Step Profibus Felix Disco

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Step Profibus Felix Disco Powered By Docstoc
					  Technikerschule Hannover
   Automatisierungstechnik
              D. Hennigs




                           SIEMENS STEP 7
1. Einführung
Die Programmiersoftware SIEMENS Step 7 ist ein integriertes Programmpaket, daß die komplette
Lösung einer Automatisierungsaufgabe unter dem Oberbegriff eines “Projekts“ zusammenfaßt, d.h.
 das Konfigurieren und Parametrieren der Hardware,
 das Projektieren von Netzwerken,
 das Schreiben, Ändern und Kompilieren von Programmteilen,
 das Testen der Anwenderprogramme
erfolgt mit einem Werkzeug, dem SIMATIC Manager.




Abbildung 1

Der SIMATIC Manager, die Benutzeroberfläche von STEP 7, hier das Projektansichtsfenster,
das ähnlich dem Windows 95 Explorer strukturiert ist.


Step 7 hat eine grafische Benutzeroberfläche, die ähnlich wie Windows 95 aufgebaut ist. Innerhalb
eines Projekts werden die Daten hierarchisch strukturiert und als Objekte dargestellt. Die Objekte
befinden sich in thematischen Verzeichnissen (z. B. „Station“), hier „Behälter“ genannt. Durch
Doppelklicken auf das Symbol des jeweiligen Objekts wird automatisch die entsprechende
Applikation gestartet, mit der das Objekt bearbeitet werden kann. Jede Applikation verfügt über ein
eigenes Fenster. Typische Beispiele für Objekte: programmierbare Baugruppe, Symboltabelle,
Funktionsbaustein (siehe nachfolgende Übersichtsliste).




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Abbildung 2

Beispiel einer Projektstruktur
1. Stufe: Projekt
2. Stufe: Subnetze, Stationen.
3. Stufe: Programmierbare Baugruppen.
4. Stufe: Behälter für S7-Programme.
5. Stufe: Behälter für Quellen, Bausteine.
Man kann sich die Projektstruktur in Projektfenstern anzeigen lassen
-   für den Datenbestand auf dem Erstellsystem in der „Projektansicht offline“ oder
-   für den zugehörigen Datenbestand auf dem Zielsystem in der „Projektansicht online“

2. Liste der Objekte von STEP 7


Objekt Projekt
Der Behälter für sämtliche Objekte einer Automatisierungslösung, unabhängig von der Anzahl der
Stationen,   Baugruppen     und    deren   Vernetzung.    Hardwarekonfiguration,   Programme,
Kommunikationsdaten befinden sich in untergeordneten Behältern.



Objekt Subnetz
Ein Subnetz umfaßt alle Teilnehmer eines Netzes, die direkt miteinander verbunden sind und über ein
einheitliches Protokoll kommunizieren. Beispiel: MPI-Netz zwischen Station und PC.




Objekt Station
Ein zusammengefaßter Hardware-Aufbau aus einer oder mehreren programmierbaren Baugruppen.
Beispiele: Automatisierungssystem, Programmiergerät, Operator Station (Bedienpanel).



Objekt Stationskonfiguration
Ein Objekt mit den Konfigurationsdaten und Parametern einer Station. Die Konfiguration erfolgt
durch Auswahl von Komponenten aus einem Hardware-Katalog per Drag and Drop. Die Anordnung
erfolgt steckplatzorientiert auf einer Profilschiene, auf der dann Stromversorgung, CPU, E/A-Module
usw. gruppiert werden. Für jede Komponente wird eine GSD-Datei (Geräte Stamm Datei) mitgeladen,
in der die Eigenschaften beschrieben sind und ggf. die Betriebsparameter eingegeben werden können
(Bsp.: Einstellung der maximalen Zykluszeit einer CPU). Jedes Gerät wird mit einer Grundeinstellung
geliefert. (Profibus). GSD-Dateien von Fremdherstellern können in den Katalog eingebunden werden.


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Objekt programmierbare Baugruppe
Programmierbare Baugruppen sind Zentralbaugruppen (CPUs), Kommunikationsprozessoren (CPs)
und Funktionsbaugruppen (FMs). Eine FM entlastet die CPU von zeitkritischen bzw.
speicherintensiven Prozeßsignalverarbeitungsaufgaben. (Beispiele für FM-Anwendungen: Zählen,
Positionieren, Regeln.) CPUs, FMs und CPs können Anwenderprogramme bearbeiten, sie
kommunizieren über den Kommunikationsbus (K-Bus) miteinander.



Objekt S7-Programm
Software Sammelbehälter, der die Behälter Anwenderprogramm und Quellen sowie die Symboltabelle
enthält.



Objekt Quelle (SO)
Als „Quelle“ wird ein Programm bezeichnet, das mit einem Grafik- oder Texteditor erstellt wird und
aus dem erst durch Übersetzen ein lauffähiges S7-Anwenderprogramm entsteht.
Beispiel für eine Quelle: Erstellen eines AWL-Programms als Text.



Objekt Anwenderprogramm (AP)
Ein Behälter für alle Bausteine, die auf eine programmierbare Baugruppe (z. B. CPU) geladen werden
können. Es gibt verschiedene Bausteine:
 lauffähige Codebausteine (Bausteine mit Programmcode), die vom Anwender selbst geschrieben
  wurden oder aus Quellen kompiliert wurden (FBs, FCs, OBs),
 Codebausteine, die im Betriebssystem der CPU integriert sind und nur aufgerufen werden müssen
  (SFBs, SFCs),
 Datenbausteine (DB,SDB)
 anwenderdefinierte Datentypen (UDT)



Objekt Symboltabelle (SY)
Bei der Programmierung mit STEP 7 arbeitet man mit Operanden wie E/A-Signalen, Merkern,
Zählern, Zeiten, Datenbausteinen und Funktionsbausteinen. Diese Operanden kann man in einem
Programm absolut adressieren (z.B. E 1.1, M 2.0, FB 21).
Die Lesbarkeit und die Übersichtlichkeit eines Programms steigen jedoch erheblich, wenn man statt
dessen die symbolische Adressierung (z.B. Motor_A_Ein) verwendet. Dafür gibt es eine
Symboltabelle, in der für jeden verwendeten Operanden ein Name, die absolute Adresse, der
verwendete Datentyp und ein Kommentar geschrieben werden.
Die auf diese Weise definierten Symbole lassen sich dann im gesamten Anwenderprogramm einer
programmierbaren Baugruppe verwenden. Sie müssen in Anführungszeichen gesetzt werden.




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Objekt Funktionsbaustein (FB)
Ein Funktionsbaustein ist gemäß IEC 1131-3 ein Codebaustein mit statischen Daten. Ein FB bietet die
Möglichkeit der Übergabe von Parametern im Anwenderprogramm. Dadurch eignen sich
Funktionsbausteine zur Programmierung von häufig wiederkehrenden komplexen Aufgaben, z.B.
Regelungen, Betriebsartenanwahl. Da jeder FB über einen zugeordneten Instanz-Datenbaustein
verfügt, kann auf dessen Parameter (z.B. die Ausgänge) zu jeder Zeit an jeder beliebigen Stelle im
Anwenderprogramm zugegriffen werden.


Objekt Funktion (FC)
Funktionen sind gemäß IEC 1131-3 Codebausteine ohne Gedächtnis. Die Daten werden zwischen der
Funktion und dem Anwenderprogramm in Form von Parametern übergeben. Dadurch eignen sich
Funktionen zur Programmierung von häufig wiederkehrenden komplexen Aufgaben, z.B.
Berechnungen. Da sie aber über keinen Datenspeicher verfügen, müssen die Ausgangsparameter
direkt nach dem FC-Aufruf im Programm weiterverarbeitet werden.


Objekt Organisationsbaustein (OB)
Organisationsbausteine bilden die Schnittstelle zwischen dem Betriebssystem der CPU und dem
Anwenderprogramm. Es gibt drei verschiedene Arten von Organisationsbausteinen.
 Im Organisationsbaustein für zyklische Programmbearbeitung (OB 1)wird durch Aufruf anderer
  Programmbausteine (z. B. OBs, SFCs oder FBs) die Reihenfolge der Bearbeitung des
  Anwenderprogrammes festgelegt.
 Es gibt spezielle Organisationsbausteine für Neustart (OB 100) und Wiederanlauf (OB 101).
 Organisationsbausteine für ereignisgesteuerte Programmbearbeitung werden nur beim Auftreten
  bestimmter Fehler und Alarme vom Betriebssystem gestartet (Bsp.: OB 40, Prozeßalarm, OB 80,
  Zeitfehler, OB 82, Diagnosealarm). In jedem dieser Bausteine kann eine Reaktion programmiert
  werden, die beim Auftreten des Ereignisses in Gang gesetzt werden soll. Damit können solche
  Teile des Anwenderprogramms, die nur beim Eintreten bestimmter Ereignisse abgearbeitet werden
  müssen, aus der zyklischen Programmbearbeitung ausgegliedert werden.
Jedem Organisationsbaustein ist eine Prioritätsklasse zugeordnet. Sie bestimmt die Reihenfolge, in der
die OBs abgearbeitet werden. Zyklische Bearbeitung hat die niedrigste Priorität.


Objekt Systemfunktionsbaustein (SFB)
Ein Systemfunktionsbaustein (SFB) ist ein im Betriebssystem der CPU integrierter Funktionsbaustein,
der bei Bedarf im Anwenderprogramm wie ein Funktionsbaustein (FB) aufgerufen werden kann.


