sowohl die Generierung als auch die Entschlüsselung des 124 us (& 31 Bits) langen Wortes wird von den Datenbahnkopplern erledigt. 3.3 Kommunikationsprozedur Erst wenn die Datenbahnsteuereinheit einem Gerät die Benutzung der Datenbahn gestattet hat, darfes Übertragungstransaktionen durchführen (Bild 19). Eine Transaktion beginnt mit Senden eines Lesebefehls, oder eines Schreibbefehls mit anschlie! HTD

Sender

Aufruf

un

1

.......

=

2

Aufruf

22.202200

Lesebefehl

V—

Deere.

Schreibbefehl

Yun

Datenwort

I

.

Empfänger 4 : -: ::

| >:

Pr

Datenwort

Echowort

= | > 4 0 2000

m]

}

124 usec

124 »sec

N‘ Verzögerung

| 124 usec

an Verzögerung

BE

124 usec

124 usec

Be Verzögerung

80 usec

Bild 19. Kommunikationsprozedur

Bendem Datenwort. Bei einer Lesetransaktion wird der Empfänger (Bild 20) das gewünschte Datenwort zurücksenden. Bei einer Schreibtransaktion wird das ankommende Datenwort in der Datei des Empfängers gespeichert und zur Kontrolle von ihm wieder gelesen und als Echo zurückgesendet. Blockübertragungen sind bei TDC 2000 im laufenden Betrieb (on-line) nur zwischen Prozeßrechner und aktiven Datenbahngeräten (d. h. Prozeßkoppeleinheiten) möglich. Als Echo wird in diesem

Fall nur das letzte Datenwort zurückgesandt.

70

Stein, Die Datenbahn des TDC 2000-Systems Senden

a

Tr

III

Parallel — seriell um

Seriell —

parallel

[I1}

Empfangen falsch

Schalte auf Empfang Adresse?

Ende

richtig

CEnde)

IntegritätsKontrolle

sn Decodierung

B

Speichem

Data DMA Schreiben

L l DMA Lesen

|

Generiere Sicherheitscode

|

Starte

Sendung

L_

Bild 20. Wirkungsweise eines Datenbahnkopplers

Die Antwort des Empfängers dient als Bestätigung für die ordnungsgemäße Durchführung des Befehls. Dieser wird nicht ausgeführt, wenn seine Übertragung, oder die des anschließenden Datenwortes bei Schreibbefehlen, fehlerhaft war. Un-

terbleibt eine Antwort oder ist sie fehlerhaft, muß der Befehlserteiler einen Über-

tragungsfehler annehmen und einen zweiten Versuch unternehmen. Die hierfür erforderlichen Wartezeiten ergeben sich aus der Reaktionszeit des Adressaten sowie den Übertragungsverzögerungen. Jedenfalls muß ein zweiter Versuch oder der Beginn der nächsten Transaktion so zeitig erfolgen, daß die Datenbahnsteuereinheit nicht zu der Annahme verleitet wird, daß der Verkehr beendet ist. Dies ist der Fall,

wenn sie feststellt, daß der Verkehr seit 80 us ruht. In diesem Fall wird sie einem anderen Gerät das Wort erteilen. Wenn mehrere Versuche fehlschlagen, wird das beteiligte Informationsverarbeitungsgerät eine Umschaltung auf die Reservedatenbahn veranlassen. Die Belegung der Datenbahn durch zwei Kommunikationspartner sollte in der Regel nicht länger

Stein, Die Datenbahn des TDC

2000-Systems

71

als 8,7 ms, unter keinen Umständen jedoch länger als 29,3 ms dauern, worauf man insbesondere bei der Programmierung von Prozeßrechnern zu achten hat. Dies bedeutet, daß man bei der Übertragung mehrerer Telegramme diese in »Pakete«teilen soll. Diese zeitliche Spreizung stellt sicher, daß andere Teilnehmer in relativ kurzen Zeitabständen auch zu Wort kommen, und daß die spontane Meldung von Alarmen nicht behindert wird. 3.4 Prioritäten und Steuerung des Datenverkehrs Die höchste Priorität genießen die privilegierten Datenbahngeräte. Die Rangordzur nung untereinander wird durch die Anschlußnummer ihrer Zugriffsleitungen Daaktive gehören lasse Datenbahnsteuereinheit bestimmt. Zur zweiten Prioritätsk tenbahngeräte, die sich bereits zu Wort gemeldet haben und sich bei der Datenbahnso höher steuereinheit vormerken ließen. Je niedriger ihre Datenbahnadresse, um

ihre Priorität. Die dritte Priorität hat die Datenbahnsteuereinheit mit ihrem Abfragebefehl. 3.4.1 Abfragebefehl Wenn keine höheren Prioritäten zu berücksichtigen sind, sende die Datenbahnsteu5 bis 31. ereinheit einen Abfragebefehl an alle Datenbahngeräte mit den Adressen zweider Datenbahngeräten von Diese Abfrage dient zur Erstellung einer Warteliste

wurde also festgelegt, daß Prozeßkoppeleinheiten nur

ten Prioritätsklasse. Damit

wenn Adressen zwischen 5 und 31 haben dürfen. Die Abfrage wird durchgeführt,

der letzte Datenverkehr seit 600 us ruht, bzw. alle 10 ms, wenn kein Datenverkehr von ProzeBstattfindet. Damit soll sichergestellt werden, daß Alarmzustände, die einem Proms 10 mindestens von Zyklus im wurden, koppeleinheiten festgestellt

zeßrechner mitgeteilt werden können. Aktive Datenbahngeräte, die für diesen Zweck Zugriffzur Datenbahn wünschen, melden sich innerhalb von vorbestimmten 21). Die Zeitfenstern (Fensterbreite = 8 us) mit einem | us langen Impuls (Bild Legende:

ZW = Zeit einer Wortlänge

HTD a

HTD & Datenbahnsteuereinheit

31 Zeitintervalle mit je 8 us = 248

IA |

Empfänger

1.

L ZW,

ZW,

Jh

l ZW;

us

|

l ZW,

l ZW,

Bild 21. Abfrage (»Polling«)

mit Nummer des für einen Antwortimpuls zu benutzenden Zeitfensters ist identisch htiberücksic eiten Fensterbr Die Gerätes. nden der Datenbahnadresse des antworte eines Gegen mögliche Übertragungsverzögerungen, da die physische Entfernung steht. rätes entlang der Datenbahn in keiner Beziehung zu seiner Datenbahnadresse n, stattfinde Abfrage keine ms 30 für Kann infolge einer Überlastung der Datenbahn Alarm. ihrerseits meldet die Datenbahnsteuereinheit

12

Stein, Die Datenbahn des TDC 2000-Systems

3.4.2 Aufrufbefehl Wenn keine höheren Prioritäten zu berücksichtigen sind, erteilt die Datenbahnsteu-

ereinheit einem aktiven Datenbahngerät, das sich vormerken ließ, das Wort, sobald

der laufende Datenverkehr seit 80 us ruht. Die Reihenfolge der Worterteilung richtet sich nach der Datenbahnadresse des Gerätes. 3.4.3

Vorgezogene Geräte

Meldet sich ein privilegiertes Datenbahngerät über seine Anforderungs leitung zu Wort, so wird ihm der Zugang zur Datenbahn gewährt, sobald der laufend e Datenverkehr seit 80 us ruht und keine höhere Priorität vorliegt. 3.5 Übertragungszeiten und Informationsdichte Bei einer fehlerfreien Übertragung setzt sich die Zeit für die Übertragung einer Variablen aus der Anzahl und Länge der beteiligten Worte, aus den Reaktionszeiten der beteiligten Geräte und aus Übertragungsverzögerungen zusammen. Letztere hängen vom physischen Anschlußort der beteiligten Teilnehmer ab. Eine Abbildungsverzögerung tritt nur auf, wenn die Kommunikationspartner an unterschi edlichen Datenbahnzweigen angeschlossen sind. Die Kabelverzögerung richtet sich nach der Kabelentfernung der beteiligten Kommunikationspartner. Im ungünstig sten Fall ist diese 2 : 1500 m = 3000 m in jeder Richtung. Unter Zugrundelegung der bei TDC 2000 spezifizierten Phasengeschwindigkeit v=0,78 c = 234 000 km/s beträgt die Kabelverzögerung etwa 6,5 us pro 1500 m.

