Optische Übertragungstechnik für den Profibus

Kompatible Kommunikation

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In dem Beitrag werden die wesentlichen Eigenschaften der Profibus LWL Spezifikation vorgestellt. Neben den technischen Parametern, wie Lichtwellenleiter (LWL)-Typ, optische Sender und Empfänger werden auch mögliche Topologien beschrieben. Neben dem LWL werden derzeit auch andere drahtlose Übertragungstechniken diskutiert.

Der Autor Dr.-Ing. Jörg Hähniche ist Mitarbeiter des Instituts für Automation und Kommunika-tion e.V., Magdeburg

Hier sei Funk erwähnt, der vor Jahren noch als nicht nutzbar in der industriellen Kommunikation bezeichnet wurde. Mit den Weiterentwicklungen der Technologien, insbesondere der Empfangstechnik erscheint Funk für die Feldbuskommunikation eine alternative Übertragungstechnik zu werden.
Hat sich der Profibus in vielen Bereichen der Automatisierungstechnik als etablierte Technik durchsetzen können, so gibt es doch Einsatzbedingungen, wo die drahtgebundene Übertragungstechnik ihre Grenzen hat. Mit der LWL Spezifikation [LWL_99] existiert eine Alternative zur drahtgebundenen Übertragungstechnik, die insbesondere dort zum Einsatz gelangt, wo schwierige Installationsbedingungen vorherrschen oder große Entfernungen zwischen den Teilnehmern realisiert werden müssen. Mit Hilfe der verfügbaren Lichtwellenleiter können unterschiedliche Bereiche, wie z.B. die Kurzstrecke (100 m) aber auch große Entfernungen ( >1 km) problemlos überbrückt werden.
Die LWL Spezifikation berücksichtigt alle Übertragungsraten des Profibus, also auch die 12 Mbit/s, so dass insbesondere die bei dieser Baudrate existierenden Einschränkungen in der Reichweite überwunden werden können.
Bei der Festlegung der Parameter wurde als oberstes Gebot berücksichtigt, dass existierende Profibus Geräte rückwirkungsfrei in ein LWL Netz integriert werden können. Der LWL stellt eine Ergänzung der Übertragungstechnik dar, ohne dass sich irgendwelche Änderungen in den übergeordneten Schichten ergeben. Die Realisierung eines LWL Netzes kann einfach durch Hinzunahme von elektrisch/optischen Wandlern erfolgen, die über die RS 485 Schnittstelle mit dem Gerät verbunden sind.
Technische Merkmale der LWL Über-tragungstechnik
Im Gegensatz zu der elektrischen Vernetzung eines Profibus Systems besteht die LWL Übertragungsstrecke aus optischen Grundstrecken, die auf elektrischer Ebene miteinander verbunden werden. Das Signal durchläuft die Strecken nacheinander, wobei es jedes Mal optisch/elektrisch bzw. elektrisch/optisch gewandelt wird. Hierdurch entstehen auf der einen Seite Signalverzögerungen bzw. wenn kein Re-Timing durchgeführt wird auch eine Signalverzerrung. Beides begrenzt die Anzahl der möglichen Verkettungen von Teilstrecken. Auf der anderen Seite wird das Signal am Ende einer Teilstrecke bezüglich seiner Leistung wieder „aufgefrischt“, so dass innerhalb einer Teilstrecke die maximal mögliche Länge ausgenutzt werden kann.
Optische Sender
Bei der Spezifikation der optischen Sender wurde von den am Markt erhältlichen optischen Standard-Bauelementen ausgegangen. Entsprechend den unterschiedlichen Fasertypen haben die Sendeelemente zugehörige Leistungsparameter. Die angegebenen Pegel gelten am Ende eines 1 m langen Glas-LWL bzw. 0,5 m langen Kunststoff-LWL, gemessen mit einem großflächigen Detektor.
Um auch mit der Kunststofffaser akzeptable Reichweiten zu erreichen, wird beim Sender zwischen einer Standard- und einer erhöhten Sendeleistung unterschieden.
Anders als bei der elektrischen Übertragung wird das zu sendende Signal in der Faser wie folgt übertragen:
binär „1“ bedeutet kein Licht auf dem LWL, binär „0“ bedeutet Licht auf dem LWL. Da beim Profibus Ruhe auf dem Bus (Idle-Time) gleich logisch „1“ bedeutet, müsste bei einem anderen Verhalten ständig Licht eingespeist werden, was zu einem erhöhten Energieverbrauch und zu einer schnelleren Alterung der Sendediode führen würde.
Optische Empfänger
Bei der optischen Übertragung muss insbesondere beim Empfänger darauf geachtet werden, dass es zu keiner Übersteuerung kommt, gerade wenn eine binäre „0“ gesendet wird. Trotzdem muss er ein Überschwingen zu Beginn des Sendens der „0“ tolerieren, um z.B. eine erforderliche Signalverzerrung einzuhalten.
Verkettungstiefen
Abhängig von der Übertragungsgeschwindigkeit und der Signalverzerrung können die Verkettungstiefen von Grundstrecken realisiert werden. Unter Verkettungstiefe wird die Verbindung von zwei Grundstrecken, bestehend aus dem Sender, LWL-Strecke und Empfänger durch einen Repeater verstanden. Die Größe der Verkettungstiefe wird wesentlich durch die bei der optisch/elektrischen Wandlung auftretende Signalverzerrung bestimmt.
Da sie eine absolute Größe darstellt, ist sie um so kritischer, je höher die Übertragungsgeschwindigkeit ist. Werden keine Elemente mit Re-Timing Funktionen eingesetzt, können bei einer Übertragungsgeschwindigkeit von 12 Mbit/s nur zwei Grundstrecken hintereinander gekoppelt werden.
Topologien
Aufgrund der Übertragungseigenschaften einer LWL Strecke, die eine unidirektionale Informationsübertragung zulässt, sind typische Topologiestrukturen der Stern und der Ring. Aber auch Linienstrukturen können mit der LWL-Technik realisiert werden.
Sternstruktur:
Bei der LWL Spezifikation für den Profibus wurde bei der Sternstruktur von einem aktiven Sternkoppler als zentrales Element ausgegangen. Prinzipiell sind auch Lösungen mit passiven Sternkopplern möglich. Aufgrund der Übertragungseigenschaften und des geringen Marktpotenzials wurde dieser in der überarbeiteten LWL Spezifikation nicht mehr berücksichtigt. Die Sternstruktur besitzt den Vorteil, dass ein Ausfall einer Teilstrecke oder das Abschalten eines Gerätes keine Rückwirkungen auf die Übertragung zwischen den anderen Geräten hat.
Ringstruktur:
Die Ringstruktur dagegen erfordert zusätzliche Steuermaßnahmen, so dass eine gesendete Nachricht aus dem Ring entfernt werden kann. Für den Profibus wurden aus diesem Grund für die physikalische Schicht ein entsprechendes Verhalten festgelegt, das bei einer Implementierung zu berücksichtigen ist.
Linienstruktur:
Die Linienstruktur ergibt sich durch den Einsatz von Sternkopplern des Typs 3×3 bzw. Teilnehmer mit integrierten LWL Schnittstellen.
Ein wesentlicher Vorteil wiederum ist die erreichbare Entfernung zwischen den Teilnehmern. Wie bei der Ringstruktur besteht der gravierende Nachteil dieser Lösung darin, dass bei Ausfall eines Abzweiges das Netz in zwei Teilnetze zerfällt.
Ausblick – Profibus mit Funk
Neben der LWL Technik wird derzeit verstärkt an weiteren drahtlosen Übertragungstechniken gearbeitet, um z.B. auch mobile Anlagenteile integrieren zu können. Bislang wurde dies durch aufwendige Techniken, wie Schleppkabel oder Schleifringe, erreicht. Diese unterliegen jedoch einer hohen mechanischen Beanspruchung, so dass ihre Lebensdauer beschränkt ist und sie ständig gewartet oder ausgewechselt werden müssen.
Mit der fortschreitenden Kommerzialisierung der Funktechnologie steht eine Technologie zur Verfügung, die auch in der industriellen Anwendung Einzug halten wird. Hierdurch könnten die existierenden Probleme bezüglich Flexibilität und Mobilität gelöst werden.
Ausführliche Informationen
Profibus
KEM 445
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