Objekt Systemfunktion (SFC)
Eine Systemfunktion (SFC) ist eine im Betriebssystem der CPU integrierte Funktion, die bei Bedarf
im Anwenderprogramm wie eine Funktion (FC) aufgerufen werden kann.


Objekt Datenbaustein (DB)
Datenbausteine sind Datenbereiche im Anwenderprogramm, die ausschließlich Anwenderdaten
enthalten. Es gibt globale Datenbausteine, auf die von allen Codebausteinen zugegriffen werden kann
und es gibt Instanz-Datenbausteine, die genau einem bestimmten Funktionsbaustein zugeordnet sind.

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Objekt Systemdatenbaustein (SDB)
Systemdatenbausteine enthalten die Systemeinstellungen und Baugruppenparameter.                 Die
Systemdatenbausteine werden durch das Konfigurieren der Hardware erzeugt und geändert.


Objekt Anwenderdefinierter Datentyp (UDT)
Anwenderdefinierte Datentypen werden vom Anwender mit der Datentypdeklaration geschaffen. Man
kann verschiedene Datentypen zur Erzeugung der internen Struktur des UDTs verwenden. UDTs
haben einen eigenen Namen und sind deshalb mehrfach verwendbar. Z.B. kann ein
anwenderdefinierter Datentyp zur Erzeugung mehrerer Datenbausteine mit der gleichen Struktur (z. B.
Regler) genutzt werden.


Objekt Variablentabelle (VAT)
In die Variablentabelle werden diejenigen Variablen eingetragen, die beobachtet und gesteuert werden
sollen. Sie enthält auch die zugehörigen Datenformatangaben.




3. Die Programmiersprachen von STEP 7
Zur Erstellung des S7-Programms stellt Step 7 mehrere Programmiersprachen zur Verfügung:

-    KOP                        Kontaktplan                           Grafischer Editor
-    AWL                        Anweisungsliste                       Texteditor
-    FUP                        Funktionsplan                         Grafischer Editor
-    S7-SCL                     Structured Control Language           Hochsprache, Texteditor
-    S7-GRAPH                   Ablaufsteuerung                       Grafischer Editor
-    S7-HiGraph                 Zustandsgraph                         Grafischer Editor


STEP 7 Bausteine sind untereinander mischbar, d.h. das z.B. ein SCL-Baustein einen anderen
Baustein aufrufen kann oder von einem anderen Baustein aufgerufen werden kann, der in einer
beliebigen Sprache oder Darstellungsart des STEP 7-Programmiersystems erstellt wurde.

Inkrementelle Editoren und Texteditoren:
Je nach Programmiersprache stehen einem inkrementelle Editoren oder quellorientierte (=Text-)
Editoren zur Verfügung.

Inkrementelle Editoren für KOP, FUP, AWL oder S7-GRAPH: mit solchen Editoren werden
Bausteine erstellt, die im Behälter Bausteine abgelegt werden. Inkrementell bedeutet, daß jede
Eingabe sofort überprüft wird. Die Verwendung von Adressen und Symbolen wird dabei ebenso
geprüft wie die spezielle Syntax der Programmiersprache. Aus diesem Grund können in KOP oder
AWL nur fehlerfreie Bausteine gespeichert werden, in S7-GRAPH können fehlerhafte oder
unvollständige Bausteine als Graph-Quelle gespeichert werden.




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Quellorientierte Editoren für AWL, S7-Graph oder S7-SCL: In quellorientierten Editoren werden
Texte erstellt, die anschließend in Bausteine übersetzt werden können. Für die Übersetzung ist es
wichtig, daß die vorgeschriebene Syntax der Programmiersprache berücksichtigt wird. Eine
Syntaxprüfung erfolgt erst durch den Befehl zur Konsistenzprüfung oder bei der Übersetzung in
Bausteine. Aus diesem Grund können auch fehlerhafte Quellen gespeichert werden.



3.1 KOP-FUP-AWL
Nach dem Öffnen eines Codebausteins erscheint ein Fenster mit der Variablendeklarationstabelle des
Bausteins im oberen Teil und dem Anweisungsteil im unteren Teil, in dem man den eigentlichen
Bausteincode bearbeitet. Nach dem Öffnen wird eine voreingestellte Variablendeklarationstabelle
angezeigt. Diese listet nur die für die gewählte Bausteinart zulässigen Deklarationstypen (IN, OUT,
IN_OUT, STAT, TEMP) auf und zwar in der vorgeschriebenen Reihenfolge. - Bei der Neuerstellung
eines OBs wird eine Standard-Variablendeklaration angezeigt, deren Werte geändert werden können.
Die Variablendeklarationstabelle beinhaltet Einträge für Adresse, Deklarationstyp, Name, Datentyp,
Anfangswert und Kommentar der Variablen. Variablen vom Datentyp Feld oder Struktur benötigen
mehrere Zeilen.
Bei fehlerfreien Bausteinen kann man zwischen den Darstellungen des Bausteins in den
Programmiersprachen KOP, FUP und AWL wechseln. Der Wechsel nach AWL ist immer möglich,
umgekehrt nur unter Einhaltung bestimmter Regeln.



KOP
Die Darstellung in der grafischen Programmiersprache KOP (Kontaktplan) ist Stromlaufplänen
nachempfunden. Die Elemente eines Stromlaufplanes, wie z.B. Öffner und Schließer, werden zu
Netzwerken zusammengefügt. Ein oder mehrere Netzwerke ergeben den gesamten Anweisungsteil
eines Codebausteins.
Es können keine Zweige editiert werden, die einen Kurzschluß oder einen Stromfluß in umgekehrter
Richtung verursachen könnten. Das ist nicht erlaubt.



FUP
Die Programmiersprache FUP (Funktionsplan) benutzt zur Darstellung logischer Verknüpfungen die
Symbole der boolschen Algebra.


AWL
Die Programmiersprache AWL (Anweisungsliste) ist eine maschinennahe Sprache, deren
Anweisungen einfache Operationen ausführen. Mehrere Anweisungen können zu Netzwerken
zusammengefügt werden.




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3.2 S7-Graph
S7-Graph ist eine graphische Programmiersprache, mit der sich Ablaufsteuerungen in Form einer
Schrittkette programmieren lassen. S7-Graph entspricht der in IEC1131-3 genormten Ablaufsprache
„Sequentional Function Chart“.
Beim Programmieren einer Ablaufsteuerung wird der Vorgang in einzelne Schritte zerlegt. Wenn eine
vorangestellte Bedingung erfüllt wurde, schaltet die Kette vom jetzt aktiven Schritt zum
nachfolgenden Schritt, der daraufhin aktiviert wird. Der vorausgegangene Schritt wird deaktiviert. In
den aktiven Schritten werden dann Aktionen gestartet.




Abbildung 3

Die Elemente von S7-Graph , hier in Einzelschrittdarstellung
 Zuerst stellt man durch grafisches Aneinanderfügen nachfolgender Kettenelemente (s.u.) eine Kette
aus mehreren Schritten und Transitionen zusammen. Die Kette kann einen Initialschritt enthalten, der
das Rücksetzen der Ablaufkette bewirkt. Die Kette muß ein definiertes Ende enthalten oder am Ende
an einen Punkt in der Kette springen, z.B. zum Anfang. Die Kette kann sich alternativ verzweigen
(oder), oder sie kann sich simultan verzweigen (und). Man kann innerhalb der Kette auch Sprünge
programmieren. Jeder Schritt kann mit einem Kommentar versehen werden.




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              Schritte und Transitionen
              Sprung
              Alternativverzweigung auf
              Alternativverzweigung zu
              Simultanverzweigung auf
              Simultanverzweigung zu
              Kettenende
              Neue Kette
              Permanente Bedingung
              Permanente Bausteinaufrufe


Abbildung 4

Eine S7-Graph Ablaufkette besteht aus diesen grafischen Elementen


Dann werden für die einzelnen Schritte die Bedingungen und Aktionen programmiert. Die
Bedingungen werden mit grafischen Symbolen (s.u.) editiert, die an die Sprache KOP angelehnt sind.




              Schließer
              Öffner
              Vergleichsbox
              Verzweigung auf
              Verzweigung zu

Abbildung 5

Aus diesen KOP-Elementen kann man die Bedingungen programmieren


Die Bedingungen unterteilen sich in :
 Transitionen
  Darin sind die Bedingungen, die das Weiterschalten von Schritt zu Schritt steuern. Wenn eine
  Transition erfüllt ist, wird der darauffolgende Schritt aktiviert.
 Interlock
  Verriegelungsbedingungen, wenn sie erfüllt sind, werden weitere Aktionen ausgeführt, die speziell
  für die Erfüllung dieser Bedingung programmiert wurden.
 Supervision
  Schrittüberwachung, wenn deren Bedingungen nicht erfüllt werden, wird die Schrittkette
  angehalten. Werden die Bedingungen nicht erfüllt, wird die Kette weitergeschaltet.