Da passive Datenbahngeräte nur Einzelwort-Transaktionen zulassen, sind diese für die Beurteilung der effektiven Übertragungskapazität maßgebend. Aus den bisher gemachten Angaben läßt sich die Zeit ermitteln, die für die Durchführung einer Lese- bzw. Schreibtransaktion unter den günstigsten und ungünstigsten Bedingun gen beansprucht wird: Lesetransaktion Lesebefehl 1500 m Kabel

Abbildung 1500 m Kabel

Reaktionszeit Datenwort 1500 m Kabel

min. 124

max. 124

0

6,5

0 0

5 124 0

5 6,5

10 124 6,5

Abbildung 1500 m Kabel

0 0

5 6,50

Dauer 7

253

294

Schreibtransaktion Schreibbefehl Datenwort 1500 m Kabel

Abbildung 1500 m Kabel

Reaktionszeit Echowort 1500 m Kabel

min. 124 124 0

0 0

max. 124 124 6,5

5 6,5

Abbildung 1500 m Kabel

5 124 0

0 0

10 124 6,5

Dauer 7s

377

418

5 6,5

Stein, Die Datenbahn des TDC 2000-Systems

73

Bei der Durchführung mehrerer Transaktionen in einem Paket benötigen die Geräte eine zusätzliche Zeit w für die Vorbereitung der jeweils nächsten Transaktion. Zur Übertragungszeit eines Paketes muß die seit Beendigung des letzten Datenverkehrs eingetretene Verzögerung hinzugerechnet werden. Da bei TDC 2000 nur Prozeßkoppeleinheiten aktive Datenbahngeräte sind, sich nur für die Meldung von Alarmfällen an Prozeßrechner zu Wort melden und dabei Blockübertragungen und nicht Einzelwort-Transaktionen vornehmen, ist die Angabe ihrer Werte für die Berechnung der erzielbaren Informationsdichte uninteressant. Damit spielt die Länge des Aufrufbefehls keine Rolle, und die Gewährungsverzögerung setzt sich zusammen aus einer 80 us langen Pause und, je nach Kabellänge, einer Ausbreitungsverzögerung des Gewährungssignals entlang der Gewährungsleitung. Damit dauert die Übertragung eines Paketes von n Transaktionen: Ir)an-r

Tuntr-D°W

Tran

Tny tn -D°W +86,5 us

+80 us

Die zulässige Paketlänge hängt davon ab, ın welchem Zyklus spontane Alarmmeldungen übertragen werden sollen. Allgemein kann gesagt werden, daß spontane Alarmmeldungen zwar für eine schnelle Alarmierung sorgen, gleichzeitig aber die erzielbare Informationsdichte herabsetzen. Geht man von einem

10-ms-Abfrage-

zyklus aus, muß die Abfragedauer von der zur Verfügung stehenden Zeit abgezogen werden:

Abfrageverzögerung: = Abfragebefehl: = 31 Antwortfenster: =

600 us 124 us 248 us 972 us aus 10 ms.

Damit wird die zulässige Paketlänge innerhalb einer 10-ms-Periode bei einer fehlerfreien Übertragung von Einzelwort-Transaktionen und bei angenommenen W= 24 us errechenbar zu:

Lesen

Schreiben

“L)nin=28/10ms

ni(L) max = 32/10 ms

n(S)

n(S)nax = 22/10 ms

min

=20/ 10 ms

Wie erwartet, zeigen diese Zahlen eine Abhängigkeit der erzielbaren Informationsdichte von den implementierten Entfernungen im Übertragungssystem. Bei einer gleichmäßigen Verteilung der Datenbahngeräte entlang der Datenbahn wird n(L)=

3000 Transaktionen

Sekunde

4

und

2100 Transaktionen

n(ö)=

Sekunde

Da eine Transaktion lediglich eine 16-Bit-lange Nutzinformation enthält, bedeutet dies einen Wirkungsgrad von

3000 - 16 Bits/s 250000 Bits/s

100%=19,2%beiLesetransaktionen.

74

Stein, Die Datenbahn des TDC 2000-Systems

Der Wirkungsgrad kann erhöht werden, wenn man auf den 10 ms Abfragezyklus verzichtet oder wenn die Vorbereitungszeit W kleiner als 24 us gemacht wird. Die Herabsetzung der Abfragehäufigkeit sollte allerdings nur gestattet sein, wenn man annehmen darf, daß Alarmfälle überwiegend durch den regelmäßigen Datenverkehr und nur vereinzelt durch eine spontane Übertragung festgestellt werden. 3.6 Übertragungszuverlässigkeit Bei der Nachrichtenübertragung kommt es nicht nur auf die erzielbare Informationsdichte, sondern auch auf die Zuverlässigkeit der übertragenen Informationen an. Schleichen sich infolge von Störeinflüssen (z. B. elektromagnetischer Induktion) unerkannte Fehler ein, so wird die Betriebssicherheit der Anlage gefährdet. Der Gefährdungsgrad hängt davon ab, ob die falsch übermittelte Information zwecks Anzeige entnommen wurde, oder ob sie in einer Funktionskette eingepflanzt werden soll. Im letzteren Fall handelt essich um Anweisungen wie Änderung des Sollwertes, der Betriebsart, der Stellgröße, der Regelparameter und dergleichen, die also, in der TDC 2000-Terminologie, »geschrieben« werden. Maßnahmen zur Erhöhung der Übertragungszuverlässigkeit und damit zur Erhöhung der Betriebssicherheit setzen die Erkennung von Übertragungsfehlern voraus, wobei der hierfür vertretbare Aufwand vom Grad der Gefährdung abhängt. Erst wenn eine zuverlässige Fehlererkennung sichergestellt ist, sind Angaben über die Systemverfügbarkeit aussagefähig, weil erkannte Übertragungsfehler zur Herabsetzung der effektiven Informationsdichte bzw. des Wirkungsgrades führen, wohingegen unerkannte Fehler ein angeblich »verfügbares« System unzuverlässig und damit unbrauchbar machen. Die Überprüfung auf Fehlerfreiheit geschieht bei TDC 2000 in 6 Stufen: —

-

-

Bit-Prüfung: Jedes ankommende Bit wird vom Empfänger auf das Vorhandensein eines positiven und eines negativen Impulses überprüft. Fehlt eine gültige Impulskombination, wird das Bit abgelehnt. Alle Störungen, mit Ausnahme der beiderseitigen Impulsinversion, werden erkannt. Wortlänge: Jedes ankommende Wort wird vom Empfänger auf das Vorhandensein von 31 gültigen Bits überprüft. Fehlt ein Bit, wird das Wort abgelehnt. Alle Störungen, mit Ausnahme von Bitinversionen, werden erkannt. Referenzbit: Bit Nr. | eines jeden ankommenden Wortes wird vom Empfänger auf das Vorhandensein einer logischen »1« überprüft. Enthält Bit Nr. 1 eine logische »0«, wird das Wort abgelehnt. BCH-Code: Jedes Wort enthält einen 5 Bit langen Fehlererkennungscode, der vom Sender generiert und invertiert, und vom Empfänger durch Wiedergenerierung überprüft wird. Stimmt die Neugenerierung mit dem ankommenden Code nicht überein, wird der Empfang des Wortes abgelehnt. Echo: Der Empfänger gibt als Bestätigung für den richtigen Erhalt aller Worte eine Nachricht an den Sender zurück. Fehlt ein gültiges Echo, oder ist es inhaltlich fehlerhaft, so ist die ursprüngliche Nachricht nicht ordnungsgemäß angekommen.

Stein, Die Datenbahn des TDC 2000-Systems

75

3.6.1 BCH-Fehlererkennungscode Der 31/26 Bose-Chaudhuri-Hocquenghem Fehlererkennungscode enthält 5 Bits in einem 31 Bit langen Wort. Die Codierung erfolgt auf der Senderseite durch das Dividieren der zu übertragenden 26 Bit langen binären Zahl 25

hx)=2

i=0

ax

(wobei x=2

und a; = 0 oder 1) durch einen Generatorpolynom der Form

ex)=1+xX2+%x mittels einfacher Schieberegister (Bild 22). Gleichzeitig mit der Codierung werden die ersten 26 Bits ausgesendet. Am Ende des Vorgangs enthält das Schieberegister

I

Bit 26

u

Bit 25

Bit 2

Bit 1

zur Datenbahn

DATA Sende 26 Bits

-(£ |

Bit

+

31

Bit 30

Bit

29

Bit | | 28

Bit 27

|,

Sende Bits 27 bis 31

Bild 22.

BCH-Generator

den gewünschten Code, der nun invertiert und als Bits 27 bis 31 gesendet wird. Beim Empfänger wandern die ersten 26 Bits durch ein identisches Schieberegister und erzeugen dort eine Bitfolge, die bei einer fehlerfreien Übertragung den zurückinvertierten Bits 27 bis 31 entsprechen muß. Ein 31/26 BCH-Code hat folgende Eigenschaften: Alle Fehler von bis zu fünf Bits in der Folge werden erkannt; -

Alle Kombinationen von maximal zwei beliebigen Bit-Fehlern werden erkannt;

-

98,8% (&

-

98,4% (&

1- 2) aller Fehler von 6 Bits in der Folge werden erkannt;

1-2) aller Fehler von mehr als 6 Bits in der Folge werden erkannt.

3.6.2 Wahrscheinlichkeit von unerkannten Übertragungsfehlern Die Wahrscheinlichkeit eines unerkannten Übertragungsfehlers (P) hängt von der Wahrscheinlichkeit einer unzulässigen Bitinversion (p) und der Wahrscheinlichkeit, daß diese Inversion nicht erkannt wird (g), ab. Die Wahrscheinlichkeit einer zufäl-

76

Stein, Die Datenbahn des TDC 2000-Systems

ligen Bitinversion ist bei TDC

2000 relativ gering, weil eine einfache Impulslö-

schung, Impulsaddition oder Impulsverzerrung das Bit löscht, aber nicht invertiert.

Eine Bitinversion findet nur statt, wenn beide Impulse eines Bits (im ersten und dritten Quadranten) invertiert werden. Bei einer Impulsfehlerrate von r ist die Wahrscheinlichkeit 3 einer Bitinversion

p=r und die einer Bitlöschung z = 4r

Da alle einfachen und zweifachen Bitinversionen eines 31-Bit-langen Wortes vom BCH-Code erkannt und die Wahrscheinlichkeit, daß drei oder mehr Inversionen

nicht erkannt werden,

q= 2”

ist, wird die Wahrscheinlichkeit der unerkannten Fehlübertragung eines Wortes 4) zu p
I

=

1,6

’

1 Wa

D;

In—

Außen-

Als Dielektrikum wird Polyäthylen-Schaum bevorzugt, der eine relative Dielektrizitätskonstante von e, = 1,5 hat. Bei Verwendung eines anderen Materials kann die gewünschte Dielektrizitätskonstante z. B. dadurch erreicht werden, daß es mit einem zweiten Dielektrikum umhüllt wird. In jedem Fall sollte das Kabel im Tem-

peraturbereich von -20 °C bis + 70 °C betriebsfähig sein.

