Mit Ethernet auf Feldbusbahnen

10BASE-I − ein neuer Physical Layer für Industrial Ethernet Mit Ethernet auf Feldbus-Bahnen In der industriellen Kommunikation geht der Trend dahin, immer mehr Daten zu übertragen. Dies gilt nicht nur für große Netzwerke mit vielen Teilnehmern, sondern auch für Anwendungen mit einer geringen räumlichen Ausdehnung. Die hier häufig eingesetzten Übertragungssysteme geraten immer mehr an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit. Insbesondere für diese Anwendungen hat Hirschmann einen neuen Physical Layer für Ethernet entwickelt, die 10Base-I- Schnittstelle. Die neue Technik bietet eine Reihe von Vorteilen für Hersteller von Automatisierungsgeräten und deren Anwender. Produkte mit einer 10Base-I- Schnittstelle lassen sich einfach über Twisted-Pair-Kabel miteinander verbinden. Dabei sind zum Aufbau des Netzes weder Hubs noch Switches erforderlich. Da eine 10Base-I-Schnittstelle die Protokolle oberhalb des Layer 2 unverändert überträgt, lassen sich sämtliche Vorteile einer Kommunikation mittels Ethernet wie beispielsweise Web-basierende Tools zur Konfiguration und Diagnose der Geräte, jetzt auch für Anwendungen in der Automatisierung nutzen, die bislang den Feldbussen vorbehalten waren. Viele Feldbusse verwenden verdrillte 2-Drahtleitungen als Übertragungsmedium. Dabei können mehrere Geräte gemeinsam an die Datenleitungen angeschlossen werden, die so den Datenbus darstellen. Der Aufbau von Netzstrukturen erfolgt über Komponenten wie T-Stücke und Abschlusswiderstände. Diese Art der Verkabelung hat sich seit vielen Jahren in der Automatisierung bewährt. Abb.1: Der Physical Layer 10BASE-I ist insbesondere für die Übertragung großer Datenmengen in kleinen Ethernet-Netzwerken konzipiert. Zudem ermöglicht die neue Technologie beispielsweise den Einsatz Web-basierter Tools zur Konfiguration und Diagnose der Endgeräte. Passive Bussysteme Vergleichbare passive Bussysteme gibt es auch für Ethernet, 10Base-2 und 10Base- 5. Jedoch verwenden diese Systeme Koaxialkabel als Übertragungsmedium und gelten als veraltet. Inzwischen wurden diese passiven Bussysteme von Netzwerken mit aktiven Verteilern wie Hubs und Switches abgelöst. Für die so entstehenden -1- Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen den Geräten werden ebenfalls verdrillte 2- Drahtleitungen und Glasfaser-Kabel eingesetzt. Für einige Anwendungen in der Automatisierungstechnik sind aktive Verteiler weniger geeignet, da sie einen zusätzlichen Kostenfaktor darstellen und unter Umständen die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems beeinträchtigen können. Zu diesen Anwendungen zählen beispielsweise die Verbindung von • Komponenten innerhalb von Schaltschränken oder Schaltanlagen; • Schaltschränken bzw. Schaltanlagen untereinander; • Komponenten innerhalb eines Baugruppenträgers (Backplane-Bus); • Komponenten innerhalb von Maschinen oder Anlagenteilen bei räumlich geringer Ausdehnung. 10BASE-I-Schnittstelle Im Folgenden wird mit der von Hirschmann entwickelten 10BASE-I Schnittstelle ein weiterer industriegerechter Physical Layer für Ethernet beschrieben, der die für Feldbusse entwickelte Übertragungstechnik auch für Ethernet nutzbar macht und somit folgende Eigenschaften aufweist: • Verzicht auf aktive Verteiler • einfache, busförmige Verkabelung • Übernahme von Komponenten wie Kabel, Steckverbinder, T-Stücke und elektronische Bausteine aus der Welt der Feldbusse • Einsatz standardmäßiger Ethernet-Controller • Übertragung sämtlicher IP-basierender Protokolle • Nutzung IP-basierender Software zur Konfiguration und Diagnose der Teilnehmer Konkret bedeutet dies, die Übertragungstechnologie gängiger Feldbusse wird für den Transport von Ethernetdaten benutzt bzw. Ethernetdaten werden über gängige Feldbuskomponenten übertragen. Wie jedoch können diese beiden Welten miteinander verbunden werden? Das Blockschaltbild zeigt die Funktionsblöcke, die zum Anschluss eines Gerätes an ein Ethernet-Netzwerk notwendig sind, das eine verdrillte 2-Drahtleitung als passives Bussystem nutzt. MAC Media Access Controller. Dieser Funktionsblock steuert den Zugriff auf das Netzwerk. Er kann als eigenständiger elektronischer Baustein realisiert oder in einem Mikroprozessor bzw. Mikrocontroller integriert sein. Seine Funktionalität ist in IEEE 802.3 festgelegt. MII Media Independent Interface. Eine in IEEE 802.3 definierte Standardschnittstelle zwischen MAC und