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CAN-Bus - Organisation RZ

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FELDBUSSE
Inhalt
AS-Interface
BACnet
BatiBus
BEUG, Bitnus european
user group
BITBUS
Byteflight
CAL, CAN application
layer
CAN-Bus
CAN-Datenrahmen
CAN-Profile
CAN-Protokoll
CANopen
CIP-Protokoll
D2B-Bus
DeviceNet
DIN-Messbus
Ethernet-Powerlink
EPL-Protokoll
EPSG, Ethernet
powerlink
standardization group
ETG, EtherCAT
technology group
EtherCAT
EtherCAT-Protokoll
EtherCAT-Topologie
EtherNet/IP
Europäischer
Installationsbus
Feldbus
Feldebene
FlexRay
IDA, interface for distributed
automation
Industrielles Ethernet
Interbus
IP67
J1708-Bus
J1850-Bus
J1939-Bus
LDF, LIN description file
Leitebene
LIN-Bus
LIN-Datenrahmen
Linientopologie
LON-Bus
Modbus
Impressum:
Herausgeber: Klaus Lipinski
Copyrigt 2006
DATACOM-Buchverlag GmbH
84378 Dietersburg
Alle Rechte vorbehalten
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2
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MOST-Bus
MOSTÜbertragungsprotokoll
ODVA, open DeviceNet
vendor association
PROFIBUS
Profibus-DP
Profibus-FMS
Profibus-PA
Profinet
Proway
RS-485
SAE J1939
SAE-Klasse
SCNM, slot communication
network management
Sercos-Datenrahmen
Sercos-Interface
Summenrahmen-verfahren
TCU, telematics control unit
TTP-Protokoll
TTP/A-Bus
TTP/C-Bus
XCP-Protokoll
FELDBUSSE
AS-Interface
AS-i, actuator sensor
interface
Struktur des AS-Interface
Verpolsichere 2-DrahtLeitung vom
AS-Interface
Leitungen für das ASInterface, Foto: Schuricht
GmbH
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Index
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Das AS-Interface ist ein SensorAktor-Netzwerk, das die Aktoren
und Sensoren über eine 2Draht-Leitung miteinander
verbindet. Über diese 2-DrahtLeitung werden die
Steuersignale und die
Nutzdaten für die Komponenten
übertragen, die
Konfigurationsdaten für die
Systemarchitektur und die
Überwachungsdaten für
intelligente Komponenten und
das Netzwerk, aber auch die
Versorgungsspannung von 24 V
für die Komponenten.
Vom Konzept her entspricht das
AS-Interface einem einfachen, kostengünstigen Feldbus im Master-Slave-Betrieb auf
Feldebene, der einfach zu installieren und für binäre Peripheriegeräte, für Aktoren und
Sensoren, optimiert ist. Periphere Komponenten können direkt hinzugefügt oder
abgeklemmt werden.
Das AS-Interface vernetzt die Automatisierungs-Komponenten auf der Feldebene bis
hinauf zur Leitebene. Es wird vorwiegend in Europa, speziell in Deutschland
eingesetzt.
An das AS-Interface können bis zu 62 Knoten angeschlossen werden, die von der
Master-Station permanent überwacht werden. Die Zykluszeit ist abhängig von der
Anzahl der Slaves und passt sich automatisch an. Bei sechs Slaves beträgt sie 1 ms,
bei 62 Slaves 10 ms. Die Länge des AS-Interface liegt bei 100 m und kann mit drei
Repeatern auf bis zu 300 m erweitert werden. Die Datenrate beträgt 167 kbit/s.
Topologisch kann ein AS-Netz sehr flexibel und erlaubt Konfigurationen in Stern-,
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Bus-, Baum- und Linientopologie.
Für das AS-Interface gibt es spezielle ungeschirmte 2-Draht-Kabel, die
verpolungssicher angeschlossen werden können. Über sie können bis zu 8 A
übertragen werden. Der Kabelanschluss ist ein Dorn, der beim Anklemmen die
Isolierung des durchsticht und mit der Kabelseele Kontakt bildet. Zur Kennzeichnung
sind die Kabelmäntel farblich gekennzeichnet: hellblau kennzeichnet die negative,
braun die positive Versorgungsleitung.
BACnet BACnet ist ein Vernetzungskonzept für die Gebäudeautomation. Es kann auf
verschiedenen Transportmedien aufsetzen, u.a. auf Feldbussen wie den Local
Operating Network (LON) oder Ethernet. Das BACnet kennt Datenobjekte, die von
einem Sender zu einem Empfänger transportiert werden müssen, ohne, dass es die
Schnittstelle und die Transportmechanismen genau definiert.
Da die Steuerungsprozesse in der Gebäudeautomation eher langsam sind, spielt es
keine Rolle, ob man das Ethernet über Tunneling oder Encapsulation benutzt, ebenso
wenig ob man als Transportprotokoll das UDP- oder das TCP-Protokoll einsetzt.
BatiBus Der Batibus, der von Merlin Gerin, Airelec, Landis & Gyr u.a. entwickelt wurde, ist einer
der ersten Feldbusse für die Gebäudeautomation.
Beim Batibus handelt es sich um ein offenes Feldbuskonzept über den die Sensoren,
Aktoren und Feldgeräte miteinander kommunizieren können. In der
Gebäudesteuerung sind dies Systeme für die Klima- und Lüftungstechnik, die
Beleuchtungs- und Lichttechnik sowie für die Sicherheits- und Alarmtechnik. Das
Zugangsverfahren des Batibus basiert auf CSMA/CA, das jeder Station den Zugang
auf das Übertragungsmedium erlaubt, solange dieses nicht von einer anderen Station
benutzt wird.
BatiBUS hat eine einfache, offene Struktur in Stern-, Ring- oder Bustopologie bei der
ein einziges Kabel durch das Gebäude verlegt wird. Über dieses Kabel werden auch
die Sensoren versorgt. Die Batibus-Stationen haben eigene Adressen über die sie
angesprochen werden. Eine Erweiterung des Batibus ist problemlos möglich, ebenso
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das Hinzufügen oder Entfernen von Stationen.
Der Batibus ist als europäischer Standard von der Cenelec standardisiert und
international von ISO/IEC als JTC1/SC25.
BEUG Die Bitbus European Users Group (BEUG) ist eine Non-profit-Organisation, deren Ziel
Bitnus european user der Erfahrungsaustausch von Bitbus-Anwendern, der Informationsaustausch und die
group Förderung der Bitbus-Technologie ist.
http://www.bitbus.org
BITBUS Der Bitbus ist ein offener, echtzeitfähiger Feldbus, der bereits 1983 von Intel entwickelt
und 1990 von der IEEE unter IEEE 1118 standardisiert wurde.
Als Feldbus für die Automation und Produktion kann der Bitbus autonom arbeitende
Sensoren, Aktoren und Steuergeräte über große Entfernungen miteinander verbinden.
Die Entfernung kann ein Kilometer und mehr betragen und das bei Datenraten von
62,5 kbit/s. Noch größere Entfernungen können mit Repeatern überbrückt werden.
Für kürzere Entfernungen gibt es höhere Datenraten von 375 kbit/s und 1,5 Mbit/s. Als
Übertragungsmedium benutzt der Bitbus STP-Kabel mit einer Impedanz von 120
Ohm. Für die Übertragung reicht ein einpaariges Kabel.
Vom Betrieb her handelt es sich um einen Master-Slave-Betrieb. Pro LAN-Segment
können 28 Stationen angeschlossen werden, insgesamt 250.
Basis der Bitbus-Technologie sind die Industriebus-Schnittstelle RS-485 und die
synchrone Datenübertragungssteuerung (SDLC) aus der SNA-Welt. Das synchrone,
nachrichtenbasierte SDLC arbeitet mit Fehlererkennung. Das Bitbus-Protokoll eignet
sich speziell für die Übertragung von kleinen Datenpaketen mit bis zu 248 Byte. Als
Codierung benutzt Bitbus die NRZ-I-Codierung.
Byteflight Byteflight ist ein von BMW in Zusammenarbeit mit Motorola, Elmos und Infineon
entwickeltes System für sicherheitskritische Anwendungen in der Automotive-Technik.
Das Byteflight-System ist in den 7er BMWs eingebaut für die Übertragung
zeitkritischer Daten des Airbag-Systems zusätzlich zu denen der Karosserie-Elektronik
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und des Chassis.
Byteflight hat eine Datenrate von 10 Mbit/s und benutzt als Übertragungsmedium
optische Polymerfasern. Von der Konfiguration ist Byteflight in Sterntopologie mit
einem intelligenten Sternkoppler aufgebaut.
Neben der erwähnten Automobiltechnik kann Byteflight in allen Echtzeitanwendungen
mit extrem kurzen Latenzzeiten und hohem Datendurchsatz eingesetzt werden.
Ebenso in Umgebungen mit starker Störbeeinträchtigung.
Wie der CAN-Bus, arbeitet Byteflight auch mit einem nachrichtenorientierten
Übertragungsprozess. Wobei alle Nachrichten allen Bytefligt-Stationen zur Verfügung
gestellt werden. Der Datenrahmen von Byteflight ist dem CAN-Datenrahmen sehr
ähnlich, die maximale Länge des Datenfeldes liegt bei 12 Byte. Um ein
vorhersagbares Echtzeitverhalten zu erreichen, arbeitet Byteflight mit dem
deterministischen Zugangsverfahren TDMA, bei dem jeder angeschlossenen
Busstation innerhalb einer bestimmten Zeit ein Timeslot zur Übertragung der Daten
zur Verfügung gestellt wird.
CAL Der CAN Application Layer (CAL) bildet die Anwendungsschicht in der
CAN application layer Protokollhierarchie des CAN-Busses. Der CAL-Layer setzt unmittelbar auf der
Sicherungsschicht auf und umfasst die Spezifikation der CAN-Nachrichten, das
Netzwerkmanagement, die Verteilung des Identifiers und das Layer-Management. Der
CAL-Layer wurde von der CAN-in-Automation (CiA) spezifiziert und 1993 publiziert und
bietet eine anwendungsunabhängige, objektorientierte Umgebung für die
Implementierung von verteilten CAN-basierten Systemen. Er ist äußerst flexibel,
unterstützt Objekte und Dienste, definiert aber keine standardisierten Dateninhalte wie
CANopen oder DeviceNet.
CAN-Bus Ein Controller Area Network (CAN) ist ein von der ISO standardisierter echtzeitfähiger
CAN, controller area Feldbus für die serielle Datenübertragung in der Automotive-Technik, der Automation
network und Fertigungstechnik. Das CAN-Bussystem, das ursprünglich von Bosch für KfzAnwendungen entwickelt wurde, hat sich im Laufe der Zeit auch als Feldbus in der
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FELDBUSSE
CAN-Bus-Struktur
Datenraten vom CAN-Bus in
Abhängigkeit von der
Kabellänge
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Automatisierungstechnik
positioniert.
Das CAN-Bussystem ist ein
seriell arbeitender 2-Draht-Bus
mit offener Architektur, der als
Übertragungsmedium TP-Kabel
mit einer Impedanz von 120
Ohm benutzt. Bei den auf den
beiden Leitungen liegenden
Signalen handelt es sich um
differenzielle Signale, die mit
entgegen gesetzter Polarität
übertragen werden. Andere Übertragungsmedium können vom Benutzer definiert
werden. Von der Topologie her hat der CAN-Bus eine Linientopologie.
Alle Stationen sind direkt über einen Transceiver an den CAN-Bus angeschlossen. Als
Stecker kommt dabei der 9-polige Sub-D-Stecker zum Einsatz. Weitere 4- und 5polige Stecker sind ebenfalls definiert.
Die Stationen selbst bestehen aus einem Steuergerät und einem Controller, der den
Zugang auf den Bus steuert. Da alle Stationen gleichzeitig am CAN-Bus
angeschlossen sind, können sie alle für sie relevanten Daten empfangen. Da das
gleichzeitige Senden von mehreren Stationen zu Kollisionen führen würde, benutzt
der CAN-Bus ein prioritätengesteuertes Zugangsverfahren, das Arbitration. Die Daten
werden dabei in den CAN-Datenrahmen verpackt, der zusätzliche Datenfelder für das
Zugangsverfahren und die Fehlersicherung enthält.