4.2 Anschluß der Datenbahnkoppler Der Anschluß der verschiedenen Datenbahnkoppler an das Koax-Kabel geschieht mit T-Verbindungen (Bild 25), die jeweils einen Widerstand von etwa 1 2 einführen. Insgesamt dürfen pro Kabelzweig 28 derartige Anschlüsse vorgenommen werden, ohne die Dämpfung des Übertragungskanals dadurch wesentlich zu erhöhen. Am Ende eines jeden Kabelzweiges muß das Kabel mit 75 Q abgeschlossen werden. Vom Datenbahnkoppler her gesehen, stellt das Koax-Kabel eine Parallelschaltung von zwei 75-Q-Widerständen dar. Unter normalen Betriebsbedingungen wird pro Impuls eine momentane Leistung von (0,9 V)2 3750

=21,6mWindasKabelausgestrahlt.

Am Eingang zum Datenbahnkoppler befindet sich ein Transformator, der für eine galvanische Trennung vom Kabel sorgt. Auf der Kabelseite des Transformators be-

80

Stein, Die Datenbahn des TDC

2000-Systems

Ersatzschaltbild:

ZU

T-Verbinder

Bild 25. Anschluß eines Datenbahngerätes

findet sich eine Begrenzerschaltung, die kurzzeitigSpannungsspitzen infolge von ankommenden Störsignalen bei 90 Volt abfängt und abbaut. Die Isolation zwischen Primär- und Sekundärseite des Transformators kann einer Gleichtaktspannung von 2500 Volt (bei 60 Hz) ohne Schaden widerstehen und sorgt damit für einen gewissen Schutz der Datenbahn vor hohen Spannungen infolge von defekten Geräten. 4.3 Systemzuverlässigkeit und Verfügbarkeit Die Zuverlässigkeit des Datenübertragungssystems ist unter normalen Betriebsbedingungen sehr hoch: - Die Wahrscheinlichkeit eines unerkannten Übertragungsfehlers ist so gering, daß man bei einer ununterbrochenen Ausführung von 3000 Lesetransaktionen pro Sekunde und einer Impulsfehlerrate von r = 10°* lediglich mit

—

3000

3,15-107s

S

Jahr

-P(L)=9,45 - 1010 10-2! /Jahr,

also mit weniger als 10°! Fehlern pro Jahr rechnen muß. Alle erkannten Fehler, einschließlich Hardware-A usfälle, die Effektivität, nicht aber die Betriebssicherheit.

beeinträchtigen u.U.

Die Verfügbarkeit des Systems ist abhängig von der Hardwarezuverlässigkeit der beteiligten Komponenten, von vorhandenen Redundanzen, von der einfachen und schnellen Wartbarkeit und schließlich von Umgebungsbedingungen. Letztere Abhängigkeit ist typisch für räumlich verteilte Kommunikationssysteme, weswegen die Störanfälligkeit eine große Rolle spielt.

Stein, Die Datenbahn des TDC

2000-Systems

81

Da das Übertragungssystem in sehr kurzen Abständen auf seine Funktionstüchtigkeit automatisch von den Informationsverarbeitungsgeräten überprüft wird, wird eine Beeinträchtigung sofort erkannt und angezeigt. Dies gilt jedoch nicht für das redundante System, das erst bei seiner Einschaltung auf die Probe gestellt wird. In den Wartungsvorschriften wird deshalb empfohlen, eine manuelle Umschaltung auf das redundante System einmal täglich durchzuführen. Unten genannte Zahlen gehen von einer derartigen periodischen Überprüfung aus. Ausfälle der Datenbahnkoppler bleiben ohne Einfluß auf die Funktionstüchtigkeit des Übertragungssystems, weil sie rückkopplungsfrei an den Übertragungskanal angeschlossen sind. Dennoch ist ihre Ausfallrate für den Fall wichtig, daß sie durch einen Fehler in der Logik u.U. unaufgefordert die Datenbahn mit Sendungen belegen und damit die Kommunikation der übrigen Teilnehmer beeinträchtigen können. Genaue Angaben hierüber liegen nicht vor. Im ungünstigsten Fall liegt die Ausfallrate von »passiven« Datenbahnkopplern bei 1/60 000 Stunden, d. h. bei einem Ausfall in sieben Jahren (pro Gerät). Die Ausfallrate des GPCI liegt bei ca. 1/27 000 Stunden, d. h. bei einem Ausfall in drei Jahren. Fällt der Übertragungskanal durch einen defekten Connector oder ein defektes Kabel aus, ist das Übertragungssystem nicht in der Lage weiterzuarbeiten. Schließt man externe Einflüsse (wie Wasseraufnahme durch das Kabel, mechanische Zerstörung oder Erdschluß eines freigelegten Connectors) aus, dann beträgt die mittlere ausfallfreie Zeit des Übertragungskanals ohne Datenbahnkoppler und ohne Datenbahnsteuereinheit, aber mit 30 Connectoranschlüssen 6 ° 10*h bei einfachen Aus-

legungen und 4,5 ° 108h bei einem redundanten System, letzteres unter der Voraussetzung, daß die mittlere Reparaturzeit (MTTR) 4h beträgt. Die Datenbahnsteuereinheit ist von Haus aus redundant und hat bei einem MTTR

von 4h eine ausfallfreie Betriebsdauer von 4 ° 10°h (also im Schnitt einen

Ausfall in 45 Jahren, wobei 4 bis 5 Reparaturen im Jahr erforderlich sind). Zusammengenommen ist sowohl die Zuverlässigkeit als auch die Verfügbarkeit des Übertragungssystems unter normalen Betriebsbedingungen außerordentlich hoch, unter der Voraussetzung einer schnellen Wartung. Ist das System mit etwa 60 Datenbahngeräten voll ausgebaut, benötigt das Übertragungssystem annähernd 12 Wartungseinsätze im Jahr.

4.4 Störanfälligkeit Die Störanfälligkeit macht sich bemerkbar bei der Installation, bei der Wartung und durch externe Ereignisse. Installations- oder Wartungsfehler führen dazu, daß das System nicht störungsfrei in Betrieb gehen kann. Typische Fehler dieser Art sind: Nichteinhaltung der Erdungsvorschriften, z. B. durch Bloßlegung eines Connectors, der durch sein Metallgehäuse Erdschlüsse verursachen kann; Nichtanbringung von Abschlußwiderständen am Ende eines Kabels; Anbringung einer falschen Adresse an einem neuen oder umgetauschten Datenbahnkoppler. Sind diese Fehler jedoch einmal behoben, arbeitet das System mit den angegebenen MTBFs. Zu den externen Ereignissen, die das System empfindlich beeinträchtigen können, gehören Störsignale und z. B. Blitzeinschlag. Störsignale, die auf dem Weg der

82

Stein, Die Datenbahn des TDC

2000-Systems

kapazitiven oder induktiven Kopplung eingeschleppt Herabsetzung der effektiven Informationsdichte, wobei 10°* liegt (Bild 26). Bei einer Impulsfehlerrate von r= mationsübertragung mehr statt, weil das System unter

werden, verursachen eine die kritische Grenze bei r= 4 . 10°3 findet keine Inforder Last der Störungen zu-

Transaktionen pro Sekunde Lesevorgänge

3000

Schreibvorgänge 2000 -

1000 -

0

1 10°5

10%

Bild 26.

r 10°

10°

10°?

r

Informationsdichte

sammenbricht. Bezieht man eine geplante Informationsdichte in Verfügbarkeitsbetrachtungen mit ein, dann kann die Verfügbarkeit des Systems durch Störungen verschlechtert werden, auch wenn alle Hardware-Komponenten »verfügbar« sind. All-

gemein gilt 8):

HL) gestöon=n(L) n(S) gestört

(1 -248r)

=n($):(1-372r)

wobei n(L) die ungestörte Informationsdichte von Lesetransaktionen und n(S) die der Schreibtransaktionen ist. Ein von einem in der Nähe einschlagenden Blitz getroffenes Kabel wird relativ hohe Leistungen transportieren und angeschlossene Datenbahnkoppler bzw. die Datenbahnsteuereinheit dadurch zerstören können. Einen effektiven Schutz gegen derartige Zerstörungen gibt es nur in dem Maße, wie eine sorgfältige (und recht aufwendige) Abschirmung der Kabel in einem mehrschichtigen Faraday-Käfig erfolgt, wobei besondere Erdungsvorschriften zu beachten sind. 8)

Bemerkung: Bei einer Impulsfehlerrate r ist die Wahrscheinlichkeit einer Bitzerstör ung z=4r. Die Wahrscheinlichkeit eines defekten 31-Bit-Wortes ist dann

I-(1-z)P1 2 31z

die Wahrscheinlichkeit einer defekten (nicht ausführbaren) Lesetransaktion

1-(1-31 2% = 62 2=248r

und die Wahrscheinlichkeit einer defekten (nicht ausführbaren) Schreibtransaktion