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 Permanente Operationen
  Vor- oder nachgeschaltete Verknüpfungen, die das Verknüpfungsergebnis in einer Variablen
  (graphisch als KOP-Spule dargestellt) speichern. Oft verwendete komplexe Verknüpfungen müssen
  deshalb nur einmal programmiert werden, in der Kette kann auf den Inhalt der Variablen
  zugegriffen werden.
Durch Reihenschaltung von Schließern, Öffnern und Vergleichsboxen lassen sich UND-Ver-
knüpfungen programmieren, durch Parallelschaltung von Schließern, Öffnern und Vergleichsboxen
unter Benutzung der Verzweigungselemente lassen sich ODER-Verknüpfungen programmieren. In
den Vergleichsboxen kann man mit den Operatoren = = , <> , > , < , >= , <= ganze Zahlen (INT,
DINT) oder Gleitpunktzahlen (REAL) miteinander vergleichen. Diese zwei Zahlen können
Konstanten, Variablen oder Graph-spezifische Operatoren sein (Aktivierungszeit von Schritten). Ist
die Bedingung erfüllt, liefert die Box eine logische 1 ab.


Die Aktionen werden in eine Tabelle geschrieben, und zwar in einer AWL-ähnlichen Sprache. Solche
Aktionen sind:
 das Schalten von Ausgängen, solange der Schritt aktiv ist,
 das speichernde Setzen oder Rücksetzen von Ausgängen,
 das zeitgesteuerte Schalten von Ausgängen,
 das Aufrufen von anderen Programmbausteinen,
 das Aktivieren oder Deaktivieren von anderen Schritten der Kette,
 Aktionen, deren Ausführung davon abhängt, ob die Interlock-Bedingung erfüllt ist,
 ereignisabhängige Aktionen. Ereignisse, die Einfluß auf die Aktionen haben, sind :
         Kommender und gehender Schritt
         Kommender und gehender Interlock, bei aktivem Schritt
         Kommende, anstehende und gehende Supervision, bei aktivem Schritt
         Quittierung einer Meldung nach einem Fehler, bei aktivem Schritt
Die Aktionen werden in eine Tabelle geschrieben, und zwar in einer AWL-ähnlichen Sprache. In eine
Seite der Tabelle wird die Operation geschrieben, die ausgeführt werden soll, in die nachfolgende
Spalte die dazugehörigen Operanden. Beispiele:


N                A 2.3                                     Nicht speichernd, Ausgang wird
                                                           geschaltet, solange der Schritt aktiv ist
S                M 4.5                                     Setzt Merker speichernd, Merker ist noch
                                                           gesetzt, wenn der Schritt deaktiviert wurde
R                M 4.5                                     Merker wird zurückgesetzt
L               M 51.1                                     Bei aktivem Schritt führt der Ausgan
                T#5S                                       für 5 Sekunden ein Signal
CALL             FC 30                                     Eine Funktion wird aufgerufen
CALL            FB 32, DB32                                Ein Funktionsbaustein wird aufgerufen,.
                Dauer:=“S5T#4S“ (S5TIME) (IN)              ihm werden Parameter übergeben bzw.
                Status:=“Bohrstaus“ (BOOL) (OUT)           von ihm übernommen
N C             A 5.1                                      Wenn die Interlockbedingung erfüllt ist,
                                                           wird der Ausgang geschaltet

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S1 S           M111.1                            Bei kommendem Schritt wird der Merker
                                                 gesetzt.
S0 R           M111.1                            Bei gehendem Schritt wird der Merker
                                                 zurückgesetzt.
S1 NC          A 6.3                             Bei kommendem Schritt und wenn die
                                                 Interlockbedingung erfüllt ist, schaltet der
                                                 Ausgang
L0 ON          S5                                Wenn die Interlockbedingung kommt, wird
                                                 Schritt 5 aktiviert
L1 S           A 5.3                             Wenn die Interlockbedingung geht, wird
                                                 der Ausgang gesetzt.
V1 CALL        SFC 52                            Wenn die Supervision kommt oder bei
                                                 Aktivierung des Schritts ansteht, wird die
                                                 Systemfunktion ausgeführt
V0 N           A 2.0                             Wenn die Supervision geht, schaltet der
                                                 Ausgang
V1 CALLC       FB 30                             Wenn die Supervision kommt oder bei
                                                 Aktivierung des Schritts ansteht, und die
                                                 Interlockbedingung erfüllt ist wird die
                                                 Funktion ausgeführt
A1 S           M60.2                             Wenn eine Meldung quittiert wird, wird
                                                 der Merker gesetzt
A1 OFFC        S8                                Wenn eine Meldung quittiert wird, und die
                                                 Interlockbedingung erfüllt ist, wird der
                                                 Schritt deaktiviert
Tabelle : Beispiele möglicher Aktionen




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In Graph 7 gibt es drei verschiedene Möglichkeiten, sich die Kette anzeigen zu lassen:
    Die Übersichtsdarstellung
     Hier werden nur die Schritte und Transitionen dargestellt, aber beide ohne Inhalt, also weder die
     Schrittbedingungen noch die Aktionen werden angezeigt. Hier gewinnt man einen schnellen
     Überblick über die Struktur der Kette, z.B. über Verzweigungen und Sprünge. Bei vorhandenem
     Interlock und /oder Supervision werden kleine Buchstaben (C/V) an das Schrittsymbol angehängt.
    Die Einblatt-Ansicht
     Es werden alle Schritte und Transitionen mit Inhalt angezeigt, sowie die permanenten
     Bedingungen. Nachteil: Auch hier werden bei vorhandenem Interlock und Supervision bloß
     Buchstaben angehängt, die Inhalte der Bedingungen werden nicht angezeigt! Die Interlock- /
     Supervisionsabhängigen Aktionen werden angezeigt.
    Die Einzelschritt-Ansicht
     Wenn man in den beiden vorgenannten Ansichten einen Schritt angeklickt hat, kann man sich den
     in Einzelschritt-Ansicht ansehen. Alle Transitionen, Aktionen sowie die Interlock- und
     Supervisionsbedingungen werden angezeigt, zusätzlich eine Schnittmenge der Symboltabelle mit
     allen in diesem Schritt vorkommenden Operanden. - Das ist die einzige Ansicht, in der Interlock-
     und Supervisionsbedingungen angezeigt werden.


Nachdem man die komplette Schrittkette programmiert hat, muß sie übersetzt und gespeichert werden.
In einem eigenen Fenster für das Übersetzen werden Fehler und Warnungen angezeigt. Läßt sich der
Baustein wegen vorhandener Fehler nicht übersetzen, kann man ihn als Graph-Quelle (im S7-Ordner
Quellen) abspeichern.
Beim Übersetzen erzeugt STEP 7 automatisch einen Funktionsbaustein mit zugeordnetem Instanz-
Datenbaustein. Der Funktionsbaustein muß noch aus einem anderen Programmbaustein aufgerufen
werden. Dazu wird der Funktionsbaustein wahlweise mit einem von drei verschiedenen
Parametersätzen (Minimal, Standard, Maximal) beschaltet. Alle Eingänge des Funktionsbausteins
reagieren nur auf eine steigende Flanke des Eingangssignals. Einzige Ausnahme ist der
Freigabeeingang EN.
Über die Parameter hat der Anwender die Möglichkeit, drei Betriebsarten anzuwählen, in denen die
Kette ablaufen soll oder nur einzelne Schritte ausgeführt werden:
    Automatik - SW_AUTO
     Die Schritte werden weitergeschaltet, wenn die Bedingungen erfüllt sind. Am Ausgang wird
     AUTO_ON geschaltet.
    Tippbetrieb - SW_TAP
     Die Schritte werden weitergeschaltet, wenn die Bedingungen erfüllt sind und der Eingang
     T_PUSH ein Signal erhält. Diese Betriebsart eignet sich zum schrittweisen Testen des
     Programms, z.B. Bei der Inbetriebnahme einer Anlage.
     Der Ausgang TAP_ON wird gesetzt.
    Handbetrieb - SW_MAN
     Die Schritte werden von Hand angewählt, entweder durch Vor- oder Zurücktippen mit den
     Parametern S_PREV bzw. S_NEXT oder durch Direkteingabe der Schrittnummer in den
     Parameter S_SEL. Der Schritt muß jetzt noch mit S_ON aktiviert werden. Ein Schritt kann aber
     nur dann aktiviert werden, wenn vorher der momentan aktive Schritt angewählt und mit S_OFF
     deaktiviert wurde. Ein Schritt wird im Handbetrieb unabhängig davon ausgeführt, ob die
     Bedingungen erfüllt sind. Eine Kollisionsbetrachtung liegt also ganz in der Verantwortung des
     Bedieners.
     Der Ausgang MAN_ON wird gesetzt.
Außerdem kann man über die Eingangsparameter noch Timer zurücksetzen, Störungen quittieren,
Interlock und Supervision ausschalten, Operanden zurücksetzen oder die Kette initialisieren.

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Die Ausgänge geben die Statusmeldungen aus, z.B. zeigen sie die Schrittnummer an, ob der
angezeigte Schritt aktiv ist, ob ein Fehler vorliegt, ob Interlock und Supervision eingeschaltet sind,
welche Betriebsart aktiv ist, ob der Baustein überhaupt aktiv ist u.v.m.. Ein- und Ausgänge müssen
nicht beschaltet werden.




Abbildung 6

Ein S7-Graph Funktionsbaustein mit Maximalparametersatz
Wenn der erzeugte Graph-Funktionsbaustein korrekt angeschaltet aus einem anderen Baustein
aufgerufen wird, kann man ihn ins AG laden und über die in S7-Graph integrierte Testfunktion online
testen. Siehe bei Testfunktionen.