Die Datentransferraten des CAN-Busses sind abhängig von der Buslänge und reichen
bis zu 1 Mbit/s bei Entfernungen von 40 m. Bei Buslängen von 1 km, die ohne
Repeater und Bridge arbeiten, liegt die Übertragungsrate bei 80 kbit/s und bei sehr
langen Bussen von bis zu 10 km reduziert sich diese auf ca. 7 kbit/s. Theoretisch ist
die Teilnehmerzahl unbegrenzt; es gibt aber marktgängige Anschlusskomponenten
mit denen 32, 64 und bis zu 128 Teilnehmer an den CAN-Bus angeschlossen werden
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können. Entsprechend des Anwendungen in der Automotive-Technik hat man zwei
Versionen spezifiziert: CAN-B und CAN-C. CAN-B</bold> unterstützt die Integration
intelligenter Sensoren und ist die langsamere Version des CAN-Busses für die
Karosserie- und Fahrzeugelektronik mit einer Datenrate von 83,3 kbit/s. <bold>CANC</bold> hat die höheren Datenrate von 500 kbit/s und ist für Antriebs- und
Fahrwerkelektronik. An einen CAN-B-Bus können 10 Stationen, an einen CAN-C-Bus
24 angeschlossen werden.
Das CAN-Protokoll unterstützt das Multimaster-Verfahren des CAN-Busses, hat eine
hohe Fehlertoleranz und eine leistungsfähige Fehlererkennung. Es kann in
störungsbehafteten Umgebungen eingesetzt werden und bietet eine hohe
Datenintegrität.
Mit dem CAN-Bussystem, das eine objektorientierte Adressierung hat, können
leistungsfähige ereignisgesteuerte Systeme aufgebaut werden. In bestimmten
Ausprägungen können die Daten direkt zwischen beliebig vielen Teilnehmern
ausgetauscht werden.
Der CAN-Bus ist in den unteren beiden Schichten, der Bitübertragungssschicht und
der Sicherungsschicht, standardisiert nach ISO 11898. In der darüber liegenden
Übertragungsschicht wird das Zugangsverfahren und die Fehlererkennung
abgearbeitet. Oberhalb der Übertragungsschicht befindet sich die Objektschicht, die
die eine Nachrichtenfilterung anhand der Identifier-Informationen vornimmt, und
darüber der CAN Application Layer (CAL), in dem die Daten mit der Kennung bzw. der
festgelegten Priorität versehen werden.
CAN-Datenrahmen Der CAN-Datenrahmen dient der Übertragung der Daten, der Fehlersicherung und
CAN frame der Steuerung des Zugangsverfahrens auf den CAN-Bus. Der gesamte Datenrahmen
besteht aus mehreren Datenfeldern und kann eine Gesamtlänge von bis zu 130 Bits
haben. Der Vorteil eines solch kurzen Datenrahmens liegt in der schnelleren
Reaktionszeit bei Kommunikationsanfragen von priorisierten Steuergeräten.
Es gibt den Standard-CAN-Datenrahmen, der ein 11 Bit langes Identifier-Feld hat
(CAN-2.0A), und den Extended-CAN-Datenrahmen mit einem 29 Bit Identifier-Feld
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FELDBUSSE
(CAN-2.0B).
Das CAN-Frame beginnt mit
einem Bit für die Synchronisation,
das den Beginn des Frames
(SoF) kennzeichnet und aus dem
die Stationen das Taktsignal
ableiten. Das folgende
Arbitration-Feld setzt sich beim
Standard-Frame aus einem 11 Bit
langen Identifier-Feld und einem
Kontrollbit, dem Remote
Datenrahmen des
Transmission Request (RTR),
CAN-Protokolls
zusammen.
Da der CAN-Datenrahmen ja
keine Quell- und Zieladresse benutzt, können alle Steuergeräte prüfen, ob die jeweils
auf dem CAN-Bus liegende Information für sie relevant ist. Diese Information steht im
Identifier-Feld und zeigt an um welche Art der Information es sich handelt.
Beispielsweise um die Öl- oder Wassertemperatur des Motors, die Motordrehzahl oder
die Einspritzmenge an Treibstoff. Der eigentliche Wert steht im Datenfeld. Außerdem
ist in diesem Feld die Priorität des Steuergerätes eingetragen, die die
Zugangssteuerung bestimmt. Alle Stationen überprüfen ständig, ob die Nachricht im
Identifier-Feld für sie relevant ist oder eine andere Station mit einer höheren
Sendepriorität sendet.
In dem nachfolgenden Control-Feld von 6 Bit wird die Anzahl der Bytes eingetragen,
die das Datenfeld umfasst. Zwei der sechs Bits sind reserviert, in die anderen vier wird
die Länge der Daten in Bytes eingetragen.
Mit dem CRC-Feld für die zyklische Blockprüfung (CRC) können Übertragungsfehler
erkannt werden und das ACK-Feld ist das Bestätigungsfeld in dem die Anzahl der
Empfangsstationen eingetragen wird, die die Nachricht fehlerfrei empfangen haben.
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CAN-Profile Bei Feldbussen sind die unteren Protokollschichten zwar eindeutig definiert, die
CAN profile Ausführungen der Anwendungen ist aber weitgehend Hersteller-abhängig. Da dies zu
Interoperabilitäten zwischen den Anwendungen führt, kann nur eine Vereinheitlichung
Abhilfe schaffen; dies erfolgt mit Profilen, im Falle von CANopen mit CAN-Profilen. Die
Profile definieren die Vereinbarungen über die standardisierten
Kommunikationstechniken.
Die CAN in Automation (CiA), die Organisation der CAN-Bus-Nutzer, hat in mehreren
Arbeitsgruppen CAN-Profile für die Labor-Automation, für Klimaanlagen und
Baumaschinen entworfen. In den CAN-Profilen werden die übertragenden
Prozessdaten und Konfigurationsparameter mit den zugehörigen Formaten festgelegt.
Neben den genannten Anwendungen gibt es bereits Profile für Ein-/AusgangsModule, Messgeräte und programmierbare Controller.
CAN-Protokoll Der CAN-Bus arbeitet im Multimaster-Betrieb, bei dem der Inhalt des über den
CAN protocol Feldbus übertragenen CAN-Datenrahmens durch Identifier gekennzeichnet ist. Jede
an den CAN-Bus angeschlossene Station kann die Nachricht empfangen und sie
verwerten. Zu diesem Zweck lesen die Stationen den Identifier und stellen anhand der
Kennung fest, ob die Nachricht für sie relevant ist, z.B. Drehzahl, Temperatur, Druck.
Durch dieses Verfahren kann jede Station gleichzeitig auf die gleiche Nachricht
interagieren. Damit es nicht zu Kollisionen auf dem Bus kommt, arbeitet der CAN-Bus
mit Arbitrierung und Priorisierung. Dabei werden den Identifiern Prioritäten zugeordnet
und der Nachricht mit der höchsten Priorität Vorrang eingeräumt. Die Zuteilung des
CAN-Busses erfolgt bitweise. Es gibt zwei unterschiedlich lange Bitformate für den
Identifier, die nebeneinander auf dem CAN-Bus existieren können: den StandardIdentifier mit 11 Bit und den Extended-Identifier mit 29 Bit.
Da im CAN-Datenrahmen einige Bits für die zyklische Blockprüfung, die
Datenrahmenprüfung und für weitere Fehlererkennungsverfahren übertragen werden,
kann er nur wenige Byte an Nutzdaten aufnehmen. Das hat den Vorteil, dass bei einer
Fehlererkennung der Zeitverlust für die Wiederholung des Datenrahmens sehr gering
ist.
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CANopen CANopen ist ein von der CAN-in-Automation (CiA) spezifizierter Standard, der auf dem
CAN-Bus basiert und einen Subset des CAN Application Layer (CAL) für die
Kommunikation und das Netzwerk-Management benutzt. Die Modellierung der Geräte
basiert auf der Beschreibung der Gerätefunktionen in einem Geräteverzeichnis. Dieser
Ansatz korrespondiert im Wesentlichen mit der Art und Weise wie die Geräte in
anderen Feldbussen beschrieben werden, beispielsweise im Interbus oder Profibus.
Dabei werden die Standardgeräte als Geräteprofile spezifiziert.
CANopen-Netze arbeiten im Master-Slave-Betrieb und unterstützen bis zu 127
logische Einheiten. Die Funktionen des Netzmanagements übernimmt dabei eine
Masterstation.
http://www.can-cia.org
CIP-Protokoll Das Common Industrial Protocol (CIP) ist ein Anwendungsprotokoll für die Automation,
CIP, common industrial das den Übergang der Feldbusse in industrielles Ethernet und in IP-Netze unterstützt.
protocol Dieses Industrieprotokoll benutzen einige Feldbusse wie DeviceNet, ControlNet und
EtherNet/IP in der Anwendungsschicht als Schnittstelle zwischen der
deterministischen Feldbus-Welt und der nicht-deterministischen IP-Welt wie dem
Internet. Das CIP-Protokoll liegt oberhalb der Transportschicht und erweitert die reinen
Transportdienste um Kommunikationsdienste für die Automatisierungstechnik. Dazu
gehören Dienste für den zyklischen, den zeitkritischen und den ereignisgesteuerten
Datenverkehr.
Das CIP-Protokoll ist ein netzwerkunabhängiges Anwendungsprotokoll, das
unabhängig vom Übertragungsmedium arbeitet und das Routing der IP-Netze nicht
beeinträchtigt. Über das CIP-Protokoll können die Steuergeräte auf gemeinsame
Geräteprofile und Objektbibliotheken zugreifen.
Mit der Version CIP-Safety wird das CIP-Protokoll um Sicherheitsfunktionen erweitert.
D2B-Bus Der D2B-Bus ist ein Feldbus der Automotive-Technik. Er unterstützt das Infotainment
D2B, domestic data bus und arbeitet wie der MOST-Bus mit der optischen Polymerfaser. Die
Datenübertragungsrate beträgt 5,65 Mbit/s und die Anzahl der anschließbaren
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Teilnehmer 61. Über den D2B-Bus werden Steuer- und Audiodaten übertragen.
Der D2B-Bus bildet topologisch eine Ringstruktur, bei der das Radio eine
dominierende Rolle spielt indem es bei der Erstinbetriebnahme alle an den D2B-Bus
angeschlossenen Komponenten erfasst. Außerdem wird die einmal festgelegte
Stationsreihenfolge im Radio gespeichert. Ein Austausch des Radios hat somit eine
Fehlermeldung im D2B-Bus zur Folge. Der D2B-Bus ist über die einzelnen
Komponenten durchgeschleift, wird eine Komponente entfernt ist die Ringstruktur
unterbrochen. Dies kann durch Einstecken eines passiven Überbrückungssteckers
aufgehoben werden. Der von Matsushita und Philips entwickelte D2B-Bus wurde
bereits durch leistungsfähigere Buskonzepte wie den MOST-Bus abgelöst.
DeviceNet ist ein offener, von Allen-Bradley entwickelter Feldbus, der mit dem CANDeviceNet Protokoll arbeitet und von der ODVA weiterentwickelt und vermarktet wird.
Das DeviceNet ist als leistungsfähiges Sensor-Aktor-Netzwerk auf der
Übertragungsschicht angesiedelt. Es arbeitet wie die meisten Feldbusse im MasterSlave-Betrieb und im Multi-Master-Betrieb. Die Kommunikation ist
verbindungsorientiert und erfolgt als Punkt-zu-Punkt-Verbindung oder als
Mehrpunktverbindung. Es gibt vordefinierte Verbindungstypen, die bestimmte Dienste
unterstützen und deren Subsets die Kommunikation erleichtern.
Im DeviceNet werden die verfügbaren Kommunikationsdienste durch abstrakte
Objektmodelle dargestellt sowie durch das extern sichtbare Verhalten der DeviceNetKnoten. Das Verhalten der DeviceNet-Geräte ist in Geräteprofilen festgelegt.