1-(1-31 2)? = 93 2=372r

Stein, Die Datenbahn des TDC 2000-Systems 5

83

Implementierung

Die Planung des Datenbahnsystems von TDC 2000 ist, auch hinsichtlich späterer

Erweiterungen, denkbar einfach. Die Anzahl der anzuschließenden Geräte be-

stimmt die Anzahl der erforderlichen T-Verbindungsstücke, die maximalen Entferals nungen bestimmen die Kabellängen. Wenn die maximale Entfernung kleiner werbenutzt sbelag Dämpfung größeren einem mit Kabel auch 1500 m ist, dürfen die den, womit der Kabeldurchmesser verringert werden kann. Dies erleichtert jederkönnen Es sind. biegsamer Montage, weil Kabel mit geringerem Durchmesser zeit Geräte hinzugefügt werden (Trennung des Kabels durch zusätzliche T-Stecker oder Hinzufügung weiterer Kabelstücke am Zweigende bei gleichzeitiger Verlegung heit des Abschlußwiderstandes) oder abgetrennt werden. Die Datenbahnsteuerein ihre für noch Geräte, ssenen interessiert sich weder für die Anzahl der angeschlo eimit er hlußsteck Kabelansc ihre daß nur, ist Wichtig Adressen oder Entfernung. gute eine daß werden, verbunden nd widersta Abschluß einem mit oder nem Kabel Bezugserde (kleiner 5Q) geplant ist und daß alle Datenbahnkoppler durch Kurzgesamten schlußbrücken mit Adressen versehen werden, die jeweils nur einmal im System vorkommen dürfen. Obwohl unter normalen Bedingungen die im Kabel gespeicherte Energie sehr

klein ist (weniger als 67 ° 10°? Joule je 1500-Meter-Kabel), müssen die Kabel bei

ihrer Verlegung in explosionsgefährdeten Gebieten wie Netzleitungen behandelt nwerden, weil die galvanische Trennung durch Transformatoren in den Datenbah Gegeneine Fehlerfall im könnte so tet: gewährleis erheit Eigensich keine kopplern takt-Wechselspannung von 90 V in das Kabel gelangen und eine momentane Spitzenleistung von etwa 108 W einstreuen. Bei der Montage sollten die typischen Fehler vermieden werden (siehe Abschnitt 4.4.). Sind redundante Kabel vorgesehen, so sollten sie voneinander getrennt in unterschiedlichen Kabelschächten untergebracht werden. Besondere Sorgfalt ist dem MinSchutz gegen Störsignale zu widmen. Als Faustregel gilt die Einhaltung eines mten abgeschir besonders zu m/kV 0,3 von offenen, zu m/kV 15 von destabstandes Netzleitungen. Die Beschaffungskosten des Übertragungssystems bewegen sich zwischen 20.000,- DM

und 400.000,- DM je nach Anzahl der angeschlossenen Geräte. Die

daß Kabellängen hingegen spielen preislich eine untergeordnete Rolle, es sei denn, man bei der Montage einen zusätzlichen Aufwand für Schutz gegen externe Störundie gen bzw. Blitzeinschlag betreiben muß. Obengenannte Zahlen berücksichtigen selbst. Geräte ssenen angeschlo der Preis den Datenbahnkoppler, aber nicht Weltweit hat Honeywell im Rahmen von TDC

2000 über 250 Übertragungssy-

steme geliefert, vorwiegend für die verfahrenstechnische Industrie.

84 6

[l] [2] [3] [4] [>] [6] [7]

[8] [9] [10]

Stein, Die Datenbahn des TDC 2000-Systems Schrifttum Honeywell: TDC 2000 Spezifikationsblätter.

Holler, E./Nehmer, J.: Verteilte DV-Systeme (KfK-Ext. 13/78- l) Kernforschungszentrum Karlsruhe, 1978. Funk, G. : Comparison of Data Reliability and Efficiency in Various Standard Protocols, Brown Boveri & Co., Baden. Funk, G. : Standard Reliability Requirements for Data Transmission, Brown Boveri &

Co., Baden,

1977.

Gaushell, D.J. : Error Control in Digital Transmission, Control Engineering. Schneeweiss, W.: Zuverlässigkeitstheorie, Springer-Verlag. 1973. Zinke, O.: Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, Springer-Verlag,

1965.

Zinke/Brunswig: Lehrbuch der Hochfrequenztechnik, Springer-Verlag, 1965. Küpfmüller, K.: Einführung in die theoretische Elektrotechnik, Springer-Verlag, 1965. Sımonyi, K.: Theoretische Elektrotechnik, Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1956.

Hofmann, E., Der Prozeßbus CS 275 der Siemens AG

85

Der Prozeßbus CS 275 im neuen Automatisierungssystem TELEPERMM

der Siemens AG *)

Dipl.-Ing. Eduard Hofmann, Siemens AG, Karlsruhe 1

Einleitung

Die modernen Prozeßautomatisierungssysteme sind - im Gegensatz zu den konventionellen Systemen - funktionell und räumlich verteilte Systeme. Bei einer konventionell instrumentierten Anlage sind in der Prozeßwarte und deren Nebenräumen eine große Anzahl von Reglern und Steuerungsgeräten und die Prozeßrechner konzentriert. Die Verbindung zu den Meß- und Stelleinrichtungen im Prozeß wird über eine große Anzahl von Leitungen hergestellt. Weitere zahllose Verbindungen sind zwischen den Automatisierungsgeräten im Wartenbereich erforderlich. Eines der wesentlichen Ziele der Entwicklung von dezentral strukturierten Automatisierungssystemen ist die Überwindung dieses Verkabelungsaufwandes. Die Möglichkeit zur Realisierung wurde durch die Mikroelektronik gegeben, die es erlaubt, kleine Einheiten mit großer Verarbeitungskapazität preisgünstig zu bauen. Diese können überwachen, regeln, steuern in ein- und demselben Gerät. Sie werden in der Nähe eines zu automatisierenden Teilprozesses (funktionelle und räumliche Dezentralisierung) oder zentral im Wartenbereich (funktionelle Dezentralisierung)

angeordnet. Das Bedienen und Beobachten des Prozesses wird aus wirtschaftlichen Gründen weiterhin zentral erfolgen. Ein modernes dezentralisiertes Automatisierungssystem benötigt deshalb eine zentral angeordnete Bedien- und Beobachtungstechnik. Die Teilsysteme müssen untereinander und mit den Bedien- und Beverobachtungssystemen Daten austauschen. Sobald die Anzahl der miteinander zu jeh, wirtschaftlic mehr nicht es ist wird, 4 oder 3 als bindenden Teilnehmer größer richragungsein Datenübert eigene eine über Teilsystem jedem mit des Teilsystem tung zu verbinden. Man verwendet Bussysteme; jedes Teilsystem ist ein Teilnehmer an diesem Bus. 2

Das Automatisierungssystem TELEPERM

M

Die Anforderungen an ein Prozeßbussystem werden entscheidend von der Aufgabenverteilung in einem dezentralen Automatisierungssystem bestimmt. Es wird deshalb im folgenden zuerst ein kurzer Überblick über das System TELEPERM M gegeben. Ausführliche Darstellung siehe Schrifttum [1] bis [7Joder [8]. Das Auto*)

Dieser Bericht veröffentlicht Ergebnisse aus einem mit Mitteln des Bundesministers für Forschung und Technologie geförderten Forschungsvorhaben des Projekts ProzeßBlenkung mit DV-Anlagen (PDV) im Rahmen des 3. DV-Programms der Bundesregierung. Die Verantwortung für den Inhalt liegt ausschließlich bei den Aütoren bzw. beim geförderten Unternehmen.

86

Hofmann, E., Der Prozeßbus CS 275 der Siemens AG

matisierungssystem TELEPERMM reiche (Bild 1):

besteht aus Subsystemen für die Aufgabenbe-

Bedienen, Melden. Protokollieren

Wartung, Diagnose

Prozeßrechner

|

Da

y

Schnittstelle,

y

|

v

L

|

Prozeß

Regeln. Steuem

|

Überwachen. Vorverarbeiten,

Automatisierungssysterne Diagnosesystem Systeme für die Prozeßbeobachrung und -bedienung

Bild 1. -—

—

TELEPERM

CS (Ex)i

m.

Regel- und Steversysteme. Bedienungselemente

Melden

AS MS OS

Datenübertragung

paralel und send

Prozeßrechner

Koppeln

_Koppelsysteme Mukti in explosionsgesch plexeützter r Ausführung

M, Systemübersicht

Prozeßkopplung, Überwachen, Regeln, Steuern, Melden, Protokollieren

Diese Aufgaben werden von den Automatisierungssystemen (AS) ausgeführt . Automatisierungssysteme gibt es abgestuft in Leistung und Ausbaufähigkeit (AS 210, AS 220, AS 230, AS 231).

Bedienen, Beobachten

Die Bedienungssysteme (OS 250, OS 251 ‚OS 252, OS 253) benutzen zur Anzeige von Prozeßinformation Schwarz/Weiß- und Farbsichtgeräte, zum Bedienen Tastaturen und Lichtgriffel. Sie sind vorzugsweise in einer zentralen Warte angeordnet und über den Prozeßbus mit den Automatisierungssystemen (AS) und dem technischen Prozeß verbunden.

-

Strukturieren, Parametrieren

-

Koppeln

Mit dem Bedienungssystem OS 255 werden die Automatisierungssysteme (AS) an die zu lösende Aufgabe angepaßt. Dabei werden die Automatisierungssysteme mit Strukturdaten und Parametern geladen.

Konventionelle Regel- und Steuerungssysteme können über das Koppelsystem CS 270 mit einer TELEPERM M-Anlage verbunden werden. Diese Fähigkeit des Systems wird beispielsweise genutzt, um in einem mit konventionellen Au-

Hofmann, E., Der Prozeßbus CS 275 der Siemens AG

87

tomatisierungseinrichtungen ausgerüsteten Prozeß zusätzliche Aufgaben mit dem neuen Automatisierungssystem TELEPERM M zu lösen. Für die Kopplung mit weit entfernt aufgestellten Prozeßrechnern dient das Subsystem CS 271. Systemüberwachung Für die Überprüfung der Funktionsfähigkeit, für Fehlererkennungs- und Wartungsaufgaben ist das Subsystem MS 280 vorgesehen. Kommunikation

Alle diese Subsysteme tauschen in einer Automatisierungsanlage untereinander Informationen aus. Dazu dient das Bussystem CS 275. Auch Prozeßrechner können wie ein Subsystem an den Bus angeschlossen werden.