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3.3 SCL
S7-SCL (Structured Control Language) ist eine höhere Programmiersprache, die sich an PASCAL
orientiert.  Die   Norm     IEC    1131-3     standardisiert      die    Programmiersprachen für
speicherprogrammierbare Steuerungen. Basis dafür ist der Teil "strukturierter Text".




        Abbildung 7

        Abb.: SCL-Fenster

Durch ihre Hochsprachenbefehle vereinfacht SCL z.B. die Programmierung von Schleifen und
bedingten Verzweigungen. SCL eignet sich daher u.a. für Formelberechnungen, komplexe
Algorithmen oder die Verwaltung großer Datenmengen.
SCL ist mit etwas Erfahrung in einer höheren Programmiersprache leicht erlernbar.


Eine SCL-Quelle wird folgendermaßen erstellt:


-    Anlegen einer neuen SCL-Quelle im Quell-Behälter des gewünschten S7-Programms.
-    Editieren der SCL-Quelle. Zur Strukturierung können folgende Bausteine genutzt werden:

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        Datenbausteine (DBs),
        Anwenderdefinierte Datentypen (UDTs),
        Funktionsbausteine (FBs, SFBs),
        Funktionen (FCs, SFCs) und
        Organisationsbausteine (OBs)
-    Abspeichern der SCL-Quelle.
-    Übersetzen des erstellten Programms. Nach erfolgter Syntaxprüfung wird in einem separaten
     Meldungsfenster angezeigt, an welchen Stellen des Programms syntaktische Fehler aufgetreten
     sind. Daraufhin müssen diese Fehler korrigiert werden und das Programm muß erneut übersetzt
     werden.
-    Laden der vom Compiler erzeugten Bausteine in die CPU. Testen des Programms in der CPU mit
     den Testfunktionen von SCL. Die Testfunktionen von SCL ermöglichen die Suche nach logischen
     Programmierfehlern in einer fehlerfreien Übersetzung. Die Fehlersuche erfolgt dabei in der
     Quellsprache.
SCL-Quellen müssen den folgenden Regeln genügen:
-    In einer SCL-Quelle können beliebig viele Codebausteine (FB, FC, OB), Datenbausteine (DB)
     und anwenderdefinierte Datentypen (UDT) editiert werden.
-    Jede Bausteinart ist typisch aufgebaut.
-    Jede Anweisung und jede Variablendeklaration endet mit einem Semikolon (;).
-    Groß- und Kleinschreibung wird nur bei Variablennamen berücksichtigt.
-    Kommentare dienen lediglich der Dokumentation des Programms. Sie beeinträchtigen den
     Programmablauf nicht.


Der Quellcode für einen Baustein besteht grundsätzlich aus folgenden Abschnitten:
-    Bausteinanfang mit Angabe des Bausteinbezeichners
-    Bausteinattribute, z.B. Überschrift des Bausteins, Bausteinname (optional)

-    Systemattribute für Bausteine, z.B. für Bedien- und Beobachtgeräte (optional)
-    Vereinbarungsteil (unterschiedlich je nach Bausteinart)
     Der Vereinbarungsteil dient zur Vereinbarung der lokalen Variablen, Parameter, Konstanten und
     Sprungmarken.
-    Systemattribute für Parameter, z. B. für die Meldungs- oder Verbindungsprojektierung (optional)
-    Anweisungsteil in Codebausteinen bzw. Zuweisung von Aktualwerten in Datenbausteinen
     Der Anweisungsteil beinhaltet Anweisungen, die nach dem Aufruf eines Codebausteins zur
     Ausführung kommen sollen. Diese Anweisungen dienen zur Verarbeitung von Daten oder
     Adressen.
-    Anweisungen
     Die Anweisungsfolge kann sich aus den folgenden Anweisungen zusammensetzen:
        Den Wertzuweisungen, die dazu dienen, einer Variablen das Ergebnis eines Ausdrucks, oder
         den Wert einer anderen Variablen zuzuweisen.
        Der Kontrollanweisungen, die dazu dienen, Anweisungen oder Gruppen von Anweisungen zu
         wiederholen oder ein Programm zu verzweigen.
        Den Aufrufen von Funktionen und Funktionsbausteinen.
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-    Bausteinende.




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4. Die Testfunktionen
Um die Variablen eines Anwenderprogramms anzuzeigen oder zu steuern, muß vorher eine
Variablentabelle erstellt werden. Die Variablen (symbolisch/absolut), das Datenformat und der zu
steuernde Wert werden in die Tabelle geschrieben. Die Tabelle kann gespeichert werden. Dann muß
eine Online-Verbindung zur CPU hergestellt werden. Soll gesteuert werden, muß der
Betriebsartenschalter der CPU auf Run-P gestellt werden.




Abbildung 8

Variablentabelle


Durch die Wahl der Triggerpunkte müssen noch die Zeitpunkte bestimmt werden, an dem die
Variablenwerte beobachtet werden sollen oder an dem den Variablen die Steuerwerte zugewiesenen
werden sollen, diese Punkte und Bedingungen müssen noch per Dialogbox eingestellt werden.




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Dialogbox Trigger

Die Variablen können einmalig auch ohne Trigger gesteuert oder beobachtet werden.




         Triggerpunkt und Triggerbedingung einstellen (Dialogbox, s.o.)
         Variablen beobachten in Abhängigkeit von der Triggerbedingung
         Variablen steuern in Abhängigkeit von der Triggerbedingung
         Statuswerte aktualisieren, aktualisiert die Werte einmalig, unabhängig vom Trigger
         Steuerwerte aktivieren; aktiviert die Steuerwerte einmalig, unabhängig vom Trigger
         Steuerwerte gültig


Abbildung 10

Funktionsleiste Variable in der Variablentabelle
Mit dem Button „Steuerwerte gültig“ werden die Steuerwerte aus der Tabelle gültig und können dann
gesteuert werden. Beim Deaktivieren des Buttons werden die Variablen mit einem Kommentarzeichen
„//“ versehen.




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5. Diagnose & Fehlersuche
Liegt eine Störung vor, entweder durch fehlerhafte Hardware oder
durch fehlerhafte Software, geht die betroffene Baugruppe in den
STOP-Zustand. Baugruppenfehler und Betriebszustände werden
über die Kontrolleuchten in den Geräten angezeigt.


Die LEDs ”BUSF” und ”SF DP” geben Informationen über die
DP-Schnittstelle aus. In der folgenden Tabelle werden diese
Informationen erklärt:

                                                              Abbildung 11

                                                              Status-
und Fehleranzeigen der CPU


 SF DP      BUSF                      Bedeutung                                        Abhilfe

aus        aus        Projektierung in Ordnung;                     -
                      alle projektierten Slaves sind ansprechbar
leuchtet   leuchtet      Busfehler (physikalischer Fehler)             Überprüfen Sie, ob das Buskabel an der
                                                                         CPU 315-2 DP angeschlossen ist bzw.
                                                                         der Bus unterbrochen ist.


                         fehlende oder fehlerhafte Projektierung       Überprüfen Sie, ob der DP-Master das
                          (also auch wenn die CPU nicht als DP-          Token erhält (Projektierungsfehler bei
                          Master parametriert wurde)                     der höchsten L2-Adresse innerhalb der
                                                                         PROFIBUS-DP-Parameter; die höchste
                                                                         L2-Adresse ist kleiner als die L2-
                                                                         Adresse des DP-Masters)
                                                                        Werten Sie die Diagnose aus.
                                                                         Projektieren Sie neu oder korrigieren Sie
                                                                         die Projektierung.
                         DP-Schnittstellenfehler
leuchtet   blinkt        Stationsausfall                           Warten Sie ab, bis die CPU 315-2 DP
                                                                    hochgelaufen ist. Wenn die LED nicht aufhört
                         mindestens einer der zugeordneten         zu blinken, überprüfen Sie die DP-Slaves
                          Slaves ist nicht ansprechbar              oder werten Sie die Diagnose der DP-Slaves
                                                                    aus

Tabelle : Bedeutung der LED ”BUSF” und ”SF DP” der CPU 315-2 DP




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  Anzeige           Bedeutung                                       Erläuterungen

                                      leuchtet bei
                                         Hardwarefehlern
                                         Firmwarefehlern
                                         Programmierfehlern
                                         Parametrierfehlern
                                         Rechenfehlern
SF (rot)       Sammelfehler
                                         Zeitfehlern
                                         fehlerhafter Memory Card
                                         Batterieausfall bzw. bei NETZ-EIN fehlt Pufferung
                                         Peripheriefehler (nur für externe Peripherie)
                                      Zur genauen Fehlerermittlung müssen Sie ein PG einsetzen und den
                                      Diagnosepuffer auslesen.

BATF (rot)     Batteriefehler         leuchtet, wenn Batterie defekt ist oder fehlt

               DC 5V-Versorgung für
DC5V (grün)
               CPU und S7-300-Bus
                                      leuchtet, wenn interne DC 5V-Versorgung in Ordnung ist.