Ein DeviceNet kann bis zu 64 Knoten umfassen, die Datenraten liegen bei 125 kbit/s,
250 kbit/s und 500 kbit/s.
Das DeviceNet-Schichtenmodell kennt die Bitübertragungsschicht in der das
Übertragungsmedium und die Anschlusskomponenten festgelegt sind, die Teilschicht
mit dem Physical Signaling und die Sicherungsschicht, die durch Spezifikationen des
CAN-Busses abgedeckt sind, und die Anwendungsschicht mit den DeviceNetSpezifikationen. Hier residiert auch das Common Industrial Protocol (CIP) für die
Migration in IP-Netze.
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DIN-Messbus Der DIN-Messbus ist als Kommunikationsschnittstelle für einfache Mess- und
DIN measurement bus Prüfgeräte mit geringer Rechenleistung konzipiert. Er eignet sich besonders für die
Prozessautomation, die Versorgungs- und Entsorgungstechnik, die
Umweltmesstechnik sowie für Kommunikationsaufgaben in der Messtechnik und
Qualitätssicherung. Er wird auch in eichpflichtigen Anlagen wie Tankanlagen,
Wägeeinrichtungen und Durchflussmesssystemen eingesetzt.
Der nach DIN 66348 standardisierte Feldbus zeichnet sich durch seine hohe
Sicherheit gegen den Busausfall und Übertragungsfehler aus und bietet einfache,
kostengünstige Anschaltungen. Die Länge des DIN-Messbusses, auf dem die Daten
als ASCII-Zeichen in Datenpaketen von 128 Byte übertragen werden, beträgt 500 m.
An den im Master-Slave-Betrieb arbeitenden Feldbus können bis zu 32 Stationen
angeschlossen werden. Der DIN-Messbus ist einfach zu Verwalten und unterstützt
diverse Funktionen der Manufacturing Message Specifications (MMS), wobei einige
Pflichtdienste sind, andere hingegen optional.
Ethernet-Powerlink Das Echtzeitverhalten vom klassischen Ethernet wird durch das stochastische
EPL, Ethernet powerlink Zugangsverfahren CSMA/CD eingeschränkt. Mit EtherCAT und Ethernet-Powerlink
werden diese Einschränkungen unter Beibehaltung des Ethernet-Konzeptes
umgangen. Da Echtzeit-Ethernet
für die Automation und Produktion
besonders wichtig sind, sind auch
hier die Einsatzgebiete von
Ethernet-Powerlink (EPL) zu
sehen.
Ethernet-Powerlink ist ein Layer2-Protokoll nach IEEE 802.3u,
das deterministischen EchtzeitDatenaustausch über FastEthernet ermöglicht. Es basiert
Struktur des Ethernetauf einer Hub-Struktur und nutzt
Powerlink
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FELDBUSSE
das Ethernet-Frame und auch die Komponenten von Fast-Ethernet. Wie andere
Feldbusse auch kann Ethernet-Powerlink von der Sensor-Aktor-Ebene, der so
genannten Feldebene, bis hin zur Leitebene eingesetzt werden. Die einzelnen
Komponenten sind über IP-Adressen über alle Ebenen hinweg, unternehmensweit
und über das Internet ansprechbar.
Ethernet-Powerlink arbeitet im Master-Slave-Betrieb mit einem isochronen
Zeitschlitzverfahren und unterstützt den Datentransport mittels IP-, UDP- und TCPProtokoll. Dieses einfache Zugangsverfahren, das Slot Communication Network
Management (SCNM), bildet die Grundlage für den Determinismus. Dabei verteilt die
Managing Node (MN), die die Funktion des Managers innehat, die
Zugangsberechtigung der Teilnehmer auf das Medium. Sie verhindert Kollisionen und
Zykluszeit von Ethernet- gibt den Zeittakt für die Synchronisation aller Teilnehmer vor. Die Geräte, die im EPLPowerlink in Abhängigkeit Konzept als Controlled Node (CN) bezeichnet werden, senden nur dann, wenn sie
von der Stationszahl vom Manager dazu aufgefordert werden.
Das EPL-Protokoll ist ein deterministisches Zugangsverfahren, das in einem
abgegrenzten Netzwerk-Segment, der Realtime-Domain, abläuft. Der zeitkristische
Datenverkehr erfolgt im sogenannten Protected Mode. In dieser Betriebsart können
Zykluszeiten von 1 ms bei über 30 Stationen und 46 Byte Nutzdaten realisiert werden.
Der weniger zeitkrische Datenverkehr wird nicht in dieser Netzwerk-Domäne
abgewickelt und belastet dadurch auch nicht das Realtime-Segment. An die RealtimeDomäne können bis zu 240 Stationen angeschlossen werden.
Die Frame-Länge der EPL-Telegramme kann bis zu 1.500 Byte betragen, die
Zykluszeiten liegen bei Telegrammen in Standardlänge bei etwa 100 Mikrosekunden.
Von der Topologie her sind für EPL alle Varianten denkbar, außerdem kann ein
solches Netzwerk mit Hubs und Routern erweitert und an andere IP-Netze
angebunden werden.
In der Anwendungsschicht setzt Ethernet-Powerlink auf CANopen.
Die Aktivitäten von Ethernet-Powerlink werden von der Ethernet Powerlink
Standardization Group (EPSG) vorangetrieben.
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EPL-Protokoll
EPL protocol
Struktur des
Ethernet-Powerlink
Zykluszeit von EthernetPowerlink in Abhängigkeit
von der Stationszahl
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Das EPL-Protokoll ist ein
deterministisches
Zugangsverfahren für EthernetPowerlink (EPL). Da EthernetPowerlink in Automatisierungs-,
Produktions- und
Fertigungsumgebungen
eingesetzt wird, fallen
zeitkritische Daten an, die mit
definerter Vorhersagbarkeit
übertragen werden müssen. Zu
diesem Zweck arbeitet EthernetPowerlink mit einen abgegrenzten Realtime-Domäne, einem speziellen NetzwerkSegment über das der der zeitkrische Datenverkehr abgewickelt wird. An ein solches
Realtime-Segment können bis zu 240 Controlled Node (CN), das ist die Bezeichnung
für die Stationen, angeschlossen werden.
Das EPL-Protokoll ist ein zyklisches Zugangsverfahren, das sicherstellt, dass alle
Controlled Nodes mit einer zeitlichen Verzögerung von unter einer Mikrosekunde
zueinander synchronisiert sind.
Beim EPL-Protokoll sendet die Managing Node einen Startzyklus (SoC) als Broadcast
über die Realtime-Domäne und überprüft damit das Zeitverhalten. Dieser Startzyklus
kennzeichnet den Beginn der streng deterministischen Zyklusperiode, bei dem der
Managing Node im Unicast an alle Controlled Nodes einen Sendeaufruf sendet, die
dann mit einer entsprechenden Response-Nachricht ihre Sendebereitschaft
dokumentieren. Da das Poll-Response im Multicast gesendet wird, empfangen es alle
Controlled Nodes und können ihren Sendewunsch zurückstellen.
Die Übertragung der zeitkritischen Daten erfolgt isochron in Zeitfenstern. Jeder Station
wird dabei ein Zeitfenster zugeordnet. Während dieser Periode können die Knoten IPTelegramme, das sind die aus der Datenkommunikation bekannten Datagramme, in
dem der Station zugeordneten Zeitfenster senden. Einzelne Zeitfenster können im
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FELDBUSSE
Multiplex mehreren Stationen zugeordnet werden.
Der isochronen Übertragung folgt ein Zeitfenster für asynchrone Daten. Dies sind
zeitunkritische Diagnose- und Messdaten. In einem Übertragungszyklus wird jeweils
nur ein Zeitfenster für asynchrone Daten einer einzelnen Station zugeordnet. Die
Zuordnung der Zeitfenster übernimmt die Managing Node, die die Anfragen der
einzelnen Stationen nach Prioritäten gliedert.
Für sicherheitskritische Anwendungen gibt es die Protokollversion EPLsafety.
EPSG Die EPSG-Standardisierungsgruppe treibt die Standardisierung von EthernetEthernet powerlink Powerlink (EPL) voran, einer Ethernet-Echtzeitvariante, die ursprünglich von der
standardization group österreichischen Firma B&R entwickelt wurde. Die EPSG ist in der IAONA organisiert
und setzt aus Endanwendern, Herstellernund Forschungsinstituten der
Automatisierungstechnik zusammen. EPSG Mitglieder sind unter anderem ABB
Robotics, Altera, Baldor, B&R, Hirschmann, KUKA Controls, KW Software, Lenze,
National Instruments und Tetra Pak.
Ziel der EPSG-Aktivitäten ist die Nutzung von Fast-Ethernet nach 802.3u mit 100BaseTX unter Verwendung der bekannten Ethernet-Übertragungsmedien und Komponenten, ein deterministisches Zugangsverfahren für die Übertragung von
zyklischen Daten mit einer minimalen Zykluszeit von 200 Mikrosekunden, ein Jitter von
unter 1 Mikrosekunde und die Benutzung der bekannten Transportprotokolle TCP/IP,
UDP und HTTP.
Das IEC hat Ethernet-Powerlink als Publicly Available Specification (PAS) akzeptiert.
http://www.ethernet-powerlink.org
ETG Die EtherCAT Technology Group (ETG) ist eine Interessengemeinschaft, die sich der
EtherCAT technology Weiterentwicklung und Implementierung von EtherCAT widmet, einer Ethernetgroup Echtzeittechnologie, die von der Firma Beckhoff entwickelt und vom IEC als Publicly
Available Specification (PAS) publiziert wurde. Die ETG-Gruppe will die
kostengünstige Integration von EtherCAT in Automatisierungskomponenten und deren
Interoperabilität vorantreiben.
Exit
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16
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FELDBUSSE
Diese Echtzeittechnologie ist für die Automation, den Anlagenbau, die Produktion und
Fertigung von besonderem Interesse und zeichnet sich durch extrem geringe Zyklusund Verzögerungszeiten aus.
http://www.ethercat.org
EtherCAT Das klassische Ethernet hat bedingt durch sein stochastisches Zugangsverfahren
Ethernet for control bestimmte Einschränkungen hinsichtlich der Echtzeitfähigkeit. Mit EtherCAT, einer
automation technology Entwicklung der Firma Beckhoff, wird diese Einschränkung relativiert, da sich
EtherCAT, ein Feldbus, durch extrem kurze und vorhersagbare Verzögerungs- und
Zykluszeiten auszeichnet. EtherCAT ist daher als Echtzeit-Ethernet von besonderem
Interesse für die Bereiche Automation, Produktion und Fertigung.
Die Verkürzung der Durchlaufzeiten wird beim EtherCAT-Protokoll dadurch erreicht,
dass die Telegramme, das sind die aus der Datenkommunikation bekannten
Datagramme, nach dem Empfang nicht mehr interpretiert und kopiert werden,
sondern “On-the-Fly” verarbeitet werden; also quasi im Vorbeifliegen. Dabei werden
die UDP-Telegramme, die an eine so genannte Fieldbus Memory Management Unit
(FMMU) adressiert sind, von dieser gelesen, während das Telegramm zur nächsten
Station oder Steuergerät weitergeleitet wird. Auf ähnliche Weise werden
Eingangsdaten eingefügt während das Telegramm die Station passiert. Dadurch
liegen die Verzögerungszeiten der Datentelegramme bei wenigen Nanosekunden (ns).
EtherCAT arbeitet im Master-Slave-Betrieb; masterseitig kommen in der EtherCATTopologie kommerziell verfügbare Netzwerkkarten (NIC) oder On-Board-Controller
zum Einsatz. Durch die FMMUs in den Slave-Knoten und den direkten Speicherzugriff
(DMA) über die Netzwerkkarten, ist der komplette Prozess hardware-orientiert und
unabhängig von Laufzeiten durch Protokollstacks, von CPU-Performance oder
Software-Implementierungen.
So beträgt die Aktualisierungszeit von 1.000 verteilten I/Os nur 30 Mikrosekunden.
Innerhalb eines Ethernet-Telegramms können bis zu 1.486 Byte an Prozessdaten
übertragen werden und das in einer Datentransferzeit von 300 Mikrosekunden.