Tabelle 1. Funktionsbausteine des Automatisierungssystems AS 220 Bausteine für analoge und digitale Verarbeitung

Bedienbare Bausteine

für Verarbeitung und Beobachtung

Meßgrößenüberwachung Reglerbaustein Verhältnisbaustein Bedienbaustein Ausgabe Binärwert Untergruppensteuerung Einzelsteuerung Steuerkopf Umschaltung Trendbaustein Fensterbaustein

Analogeingabe Analogkopplung Analogausgabe Einzelregler Zweikanalregler Analoggeberanschluß Summierer Integrierer Differenzierer Multiplizierer Dividierer Radizierer Logarithmierer Exponentialfunktion Minimalwertauswahl Maximalwertauswahl Verzögerungsglied Absolutwertbildung Analogwertschalter Totband Totzeitglied Polygonbaustein Grenzwertmelder

Bausteine für

Bausteine für

Sichtgeräte, Drucker und Dienstfunktionen

binäre Verarbeitung

Binäreingabe Binäre Kopplung Binärausgabe Binärauswahl Einzelsteuerung Einzelsteuerung (zweisystemig) Binärgeberüberwachung UND ODER Negation Merker Zeitzähler STEPM Kettenanfang Kettenende Kettenschritt Kettenbaustein Kettenverzweigung Mehrfachprogramm-Anfang Mehrfachprogramm-Ende Hilfsölautomatik Umschaltung (Aggregate) Unterspannungsschutz

Numerische Ausgabe Zeichenausgabe Meldungsausgabe BearbeitungsblockAnfang Speichertest

2.1 Die Automatisierungssysteme (AS) Ein Automatisierungssystem (AS) ist ein autark arbeitendes Subsystem für die Aufgaben Überwachen,

Regeln, Steuern, Verknüpfen,

Melden. Es wird als Einzelsy-

stem eingesetzt oder arbeitet im Verbund mit Bedienungssystemen und weiteren Automatisierungssystemen (AS). Aufbau und Funktionen werden am Beispiel des Automatisierungssystems AS 220 beschrieben [2]. In Bild 2 ist die Struktur der Hardware, in Bild 3 der konstruktive Aufbau dargestellt. Das Gerät besteht aus einem Zentralprozessor, Speicherbaugruppen, Prozeßeingabe- und -ausgabebaugrup-

pen, Anschaltungen

für Vor-Ort-Bediengeräte,

für den

Anschluß

einer Mini-

88

Hofmann, E., Der Prozeßbus CS 275 der Siemens AG

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Hardware-Konfiguration des Automatisierungssystems AS 220 LG Leitgerät

Floppy-Disk, für den Anschluß des Prozeßbusses. Als Zentralprozessor wird ein schneller, durch eine speziell für diese Anwendung durchgeführte Mikroprogrammierung besonders leistungsfähiger Mikroprozessor eingesetzt. Befehle für MeBwertverarbeitung und Regelaufgaben verarbeiten 16-Bit-Datenwörter; für Steueraufgaben wurden Befehle geschaffen, die sehr effektiv l-Bit-Operanden verarbeiten. Mit einem Automatisierungssystem AS 220 können je Sekunde 240 Meßwerte überwacht oder 120 Regelkreise bearbeitet oder 250.000 Steueroperationen ausgeführt werden. In den Speicherbaugruppen sind das Betriebssystem und Funktionsbausteine hinterlegt. Beispiele für Funktionsbausteine sind Regler, Summierer, Multiplizierer, Logarithmierer, Grenzsignalgeber, Binäreingabe, UND-Verknüpfung, Steuerkettenverzweigung. Eine Auflistung der im Automatisierungssystem AS 220 realisierten Funktionsbausteine enthält Tabelle 1. Diese Funktionsbausteine sind zu Bausteinpaketen zusammengefaßt und stehen im nicht-flüchtigen Speicher (EPROM), die Bausteine sind somit unveränderlich. Bei der Einsatzvorbereitung eines Automatisierungssystems (AS) wird die zu realisierende Automatisierungsaufgabe durch eine »Verschaltung« dieser Funktionsbausteine in einem Strukturplan formuliert. Dieser Strukturplan enthält auch Angaben über die zeitliche Reihenfolge der Bearbeitung der Funktionsbausteine. Aus den Angaben in diesem Strukturplan erstellt der projektierende Ingenieur Bausteinlisten, die alle Strukturdaten und zusätzliche

Hofmann, E., Der Prozeßbus CS 275 der Siemens AG Blattschreiber

Prozeßbedientastatur

Monitor

Mini- FloppyDisk

89

Datenbus Standard-

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Geräte

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Leitgeräte

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Prozeß

Bild 3.

Konstruktiver Aufbau des Automatisierungssystems AS 220

Bausteinparameter enthalten. Diese Daten werden über eine a-numerische Tastatur und das Sichtgerät im Dialog in das Automatisierungssystem geladen und auf einem magnetischen Datenträger gesichert. Für dieses Strukturieren und Paramedes und Prozesses des zu automatisierenden Kenntnisse trieren sind Programmiersind erforderlich nicht Automatisierungssystems (AS) erforderlich; kenntnisse [3]. Über die Eingabe-/Ausgabebaugruppen für analoge und digitale Signale ist das Automatisierungssystem mit dem Prozeß gekoppelt [5]. Neben den Signalumsetzfunktionen werden von diesen Baugruppen zahlreiche weitere Aufgaben ausgeführt, wie Versorgung der Meßumformer, Leistungsverstärkung der Signale zum Ansteuern der Schaltglieder, Potentialtrennung zwischen Prozeßgeräten und Automatisierungssystem, Abriegeln elektromagnetischer Störungen aus dem Prozeß. Eine Klasse von Eingabe-/Ausgabebaugruppen verfügt zusätzlich über eigene Mikroprozes-

90

Hofmann, E., Der Prozeßbus CS 275 der Siemens AG

soren. Eine derartige Baugruppe ist fähig, bei Ausfall des Zentralprozessors selbstän-

dig Regel- oder Steuerungsaufgaben wahrzunehmen. Über ein direkt an diese Baugruppe angeschlossenes Leitgerät ist zusätzlich eine Bedienung und Beobachtung dieser Regelkreise oder Steuerungen möglich. Der projektierende Ingenieur hat somit die Möglichkeit, für jeden Regelkreis, für jede Steueraufgabe zu entscheiden, ob dieses Mehr an Verfügbarkeit der Regel-, Steuerungs- und Bedienfunktionen erforderlich ist und danach die entsprechende Eingabe- und Ausgabebaugruppe auszuwählen.

Anein Automatisierungssystem (AS) kann über eine Anschaltungsbaugruppe unmittelbar eine Bedieneinheit angeschlossen werden. Diese enthält bei einem Automatisierungssystem AS 220 einen Schwarz/Weiß-Monitor für die Darstellung einfacher Prozeßübersichtsbilder aus Balken und Symbolen, für die grafische und dynamische Darstellung von Funktionsbausteinen, wie Regelkreisen, Steuerketten, Rechenbausteinen. In diesen Bildern ist neben der statischen Strukturinformation die aktuelle Prozeßinformation dargestellt. Die Prozeßbedientastatur ist mit einem neuartigen Tastenfeld ausgerüstet: Die Funktionen der Tasten werden abhängig vom auf dem Sichtgerät angewählten Bild umgeschaltet. Gleichzeitig wird die »Beschriftung« der Tasten umgeschaltet. So ergibt sich eine Bedienerführung, die eine Reihe von Bedienfehlern von vorn herein ausschließt. Für Strukturieraufgaben wird die Prozeßtastatur um eine a-numerische Tastatur erweitert. Der Blattschreiber dient zur Ausgabe von Meldungen und Störzuständen, auch werden alle Bedienoperationen, die zu einer Veränderung der Parametrierung oder der Strukturierung führen, festgehalten. Strukturierungsdaten und Parameter sind auf einer Mini-Floppy-Disk abgelegt. Sie werden bei einem Anlaufoder Wiederanlaufin den Schreib-/Lese-Speicher des Automatisierungssystems (AS) geladen, wo sie auch bei einem Spannungsausfall über viele Wochen erhalten bleiben. Über Tastatur und Sichtgerät kann jederzeit die Strukturierung und Parametrierung des Automatisierungssystems (AS) dem Anwender sichtbar gemacht werden. Änderungen können während des Betriebes vorgenommen werden, ohne den laufenden Betrieb störend zu beeinflussen. Die neue Strukturierung ist sowohl auf der Platte, als auch in Form eines Druckprotokolls dokumentiert. Über eine weitere Anschaltungsbaugruppe ist das Automatisierungssystem (AS) mit dem Prozeßbus und damit mit allen weiteren Subsystemen der Automatisierungsanlage verbunden. 2.2 Die Bedien- und Beobachtungssysteme (OS) Das Automatisierungssystem TELEPERM M bietet in drei Ebenen Bedien- und Beobachtungseinrichtungen [4]: — die prozeßnahen Leitgeräte der Prozeßeingabe- und ausgabebaugruppen mit ei-

genem Prozessor,

diean einem Automatisierungssystem (AS) direkt angeschlossenen Bedien- und Beobachtungsgeräte, die über den Prozeßbus mit vielen Automatisierungssystemen (AS) verbundenen Bedien- und Beobachtungssysteme (OS).