FRCE (gelb)    reserviert             -

                                      blinkt mit 2 Hz während des CPU-Anlaufs
                                         für mindestens 3 s; der CPU-Anlauf kann aber kürzer sein.
RUN (grün)     Betriebszustand RUN
                                         während des CPU-Anlaufs leuchtet zusätzlich die STOP-Anzeige;
                                          nach dem Erlöschen der STOP-Anzeige sind die Ausgänge
                                          freigegeben.
                                      leuchtet, wenn die CPU kein Anwenderprogramm bearbeitet.
STOP (gelb)    Betriebszustand STOP
                                      blinkt mit 2 Hz, wenn CPU Urlöschen anfordert.

Tabelle : Betriebszustände und Fehleranzeigen der CPU
Um den Zustand einer Baugruppe des Projekts festzustellen, muß man eine Online-Verbindung zu
dieser Baugruppe herstellen.




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Testfunktion Status Baustein. Die Testfunktion läuft unter der gleichen grafischen Oberfläche
wie der Hardwarekonfigurator, entsprechend der Funktionstüchtigkeit der Module werden nun
kleine grafische Symbole an jedes Modul angehängt. Jedes dieser Symbol steht für einen
bestimmten Betriebszustand oder Fehler (s. u.). Hier im Beispiel: DP-Slave fehlt.




                                                                                    Abbildung 13

Beispiel : Symbole für mögliche Fehler an DP-Slaves
Wenn ein Diagnosesymbol an die Baugruppe angehängt wurde, kann man das betreffende Objekt
markieren und sich die Details im Dialogfeld „Baugruppenzustand“ anzeigen lassen. Je nach
Baugruppenart gibt es dort verschiedene Register, auf denen die Störungen eingetragen wurden.
Wenn die Baugruppe in den STOP-Zustand gegangen ist, werden auf der Registerkarte „Stacks“ der
CPU die Inhalte dreier Stacks angezeigt:
-    L-Stack
     Zeigt die Lokaldaten der verwendeten Bausteine.
-    B-Stack
     Enthält eine Liste der aufgerufenen Bausteine.
-    U-Stack
     Gibt die Unterbrechungsstelle an, dazu die folgenden Informationen:
        Akkus und Register
        Offene Datenbausteine
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        Unterbrochener Baustein
        Aufrufender Baustein.

Die Registerkarte „Diagnosepuffer“ ist ein Puffer, in den alle Störungen hineingeschrieben werden
und in dem die vorangegangenen Störungen angesehen werden können, mit Datum, Uhrzeit und
auslösendem Ereignis. Über den „Hilfe“ Button kann gleich das fehlerverursachende Programm
geöffnet werden. Man kann die Diagnoseeinträge aber auch auslesen oder über eine Systemfunktion
(SFC 51) an das Anwenderprogramm senden. Es ist auch möglich, eigene Diagnoseereignisse zu
definieren und diese mit der SFC 52 an B&B-Geräte zu senden. Man kann auch einen Fehler-OB
programmieren, um beim Auftreten des entsprechenden Fehlers zu vermeiden, daß die CPU in STOP
geht.
Der Diagnosepuffer ist auch Teil der Systemzustandsliste, in der sämtliche aktuellen Diagnosedaten,
Betriebszustände und bestimmte Konfigurationsparameter von CPU und Baugruppen
zusammengestellt werden. Auch sie kann ausgelesen werden.
Die Sprachen von Step 7 haben jeweils eigene Suchmöglichkeiten und Fehleranzeigen, um Online
Programme zu testen. Hier zwei Beispiele von Graph 7:




Abbildung 14

Testfunktion von S7-Graph, die Ausgangsseite: die Signalzustände der programmierten
Aktionen werden angezeigt (Ausnahme Bausteinaufrufe). Fehlerhafte Aktionen werden in roter
Schrift angezeigt.




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Abbildung 15

Die Testfunktion bei S7-Graph, Transitionsseite: Aktive Schritte und erfüllte
Transitionsbedingungen werden grün angezeigt, nicht erfüllte Bedingungen werden blau
gestrichelt angezeigt, nicht aktive Elemente sind grau.




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Kurzbeschreibung PROFIBUS

1. Einführung
In der Automatisierungstechnik müssen die vielen Feldgeräte wie Sensoren, Meßumformer, Ventile,
Motoren, Bediengeräte, Anzeigeeinheiten usw., mit dem Automatisierungsgerät (AG) kommunizieren.
Würde jedes Gerät einzeln an das AG angeschlossen, wäre ein erheblicher Verkabelungsaufwand
nötig. Daher haben sich Feldbussysteme durchgesetzt, um die Informationen zu übertragen. Die Stell-
und Meldegeräte werden an einen „Slave“ angeschlossen oder sie werden direkt an den Bus
angeschlossen (busfähige Komponenten). In diesem Slave werden die von den verschiedenen
Sensoren anstehenden Signale in ein „Bustelegramm“ geschrieben, das an den „Master“ gesendet
wird, bzw. die vom Master ankommenden Telegramme mit Informationen werden gelesen und für die
Aktoren bereitgestellt. Statt vieler parallel laufender Leitungen in großen Kabelbäumen wird ein
abgeschirmtes zweiadriges, verdrilltes Kabel für die serielle Übertragung aller Signale verwendet. Das
vereinfacht die Installation, die Inbetriebnahme, die Fehlersuche, die Änderung und die Erweiterung.
Durch den Wegfall sich gegenseitig beeinflussender Leitungen wird die Störanfälligkeit erheblich
geringer, die Ausdehnung des Netzes kann sich vergrößern. Es ist auch ohne Mehraufwand möglich,
über die Busleitung weitere Daten zu senden, beispielsweise Parameter, Prozeßalarme oder
Diagnosedaten von Feldgeräten.
Durch diese Vorteile der Feldbussysteme beim Aufbau und im Betrieb wird eine enorme Reduzierung
der Kosten bewirkt.
Während in der Vergangenheit meist herstellerspezifische, untereinander nicht kompatible Feldbusse
zum Einsatz kamen, haben sich heute einige offene, standardisierte, herstellerübergreifende Systeme
am Markt durchgesetzt. Dadurch wird der Anwender unabhängig von einzelnen Produzenten und kann
aus einer großen Produktpalette die für sich geeignetsten und preiswertesten Komponenten aussuchen.
Solche offenen Feldbussysteme sind : INTERBUS; CAN-Bus, FIP, AS-Interface und PROFIBUS.
                                          PROFIBUS       (Process    Field   Bus)    ist  ein
                                          herstellerunabhängiger, offener Feldbusstandard für
                                          Anwendungen in der Fertigungs- und Prozeßauto-
                                          mation und der Gebäudetechnik. Durch die
                                          Standardisierung in der internationalen Norm
                                          EN 50 170 ermöglicht PROFIBUS die problemlose
                                          Kommunikation von Geräten verschiedener Hersteller
                                          ohne besondere Schnittstellenanpassungen. Alle
führenden Hersteller der Automatisierungstechnik bieten heute PROFIBUS-Komponenten oder
PROFIBUS-Anschlüsse für die jeweiligen Geräte an.
PROFIBUS war eine Gemeinschaftsentwicklung mehrerer Firmen und Hochschulen. Aus diesem
Entwicklungsprojekt ging die PROFIBUS-Nutzerorganisation hervor, in der heute zahlreiche
Hersteller, Anwender und Forschungseinrichtungen Mitglied sind, um den PROFIBUS
weiterzuentwickeln und zu normen. Sie gibt auch den PROFIBUS Produktkatalog heraus, der
vierteljährlich aktualisiert wird.
Für die verschiedenen Anforderungen und Einsatzgebiete sind drei miteinander kompatible
PROFIBUS-Varianten verfügbar. Dadurch ist PROFIBUS sowohl für schnelle, zeitkritische Daten-
übertragungen im Feld- und Zellenbereich, als auch für umfangreiche und komplexe Kommu-
nikationsaufgaben in den höheren Ebenen der Automatisierungstechnik geeignet. - Diese drei
Varianten sind:




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Abbildung 16

Die PROFIBUS Familie



PROFIBUS-FMS

PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification) ist die Variante für Kommunikationsaufgaben in
der Zellenebene, hauptsächlich für die Kommunikation zwischen mehreren Mastern, und für die
Anbindung an die Netze der Leitebene. Die leistungsfähigen Kommunikationsdienste eröffnen einen
breiten Anwendungsbereich und große Flexibilität. FMS ist auch für Kommunikationsaufgaben mit
großen Datenmengen geeignet.

PROFIBUS-DP

PROFIBUS-DP (Dezentrale Peripherie) ist eine auf Geschwindigkeit und niedrige Anschlußkosten
optimierte PROFIBUS-Variante für die Kommunikation zwischen Automatisierungssystemen und
dezentralen Peripheriegeräten in der Feldebene. PROFIBUS-DP zeichnet sich durch eine schnelle
zyklische Kommunikation bei kleinen Datenmengen aus. Die dafür benötigten
Kommunikationsfunktionen sind durch die PROFIBUS-DP Grundfunktionen festgelegt. Für die
Parametrierung, Diagnose und Alarmbehandlung während des laufenden zyklischen Datenverkehrs
werden für intelligente Feldgeräte zusätzlich auch azyklische Kommunikationsfunktionen benötigt.
Es sind Übertragungsraten bis 12 Mbit/s möglich.
PROFIBUS-DP und PROFIBUS-FMS verwenden die gleiche Übertragungstechnik und ein
einheitliches Buszugriffsprotokoll. Beide Varianten können deshalb simultan auf einem Kabel
betrieben werden.
PROFIBUS-DP ist geeignet als Ersatz für die konventionelle, parallele Signalübertragung mit 24 Volt
oder 0-20 mA.