Voraussetzung für diese kurzen Transferraten ist eine exakte Synchronisation der
Exit
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verteilten Prozesse. Diese wird durch die genaue Ausrichtung des verteilten
Taktsignals erreicht, wie es im Standard IEEE 1588 beschrieben ist.
EtherCAT-Protokoll Von der Funktion her ist EtherCAT vergleichbar einem einzelnen großen EthernetEtherCAT protocol Teilnehmer, der Ethernet-Datagramme, in Feldbussen auch als Telegramme
bezeichnet, sendet und empfängt. Ein solcher Ethernet-Teilnehmer besteht aus vielen
EtherCAT-Slaves, die die Telegramme während des Durchflusses bearbeiten indem
sie für den jeweiligen Slave bestimmte Nutzdaten aus dem EtherCAT-Frame
herausnehmen oder einfügen und gleichzeitig das Datagramm an die folgende Station
weiterleiten. Die Slaves können untereinander direkt, im Multicast und im Broadcast
kommunizieren.
Das EtherCAT-Protokoll verwendet Ethernet-Telegramme, das sind die aus Ethernet
bekannten Ethernet-Frames, und hängt an dieses einen zwei Byte langen EtherCATHeader. Ein EtherCAT-Telegramm kann mehrere EtherCAT-Kommandos für
verschiedene Slaves und deren direkt adressierbare Speicherbereiche enthalten. Die
Größe des Direct Memory Access (DMA) beträgt 64 KB.
Der EtherCAT-Datenrahmen besteht aus dem Ethernet-Frame, gefolgt von einem 2
Byte großen EtherCAT-Frame, dem Nutzdatenbereiche mit den EtherCAT-Kommandos
folgen. Abgeschlossen wird der EtherCAT-Datenrahmen durch ein 4 Byte langes
Datenfeld für die zyklische Blockprüfung (CRC).
Erfolgt die Kommunikation über das UDP-Protokoll und IP-Protokoll, dann folgt dem
Ethernet-Header zuerst der IP-Header, dann der UDP-Header und danach der
EtherCAT-Header.
EtherCAT-Topologie EtherCAT, ein Feldbus-Konzept für die Automation und Produktion, kann in
EtherCAT topology verschiedenen Topologien realisiert werden. Prinzipiell sind alle Ethernet-Topologien
möglich, einschließlich der Sterntopologie des Ethernet-Switching. Ebenso kann
EtherCAT auch in Bus- und Linientopologien, wie sie von anderen Feldbussen her
bekannt ist, aufgebaut werden.
Als Übertragungsmedien stehen die bekannten Ethernet-Übertragungsmedien wie
Exit
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TP-Kabel, Lichtwellenleiter und Plastikfasern zur Verfügung. Die Ausdehnung ist
abhängig von der benutzten Ethernet-Konfiguration und beträgt bei 100Base-TX 100
m zwischen den Komponenten.
Da bei EtherCAT auch Übertragungen über sehr kurze Entfernungen erfolgen, so
beispielsweise zwischen zwei EtherCAT-Klemmen, wurde auch eine Buskonfiguration
für kurze Busse entwickelt: der E-Bus. Dieser bedient sich des LVDS-Protokolls und
kann im Nahbereich bis zu 10 m eingesetzt werden. Als Übertragungsmedien
kommen hier ebenfalls STP-Kabel der Kategorie 5 und Plastikfasern (bis 10 m) zum
Einsatz.
Die Größe eines solchen EtherCAT-Netzes kann bis zu 65.535 Geräte umfassen.
EtherNet/IP EtherNet/IP ist ein offener Industrie-Standard für industrielles Echtzeit-Ethernet,
Ethernet industrial protocol basierend auf TCP/IP und UDP/IP. Mit dem EtherNet/IP-Protokoll wird Ethernet um
das Commen Industrial Protocol (CIP) auf der Anwendungsschicht erweitert. Mit
EtherNet/IP können alle Ethernet-Komponenten und die bekannten Netzwerk- und
Transportprotokolle im industriellen Umfeld eingesetzt werden. In EtherNet/IP werden
die unteren Schichten des OSI-Referenzmodells von Ethernet mit den Übertragungs-,
Vermittlungs-, Netzwerk- und
Transportfunktionen
übernommen. Das bedeutet,
dass EtherNet/IP
Brückenfunktionen und
Routing unterstützt und als
Transportprotokoll das TCPProtokoll benutzt, alternativ
das UDP-Protokoll. Letzteres
für Echtzeitanwendungen, da
das UDP-Protokoll wesentlich
EtherNet/IP mit den
kompakter ist und einen
klassischen Netzwerk- und
geringeren Overhead hat, als
Transportschichten
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das TCP-Protokoll. Während das UDP-Protokoll zur Übertragung von zeitkritsichen
Steuerdaten benutzt wird, werden mit dem TCP-Protokoll parallel dazu die
Informationsdaten übertragen.
Oberhalb der Transportschicht findet die Verkapselung des Common Industrial
Protocol (CIP) statt, das auf dem TCP/IP-Protokoll abgebildet wird.
EtherNet/IP unterstützt Echtzeitanwendungen in der Automation, Produktion und
Fertigung und hat den Vorteil, dass eine Durchgängigkeit vom Unternehmensnetz
über das Internet oder andere IP-Netze bis in die Produktionsnetze gegeben ist. Mit
solchen Netzen kann ein durchgängiger Informationsfluss innerhalb des
Unternehmens aber auch über die Zulieferer hinaus aufgebaut werden.
Die Standardisierung von EtherNet/IP wurde von verschiedenen Konsortien begleitet.
So von der ODVA, die die Interessen des DeviceNet vertritt, der ControlNet
International (CI), die die Interessen des ControlNet vertritt und der Industrial Ethernet
Association (IEA), die industrielles Ethernet fördert.
Europäischer
Installationsbus
EIB, European installation
bus
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Die europäische Union hat mit dem europäischen Installationsbus (EIB) einen
Standard für die Gebäudeautomation und das Gebäudemanagement festgelegt. Der
Standard ist für Wohn- und Zweckbauten und soll die vorhandenen herstellereigenen
Bussysteme ersetzen und einbinden.
Der EIB-Bus ist ein Bussystem, das alle Sensoren und Aktoren in Gebäuden
miteinander verbindet und über das die Steuersignale für diese Komponenten
betrieben werden. Im einzelnen handelt es sich bei den Sensoren um
Bewegungsmelder, Temperaturfühler, Brandmelder, Windstärkemesser, Lichtmesser
usw., bei den Aktoren primär um Motore und Schalter.
Das EIB-Konzept nutzt für die Sensor- und Steuersignale ein separates UTP-Kabel
der Kategorie 5 und ein spezielles Protokoll. Die Steuerspannung für die Sensoren
und Aktoren läuft über das UTP-Kabel. Lassen die bautechnischen Voraussetzungen
eine separate Verkabelung nicht mehr zu, bieten sich als Alternativen Powerline an,
sowie eine Funk- oder Infrarot-Verbindung.
Die Struktur der EIB-Verkabelung kann in Bus-, Stern-, Linien- oder Baumtopologie
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erfolgen. Die einzelnen Linien werden über Linienkoppler, die sich in den
Verteilerkästen befinden, mit einander verbunden. An einer Linie sind Sensoren und
Aktoren gleichermaßen angeschlossen, die über das IP-Protokoll mit so genannten
Telegrammen, das sind die von der Datenkommunikation her bekannten Datagramme,
versorgt werden. Die Telegramme enthalten eine Nutzdateninformation von 8 Bit.
Insgesamt kann eine solche Konstellation aus 15 Bereichen und 15 Linien mit jeweils
256 Stationen bestehen. Dementsprechend benutzen die Stationen für die
Adressierung Dotted Decimal Notation Bereich.Linie.Station, Beispiel: 12.4.122.
Bereich 12, Linie 4, Station 122.
Die Datenrate beträgt bei der Übertragung üerb UTP-Kabel 9,6 kbit/s. Die Öffnung
nach Außen erfolgt über das IP-Protokoll, damit das Gebäude- und FacilityManagement auch von ausgelagerten Standorten aus über Festnetze und
Mobilfunknetze erfolgen kann. Alle Diagnosevorgänge und Fehlermeldungen können
von dann von einer Zentrale aus dezentral gesteuert werden. Diese zentrale Leitstelle
nimmt alle Störmeldungen, Warnhinweise und Alarme entgegen und kann darauf
entsprechend reagieren.
Feldbus Der Feldbus ist der Oberbegriff für verschiedene physikalisch ausgeprägte
fieldbus Bussysteme für die Automatisierung, Fertigungstechnik, Gebäudeautomation und die
Automotive-Technik. Es handelt sich um leitungsgebundene serielle Bussysteme mit
denen Feldgeräte, das sind Sensoren und Aktoren, wie Antriebe, Schalter, Motore und
Lampen mit den Steuerungsgeräten und Leitrechnern verbunden werden und über
die der schnelle Datenaustausch zwischen den Komponenten erfolgt. Von der
Organisation her arbeiten Feldbusse meistens im Master-Slave-Betrieb, bei dem die
Masterstation die Steuerung der Prozesse und Protokolle und die Slave-Stationen die
Abarbeitung der Teilaufgaben übernimmt.
Da die Steuerung der Aktoren mit einer vorhersagbaren Verzögerungszeit muss,
benutzen Feldbusse deterministische Zugangsverfahren, wie TDMA oder andere. Dies
unterscheidet sie ganz wesentlich von dem stochastischen Zugangsverfahren, das in
Ethernet eingesetzt wird und verdeutlicht die Probleme bei der Migration zwischen
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Aufbau eines
Feldbusses
Feldbusse und WLANs in der
Automotive-Technik
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den nicht-deterministischen IP-Netzen und
den deterministischen
Feldbussen beim
Übergang in das
industrielle Ethernet.
Feldbusse unterscheiden
sich hinsichtlich ihrer
Topologie, ihrer
Übertragungsmedien und
haben je nach
Ausführung
unterschiedliche
Übertragungsprotokolle. Man unterscheidet dabei zwischen den nachrichtenorientierten Verfahren und dem Summenrahmenverfahren. Eines der bekannteren in
der Automation auf Feldbussen eingesetzten Protokolle ist das MAP-Protokoll.
Feldbusse unterliegen
diversen nationalen und
internationalen
Standards und
adaptieren die
Schichtenstruktur des
OSI-Referenzmodells.
Einen gemeinsamen
Standard für Feldbusse
gibt es nicht, es handelt
sich in aller Regel um
proprietäre Systeme, die
durch Interessengruppen
weiterentwickelt und
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FELDBUSSE
gefördert werden.
Von der Topologie können sie aufgebaut sein wie Netzwerke, nämlich in
Ringtopologie, Baumtopologie, Bustopologie oder Sterntopologie.
Feldbusse sind für ihr Einsatzgebiet optimiert, so dass es diverse Versionen für den
Anlagenbau und die Automation gibt, ebenso wie für den Maschinenbau, die
Automotive-Technik, die Prozess- und die Gebäudeautomation.
Bekannte Feldbusse sind der Interbus, Profibus, Bitbus, I2C-Bus, Modbus, LIN-Bus,
MOST-Bus, TTP/A-Bus, TTP-C-Bus, Bacnet, Batibus und der CAN-Bus.
Neben den genannten haben sich Feldbusse auf Ethernet-Basis etabliert: EtherNet/IP,
EtherCAT, Ethernet-Powerlink, DeviceNet, ControlNet und Sercos-Interface.
Feldebene Feldbusse sind für verschiedene Anwendungen entwickelt, die sich in den
Prozessebenen widerspiegeln. Man unterscheidet dabei die Feld-, Prozess- und
Leitebene, die unterschiedliche Anforderungen an die Informationsübertragung
stellen.
Die Feldebene ist die unterste Ebene dieser Ebenenhierarchie. Auf dieser Ebene wird
die Steuerung der Prozesse direkt durch die Sensoren und Aktoren ausgeführt. Die
Daten der Sensoren werden ausgelesen und unmittelbar für die Steuerung der
Aktoren verarbeitet. Neben den reinen Sensordaten werden auf der Feldebene auch
Analyse- und Alarmdaten übermittelt. Der Datenaustausch erfolgt in der Regel nicht
direkt zwischen den Feldgeräten, sondern ebenenübergreifend mit den Steuergeräten
der Aktoren.