PHY. PHY Physical Layer. Dieser Funktionsblock bildet die wesentliche Schnittstelle zwischen MII und Übertragungsmedium. Seine wesentlichen Funktionen sind in IEEE 802.3 festgelegt. TD Transmit Data. Sendedaten zum Übertragungsmedium. RD Receive Data. Empfangsdaten vom Übertragungsmedium. -2- EN Enable. Schaltet die Treiberstufe des Tranceivers zwischen hoch- und niederohmigem Zustand um. Tranceiver Handelsüblicher Sende-/Empfangsbaustein zur Ansteuerung einer verdrillten 2-Drahtleitung. Der Tranceiver kann zusätzlich eine Potentialtrennung beinhalten. BA Busabschluss. Bildet den wellenwiderstandsrichtigen Abschluss und kann zusätzlich einen definierten Ruhepegel auf die Datenleitung einprägen. TP-Kabel Twisted Pair Kabel / verdrillte 2-Drahtleitung. Abb 2: Blockschaltbild eines Ethernet-Teilnehmers mit 10Base-I Physical Layer Die Funktionsblöcke MAC und MII entstammen der Ethernet-Welt. Tranceiver, TP- Kabel und BA lassen sich der Welt der Feldbusse zuordnen. Der zentrale Funktionsblock, der beide Welten verbindet, ist der PHY. Die wesentlichen Aufgaben des PHY sind die Anpassung der Ethernetsignale an die Feldbusleitung und die Erkennung von Kollisionen auf der 2-Drahtleitung. Feldbusleitungen 10Mbit/s-Ethernet-Varianten und Feldbusse haben unterschiedliche Anforderungen bezüglich der Bandbreite von Datenleitungen. Einen wesentlichen Faktor für die zur Signalübertragung benötigte Bandbreite spielt die Leitungscodierung. Sie passt die Eigenschaften des Nutzdaten tragenden Sendesignals an das Übertragungsmedium an und ermöglicht dem Empfänger die Synchronisation auf die Nutzdaten. Bei den gängigen Feldbussen mit Datenraten zwischen 10 KBit/s und einigen Mbit/s wird die NRZ-Codierung verwendet. Hingegen verwenden die 10 Mbit/s-Varianten des Ethernet die so genannte Manchestercodierung, die zu einer Verteilung der spektralen Energie des Sendesignals im Bereich oberhalb von 5 MHz führt. Da die Signalfrequenzen von Feldbussen deutlich niedriger sind als die von 10Mbit/s– -3- Ethernet-Varianten, sind auch die für Feldbusse konzipierten Datenleitungen entsprechend anders ausgelegt. Aus diesem Grund verwendet der für 10BASE-I definierte PHY ebenfalls die NRZ-Codierung, was zu einer Halbierung der benötigten Bandbreite der Datenleitung führt. So lassen sich Ethernet-Datenpakete auf Feldbusleitungen, wie beispielsweise dem für Profibus-DP spezifizierte Kabel, übertragen. Kollisionserkennung Ein wesentliches Element des bei Ethernet angewendeten CSMA/CD- Zugriffsverfahrens (Carrier Sense, Multiple Access, Collision Detection) bildet die Kollisionserkennung. Eine Kollision liegt dann vor, wenn zwei Geräte gleichzeitig auf das Netzwerk zugreifen und sich ihre Sendedaten dadurch gegenseitig stören. Solche Kollision müssen die beteiligten Geräte erkennen, um den Sendevorgang definiert abzubrechen und später zu wiederholen. Bei den durch IEEE 802.3 definierten passiven Bussystemen werden Datensignale hochohmig über Stromquellen in beidseitig abgeschlossene Koaxialkabel eingespeist. Bei einer Kollision überlagern sich die Datensignale der kollidierenden Geräte und führen zu einer Erhöhung des Mittelwerts der Signalspannung, die entsprechend einfach detektiert wird. Bei der Verwendung von RS485-Tranceivern werden die Daten dagegen niederohmig auf die Datenleitung eingeprägt, was im Falle einer Kollision zu keiner definierten Veränderung des Signalmittelwertes führt. Einen Lösungsansatz für dieses Problem bietet das Controller Area Network (CAN) mit seinem CSMA/CA-Zugriffsverfahren (Carrier Sense, Multiple Access, Collision Avoidance). Bei diesem Verfahren wird durch Busabschlüsse ein definierter Ruhepegel auf die Datenleitung eingeprägt, und alle Geräte vergleichen ihre Sende- und Empfangsdaten. Geräte, die nicht senden, versetzen die Leitungstreiber ihrer Tranceiver in den hochohmigen Zustand. Sendende Geräte prägen nur den vom Ruhepegel abweichenden Logikpegel niederohmig in die Datenleitung ein. Zum Ruhepegel identische Logikpegel werden übertragen, indem die Leitungstreiber ebenfalls in den hochohmigen Zustand geschaltet werden. Senden zwei oder mehrere Geräte unterschiedliche Logikpegel, so entsteht eine Kollision. Dabei dominiert der niederohmig eingeprägte Logikpegel auf der Datenleitung. Das den zum Ruhepegel identischen Pegel sendende Gerät erkennt die Kollision durch den Vergleich seiner Sende- und Empfangsdaten und stellt daraufhin seinen Sendebetrieb ein.