Hofmann, E., Der Prozeßbus CS 275 der Siemens AG

91

Es gibt heute vier in der Leistungsfähigkeit unterschiedliche Bedien- und Beobachtungssysteme OS 25x. Das Bedien- und Beobachtungssystem OS 250 besitzt die gleichen funktionellen Eigenschaften wie das direkt an ein Automatisierungssystem (AS) anschließbare Bedien- und Beobachtungsgerät. Durch die Buskopplung wird jedoch ermöglicht, von einem Bedien- und Beobachtungssystem OS 250 aus die Prozeßbeobachtung, die Bedienung und die Strukturierung zahlreicher Automatisierungssysteme vom Typ

AS 210, AS 220 vornehmen

zu können.

Das Bedien- und Beobachtungssystem OS 251 benutzt einen Farbmonitor zur Anzeige standardisierter Darstellungen von Prozeßzuständen mit der hierarchischen Stufung: Übersichtsbild - Gruppenbild - Kreisbild (Bild 4). Im ÜbersichtsProzeß Bereich

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Bildorganisation bei System OS 251

92

Hofmann, E., Der Prozeßbus CS 275 der Siemens AG

bild werden ın komprimierter Form die Zustände in maximal 256 Regelkreisen oder Steuerketten signalisiert. Im Gruppenbild werden die Zustände und Prozeßgrößen mit ihren Werten von bis zu acht der 256 Regelkreise und Steuerketten in einer standardisierten Form mit Balkenanzeigen und digitaler Anzeige dargestellt. Die Anwahl der darzustellenden Gruppe erfolgt aus dem Übersichtsbild, z. B. mit

einem Lichtgriffel. Aus dem Gruppenbild kann in einem weiteren Anwahlschritt für einen der acht dort abgebildeten Regelkreise (bzw. Steuerketten) das Kreisbild zur Anzeige gebracht werden. Hier findet der Bediener über diesen Kreis noch detailliertere Informationen, z. B. über den Trend von Prozeßgrößen. Bild 5 gibt einen Überblick über die an das Bedien- und Beobachtungssystem OS 251 anschließbaren Geräte.

Farbmonitor

Prozeßbedientastatur und alehanumerische Tastatur

Mini-FloppyDisk

Drucker

Analogschreiber

Grundeinheit

CS 275 Bild 5.

Konstruktiver Aufbau des Bedien- und Beobachtungssystems OS 251

Das Bedien- und Beobachtungssystem OS 252 ermöglicht es, die Prozeßinformation in freizügig gestalteten grafischen Bildern darzustellen. Das Bedien- und Beobachtungssystem OS 252 enthält die für das Konstruieren dieser Bilder erforderlichen programmtechnischen Mittel und zusätzliche Eigenschaften, wıe das Darstellen von Kurven und Rollen von Bildern. Das Bedien- und Beobachtungssystem OS 253 vereinigt die Funktionen von OS 251 und OS 252 in einem Gerät.

Hofmann, E., Der Prozeßbus CS 275 der Siemens AG 3

93

Der Prozeßbus

Ein Prozeßbus hat die Aufgabe, den Nachrichtenaustausch zwischen den Teilsystemen eines dezentralen Automatisierungssystems abzuwickeln [6, 9 bis 11]. Im allgemeinen können wir davon ausgehen, daß die Teilnehmer eines Prozeßbusses nicht gleichmäßig über das Prozeßgelände verteilt sind (Bild 6). Häufig werden sie Automatısierungsinsel

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in Bereichen, wie in einer zentralen Warte, in einer Unterstelle, in einem Meßhaus

räumlich konzentriert sein. Die Teilsysteme einer »»Insel«« tauschen untereinander (im Nahbereich) Daten aus und übertragen (im Fernbereich) Daten zwischen den Inseln. Der Siemens-Prozeßbus besteht deshalb aus einem Nahbus für Entfernungen bis 100 m und maximal

16 Teilnehmern für den Inselbereich und einem

Fernbus mit maximal 4 km Länge, über welchen die Teilnehmer von bis zu 32 Nahbussen miteinander kommunizieren können. Über Umsetzer (U) werden Nahbus und Fernbus miteinander verbunden. Fernbus und Nahbus bilden funktionell einen einzigen Bus, d. h. eine von einem beliebigen Teilnehmer T abgesetzte Nachricht wird gleichzeitig auf dem zugehörigen Nahbus, auf dem Fernbus und auf alle weiteren daran angeschlossenen Nahbusse übertragen und allen Teilnehmern angeboten.

Jeder Teilnehmer ist über eine Anschaltung N an den Nahbus angeschlossen. Diese steuert und überwacht das Senden und Empfangen der Nachrichten auf dem

Prozeßbus und den Datenaustausch mit dem zugeordneten Teilnehmer. Buskopp-

ler BK ermöglichen es, zwischen unabhängig arbeitenden Prozeßbussen Nachrichten auszutauschen. Der Buskoppler nimmt vom Busl eine für einen Teilnehmer

94

Hofmann, E., Der Prozeßbus CS 275 der Siemens AG

an Bus II bestimmte Nachricht entgegen, speichert diese und sendet sie bei nächster Gelegenheit auf Bus II aus (und umgekehrt). Der Siemens-Prozeßbus besteht also aus den Komponenten: Nahbus-Anschaltung N Nahbuskabel Umsetzer UI

Fernbuskabel und Buskoppler BK, mit welchen sich alle Übertragungsaufgaben realisieren lassen. Der Prozeßbus enthält keine zentralen Einrichtungen. Anstelle einer zentralen Bussteuerung zur Koordinierung der Anforderungen auf Datenverkehr der zahlreichen Teilnehmer benutzt er eine verteilte Bussteuerung. Jeder Teilnehmer am Bus kann zeitweise die Funktion einer zentralen Bussteuerung ausführen, d. h. Busmaster sein. Diese Masterfunktion wird nach verschiedenen sich ergänzenden Methoden von Teilnehmer zu Teilnehmer übertragen. Damit erhält der Siemens-Prozeßbus eine extrem hohe Verfügbarkeit. Im gleichen Sinne wirkt die Möglichkeit, Übertragungsleitungen, Umsetzer und Buskoppler redundant einsetzen zu können.

3.1 Protokolle Der Datenverkehr aufeinem Bus wird nach zwischen den Teilnehmern verabredeten Regeln abgewickelt. Diese Verabredungen werden Protokolle genannt und sind bei jedem Teilnehmer hinterlegt. Protokolle werden vorteilhaft in mehrere Protokollebenen aufgeteilt mit definierten Schnittstellen zwischen diesen Protokollebenen (Bild 7). T | | Anwender-

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Hofmann, E., Der Prozeßbus CS 275 der Siemens AG

95

In der untersten Ebene werden Vereinbarungen über das Übertragungsmedium (elektrische oder optische Leitungen) und die zu definierenden Signale getroffen. So muß beispielsweise verabredet werden, wie ein 1-Signal, ein O-Signal, ein Synchronisierzeichen aussieht. Mit diesen Grundelementen definiert man dann ein Leitungsprotokoll. Darin ist z. B. der Aufbau eines Telegramms vereinbart. Ein Leitungsprotokoll verwendet ausschließlich die in der unterlagerten (physikalischen) Ebene definierten Elemente. Für das Leitungsprotokoll ist es jedoch ohne Bedeutung, wie diese Elemente realisiert sind, z. B. ob der Übertragungskanal mit elektrischen oder optischen Mitteln aufgebaut ist. Generell gilt, daß ein höheres Protokoll ausschließlich auf die Elemente des unterlagerten Protokolls aufbauen darf. Die Aufteilung der Funktionen eines Datenübertragungssystems in mehrere Protokollebenen bringt neben der nur so erreichbaren Übersichtlichkeit den wesentlichen Vorteil von Systemschnittstellen: Man kann z. B. in der Ebene der Übertragungssignale die Übertragungstechnologie austauschen, die überlagerten Protokollebenen bleiben davon unbeeinflußt. An der Anwenderschnittstelle werden von den Teilnehmern Aufträge zur Datenübertragung an die Nahbusanschaltungen übergeben. Diese Anweisungen können von dem eine TELEPERM M-Anlage projektierenden Ingenieur ohne Kenntnis von spezifisch mit der Datenübertragung zusammenhängenden Fakten benutzt werden. Beispiele für diese Auftragsarten sind für einen Teilnehmer i: Lese Meßwerte xy aus Gerät J; schreibe Parameterblock z in Gerät k. Das Umsetzen dieses Auftrags in Anforderungen auf Datenverkehr am Bussystem, in Nachrichten und deren Quit-

tierungen, das Reagieren auf Unregelmäßigkeiten in den unterlagerten Protokollebenen sind einige der von der Nahbusanschaltung selbsttätig abzuwickelnden Aufgaben. 3.2

Nahbus

Signalübertragungen im Nahbereich erfolgen bitseriell mit getrennten Signalleitun-

gen für ein Takt-, ein Daten- und ein Begleitsignal. Diese Datensignale werden von einem sendenden Teilnehmer gesendet und gelesen, von einem empfangenden Teilnehmer nur gelesen. Die Signale aller sendenden Teilnehmer können sich auf den Leitungen überlagern. Von dieser Fähigkeit wird unter anderem bei der Bildung des Taktes und bei der Erfassung von Anforderungen auf Datenübertragung Gebrauch gemacht. Jede Nahbusschaltung besitzt zwei redundante Anschlüsse zu einem Nahbus. Damit verdoppelt sich die Anzahl der Signale auf sechs. Die Signale werden über ein geschirmtes SIMATIC-Kabel mit einer Datenrate von maximal 300 kBits/s übertragen. Es gibt zwei elektrische Ausführungen für den Nahbus. Die aufwandsärmere Version I arbeitet mit galvanischer Kopplung der Teilnehmer mit dem Nahbus. An diesen Nahbus können maximal 8 Teilnehmer angeschlossen werden; sie müssen mit Rücksicht auf ein gemeinsames Bezugspotenial in einem Schrank oder einer Schrankgruppe untergebracht werden. Die Länge des Nahbuskabels ist auf 20 m begrenzt. Bei Version II sind Teilnehmer und Nahbus über Optokoppler galvanisch getrennt. Maximal 16 Teilnehmer können an einem bis zu 100 m-langen Nahbus angeschlossen werden.