Typische Feldbusse für die Feldebene sind das AS-Interface, der Profibus, CAN-Bus,
LIN-Bus, TTP/A-Bus, LON-Bus und der europäische Installationsbus (EIB).
FlexRay FlexRay ist ein zeitgesteuerter Feldbus, der in der Automotive-Technik die
Anforderungen an sicherheitskritische Systeme wie Lenkung und Bremssystem erfüllt.
Der FlexRay-Bus ist ein herstellerübergreifender, offener Standard, der sich durch
eine hohe Datenrate, durch Fehlertoleranz, garantierte Latenzzeiten und die
Vorhersagbarkeit des Übertragungszyklus auszeichnet.
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Aufbau eines
FlexRay-Knotens
FlexRay-Konzept mit zwei
getrennten Kanälen
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Diese Vorhersagbarkeit kann nur mit
zeitgesteuerten Zugangsverfahren erreicht
werden. Aus diesem Grund arbeitet FlexRay
mit dem deterministischen
Zugangsverfahren TDMA, bei dem den
einzelnen Stationen Zeitschlitze für die
Übertragung zur Verfügung gestellt werden,
und einem stochastischen
Zugangsverfahren mit dynamischer
Zuordnung der Zeitschlitze zur besseren
Ausnutzung der Bandbreite. Beide Verfahren
arbeiten nacheinander und auf zwei
vollkommen getrennten Kanälen. Zuerst
erfolgt die statische Zuordnung der
Zeitschlitze, anschließend die dynamische, die nur dann aktiv wird, wenn innerhalb
eines Minislots ein Zugriff erfolgt. Die Übertragung kann synchron oder asynchron
sein.
Da FlexRay in
Sicherheitssystemen
eingesetzt wird, können über
die beiden unabhängigen
Kanäle redundante Daten
übertragen werden, aber
ebenso unterschiedliche
Daten. So kann
beispielsweise ein Zeitschlitz
in beiden Kanälen mit den
gleichen Daten, der folgende
mit unterschiedlichen Daten
belegt werden.
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Die Datenrate des FlexRay-Bus beträgt 10 Mbit/s, kann aber auf 5 Mbit/s und 2,5 Mbit/
s reduziert werden.
Ein FlexRay-Knoten besteht aus dem Prozessor und Controller, dem Bus-Guardian
(BG) und Bus-Driver (BD). Der Bus-Guardian übernimmt die Sendesteuerung und
bietet dem Controller den Zeitslot in dem die Daten eingeblendet werden. Der BusDriver entspricht funktional dem Transceiver und sorgt für den Medienzugang.
FlexRay wird vom FlexRay-Konsortium, dem die Unternehmen BMW, DaimlerChrysler,
Ford, General Motors, Volkswagen, Bosch u.a. angehören, weiterentwickelt und
gefördert.
http://www.flexray.com
IDA IDA ist eine Interessengruppe mit dem Ziel, eine Schnittstelle für die verteilte
interface for distributed Automation auf der Grundlage von Ethernet und TCP/IP zu entwickeln. Die IDA-Group
automation kooperiert mit ODVA und entwickelt offene Standards mit denen auf einem Netzwerk
verschiedene Ethernet-Varianten betrieben werden können.
Zu den Mitgliedern dieser Interessengruppe gehören u.a. die Jetter AG, Lenze,
Phoenix Contact, Real Time Innovations, Sick und Turck.
http://www.ida-group.org
Industrielles Ethernet Beim industriellen Ethernet werden die Feldbus-Protokolle durch Tunneling oder
industrial Ethernet Encapsulation über Ethernet übertragen. Die Vorteile liegen in der Durchgängigkeit
der Kommunikationssysteme vom Feldbus über die Unternehmensnetze und das
Internet in die IP-Welt, in der einfachen Portierbarkeit und der direkten Übernahme der
Anwendungsschicht des Feldbus.
Nachteilig wirken sich der Fortfall der Echtzeitfähigkeit durch das nichtdeterministische Ethernet aus, der große Overhead bei Benutzung des TCPProtokolls und die prinzipielle Beibehaltung eines proprietären Systems.
Die Entwicklungen hin zum Echtzeit-Ethernet werden sowohl in Europa unterstützt, zu
nennen sind EtherCAT und Ethernet-Powerlink, aber ebenso in den USA wo einige
Vereinigungen wie die ODVA, der ControlNet International (CI) und der Industrial
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Ethernet Association (IEA) diese
Lösungen favorisieren.
Sehr weit fortgeschritten sind
die Arbeiten an EtherNet/IP, das
direkt auf den unteren
Schichten von Ethernet aufsetzt
und alle bekannten EthernetKomponenten einbezieht. Das
für die industriellen
Anwendungen entscheidende
Protokoll ist das CIP-Protokoll,
das den zyklischen und
zeitkritischen Datenverkehr der
Unternehmens-Netzstruktur
Automatisierungstechnik
mit industriellem Netz
unterstützt.
CIP-Netzwerke sind
untereinander interoperabel, so dass beispielsweise ein DeviceNet mit einem
EtherNet/IP arbeiten können.
Ein Problem für industrielles Ethernet sind die Stecker. Da Ethernet für nichtindustrielle Anwendungen entwickelt wurde und der RJ-45-Stecker die dominante
Rolle spielt, stellt sich die Frage inwieweit sich dieser Stecker für den rauen
Industriebetrieb und den Einsatz in der Automotive-Technik eignet. Für diesen Einsatz
kommt aber auch der M-Stecker als Alternative in Betracht.
Interbus Der Interbus ist ein standardisierter Feldbus, der in der Automatisierungstechnik
Interbus eingesetzt wird. Es ist ein offenes Buskonzept, das als internationale (IEC 61158),
europäische (EN 50254) und nationale Norm (DIN 19258) standardisiert ist, sich für die
Echtzeitübertragung von Prozessdaten eignet und herstellerneutral alle SPS-Systeme
unterstützt. Der Interbus bildet die ideale Fortsetzung von Ethernet in der
Automatisierung. Das beinhaltet auch die Protokollstruktur und die Integration des
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TCP/IP-Protokolls und damit die Durchgängigkeit der Kommunikation von den
Sensoren und Aktoren über das Internet.
Der Interbus arbeitet mit Übertragungsraten von 125 kbit/s, 500 kbit/s und 2 Mbit/s,
wobei bis zu 254 Teilnehmer als so genannte Fernbusteilnehmer angeschlossen
werden können. Der Medienzugang erfolgt als Timeslot, die Übertragung mittels
nachrichtentechnischen Verfahren mit Dienstelementen oder mit dem
Summenrahmenverfahren.
Der Interbus zeichnet sich aus durch eine kurze, konstante Zykluszeit und eine hohe
Übertragungssicherheit.
Der Interbus ist in Teilsysteme gegliedert, so in den Fernbus, den Installationsfernbus
und den Lokalbus. Von der Topologie her handelt es sich um eine Ringtopologie, die
durch Verteiler zu einer Baumtopologie mutiert. Der Fernbus dient dem Anschluss von
Teilnehmern, die räumlich weit auseinander liegen, der Installationsfernbus ist für
Teilnehmer die auch über den Interbus auch die Versorgungsspannung von +24 V
erhalten und der Lokalbus für eng nebeneinander liegende Teilnehmer.
Als Übertragungsmedium kann der Interbus STP-Kabel, Lichtwellenleiter oder InfrarotVerbindungen verwenden. Bei STP-Kabeln kann der Abstand zwischen zwei
Teilnehmern ohne Repeater bis zu 400 m betragen. Mit einer PCF-Plastikfaser mit
einer Wellenlänge von 660 nm können maximal 70 m, mit einer HCS-Plastikfaser bis
zu 300 m und mit Lichtwellenleitern bis zu 3.000 m überbrückt werden.
Die Zykluszeit ist abhängig von der Anzahl der Teilnehmer, da beim
Summenrahmenverfahren die Nutzdaten aller Teilnehmer hintereinander durch den
Ring geschoben werden. Bei 512 Teilnehmern und einer Datenübertragungsrate von
500 kbit/s beträgt die Zykluszeit 1,8 ms, bei 2.000 Teilnehmern 4,2 ms.
http://www.interbusclub.com
IP67 IP67 ist ein Standard von ISO/IEC der Ethernet den industriellen Einsatz eröffnen soll.
IP67 Push-Pull-Interface IP67 standardisiert die mechanischen Beanspruchungen, denen Ethernet in
industriellen Umgebungen ausgesetzt ist. Dazu gehören die Kabelstecker und
Wanddosen mit ihren Gehäusen, die speziellen Schutzklassen entsprechen müssen
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um auch Spannungsspitzen, die durch die Schaltung von Produktionsanlagen
auftreten, beherrschen zu können.
J1708-Bus Der J1708-Bus ist ein von der Society of Automotive Engineers (SAE) standardisierter
Feldbus für Schwerlasttransporter. Physikalisch entspricht er im Wesentlichen dem
RS-485, mit dem Unterschied der Kollisionserkennung (CD) und dem Multiple Access.
Die J1708-Knoten benutzen ein Prioritätensystem mit dem der kollisionsfreie Zugang
auf den J1708-Bus geregelt wird. Jeder J1708-Station wird dabei eine eigene Priorität
zugeordnet und zwar abhängig von der Anwendung.
J1850-Bus Der J1850-Bus ist ein von der Society of Automotive Engineers (SAE) standardisierter
Feldbus für Schwerlasttransporter, der vorwiegend in Nordamerika eingesetzt, aber
durch den CAN-Bus abgelöst wurde.
Es handelt sich um eine preiswerte, offene Architektur in Bustopologie ohne
Masterstation. Der J1850-Standard unterstützt zwei unterschiedliche Verfahren:
Pulsweitenmodulation (PWM) mit einer Datenrate von 41,6 kbit/s und Variable Pulse
Width (VPW) mit 10,4 kbit/s. Er definiert das Arbitration und den Datenrahmen von
J1850, ebenso wie die Zeichensätze, die Bitübertragungsschicht und das
Antwortzeitverhalten.
J1939-Bus Der J1939-Bus ist ein von der Society of Automotive Engineers (SAE) standardisierter
Feldbus für Schwerlasttransporter. J1939 basiert auf dem physikalischen Layer des
CAN-Bus.
LDF Das LIN Description File (LDF) beschreibt alle Signale, Datenpakete und deren
LIN description file zeitliche Abfolge auf einem LIN-Bus. Sind mehrere verschiedene LIN-Slaves an einen
LIN-Bus angeschlossen, dann werden alle Signale und Frames in der LIN Description
File beschrieben. Im Identifier-Feld des LIN-Datenrahmens kann die jeweilige Station
erkennen, ob der Frame für ihn bestimmt ist.
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Leitebene Die Leitebene bildet im hierarchischen Ebenenmodell für die Automation die oberste
Ebene mit der höchsten Funktionsvielfalt. Auf dieser Ebene sind die Leitrechner, die
SPS-, IPC-, CAD- und CAM-Systeme angesiedelt. Die Leitebene dient der Steuerung
der gesamten Betriebs- und Produktionsstätten. Auf dieser Ebene findet häufig eine
Vernetzung mit Ethernet oder industrielles Ethernet statt. In bestimmten
Anwendungen wie der Automotive-Technik werden an die Feldbusse
sicherheitsrelevante Anforderungen gestellt.
LIN-Bus Der LIN-Bus ist ein preiswertes, flexibles Sensor-Aktor-Netzwerk, das in der
LIN, local interconnect Automotive-Technik Sensoren und Aktoren und deren Steuergeräte auf der Feldebene
network miteinander vernetzt und als Subbus mit einem leistungsfähigeren Feldbus, wie dem
CAN-Bus, verbunden ist. Der LIN-Bus ersetzt die aufwendige Verdrahtung von
Sensoren und Aktoren mit einem CAN-Steuergerät. Dadurch kann die I/OFunktionalität des CAN-Steuergerätes auf die LIN-Slaves verteilt werden. Er erfüllt die
Spezifikationen der SAE-Klasse “A”. Das LIN-Protokoll wurde erstmals im Jahre 2000
auf einem amerikanischen Kongress vorgestellt.