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PROFIBUS-PA

PROFIBUS-PA (Process Automation) ist speziell für die Verfahrenstechnik konzipiert und erlaubt die
Anbindung von Sensoren und Aktoren, auch im explosionsgefährdeten Bereich, an eine gemeinsame
Busleitung. PROFIBUS-PA ermöglicht die Datenkommunikation und Energieversorgung der Geräte
in 2-Drahttechnik gemäß dem internationalen Standard IEC 1158-2. PROFIBUS-PA Geräte können
über einen Segmentkoppler auf einfache Weise in PROFIBUS-DP Netze integriert werden.
PROFIBUS-PA verwendet das erweiterte PROFIBUS-DP Protokoll für die Datenübertragung.


PROFIBUS unterscheidet zwischen Master- und Slave-Geräten. Master bestimmen den Datenverkehr
auf dem Bus. Ein Master darf Nachrichten ohne externe Aufforderung aussenden, wenn er im Besitz
der Buszugriffsberechtigung (Token) ist. Deshalb werden sie auch als aktive Teilnehmer bezeichnet.
Slave-Geräte sind Peripheriegeräte. Slave-Geräte sind Ein-/Ausgangsgeräte, Ventile, Antriebe und
Meßumformer. Sie müssen eine Buszugriffsberechtigung vom Master erhalten, d. h. sie dürfen nur auf
Anfrage eines Masters Nachrichten an diesen senden oder die von ihm empfangenen Nachrichten
quittieren, daher werden sie als passive Teilnehmer bezeichnet. Slaves benötigen nur einen geringen
Anteil des Busprotokolls.


2. Beschreibung der                  verwendeten         Schichten        des      ISO/      OSI
Kommunikationsmodells
Die PROFIBUS Protokollarchitektur orientiert sich am ISO/OSI (International Standards Organization
/ Open System Interconnection) Kommunikationsmodell, das sieben Übertragungsschichten definiert.
Jede Schicht übernimmt genau festgelegte Aufgaben. Wie bei fast allen Feldbussen sind bei
PROFIBUS nur die Schichten 1, 2und 7 des ISO/OSI Kommunikationsmodells ausgeführt. Die
Funktionen der fehlenden Zwischenschichten werden von der Anwendungsschicht mit übernommen.

Die Schicht 1 (Physical Layer) definiert die physikalische Übertragung, Schicht 2 (Data Link Layer)
die Datenübertragung und das Buszugriffsprotokoll und Schicht 7 (Application Layer) die
Anwendungsfunktionen.
PROFIBUS-DP verwendet die Schichten 1 und 2 sowie ein User Interface. Schicht 3 bis 7 sind nicht
vorhanden. Dadurch wird eine besonders schnelle Datenübertragung erreicht.
Bei PROFIBUS-FMS sind die Schichten 1, 2 und 7 ausgeprägt. Die Anwendungsschicht enthält das
Anwendungsprotokoll, stellt dem Benutzer eine große Anzahl von leistungsfähigen Kommunikations-
diensten zur Verfügung, regelt die verschiedenen Kommunikationsbeziehungen und bildet für FMS
einen geräteunabhängigen Zugang zur Schicht 2.



1.Schicht : Physikalische Übertragung
Netzwerktopologie ist die Linienstruktur. Als Schnittstelle wird die RS 485 eingesetzt, die
Übertragungsgeschwindigkeit ist abhängig von der Leitungslänge. Die Teilnehmer werden durch eine
geschirmte, verdrillte Zweidrahtleitung miteinander verbunden, die über 9-polige Sub-D-Stecker in
das Gerät geführt wird. Beim ersten und letzten Teilnehmer muß jeweils ein Busabschlußwiderstand
als Leitungsabschluß aufgeschaltet werden, um störende Reflexionen zu vermeiden. Die Auswertung
der übertragenen Daten erfolgt durch Messung der Spannungsdifferenz zwischen den beiden Adern,
damit induzierte Störspannungen das Datensignal nicht verfälschen können.
Um den Übertragungsaufwand so gering wie möglich zu halten, werden die einzelnen Bits eines
Zeichens nicht codiert (NRZ-Code: Das Anliegen eines Pegels kennzeichnet eine „1“, kein Pegel
bedeutet „0“).


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Die bidirektionale Datenübertragung zwischen den Teilnehmern wird halbduplex realisiert, d.h.
Datenaustausch ist in beide Richtungen möglich, allerdings nicht gleichzeitig.
Vorgesehen in der Norm ist auch die Kommunikation über Lichtwellenleiter (Glas o. Plastik) für den
Betrieb in EMV-gefährdeter Umgebung oder zur Erhöhung der Reichweite.
PROFIBUS benutzt Universal Asynchronous Receiver and Transmitter (UART)- Zeichen für die
Datenübertragung.
Die Datenübertragung durch UART-Zeichen findet nicht in Form einzelner Zeichen, sondern durch
Zeichenpakete (sog. Zeichentelegramme) statt. Sie dient der bitseriellen, asynchronen Übertragung
von Daten. Asynchrone Datenübertragung besagt, daß Daten nicht in starren Zeitrastern, sondern nur
auf Anforderung übertragen werden. Eine Synchronisation muß deshalb bei jedem Zeichen neu
ausgeführt werden.
Jedes UART-Zeichen besteht aus elf Bits, wobei es immer mit einem Startbit (logisch Null) beginnt
und mit einem Stoppbit (logisch Eins) endet.

2.Schicht : Datenübertragung, Buszugriffsprotokoll
Alle drei PROFIBUS-Varianten (DP/FMS/PA) verwenden ein einheitliches Buszugriffsprotokoll.
Hierhin gehören auch die Funktionen der Datensicherung sowie die Übertragung der Telegramme. Die
Buszugriffssteuerung legt das Verfahren fest, zu welchem Zeitpunkt ein Busteilnehmer Daten senden
kann. Sie muß sicherstellen, daß zu einem Zeitpunkt immer nur ein Teilnehmer die Sendeberechtigung
besitzt. Beim PROFIBUS Protokoll wurden zwei Anforderungen an die Buszugriffssteuerung durch
Verwendung des hybriden Buszugriffsverfahrens (s.u.) erfüllt.
 Einerseits muß bei der die Kommunikation zwischen Automatisierungsgeräten (Mastern) dafür
  gesorgt werden, daß jeder dieser Teilnehmer innerhalb eines definierten Zeitrasters einmal senden
  kann, um eine maximale Reaktionszeit garantieren zu können. Dadurch wird das Bussystem
  echtzeitfähig.
 Andererseits ist für die Kommunikation zwischen Mastern und den zugeordneten Peripheriegeräten
  (Slaves) ein zyklischer Datenaustausch notwendig, der nicht schneller sein darf als die
  Erneuerungsrate der Daten, um ein Überschreiben zu verhindern.
Das PROFIBUS-Buszugriffsverfahren beinhaltet deshalb das Token-Passing-Verfahren für die
Kommunikation von Mastern untereinander und das Master-Slave-Verfahren (Polling) für die
Kommunikation der Master mit den Peripheriegeräten (Slaves). Die Kombination von Token-Passing-
und Master Slave Verfahren bezeichnet man als hybrides Buszugriffsverfahren.
Das Token-Passing-Verfahren garantiert die Zuteilung der Buszugriffsberechtigung innerhalb eines
genau festgelegten Zeitrahmens. Die Token-Nachricht, ein besonderes Telegramm zur Übergabe der
Sendeberechtigung von einem Master an den nächsten Master, muß hierbei in einer (parametrierbaren)
maximalen Token-Umlaufzeit reihum einmal allen Mastern übergeben werden. Erhält ein Master das
Token-Telegramm, so kann er für diese Zeit die "Masterfunktion" über den Bus ausüben und mit allen
Master-Teilnehmern in eine Master-Master Kommunikationsbeziehung treten, auf alle Slave-
Teilnehmer lesend zugreifen und an die ihm zugeordneten Slaves Telegramme senden. Die
Buszugriffssteuerung sorgt dafür, daß der Token von einem Master zum nächsten Master in einer
aufsteigenden Adreßreihenfolge weitergegeben wird. Die Vergabe von Prioritäten ist ebenfalls
möglich.
Das Master-Slave-Verfahren ermöglicht es dem Master , der gerade die Sendeberechtigung besitzt, die
Slaves anzusprechen. Der Master hat hierbei die Möglichkeit, Nachrichten an die ihm zugeordneten
Slaves zu übermitteln bzw. Nachrichten von allen Slaves abzuholen. Mit dieser Zugriffsmethode
können folgende Systemkonfigurationen realisiert werden:
 Reines Master-Slave-System.
 Reines Master-Master-System (Token-Passing).

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 Eine Kombination aus beiden Verfahren.




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Alle drei PROFIBUS-Varianten benutzen ein einheitliches Buszugriffsverfahren. Die Abbildung
zeigt eine PROFIBUS-Struktur mit drei aktiven Teilnehmern (Mastern) und sieben passiven
Teilnehmern (Slaves). Die drei Master-Geräte bilden einen logischen Token-Ring.