96

Hofmann, E., Der Prozeßbus CS 275 der Siemens AG

Eine auf dem Prozeßbus zu übertragende Nachricht wird in einzelne Transferelemente gegliedert, die aufeinanderfolgend ausgesendet werden. In Bild 8a ist ein Datentransferelement dargestellt. Das Begleitsignal B steuert Anfang und Ende eines Transferelementes und kennzeichnet, ob es sich um ein Daten- oder ein Flagtransferelement handelt. Auf der Datenleitung werden in jedem Datentransferelement taktgesteuert 4 Bytes zu je 9 Bits übertragen. Im Kontrollfeld FC werden Steuerinformationen für die Organisation und Abwicklung des Busverkehrs übertragen, z. B. können Teilnehmer am Nahbus in das Steuerfeld ein Sammelsignal eintragen, das kennzeichnet, daß sie eine Anforderung auf Zuweisung des Busses stellen. Mit den nachfolgenden Bytefeldern (FO, Fl, F2) des Datentransferelements können Befehle, Adressen, Daten

oder Sicherungsinformationen übertragen werden. Jedes Feld ist mit einem Paritätsbit geschützt. Bild 8b zeigt die Nahbussignale im Untätig-(Idle)-Zustand. Die Teilnehmer des Nahbusses erkennen diesen Zustand und leiten eine Art des Mastertransfers ein. Das Flagtransferelement in Bild 8c dient der Identifizierung von Teilnehmern des Nahbusses, die im Kontrollfeld FC eines Datentransferelements (siehe Bild 8a) eine

Anforderung auf Zuweisung des Busses gestellt haben. Jedem Teilnehmer sind bestimmte Stellen in diesem Flagtransferelement zugeordnet, in welchem er Anforderungsbit setzen kann. Die Aussendung von Flagtransferelementen wird nur vom augenblicklichen Busmaster veranlaßt. 3.3 Fernbus und Busumsetzer Im Nahbus können Signalübertragungstechniken mit geringem Sender- und Empfängeraufwand und geringen Kabelkosten eingesetzt werden. Die Vorteile der Verwendung von drei parallel geführten Signalen für Takt, Begleiter und Daten übertreffen den Mehraufwand an Gerätetechnik. Im Fernbusbereich erzwingt der Leitungsaufwand für dämpfungsarme geschirmte Kabel und für Sender und Empfänger die Übertragung aller Informationen über einen Kanal. Der Busumsetzer U (Bild 9) hat die Funktion eines speziellen Modems. Die Takt-, Daten- und Begleitsignale des Nahbusses werden in einem Fernbus-Transferelement zusammengefaßt. Der Telegrammanfang wird durch ein Synchronisierzeichen gekennzeichnet. Die Daten werden durch bipolare Impulse unterschiedlicher Phasenlage dargestellt, aus welchem im empfangenden Umsetzer das Taktsignal wiedergewonnen wird. Für den Fernbus wird ein doppeltgeschirmtes, flexibles Koaxialkabel verwendet.

Damit können - ohne Zwischenverstärker, welche aus Verfügbarkeitsgründen ausgeschlossen werden - Entfernungen bis 4000 m überbrückt und über Umsetzer bis zu 32 Nahbusse mit jeweils 1 bis 16 Teilnehmern angeschlossen werden. Die Gesamtzahl der Teilnehmer ist auf 256 begrenzt. Der Fernbus und die über Umsetzer daran angeschlossenen Nahbusse bilden einen einzigen Bus; er arbeitet mit einer Datenübertragungsrate von 250 kBit/s. Die Ankopplung der Busumsetzer an das Fernbuskabel erfolgt induktiv und fehlerrückwirkungsfrei, d. h. Kurzschlüsse und Unterbrechungen in den Sende- und Empfangskreisen des Umsetzers führen nicht zu einer Störung der Übertragung zwi-

97 Hofmann, E., Der Prozeßbus CS 275 der Siemens AG

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Hofmann, E., Der Prozeßbus CS 275 der Siemens AG

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schen weiteren Teilnehmern des Fernbusses. Der konstruktive Aufbau des Übertra-

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extrem

unwahrscheinlich.

Darüberhinaus

kann er redundant ausgeführt werden. Umsetzer und Fernbuskabel werden dann doppelt installiert. Die Überprüfung der Funktionsfähigkeit beider Busse und im Fehlerfall die Umschaltung auf den verbliebenen intakten Bus erfolgen automatisch.

Bild 10 zeigt den Aufbau des Busumsetzers. Er besteht aus Induktivkoppler mit

Sender und Empfänger, der digitalen Fernbus-Interfacelogik (F-BIL) und einer Stromversorgungsbaugruppe mit 24 V-Einspeisung. Die Baugruppen haben das einfache Europaformat. 3.4 Nahbusanschaltungen Eine Nahbusanschaltung (Bild 7) tauscht über die Anwenderschnittstelle mit einem Teilnehmer des Prozeßbusses Informationen aus nach den im Anwenderprotokoll

getroffenen Vereinbarungen. Zwischen diesem Protokoll, das im Sinne einer einfachen Projektierung von übertragungs-technischen Aussagen freigehalten wurde, und dem Nahbus-Leitungsprotokoll, in welchem die Grundelemente für den Iransport von Nachrichten, die Transferelemente (Bild 8) definiert sind, liegt die im allgemeinen als Prozeßbusprotokoll bezeichnete Ebene mit den beiden Teilen - Datentransferprotokoll und — Mastertransferprotokoll. An einem Prozeßbus gibt es zu jedem Zeitpunkt einen Master, der die Koordinierungsaufgaben wahrnimmt. Alle weiteren Teilnehmer sind dann Slaves. In Bild 11 ist stark vereinfacht dargestellt, welche Zustände Master und Slaves bei einerNachrichtenübertragung einnehmen. Einem Kreis in der Darstellung entspricht ein Zustand von Master oder Slaves. Die Übergänge zwischen den Zuständen sınd durch Linien dargestellt, an welchen Abkürzungen für die einen Übergang auslösenden Ereignisse stehen. Zu Beginn einer Nachrichtenübertragung steht der Master im Zustand »Talker«. Er beabsichtigt, eine Nachricht bestehend aus einem oder mehreren Transferelementen auszusenden. Alle Slaves sind in diesem Augenblick im

Zustand »Passiv«, in welchem sie Nachrichten auf dem Bus mithören. Erkennt ein Slave in einem vom Master ausgesendeten Transferelement seine Adresse, so geht

er in den Zustand »Listener« über und empfängt die ganze Nachricht des Masters. Die durch diese Nachricht nicht angesprochenen Slaves verbleiben im Zustand »Passiv«. Nach dem Aussenden einer Nachricht geht der Master aus dem »Talker«in den »Listener«-Zustand. Sobald der empfangende Slave das Ende der Nachricht erkannt hat - hierzu dient das Begleitpersonal - geht er aus dem »Listener«- in den »Talker«-Zustand über. Er sendet nun eine Quittungsnachricht aus, die von dem ım »Listener«-Zustand wartenden Master empfangen wird. Eine vom Master ausgesendete Nachricht muß grundsätzlich vom Slave quittiert werden. In der oberen Zeile von Bild 12 ist dieser Ablauf bei fehlerfreier Übertragung dargestellt. In der mittleren Zeile ist der Fall dargestellt, daß die vom Master ausgesandte Nachricht gestört wurde. Kein Slave antwortet. Nach Ablauf einer Wartezeit wiederholt der Master die Nachricht, gegebenenfalls mehrmal. In der unteren Zeile von

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Bild 12 ist der Fall behandelt, daß der Slave die Masternachricht korrekt empfangen

und eine Antwort an den Master ausgesendet hat, diese Antwort jedoch verfälscht wurde. Der Master unterscheidet zwischen diesen beiden Fehlerfällen nicht; nach

verabredeter Wartezeit wird die Masternachricht wiederholt. In einer Masternachricht können bis zu 128 Datenbytes übertragen werden. Neben der gezielt an nur einen Slave gerichteten Nachricht können mit dem Datentransferprotokoll auch Nachrichten ausgesendet werden, die von mehreren Slaves zu empfangen sind. Der Siemens-Prozeßbus benötigt keine zentrale Einrichtung und keinen speziellen Busteilnehmer für die Wahrnehmung der Masterfunktion. Jeder Teilnehmer, d. h. jede Nahbusanschaltung ist in der Lage, Master zu sein. Im Prozeßbusprotokoll muß deshalb verabredet sein, wie ein Teilnehmer zum Master wird und wie ZWIschen den Teilnehmern die Masterfunktion übertragen wird. Das Mastertransferprotokoll enthält hierfür drei sich ergänzende Verfahren für die Zuteilung der Masterfunktion an einen Teilnehmer: - die time-out-gesteuerte Ergreifung der Masterfunktion, - die anforderungsgesteuerte Übergabe der Masterfunktion, - die befehlsgesteuerte Übergabe der Masterfunktion. Die time-out-gesteuerte Ergreifung der Masterfunktion wird für den Fall benötigt, daß der Prozeßbus keinen Master hat. Dieser Zustand tritt beispielsweise ein, wenn die Anlage eingeschaltet wird oder wenn der gerade die Masterfunktion ausübende Teilnehmer ausfällt. Es finden dann keine Übertragungen auf dem Prozeßbus statt. Um den masterlosen Zustand zu überwinden, prüft jeder Teilnehmer kontinuerlich, ob Übertragungen auf dem Prozeßbus stattfinden und startet bei Unterbrechung des Verkehrs ein Zeitglied (Bild 13). Läuft die Überwachungszeit ab, ohne daß auf dem Prozeßbus der Verkehr wieder aufgenommen wurde, erklärt sich der Teilnehmer zum Master und sendet unmittelbar danach eine Nachricht aus. Alle Teilnehmer erkennen daran, daß wieder ein Master gefunden ist und setzen die auch bei ihnen gestarteten Überwachungszeitglieder zurück. Um zu vermeiden, daß zwei oder mehrere Teilnehmer sich gleichzeitigzum Master erklären, sind die Überwachungs-