Wie die meisten Feldbusse arbeitet der LIN-Bus im Master-Slave-Betrieb und
überträgt die Daten über ein einadriges
Kabel, an das alle LIN-Komponenten - LINMaster und LIN-Slaves - angeschlossen
sind. Die Kabellänge, die Kapazität des
Kabels und der Übertragungspegel sind
definiert.
Da alle angeschlossenen LIN-Stationen
gleichberechtigt sind, steuert der LINMaster die Zugangsberechtigung der
einzelnen LIN-Slaves auf das
Übertragungsmedium. Beim
Zugangsverfahren wird nacheinander
LIN-Bus als Subbus des
jedem einzelnen LIN-Slave ein Zeitslot für
CAN-Busses
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die Übertragung zur Verfügung gestellt. Dadurch ist die Latenzzeit vorhersagbar.
Der LIN-Bus arbeitet ebenso wie das CAN-Protokoll mit einem speziellen NachrichtenIdentifier. Dieses Identifier-Feld enthält die wichtigsten Informationen der Steuergeräte
und tritt auch anstelle der Quell- und Zieladressen, die es im LIN-Datenrahmen
ebenso wenig gibt wie beispielsweise im CAN-Datenrahmen. Die Kommunikation ist
Multicast oder Broadcast, wobei jedes LIN-Steuergerät die Informationen über die LIN
Description File (LDF) erhält. Die Datenraten des LIN-Bus sind sehr moderat und
betragen 9,6 kbit/s und 19,2 kbit/s, sowie 10,4 kbit/s; der Signalpegel auf dem
Eindrahtbus liegt bei 12 V. Ein typischer LIN-Bus hat 16 LIN-Stationen, wobei die LINMaster den LIN-Bus steuern und mit den LIN-Slaves kommunizieren. Die LIN-Slaves
sind Mikrocontroller für die Ansteuerung von Sensoren und Aktoren, wie
beispielsweise einem Fensterheber oder Wischermotor.
Damit der LIN-Bus möglichst preiswert wurde, hat man die Slaves ohne umfangreiche
Funktionseinrichtungen ausgestattet und werden über den Bus synchronisiert.
http://www.lin-subbus.org
LIN-Datenrahmen Der Datenrahmen des LIN-Busses ist relativ einfach aufgebaut und besteht aus dem
LIN frame LIN-Header mit dem Synchronisationsmechanismus, Identifier-Feld, Datenfeld und der
Prüfsumme.
Die ersten Datenfelder des LIN-Headers dienen der Synchronisation der LIN-Slaves.
Zu diesem Zweck wird als Start of
Frame ein 13 Bit langer 0-Pegel
gesendet, der den Slaves den
Beginn eines neuen
Datenrahmens anzeigt. Diesem
folgt das Sync-Feld mit fünf 1-0Folgen, von denen die Slaves die
negative Signalflanke für die
Taktsynchronisation benutzen.
Da das LIN-Protokoll ohne QuellLIN-Datenrahmen
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und Zieladressen arbeitet, werden die Kennungsinformationen der einzelnen
Steuergeräte im Identifier-Feld übertragen. Das auch als Message-Identifier
bezeichnete Datenfeld besteht aus 6 Identifier-Bits und 2 Paritätsbits und somit
wesentlich kleiner als das des CAN-Bus. Dem Identifier-Feld folgt das Datenfeld, das
aus 1 Byte bis 8 Byte bestehen kann. Das Datenfeld beginnt mit dem geringstwertigen
Bit (LSB). Das Prüfsummenfeld schließt den LIN-Datenrahmen ab. Als Prüfsumme
wird die Modulo-256-Summe über alle Datenbytes gebildet.
Linientopologie Neben den aus der Netzwerktechnik bekannten Topologien Ring und Baum, gibt es
line topology bei Feldbussen noch die Linientopologie. Diese Struktur unterscheidet sich von der
Ringtopologie, die in Feldbussen immer einem Doppelring entspricht, als Einfachring,
bei der eine Kabelverbindung gespart wird, die aber im Fehlerfall keine Redundanz
hat.
Die Linientopologie kann über die Implementierung von Switches aufgebaut werden.
Sie wird vorwiegend in großen Fertigungseinrichtungen und zur Verbindung von
Fertigungszellen eingesetzt.
LON-Bus Das Local Operating Network (LON) ist ein von der Firma Echelon, Palo Alto,
LON, local operating entwickelter Feldbus für die Fertigungssteuerung, der aber in der Gebäudeautomation
network Einzug gehalten hat. Die LON-Technik arbeitet mit autarken, intelligenten Netzknoten,
die im LON-Konzept als Neuron-Prozessoren bezeichnet werden und über eine
weltweit eindeutige ID-Nummer, die NeuronID, verfügen. Die Übertragung im LONFeldbus kann über verdrillte TP-Kabel, Koaxialkabel oder Stromkabel erfolgen oder
auch drahtlos über Funk. Die Topologie ist frei, es können gleichermaßen Bus-, Sternund Linienstrukturen miteinander verbunden werden. Die Datenrate ist abhängig vom
Übertragungsmedium und liegt zwischen 10 kbit/s für Stromkabel bis hin zu 1,2 Mbit/s.
Ein Netzsegment kann bis zu 64 Netzknoten enthalten. Für größere LONNetzkonfigurationen können einzelne Netzsegmente über Repeater oder Router
miteinander verbunden werden.
Da Feldbusse eine voraussagbare Verzögerungszeit haben müssen, wird beim LONExit
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FELDBUSSE
Feldbus eine deterministische Variante von CSMA benutzt, allerdings nicht CSMA/CD,
dem stochastischen Zugangsverfahren von Ethernet.
Modbus Modbus ist ein Anwendungsprotokoll für den Austausch von Nachrichten zwischen
intelligenten Modbus-Controllern, unabhängig von der Netzstruktur. Das ModbusProtokoll ist auf der Anwendungsschicht des OSI-Referenzmodells angesiedelt und
unterstützt den Master-Slave-Betrieb zwischen intelligenten Geräten.
Beim Modbus-Protokoll handelt sich um ein von Gould-Modicon 1979 entwickeltes
Automatisierungs-Protokoll, das als industrieller De-facto-Standard bezeichnet werden
kann.
Das Modbus-Protokoll definiert den Nachrichtentyp, den die Masterstation benutzt und
der unabhängig von den Netzwerken ist, über die die Modbus-Controller
untereinander kommunizieren. Es beschreibt wie ein Modbus-Controller über eine
Anfrage Zugang zu einem anderen Controller aufnimmt, wie dieser die Anfrage
beantwortet und wie Fehler erkannt und dokumentiert werden. Das Modbus-Protokoll
arbeitet auf Anfrage-Antwort-Basis und bietet verschiedene Dienste, die durch
Funktions-Codes spezifiziert werden. Während der Kommunikation bestimmt das
Modbus-Protokoll wie jeder Controller die Geräte-Adresse erfährt und Nachrichten
erkennt, die für ihn bestimmt sind. Außerdem bestimmt es die auszulösenden
Aktionen und welche Informationen der Modbus-Controller aus dem Nachrichtenfluss
entnehmen kann. Wenn eine Antwort erfoderlich ist, dann wird diese im Controller
aufgebaut und mit dem Modbus-Protokoll zu der entsprechenden Station gesendet.
Da das Modbus-Protokoll auch in anderen Frames verkapselt werden kann, hat sich
der Modbus auch das industrielle Ethernet erschlossen und hat im TCP/IPProtokollstack die reservierte Portnummer 502.
http://www.modbus.org
MOST-Bus Der Most-Bus ist ein Feldbus, der in der Automotive-Technik für das Infotainment
MOST, media oriented eingesetzt wird. Der ursprünglich für die Übertragung von Audio und für
system transport Kontrollsignale von CD-Playern und Radios konzipierte Most-Bus, kann wegen seiner
Exit
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FELDBUSSE
großen Bandbreite auch
für Video und Digital-TV
eingesetzt werden.
Für die Übertragung
stehen drei
standardisierte
Datenübertragungsraten
von 25 Mbit/s, 50 Mbit/s
und 150 Mbit/s (MOST
MOST-Bus mit analogen und
2) zur Verfügung, die
digitalen Empfangs- und
mittels Skalierung resp.
Eingabegeräten
Budgetierung für die
verschiedenen Anwendungen aufgeteilt werden können. So könnten sich
beispielsweise mehrere Audio-, Rundfunk-, Video- und Kamerasignale die
Bandbreiten teilen, wobei der Bandbreitenbedarf wesentlich von der
Videokompression und der Bildschirmauflösung abhängen.
Der Most-Bus benutzt für die Übertragung eine Plastikfaser und reduziert dadurch die
früheren umfangreichen Verkabelungen für die einzelnen Dienste und deren
Kontrollsignale. Er kann in Ring- oder Sterntopologie mit bis zu 64 Stationen und
einem Timing-Master aufgebaut werden, die sich die Datenrate teilen. Aus
Sicherheitsgründen kommen Doppelringe zum Einsatz, die auch im Fehlerfall eine
Redundanz bieten. Die störungsfreie Datenübertragung erfolgt mit dem MOSTÜbertragungsprotokoll.
Der Most-Bus ist dem OSI-Referenzmodell konform aufgebaut und deckt alle sieben
Schichten ab, von der physikalischen Schicht bis hin zur Anwendungsschicht. An
Diensten bietet das Most-Protokoll in der Sicherungsschicht die “Low Level System
Services”, in den darüber liegenden Netzwerk-, Transport- und
Kommunikationssteuerungsschichten die “Basic Layer System Services” und in der
Präsentationsschicht die Application Sockets.
Um die Sicherheit der übertragenen Daten zu gewährleisten, können diese per DCTP
Exit
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FELDBUSSE
verschlüsselt werden. Bevor zwei oder mehr Geräte Daten über eine gesicherte
Verbindung Daten austauschen, findet ein Authentication and Key Exchange (AKE)
statt.
http://www.mostnet.org
MOSTÜbertragungsprotokoll
MOST transmission
protocol
Der MOST-Bus unterstützt das Infotainment in Kraftfahrzeugen. Damit die
unterschiedlichen Ein- und Ausgabegeräte des MOST-Busses miteinander
störungsfrei kommunizieren können, wird die Kommunikation über das MOSTÜbertragungsprotokoll gesteuert.
Das MOST-Übertragungsprotokoll besteht aus Blöcken, die sich aus Frames
zusammensetzen. Alle Frames enthalten Daten für die Paketierung, das Streaming
und die Steuerung. Die Streaming-Daten werden vom Timing-Master auf den MOSTTakt synchronisiert und laufen ständig über den MOST-Bus. Die Übertragung von
asynchronen Daten, beispielsweise einer E-Mail, wird von den Paketierungs-Daten
unterstützt. Beide, die synchrone und die asynchrone Übertragung teilen sich die zur
Verfügung stehende Bandbreite, die innerhalb eines Frames variabel zugeordnet
werden kann.
Die Steuerungsdaten enthalten die Stream-Information, wie das Dateiformat, sowie die
Position der Daten im Frame. Sie können über mehrere Frames verteilt sein.
ODVA ODVA ist die Vereinigung für alle DeviceNet-Anwender, sie besteht aus weltweit fast
open DeviceNet vendor 300 Mitgliedern. Die Organisation beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung und
association Verbreitung dieses offenen standardisierten Feldbus, der vorwiegend in den USA und
Asien, aber auch in Europa eingesetzt wird. Ein wesentlicher Aspekt der ODVAAktivitäten ist die Entwicklung und Verbreitung des CIP-Protokolls und anderer
Protokolle, die auf dem CIP-Protokoll basieren.
Jeder Anwender kann die DeviceNet-Technologie benutzen, sich aber auch an der
Weiterentwicklung in Special Interest Groups (SIG) beteiligen.