Eine weitere wichtige Aufgabe der Schicht 2 ist die Datensicherung. Erfolgt bei einer Datenüber-
tragung eine Störung, egal ob Zweidrahtleitung oder Lichtwellenleiter, erkennt PROFIBUS-DP bis zu
drei gleichzeitig auftretende Fehler in einem Telegramm. Dies entspricht einer Hammingdistanz HD =
4. Das bedeutet, daß ein Einzelbitfehler im Zeichen erkannt und korrigiert werden kann, ein
Zweibitfehler im Zeichen zwar auch erkannt, aber nicht korrigiert werden kann.
Nach der Fehlererkennung wird das fehlerhafte Telegramm sofort wiederholt. Die Datenübertragung
zu anderen Busteilnehmern wird von dieser Störung nicht beeinflußt.
Die zweite Schicht ermöglicht neben der logischen Punkt-zu-Punkt Datenübertragung auch Mehr-
punktübertragung mit Broadcast- und Multicast-Kommunikation.
Bei Broadcast-Kommunikation sendet ein aktiver Teilnehmer eine unquittierte Nachricht an alle
anderen Teilnehmer (Master und Slaves).
Bei Multicast-Kommunikation sendet ein aktiver Teilnehmer eine unquittierte Nachricht an eine
Gruppe von Teilnehmern (Master und Slaves).


Statt 7.Schicht: das User Interface bei PROFIBUS-DP
Bei PROFIBUS-DP wird zusätzlich auf die Schicht 7 (Anwendungsschicht) verzichtet, um die
notwendige Buszykluszeit zu erreichen. Statt dessen wird ein „User Interface“ und der Direct Data
Link Mapper (DDLM) genutzt. Im „User Interface“ werden die für den Anwender nutzbaren

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Anwendungsfunktionen sowie das System- und Geräteverhalten der einzelnen DP-Gerätetypen
festgelegt. Der DDLM ist für das „User Interface“ die Schnittstelle direkt zur Schicht 2.


3. Kenndatentabelle
Anschließbare Geräte                       Feldgeräte, wie z. B. Antriebe, Ventile,
                                           Meßumformer, Dezentrale Peripheriegeräte
Anwendungen                                Feldbus
Max. Anzahl der Teilnehmer                 32 Stationen, mit Repeater 126 Stationen
                                           (DP-Master und DP-Slaves)
Max. Datenvolumen je Slave                 244 Byte
Typische Buslaufzeit                       1 ms (124 Byte bei 12 MBit/s)
Übertragungsmedium                         geschirmte, verdrillte Zweidrahtleitung oder Licht-
                                           wellenleiter (Glas o. Plastik)
Übertragungsgeschwindigkeiten              von 9,6 kBit/s bis 12 MBit/s.
Datenübertragungssicherheit                Längs- und Querparität, HD = 4
Max. Netzausdehnung                        Zweidrahtleitung: 12 km, Lichtwellenleiter: 23,8 km
Typische Schutzarten                       IP 20 bis IP 67 IP 67
Standards / Normung                        EN 50170 ; PROFIBUS nach DIN E 19245:
                                           Teil 1:   Schichten 1 (physikalische Schicht) und 2
                                              (Datensicherungsschicht)
                                           Teil 2:   Schicht 7 (Anwendungsschicht) bei FMS.
                                           Teil 3:   User Interface, DDLM (Direct Data Link
                                           Mapper) für DP
                                           Teil 4:   PA
Tabelle: typische Merkmale von PROFIBUS-DP



4. PROFIBUS-DP Grundfunktionen
Die zentrale Steuerung (Master) liest zyklisch die Eingangs-Informationen von den Slaves und
schreibt die Ausgangs-Informationen zyklisch an die Slaves. Hierbei muß die Buszykluszeit kürzer
sein als die Programmzykluszeit der zentralen SPS, die in vielen Anwendungen etwa 10 ms beträgt.
Neben der zyklischen Nutzdatenübertragung stehen auch leistungsfähige Funktionen für Diagnose und
Inbetriebnahme zur Verfügung. Der Datenverkehr wird durch Überwachungsfunktionen auf Master-
und Slave-Seite überwacht.
Zusammenfassung der PROFIBUS-DP Grundfunktionen:

Funktionalität:

 Zyklischer Nutzdatentransfer zwischen DP-Master und DP-Slaves
 Dynamisches Aktivieren oder Deaktivieren einzelner DP-Slaves
 Prüfen der Konfiguration der DP-Slaves
 Leistungsfähige Diagnosefunktionen, 3 abgestufte Diagnose-Meldungsebenen
 Synchronisation der Eingänge und/oder der Ausgänge

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 Adreßvergabe für die DP-Slaves über den Bus
 Konfiguration der DP-Master (DPM1) über den Bus
 Maximal 246 Byte Eingangs- und Ausgangs-Daten je DP-Slave möglich

Kommunikation:

Punkt-zu-Punkt (Nutzdatenverkehr) oder Multicast (Steuerkommandos)
Zyklischer Master-Slave Nutzdatenverkehr und azyklischer Master-Master Datentransfer

Betriebszustände:

Operate:        zyklische Übertragung von Eingangs- und Ausgangs-Daten
Clear:          Eingänge werden gelesen, Ausgänge bleiben im sicheren Zustand
Stop:           nur Master-Master Datentransfer ist möglich

Geschwindigkeit:

Für die Übertragung von 512 Bit Eingangs- und 512 Bit Ausgangs-Daten verteilt auf 32 Teilnehmer
benötigt PROFIBUS-DP nur ca. 1 ms bei 12 Mbit/s. Die erhebliche Geschwindigkeitssteigerung ist
insbesondere darauf zurückzuführen, daß die Übertragung der Ein- und Ausgangs-Daten in einem
Nachrichtenzyklus durch Nutzung des SRD-Dienstes (Send and Receive Data Service) der Schicht 2
durchgeführt wird.

Prozeßalarm:

Soll schnell auf bestimmte Signaländerungen der Peripheriegeräte reagiert werden, müssen die
entsprechenden Signale als Alarmsignale parametriert worden sein, dann werden sie sofort an den
Master übertragen. Im Anwenderprogramm kann dann ein zugeordneter Programmbaustein gestartet
werden.

Diagnosefunktionen:

Diagnosemeldungen der dezentralen Peripherie werden automatisch sofort per Alarm über den Bus an
den Master übertragen und mit einem Zeitstempel versehen. Das ständige Abfragen von Diagnosebits
wird überflüssig. Das Anwenderprogramm kann sofort auf den Fehler reagieren.
Diagnosemeldungen werden in drei Ebenen eingeteilt:
-    Stationsbezogene Diagnose
     Meldungen zur allgemeinen Betriebsbereitschaft eines Teilnehmers wie z.B. Übertemperatur oder
     Unterspannung.
-    Modulbezogene Diagnose
     Diese Meldungen zeigen an, daß innerhalb eines bestimmten E/A Teilbereichs (z.B. 8 Bit
     Ausgangs-Modul) eines Teilnehmers eine Diagnose ansteht.
-    Kanalbezogene Diagnose
     Hier wird die Fehlerursache bezogen auf ein einzelnes Ein-/ Ausgangs-Bit (Kanal) angegeben, wie
     z.B. Kurzschluß auf Ausgang 7.


5. Systemkonfiguration und Gerätetypen
Mit PROFIBUS-DP können Mono- oder Multi-Master Systeme realisiert werden. Dadurch wird ein
hohes Maß an Flexibilität bei der Systemkonfiguration ermöglicht. Es können maximal 126 Geräte
(Master oder Slaves) an einem Bus angeschlossen werden. Das Mono-Master-System beinhaltet nur
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einen aktiven Busteilnehmer, der auf die passiven Teilnehmer zugreift. Im Multi-Master-System
können sich mehrere aktive Stationen befinden. Die Slaves sind jeweils einem Master zugeordnet, der
Einfluß auf diese ausüben kann. Die anderen Master haben nur die Möglichkeit, die Daten der Slaves
auszuwerten.




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Die Festlegungen zur Systemkonfiguration beinhaltet die Anzahl der Stationen, die Zuordnung der
Stationsadresse zu den E/A-Adressen, Datenkonsistenz der E/A-Daten, Format der
Diagnosemeldungen und die verwendeten Busparameter. Jedes PROFIBUS-DP System besteht aus
unterschiedlichen Gerätetypen. Es werden drei Gerätetypen unterschieden.

DP-Master Klasse 1 (DPM1)

Hierbei handelt es sich um eine zentrale Steuerung, die in einem festgelegten Nachrichtenzyklus
Informationen mit den dezentralen Stationen (DP-Slaves) austauscht. Typische Geräte sind z. B.
Speicherprogrammierbare Steuerungen oder PC-Systeme. Klasse 1-Geräte können maximal zweimal
pro Bus-Segment verwendet werden.

DP-Master Klasse 2 (DPM2)

Geräte dieses Typs sind Programmier-, Projektierungs- oder Bedien-Geräte. Sie werden bei der
Inbetriebnahme eingesetzt, um die Konfiguration des DP-Systems zu erstellen, oder zur
Anlagenbedienung im laufenden Betrieb verwendet. Die Klasse 2-Geräte können maximal einmal pro
Bus-Segment verwendet werden.

DP-Slave

Ein DP-Slave ist ein Peripheriegerät (binäre oder analoge Eingänge/Ausgänge, Antriebe, Ventile,
Bedien- und Beobachtegerät), das Eingangsinformationen einliest und Ausgangsinformationen abgibt.
Es sind auch Geräte möglich, die nur Eingangs- oder nur Ausgangsinformationen bereitstellen.
Die Menge der Eingangs- und Ausgangsinformationen ist geräteabhängig und darf max. 246 Byte
Eingangs- und 246 Byte Ausgangsdaten betragen.