Hofmann, E., Der Prozeßbus CS 275 der Siemens AG

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107 Hofmann, E., Der Prozeßbus CS 275 der Siemens AG

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Hofmann, E., Der Prozeßbus CS 275 der Siemens AG

protokollsteuerung wird über Sende- und Empfangspufferspeicher und mehrere Register hergestellt. | Alle Programme sind in E-PROMSs unverlierbar gespeichert. Die Einsatzprojektierung beschränkt sich auf die Einstellung der Teilnehmeradresse über Schiebeschalter. Die Nahbusanschaltung ist eine Sandwichbaugruppe im doppelt hohen Europaformat. Sie wird direkt in den Baugruppenträger des Teilnehmers eingesetzt. Die Verbindung mit dem Teilnehmer erfolgt über die Rückwandverdrahtung des Baugruppenträgers. Derzeit stehen drei Typen von Nahbusanschaltungen zur Verfügung, die sich in der Schnittstelle zum Teilnehmer unterscheiden. Die Nahbusanschaltung N-8 hat die Schnittstelle zum Siemens-System 300-8 Bit, die in den Automatisierungssystemen (AS) von TELEPERMM verwendet wird. Die Nahbusanschaltung N-16 besitzt die Schnittstelle zum Siemens-System 300-16 Bit und dient zum Anschluß von Prozeßrechnern und den Bedien- und Beobachtungssystemen (OS) von TELEPERMM an den Prozeßbus. Die Nahbusanschaltung NV24 besitzt die V24-Schnittstelle und ist unter anderem geeignet, Fremdgeräte auch über größere Entfernungen an den Siemens-Prozeßbus anzuschließen.

3.5 Buskoppler Mit den in den vorausgegangenen Abschnitten beschriebenen Komponenten Nah-

busanschaltung, Nahbuskabel, Busumsetzer und Fernbuskabel läßt sich ein ProzeB-

bus aufbauen, der die Teilnehmer an bis zu 32 Nahbussen über Entfernungen bis zu 4 km miteinander verbindet. Typisch für einen Bus ist, daß zu jedem Zeitpunkt nur eine Nachricht übertragen wird. Bei umfangreichen Automatisierungsaufgaben wird der Wunsch vorliegen, Anlagenteilbereichen unabhängige Prozeßbusse zuzuordnen und auf diese Weise jedem Teilbereich die volle Übertragungsleistung eines Prozeßbusses zur Verfügung zu stellen. Zwischen autarken Prozeßbussen können über Buskoppler gezielt Nachrichten ausgetauscht werden. In Bild 6 ist eine Konfiguration mit zwei unabhängigen Prozeßbussen dargestellt. Die Automatisierungsinsel links vom Buskoppler verfügt über einen autarken Nahbus, auf welchem unabhängig von dem Nachrichtenverkehr auf dem rechts vom Buskoppler angeordneten Prozeßbus Übertragungen vorgenommen werden können. Der Buskoppler verhält sich an jedem Prozeßbus wie ein Teilnehmer. Er hört den gesamten Nachrichtenverkehr beider Prozeßbusse mit. Durch eine in der Nachricht enthaltene Busadresse wird er aktiviert, er speichert eine so gekennzeichnete Nachricht ein und gibt sie auf der anderen Busseite weiter, sobald ihm dazu die Sendeerlaubnis an diesem

Bus erteilt wird.

Ein Buskoppler besteht aus zwei Nahbusanschaltungen N-8, die an der Anwen-

der-Schnittstelle (Bild 16) miteinander gekoppelt sind. Anstelle des Anwenderprotokolls tragen diese Nahbusanschaltungen ein Verbindungsprotokoll (Link-Protocol). Bei einem Einsatz des Buskopplers zwischen einem Fernbus und einem Nahbus, wie in Bild 6 dargestellt, enthält der Buskoppler auf der Fernbusseite zusätzlich einen Busumsetzer.

Hofmann, E., Der Prozeßbus CS 275 der Siemens AG

109

3.6 Prozeßbuskonfigurationen Aus den Komponenten des Prozeßbussystems, wie sie in Bild 17 zusammenfassend nochmals dargestellt sind, lassen sich für alle Übertragungsaufgaben in Automatisierungsanlagen TELEPERM M die gewünschten Übertragungseinrichtungen zusammenstellen. Einige Möglichkeiten sind in dem Verbund von vier autarken und miteinander gekoppelten Prozeßbussen A bis D dargestellt (Bild 18). ProzeBbus A besteht in diesem Beispiel aus einem Fernbus mit vier über Umsetzer angeschlossenen Nahbussen, welche zum Teil als 20 m-Nahbusse, in einem Fall mit zusätzlichen Bausteinen zur galvanischen Trennung als 100 m-Nahbus ausgeführt sind. Die autarken Prozeßbusse B und C bestehen jeweils aus einem Nahbus. Sie sind jeNahbus-

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Komponenten des ProzeBbussystems CS 275 CS Koppelsystem AS Automatisierungssystem OS System für Prozeßbedienung und -beobachtung N-8 Nahbusanschaltung für Siemens-System 300-8 Bit N-16 Nahbusanschaltung für Siemens-System 300-16 Bit N-V24 Nahbusanschaltung für V.24 Schnittstelle UI Induktiver Busumsetzer UL Busumsetzer für Lichtwellenleiter GT Galvanischer Trenner

Hofmann, E., Der Prozeßbus CS 275 der Siemens AG 110

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Vier autarke Prozeßbusse im Verbund

Bild 18.

Hofmann, E., Der Prozeßbus CS 275 der Siemens AG _

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weils über Buskoppler mit dem Prozeßbus A verbunden. Diese Buskoppler A-B und A-C bestehen jeder aus zwei Nahbusanschaltungen N-8. Der autarke Prozeßbus D enthält einen 100 m-Nahbus. Der Buskoppler A-D besteht ın dieser Anwendung aus einem Busumsetzer, zwei Nahbusanschaltungen N-8 und einem galvanischen Trenner GT. Einer der Teilnehmer am Prozeßbus D ist über die Nahbusanschaltung N-V24 angekoppelt. Dieser Teilnehmer kann vom Prozeßbus weit entfernt angeordnet sein. In diesem Verbund kann jeder Teilnehmer mit jedem Teilnehmer Nachrichten austauschen. Innerhalb eines autarken Busses genügt zur Adressierung die Teilnehmeradresse; soll ein Teilnehmer eines gekoppelten Prozeßbusses angesprochen werden, so muß die Nachricht eine Busadresse und eine Teilnehmeradresse enthalten. Beispiel: Ein Teilnehmer am Prozeßbus B sendet eine Nachricht an einen Teilnehmer am Prozeßbus D. Diese Nachricht wird vom Buskoppler A-B am Bus B aufgenommen, danach auf dem Prozeßbus A ausgesendet und vom Buskopp-

ler A-D empfangen. Dieser sendet dann die Nachricht aufdem Bus D aus. Die Buskonfigurationen können zur Erhöhung der Verfügbarkeit des Übertragungssystems

auch redundant ausgeführt werden.

busse und Buskoppler verdoppelt. 4

Dazu

werden Nahbusse,

Busumsetzer, Fern-

Schlußbetrachtung

Der Prozeßbus CS 275 wurde von der Siemens AG aufbauend auf umfangreiche Erfahrungen mit hochverfügbaren Systemen entwickelt. Die wesentlichen verwirklichten Maßnahmen zur Erzielung einer hohen Verfügbarkeit sind: — Dezentraler Aufbau des Bussystems; es werden keine zentralen Steuerwerke benötigt, jeder Teilnehmer kann die Koordinierung des Busverkehrs vornehmen. — Fehlerrückwirkungsfreie Ankopplung der Teilnehmer an den Fernbus. Ein defekter Teilnehmer kann die Übertragungstrecke nicht blockieren. - Beieinem Auftrennen des Prozeßbusses bleiben die Teilbereiche funktionsfähig. In jedem Teilbereich wird über das Time-out-Verfahren ein Master gebildet. — Wahlweise ist eine Redundierung aller Prozeßbuskomponenten möglich. - Die Übertragungseinrichtungen sind gegen die Einwirkung elektromagnetischer Störsignale geschützt. Die Prüfungen werden nach IEC-Publikation 255-4 durchgeführt. — Die Nachrichten sind durch Quer- und Längsparitätsbits mit Hammingdistanz d=4 gesichert. - Alle Nachrichten werden vom Empfänger quittiert. Quittierungen sind in allen Protokollebenen realisiert. Die Entwicklung des Flying-Master-Prinzips und die Realisierung der entsprechenden Prozeßbusprotokolle mit hochintegrierter Technik führten zu einer kostengünstigen Lösung. Durch den Verzicht auf ein zentrales Steuerwerk konnte erreicht

werden, daß der Aufwand für eine Prozeßbuskopplung proportional zur Anzahl der

anzuschließenden Teilnehmer verläuft, was bei kleinen und mittleren AnlagengröBen zu besonders großen Kostenvorteilen gegenüber Lösungen mit zentralem Steuerwerk führt.