Darüber hinaus ist die ODVA in anderen Standardisierungsgremien und
Industriekonsortien aktiv. http://www.odva.org
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PROFIBUS Der Profibus ist ein standardisierter Feldbus für die Automation und Fertigungstechnik.
process field bus Er ist herstellerunabhängig, hat ein offenes Konzept, ist international standardisiert in
EN 50170, EN 50254, IEC 61158 und DIN 19245 und hat eine hierarchische Struktur
mit den Ebenen: Sensoren/Aktoren, Feldebene und Prozessebene.
Auf der Feldebene werden die digitalen Signale der Sensoren und Aktoren über das
AS-Interface übertragen. Über dieses Sensor-Aktor-Netzwerk in Bustechnologie
werden die Versorgungsspannung von 24 V für die Endkomponenten und die
Datensignale über ein gemeinsames Übertragungsmedium übertragen.
Auf der Feldebene befinden sich die verteilten peripheren Einheiten, wie die I/OModule, Mess-Transduktoren, die Steuereinheiten für Ventile und Motore sowie die
Bedienerkonsolen der Administratoren. Die Prozessdaten werden zyklisch übertragen,
während Alarmsignale, Parameter und Diagnosedaten auch antizyklisch übertragen
werden können.
Auf der Zellenebene befinden sich die programmierbaren Controller, die untereinander
kommunizieren. Auf dieser Funktionsebene müssen große Datenpakete mit
leistungsfähigen Kommunikationsfunktionen übertragen werden. Darüber hinaus
sollten die Profibus-Systeme in die Kommunikations-Infrastruktur des Unternehmens,
in Internet und Intranet, integriert werden und dabei die gängigen Netzwerk- und
Transportprotokolle benutzen. Daher setzt Profibus auf Ethernet als
Übertragungsverfahren in der Automatisierung.
Das Profibus-Konzept arbeitet im Master-Slave-Betrieb mit dem Zugangsverfahren
Token Passing, bei dem die Slaves nur auf Anforderung der Master auf den Profibus
zugreifen dürfen. Es gibt mehrere Masters, die die Zugangsberechtigung
untereinander austauschen. Wie im Token Ring hat jeder Master eine
Vorgängerstation und eine Folgestation und erhält das Token nach einer fest
vorgegebenen Laufzeit. Die Übertragungsraten liegen zwischen 9,6 kbit/s und 500
kbit/s, die Teilnehmerzahl ist unbegrenzt und die Frame-Länge 246 Byte.
Den Profibus, der vernetzt zum Profinet führt, gibt es in mehreren Varianten: ProfibusFMS, Profibus-DP und Profibus-PA.
Die Profibus-Aktiivtäten werden von der Profibus-Nutzerorganisation (PNO), der
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größten Feldbus-Organisation, begleitet.
http://www.profibus.com
Profibus-DP Der Profbus-DP dient der Kommunikation von dezentralisierten Peripheriegeräten mit
Profibus for decentralized den Steuerungs- und Automatisierungssystemen. Die Spezifikationen für diesen
peripherals offenen Feldbus umfassen den Abrufbetrieb des Master-Slave-Systems mit zyklischer
Übertragung, das Round-Robin-Verfahren für sich ändernde Masterstationen sowie
die verbindungslose und verbindungsorientierte Kommunikation zwischen den Masterund Slave-Stationen. Darüber hinaus sehen die Spezifikationen optional u.a. den
Datenaustausch mit Broadcastsignalen für die Slave-to-Slave-Kommunikation vor, die
isochrone Übertragung der Slaves, die Synchronisation des Taktsignals und
Redundanzen.
Der Profibus steht in der DP-Version für die RS-485-Schnittstelle und ist standardisiert
unter IEC 61158 und 61784.
Profibus-FMS Mit Profibus-FMS bietet Profibus eine Variante für universelle
Profibus fieldbus message Kommunikationsaufgaben, die auf dem früheren MAP-Protokoll und den
specification Manufacturing Message Specifications (MMS) basieren. Die FMS-Variante unterstützt
zyklischen und antizyklischen Datenverkehr. Allerdings verliert die bereits 1990
standardisierte Variante gegen Profibus-DP an Bedeutung.
Profibus-PA Profibus-AP ist eine anwendungsorientierte Variante des Profibus. Das
Profibus process Anwendungsprofil basiert auf dem Profibus-DP und ist unabhängig vom
automation physikalischen Profil. Profibus-PA überträgt die Daten mit Fehlerkorrekturverfahren
erfüllt die Anforderungen an eine unterbrechungsfreie Produktion.
Profinet Profinet ist die netzwerktechnische Umsetzung des Profibus zu einem durchgängigen
Kommunikationssystem. Profinet ist ein universeller von der ProfibusNutzerorganisation (PNO) erarbeitetes Konzept für die homogene Integration des
Profibus in die IT-Welt. Auf einem Profinet können konsistente AutomatisierungsExit
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Profinet-Infrastruktur
zwischen vorhandener
Ethernet-Struktur und
Produktionsbereich
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lösungen
implementiert
werden. Dabei
unterstützt das
offene Profinet die
Integration anderer
Feldbuskonzepte,
da es auf bewährte
Standards setzt.
Ebenso können an
Profinet verteilte
Feldgeräten und
zeitkritische
Anwendungen,
Component Based
Automation (CBA),
die für die
Integration der vertikal und horizontal angesiedelten Sensoren, Feldgeräte,
Steuerungseinrichtungen, Anlagenmodule und programmierbaren Computer sorgt,
eingebunden werden.
Die Profibus-Nutzerorganisation definiert Profinet als ein herstellerübergreifendes
Kommunikations-, Automatisierungs- und Engineeringmodell, das für die
Kommunikation das TCP/IP-Protokoll benutzt, im Automatisierungsmodell mit
Common Object Model (COM) und DCOM arbeitet und das Objekthandling im
Entwicklungsbereich durch ActiveX und XML unterstützt.
Vom Ansatz her ist es ein Tunneling, bei dem das Ethernet die oberen
Kommunikationsschichten unterstützt und nicht in die Anwendung eingreift.
Das Profinet arbeitet mit Ethernet-Switching und benutzt für die Verkabelung den aus
der Bürokommunikation her bekannten Verkabelungsstandard ISO/IEC 11801, der
allerdings um spezifische Belange der Produktionsumgebungen erweitert wurde.
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Profinet definiert mit dem Real Time (RT) und Isochronous Real Time (IRT) zwei
Echtzeitklassen. In der RT-Klasse werden von der Anwendung Verzögerungen in
bestimmten Grenzen toleriert, ohne dass der Prozess beeinträchtigt wird. Das
isochrone Real-Time unterstützt taktsynchrone Anwendungen, und stellt hohe
Anforderungen an das Zeitverhalten. Solche Anwendungen können nicht mit dem
stochastisch arbeitendem Ethernet realisiert werden, sondern benötigen ein
deterministisches Zugangsverfahren.
Proway Proway ist der Sammelbegriff für mehrere serielle Bussysteme für die Automatisierung
Prozessdatenbus der industriellen Steuerung und der Prozessdatenverarbeitung (PDV). Eine deutsche
process dataway Entwicklung dazu heißt daher auch PDV-Bus (DIN 19241).
RS-485 RS-485 (ISO 8482) ist eine Industriebus-Schnittstelle, vergleichbar RS-422. An dieses
RS-485 Bussystem können bis zu 32 Sende- und Empfangsgeräte im Gegentakt
angeschlossen werden. Um diese Zahl erreichen zu können, muss die
Eingangsimpedanz der anschließbaren Geräte mindestens 12 kOhm betragen. Die
Impedanz dieser 2-Draht-Schnittstelle ist 120 Ohm. Bei der 2-Draht-Version werden
die Signale ternär mit drei Pegeln übertragen, bei einer zweiten Version mit zwei TPKabeln erfolgt die Signalübertragung binär. RS-485 arbeitet in Halbduplex, wobei
jeder angeschlossene Teilnehmer mit jedem anderen kommunizieren kann.
Definiert ist die RS-485-Schnittstelle für eine Länge von 500 m, sie kann aber mit
symmetrischen Leitungstreibern bis auf 1,2 km erhöht werden. Die
Übertragungsgeschwindigkeit ist stark abhängig von der Leitungslänge des
symmetrischen Kabels, das an beiden Enden mit der Leitungsimpedanz
abgeschlossen sein muss. Bei kurzen Kabellängen von 10 m werden Datenraten von
10 Mbit/s erreicht, bei Kabellängen von über 1 km liegen diese bei 100 kbit/s.
Bei der großen Länge der RS-485-Schnittstelle sind Potentialdifferenzen zwischen
zwei weit voneinander entfernt angeschlossenen Geräten wegen des
unterschiedlichen Massepotentials nicht ausgeschlossen. Solche Probleme können
durch Optokoppler behoben werden.
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SAE J1939 Im Protokollstack des SAE-J1939-Protokolls sind im Gegensatz zu den Protokollstacks
anderer Feldbusse die Netzwerkschicht und die Transportschicht funktional
berücksichtigt. Das bedeutet, dass SAE-J1939 Brücken- und Routingfunktionen
besitzt und die SAE-J-Knoten über eigene Adressen verfügen.
Möglich wurde dies durch das Extended-Format des Identifiers im CAN-Datenrahmen,
das in diesem Format 29 Bits umfasst. 8 Bit des Identifier-Felds werden als Adressbits
für die Quell- und Zieladressen der SAE-J-Knoten benutzt. Damit kann J1939
insgesamt 254 logische Knoten und 30 physikalische Steuergeräte pro Segment
unterstützen. Die Informationen werden als Signale beschrieben und in
Parametergruppen zusammengefasst.
Das SAE-J1939-Protokoll, das in Nutz- und Schienenfahrzeugen, in Landmaschinen
und Schiffen eingesetzt wird, berücksichtigt eine Segmentierung, Flusskontrolle, die
Art der Übertragung, ob bestätigt oder unbestätigt und spezifiziert auch den
Nachrichteninhalt.
SAE-Klasse
SAE class
In der Automotive-Technik hat die
Society of Automotive Engineers
(SAE) die unterschiedlichen
Anforderungen an die
Kommunikationssysteme in SAEKlassen gegliedert. Sie
unterscheidet dabei die SAEKlasse “A”, die Sensor- und AktorApplikationen unterstützt, die SAEKlasse “B” für die
Karosserieelektronik und die SAEKlasse “C” für die Steuerung des
Antriebs und des Fahrwerks. Die
einzelnen SAE-Klassen zeichnen
sich durch unterschiedliche
SAE-Klassen und die
entsprechenden Feldbusse
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Datenraten und Zugangsverfahren aus und werden durch bestimmte Feldbusse
repräsentiert.
Die SAE-Klasse “A” repräsentiert die Sensor- und Aktor-Netzwerke, die mit relativ
geringen Datenraten arbeiten. Diese liegen bei etwa 20 kbit/s. Typische Feldbusse für
diese Anwendungen sind der LIN-Bus und der von der OMG standardisierte TTP/ABus.
Die SAE-Klasse “B” steht für die Karosserie- und Fahrzeugelektronik mit Datenraten
von bis zu 500 kbit/s. Diese SAE-Klasse wird von dem CAN-Bus (CAN-B) dominiert.
Und Forderungen der SAE-Klasse “C”, zu denen der Antrieb und das Fahrwerk
gehören, der Motor, das Getriebe, die Lenkung, Bremsen usw. gehören, werden durch
die Protokolle CAN-C erfüllt.
SCNM In Ethernet-Powerlink wird das von Ethernet her bekannte stochastische
slot communication Zugangsverfahren durch ein isochron arbeitendes Zeitschlitzverfahren ersetzt. Bei
network management dieser Technik verteilt eine zentrale Station, der Manager Node (MN), die
Zugangsberechtigung an die anheschlossenen Stationen. Dieses Verfahren heißt bei
Ethernet-Powerlink SCNM und bildet die Grundlage für den deterministischen
Zugang.
Vom Konzept her übernimmt in Ethernet-Powerlink eine Station die Funktion des
Managers. Sie gibt den Zeittakt für alle angeschlossenen Stationen, die Controlled
Nodes (CN) vor. Die Controlled Nodes dürfen nur dann senden, wenn sie von der
Manager Node dazu aufgefordert werden.