Bei Mono-Master-Systemen ist in der Betriebsphase des Bussystems nur ein Master am Bus aktiv. Die
SPS-Steuerung ist die zentrale Steuerungskomponente. Die DP-Slaves sind über das
Übertragungsmedium dezentral an die SPS-Steuerung gekoppelt. Mit dieser Systemkonfiguration wird
die kürzeste Buszykluszeit erreicht.
Im Multi-Master-Betrieb befinden sich an einem Bus mehrere Master. Sie bilden entweder
voneinander unabhängige Subsysteme, bestehend aus je einem DPM1 und den zugehörigen DP-
Slaves, oder zusätzlichen Projektierungs- und Diagnosegeräten. Die Eingangs- und Ausgangs-
Abbilder der Slaves können von allen Mastern gelesen werden. Das Schreiben der Ausgänge ist nur
für einen Master (den bei der Projektierung zugeordneten DPM1) möglich. Multi-Master Systeme
erreichen eine mittlere Buszykluszeit.


6. Systemverhalten
Um eine weitgehende Geräteaustauschbarkeit zu erreichen, wurde das Systemverhalten standardisiert.
Es wird im wesentlichen durch den Betriebszustand des Masters bestimmt.
Dieser kann entweder lokal oder über den Bus vom Projektierungs-Gerät gesteuert werden. Es werden
folgende drei Hauptzustände unterschieden:
-    Stop
     Es findet kein Datenverkehr zwischen dem Master und den Slaves statt
-    Clear
     Der Master liest die Eingangsinformationen der Slaves und hält die Ausgänge der Slaves im
     sicheren Zustand
-    Operate
     Der Master sendet seinen lokalen Status in einem konfigurierbaren Zeitintervall mit einem
     Multicast-Kommando zyklisch an alle ihm zugeordneten Slaves.
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Die Systemreaktionen nach dem Auftreten eines Fehlers in der Datentransferphase des Masters, wie z.
B. der Ausfall eines Slaves, werden durch den Betriebsparameter „Auto-Clear“ bestimmt.
Wurde dieser Parameter auf True gesetzt, dann schaltet der Master die Ausgänge aller zugehörigen
Slaves in den sicheren Zustand, sobald ein Slave nicht mehr bereit für die Nutzdatenübertragung ist.
Danach wechselt der Master in den Clear-Zustand.
Ist dieser Parameter = False, dann verbleibt der Master auch im Fehlerfall im Operate-Zustand, und
der Anwender kann die Systemreaktion selbst bestimmen.

Zyklischer Datenverkehr zwischen Master und Slaves

Der Datenverkehr zwischen dem Master und den ihm zugeordneten Slaves wird in einer festgelegten,
immer wiederkehrenden Reihenfolge automatisch durch den Master abgewickelt. Bei der
Projektierung des Bussystems legt der Anwender die Zugehörigkeit eines Slaves zum Master fest.
Weiterhin wird definiert, welche Slaves in den zyklischen Nutzdatenverkehr aufgenommen oder
ausgenommen werden sollen.
Der Datenverkehr zwischen dem Master und den Slaves gliedert sich in die Parametrierungs-,
Konfigurierungs- und Datentransfer-Phasen. Bevor ein Slave in die Datentransferphase aufgenommen
wird, prüft der Master in der Parametrierungs- und Konfigurations-Phase, ob die projektierte
Sollkonfiguration mit der tatsächlichen Gerätekonfiguration übereinstimmt. Bei dieser Überprüfung
müssen der Gerätetyp, die Format- und Längeninformationen sowie die Anzahl der Ein- und
Ausgänge übereinstimmen. Der Benutzer erhält dadurch einen zuverlässigen Schutz gegen
Parametrierungsfehler. Zusätzlich zum Nutzdatentransfer, der vom Master automatisch durchgeführt
wird, besteht die Möglichkeit, neue Parametrierungsdaten auf Anforderung des Benutzers an die
Slaves zu senden.

Sync und Freeze Mode

Zusätzlich zum Teilnehmer bezogenen Nutzdatenverkehr, der automatisch vom Master abgewickelt
wird, besteht für die Master die Möglichkeit, Steuerkommandos an einen, eine Gruppe oder an alle
Slaves gleichzeitig zu senden. Diese Steuerkommandos werden als Multicast übertragen. Sie
ermöglichen die Sync- und Freeze-Betriebsarten zur ereignisgesteuerten Synchronisation der Slaves.
Die Slaves beginnen den Sync-Mode, wenn sie vom zugeordneten Master ein Sync-Kommando
empfangen. Daraufhin werden bei allen adressierten Slaves die Ausgänge im momentanen Zustand
eingefroren. Bei den folgenden Nutzdatenübertragungen werden die Ausgangsdaten bei des Slaves
gespeichert, die Ausgangszustände bleiben jedoch unverändert. Erst nach Empfang des nächsten Sync-
Befehls werden die gespeicherten Ausgangsdaten and die Ausgänge durchgeschaltet. Mit Unsync wird
der Sync-Betrieb beendet.
Analog dazu bewirkt ein Freeze-Steuerkommando den Freeze-Mode der angesprochenen Slaves. In
dieser Betriebsart werden die Zustände der Eingänge auf den momentanen Wert eingefroren. Die
Eingangsdaten werden erst dann wieder aktualisiert, wenn der Master das nächst Freeze-Kommando
gesendet hat. Mit Unfreeze wird der Freeze-Betrieb beendet.




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Schutzfunktionen

Aus Sicherheitsgründen ist es erforderlich, PROFIBUS-DP mit wirksamen Schutzfunktionen gegen
Fehlparametrierung oder Ausfall der Übertragungseinrichtungen zu versehen. Es werden dazu
Überwachungsmechanismen beim Master und bei den Slaves in Form von Zeitüberwachungen
realisiert. Das Überwachungsintervall wird bei der Projektierung festgelegt.
Beim Master:
Der Master überwacht den Datenverkehr der Slaves mit dem Data-Control-Timer. Für jeden Slave
wird ein eigener Zeitgeber benutzt. Die Zeitüberwachung spricht an, wenn innerhalb eines
Überwachungsintervalls kein ordnungsgemäßer Nutzdatentransfer erfolgt. In diesem Fall wird der
Benutzer informiert. Falls die automatische Fehlerreaktion (Auto-Clear = True) freigegeben wurde,
verläßt der Master den Operate-Zustand, schaltet die Ausgänge der
zugehörigen Slaves in den sicheren Zustand und geht in den Clear-Zustand über.
Beim Slave:
Der Slave führt zur Erkennung von Fehlern des Masters oder der Übertragung die
Ansprechüberwachung durch. Findet innerhalb des Ansprechüberwachungsintervalls kein
Datenverkehr mit dem Master statt, so schaltet der Slave die Ausgänge selbständig in den sicheren
Zustand.
Zusätzlich ist für die Ein- und Ausgänge der Slaves beim Betrieb in Multi-Master-Systemen ein
Zugriffsschutz erforderlich. Damit ist sichergestellt, daß der direkte Zugriff nur vom berechtigten
Master erfolgt. Für alle anderen Master stellen die Slaves ein Abbild der Eingänge und Ausgänge zur
Verfügung, das auch ohne Zugriffsberechtigung gelesen werden kann.


7. Gerätestammdaten (GSD)
PROFIBUS Geräte haben unterschiedliche Leistungsmerkmale. Sie unterscheiden sich in Bezug auf
die zur Verfügung stehende Funktionalität (z.B. Art und Anzahl der E/A Signale,
Diagnosemeldungen) oder der möglichen Busparameter wie Baudrate und Zeitüberwachungen. Diese
Parameter sind bei jeden Gerätetyp und Hersteller verschieden. Sie werden üblicherweise im
Gerätehandbuch dokumentiert. Um für PROFIBUS eine einfache Plug and Play Konfiguration zu
erreichen, werden die charakteristischen Gerätemerkmale in Form einer elektronischen
Gerätestammdatendatei (GSD-Datei) festgelegt. Die standardisierten GSD-Daten erweitern die offene
Kommunikation bis in die Bedienebene. Mit den auf GSD-Dateien basierenden
Projektierungswerkzeugen (z. B. STEP 7Hardwarekonfigurator) erfolgt die Integration von Geräten
verschiedener Hersteller in ein Bussystem.
Die Gerätestammdaten beschreiben die Merkmale eines Gerätetyps vollständig in einem genau
festgelegten Format. Die GSD werden vom Gerätehersteller individuell für jeden Gerätetyp erzeugt
und dem Anwender in Form eines Gerätestammdatenblattes und einer Gerätestammdatendatei zur
Verfügung gestellt. Durch das festgelegte Dateiformat kann das Projektierungssystem die
Gerätestammdaten jedes beliebigen PROFIBUS-DP Gerätes einlesen und bei der Konfiguration des
Bussystems verwenden. Da die Konfigurationsdaten so gleich ins Projekt eingebunden werden, kann
das Projektierungssystem bereits während der Projektierungsphase selbsttätig Überprüfungen auf
Eingabefehler durchführen und die Konsistenz der eingegebenen Daten in Bezug auf das
Gesamtsystem prüfen.




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posted:3/21/2011
language:German
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