Sercos-Datenrahmen Das Sercos-Interface zielt in der 3. Version auf die unternehmensweite Kommunikation
auf Ethernet-Basis. Sercos ist als Feldbus für die Automation und Kommunikation
konzipiert und demzufolge für Echtzeitanwendungen, die von Ethernet nicht
unterstützt werden. Aus diesem Grund wurde der Kommunikationszyklus modifiziert
und besteht aus einem Teil für die zyklische, einem anderen für die nicht-zyklische
Kommunikation.
Im ersten Teil des Sercos-Datenrahmens für die zyklische Kommunikation werden
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Sercos-Datenrahmen für die
zyklische Kommunikation
Kommunikationszyklus von
Sercos
Synchronisations- und
Steuerzeichen sowie Daten
für die Masterstation
übertragen. Im Einzelnen
handelt es sich um das
Master Synchronisation
Telegram (MST), das vor den
Steuerdaten zur Synchronisation des Master-Taktes gesendet wird. Die Antriebe, bzw.
Slave-Stationen, synchronisieren sich auf den MST-Takt und senden während des
Zeitschlitzes Informationen an die Master-Station. Diese Antriebsinformationen sind in
den Amplifier Telegrammen (AT) enthalten. Die konfigurierbaren AT-Telegramme
enthalten zeitkritische Daten über aktuelle Positionen, Geschwindigkeiten,
Drehmoment usw. Am Ende des Kommunikationszyklus folgt das Master Data
Telegram (MDT), das zu den Slave-Stationen gesendet wird und die Werte für jeden
einzelnen Antrieb enthält.
Der zweite Teil des Sercos-Datenrahmens für die nicht-zyklische Kommunikation ist
ein modifiziertes Ethernet-Telegramm, in Ethernet als Ethernet-Frame bezeichnet. Die
Modifikation gegenüber dem normalen Ethernet-Frame besteht darin, dass keine
Sender-/Empfänger-Adressen gesendet werden und das Telegramm ein kürzeres
Prüfsummenfeld hat.
Dieser Teil des Datenrahmens dient der unternehmensweiten Kommunikation mit den
bekannten Kommunikationsprotokollen wie dem IP-Protokoll, dem
UDP- und TCP-Protokoll.
Sercos-Interface
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Das Sercos-Interface ist eine
standardisierte Antriebsschnittstelle.
Die Entwicklungsarbeiten begannen
Mitte der 80er und gehen auf ein
Industriekonsortium zurück, das die
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Spezifikationen für das echtzeitfähige Sercos-Interface erarbeitete. Begleitet wurden
die Aktivitäten, die im Jahre 1995 zum IEC-Standard 61491 führten, vom ZVEI.
Das Sercos-Interface hatte in der ersten Version Datentransferraten von 2 Mbit/s und 4
Mbit/s, die folgende Generation, die 1999 folgte, hatte bereits 8 Mbit/s und 16 Mbit/s.
Die weiteren Aktivitäten spiegeln sich in Ethernet wider mit dem Ziel eine
Durchgängigkeit der Transportprotokolle von den kommerziellen
Unternehmensbereichen über Unternehmensnetze und das Internet bis in die
Produktion und Automation zu erreichen.
Da Ethernet aber nicht echtzeitfähig ist und mit einem nicht-deterministischen
Zugangsverfahren arbeitet, nämlich mit CSMA/CD, wurde für die kollisionsfreie
Übertragung ein Zeitschlitzverfahren ausgewählt und das Ethernet-Telegramm, das ist
das Ethernet-Frame, entsprechend modifiziert. Der Sercos-Datenrahmen setzt sich
aus Telegrammen für die zyklische und die nicht-zyklische Kommunikation
zusammen.
http://www.sercos.org
Summenrahmen- Das Summenrahmenverfahren ist ein Übertragungsverfahren in Feldbussen. Bei
verfahren diesem Verfahren sind die Steuerungssysteme und alle Sensoren und Aktoren in einer
logischen Ringtopologie miteinander verbunden. Der Datenfluss erfolgt in einer
Richtung wie bei einem Schieberegister, was zu dem Namen Schieberegisterring
geführt hat. Die Daten werden nacheinander von Teilnehmer zu Teilnehmer durch den
gesamten Ring geschoben. Der übertragene Datenblock enthält die Daten für alle
Teilnehmer und hat einen relativ geringen Overhead, der aus dem Loopback, den
Steuerungsdaten und dem Prüfsummenfeld besteht. Dieser Datenrahmen, der alle
Teilnehmerdaten beinhaltet, wird als Summenrahmen bezeichnet. Der
Summenrahmen beginnt mit dem Loopback. Wenn dieses durch den gesamten Ring
geschoben wurde und im Empfangregister ansteht, liegen alle Teilnehmerdaten beim
richtigen Teilnehmer. Ein Übergabe-Impuls synchronisiert die Übergabe der
Teilnehmerdaten an die Aktoren und die Übernahme der Sensordaten in den
Schieberegisterring. Mit steigender Anzahl der Teilnehmer steigt auch der Anteil der
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Nutzdaten und die Länge des Summenrahmens, was zu einer Verlängerung der
Zykluszeit führt.
Beim Interbus liegt diese Zykluszeit bei einer Datenübertragungsrate von 500 kbit/s
und 512 Teilnehmern bei 1,8 ms, bei 2.000 Teilnehmern bei 4 ms.
TCU Eine Telematics Control Unit (TCU) ist ein Rechnersystem mit eigenen Memorys,
telematics control unit eigenen Bussystemen, Controllern für Feldbusse und Drahtlos-Netzwerke, PCkompatiblen Schnittstellen wie der USB-Schnittstelle oder 1394, mit A/D-Wandler, I/OSchittstellen u.v.m. TCU-Einheiten sind zentrale Komponenten in Bordnetzen. Sie
verarbeiten die Daten, die sie über die angeschlossenen Feldbusse, wie den CAN-Bus
oder den MOST-Bus, erhalten, steuern die Aktoren und übertragen die Daten zum
Fahrerassistenz-System, wo sie auf den Displays angezeigt werden.
An die TCU-Einheit können mehrere CAN-Busse mit unterschiedlichen
Übertragungsraten für verschiedene Anwendungen angeschlossen. So beispielsweise
ein langsamer CAN-Bus an den über einen LIN-Bus die Sensoren und Aktoren
angeschlosssen sind, oder ein schneller CAN-Bus für den Anstriebsstrang mit der
Zündung, der Motor- und Getriebesteuerung. Darüber hinaus ist das Mediennetz, das
über den MOST-Bus das Infotainment unterstützt, angeschlossen.
Für die Anzeigeinstrumente und das Armaturenbrett stehen mit dem LIN-Bus, I2C-Bus
oder Microwire weitere Bussysteme zur Verfügung, die von den TCU-Einheiten
kontrolliert werden.
Neben den drahtgebundenen Netzen können Komponenten auch drahtlos über
ZigBee oder Bluetooth an die Feldbusse angeschlossen werden. So beispielsweise
die Reifendrucksensoren an den langsameren CAN-Bus für die Sensoren und AktorSteuerungen.
Die TCU-Einheiten bilden das Gateway zwischen den Feldbussen und unterstützen
die verschiedenen Protokolle dieser Feldbusse.
TTP-Protokoll Das zeitgesteuerte TTP-Protokoll bildet das Übertragungsprotokoll der Feldbusse
TTP, time-triggered TTP/A und TTP/C. Das TTP-Protokoll kann zur Übertragung von zeitkritischen
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protocol Signalen in der Kraftfahrzeug-, Eisenbahn- und Flugzeugtechnik sowie in
Spezialfahrzeugen eingesetzt werden. Das Protokoll, das sich durch seine hohe
Datensicherheit auszeichnet, hat für das garantierte Antwortzeitverhalten ein
deterministische Zeitverhalten.
Die Datenraten des TTP-Protokolls betragen bis zu 25 Mbit/s.
Generell werden bei zeitgesteuerten Anwendungen die Prozesse nicht aufgrund von
Ereignissen wie z.B Interrupts oder Time Outs ausgelöst, sondern durch einen
statischen Ablaufplan mit definierten zeitlichen Rasterplan.
TTP/A-Bus Der TTP/A-Bus ist ein zeitgesteuertes Sensor-Aktor-Netzwerk für die AutomotiveTTP-A, time triggered Technik, der auf dem TTP-Protokoll basiert und die SAE-Klasse “A” erfüllt, daher auch
protocol SAE class A die Bezeichnung TTP/A. Er zeichnet sich aus durch die Vorhersagbarkeit der
Datenübertragungszeiten, hat eine hohe Datenrate, ist redundant, skalierbar und
kann verschiedene Übertragungsmedien und Standard-Komponenten benutzen. TTP/
A, der für die Kommunikation auf der Feldebene sorgt, ist ein von der Universität Wien
entwickeltes und 1995 vorgestelltes Feldbus-Protokoll.
Wie andere Feldbusse auch arbeitet der TTP/A-Bus im Master-Slave-Betrieb mit
garantierten Antwortzeiten. Insgesamt kann ein TTP/A-Bus bis zu 64 Stationen
umfassen; jede einzelne ist ausgestattet mit einem Interface File System (IFS).
Alle Stationen sind gleichberechtigt an den TTP/A-Bus angeschlossen und lesen die
Daten vom Bus, die für sie relevant sind. Der Sendeaufruf erfolgt durch die
Masterstation.
TTP/C-Bus TTP/C ist ein auf dem TTP-Protokoll basierender fehlertoleranter Feldbus, der in der
TTP-C, time triggered Automotive-Technik für die Übertragung von sicherheitsrelevanten Informationen
protocol SAE class C eingesetzt wird und die Spezifikationen der SAE-Klasse “C” erfüllt. In einem solchen
fehlertoleranten Datenbus erhalten die Buskomponenten über ein deterministisches
Zugangsverfahren zu einem definierten Zeitpunkt den garantierten Sendezugriff. Ein
solches Zugangsverfahren ist TDMA. Des Weiteren sind solche Feldbusse redundant
aufgebaut und können bei Ausfall eines Kanals auf einen anderen Kanal oder ein
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zweites Kabel umschalten. Weitere Fehlerbehandlungen werden von dem benutzten
Protokoll durchgeführt.
Der TTP/C-Bus wird u.a. in Kraftfahrzeugen, der Eisenbahn- und Flugzeugtechnik
eingesetzt und steht im Wettbewerb mit FlexRay.
XCP-Protokoll
XCP, universal
measurement and
calibration protocol
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Das XCP-Protokoll ist eine Weiterentwicklung des CCP-Protokolls. Beide Protokolle
sind von der ASAM standardisiert.
Das XCP-Protokoll vereinfacht die Messdatenerfassung und Kalibrierung von
elektronischen Steuergeräten (ECU). Im Gegensatz zum CCP-Protokoll hat das XCPProtokoll eine klare Trennung der Schichten zwischen der Protokollschicht und der
unabhängigen Transportschicht und kann daher auf verschiedenen Netzwerken
betrieben werden, so u.a. auf Ethernet, FlexRay, dem LIN-Bus, Most-Bus, FireWire,
der USB- und der SCSI-Schnittstelle: “XCP on Firewire”, “XCP on FlexRay” usw. Dank
der Skalierbarkeit ist das XCP-Protokoll prädestiniert für die gestiegenen Mess- und
Kalibrieranforderungen in Netzwerken und Feldbussen. Als “XCP on CAN-Bus” ist es
das Nachfolgeprotokoll des CAN Calibration Protocol (CCP), das nur auf den CANBus beschränkt ist.
XCP definiert auf der Protokollschicht die hohe Funktionalität für das Messen,
Stimulieren und Kalibrieren.
XCP unterstützt die Kommunikation zwischen den elektronischen Steuergeräten
(ECU) und dem Messsystem im Master-Slave-Betrieb. Die Datenübertragungsrate ist
abhängig von dem benutzten Netzwerk und liegt im Falle des CAN-Busses bei 50
kB/s.
Neben dem Master-Slave-Betrieb unterstützt XCP die blockweise Übertragung und
einen Interleaved Communication Mode. Der Datentransfer selbst kann synchron sein,
mit einem Zeitstempel versehen und priorisiert sein.
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