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| Impressum | |
| Feldbussysteme am Beispiel Profibus Eine Feldbusverbindung wie beim beim Profibus ist eine Doppelader Mit
der höheren Bitrate steigt die Anforderung an die Qualität
der Kabelverbindungen. Auch angeschlossenen Module
dürfen die digitalen Informationen nicht
unangemessen verändern bzw. bei der Druchführung dämpfen. Beispiele:
Solche und viel andere Fragen werden bei uns im Labor beantwortet. Welche idealen Eigenschaften hat ein Profibusnetzwerk?
auch die wirksame Leitungsinduktivität L ist keine Konstante:
Welche idealen Eigenschaften haben die angeschlossenen Buskomonenten?
Das gesamte Netzwerk der Aufbauten stellt einen Vierpol dar, dessen Parameter die Übertragungsqualität bestimmen. Da diese Parameter aber – wie geschildert – Abhängigkeiten besitzen, müssen sie in die Systemplanung und die Überwachung der Funktionssicherheit einbezogen werden. Selbst eine noch so ausführliche Beschreibung der Ablaufprotokolle ersetzt eine systematische Prüfung der physikalischen Systemeigenschaften nicht. Im übertragungstechnischen Sinne stellt eine PROFIBUS- Verbindung im Betrieb ein HF-Breitbandübertragungssystem mit einer Bandbreite von Ba ≈ 0.34/ta dar, wobei ta die Flankenanstiegszeit ist. Beim üblichen 12MHz-Profibus ist die Anstiegszeit mit ca. 5ns anzusetzen, was einer Bandbreite von B ≈ 56 MHz entspricht. Moderne Treiberbausteine liefern u. U. noch steilere Flanken. Die resultierende Bandbreite wird dann nur noch durch das Kabel und die parasitären Blindelemente bestimmt, ist also durchaus nicht konstant. Diese HF-Eigenschaften werden bei der Planung und Installation von PFOFIBUS-Systemen oft übersehen. Ein Testgerät für Profibussignale sollte für die Abtastung also keinen Abtastimpuls verwenden, dessen Dauer 5ns übersteigt, sonst gehen wesentliche Übertragungsdetails, die für die Beurteilung der Übertragungsqualität wichtig sein können, verloren. Die Abtastrate selbst ergibt sich nach dem Nyquist-Abtast-Theorem aus der höchsten zu übertragenden Frequenz, also z.B, wenn die 5.OW von 12MHz=60MHz noch abgetastet werden soll, zu fabt >2x60, also > 120MHz, je nach Art und Grad des verwendeten Anti-Aliasing-Filters. Der Anschluss von Prüf- und Testgeräten an den Bus birgt etliche Gefahren einer unbemerkten Fehlmessung. Werden Tastköpfe verwendet, müssen diese mindestens die Systembandbreite (60MHz) verarbeiten können. Sie dürfen den Bus auf keinen Fall (z.B. kapazitiv!) belasten, da sonst zusätzliche Reflexionen und damit Signalverfälschungen auftreten. Ein weiteres Kapitel stellen insbesonders die Masseverbindungen von Tastköpfen dar. Ein besonders auffälliges Beispiel fügt in die Messanordnung mit 30cm Länge eine Zusatzinduktivität von ca. 300nH ein, was eine damit ausgeführte Messung bestenfalls zu einer Schätzung degradiert. Es empfiehlt sich hier auf jeden Fall eine quasisymmetrische Messung „A-B“(2 Eingänge) mit 2 Tastköpfen, wobei der zweite Signaleingang invertiert wird, so dass eine Addition „A+B“ stattfindet. Die Messung wird dann weitgehend unkritisch wenn beide Messgeräteeingänge erdfrei sind. USB-basierende Oszilloskop-Zusätze besitzen meist keine symmetrischen Eingänge und belasten daher den Bus unsymmetrisch. Die Verkopplungen zwischen dem Oszilloskop, dem Rechner und den jeweiligen Stromversorgungen stören die Systemsymmetrie. Das angezeigte Messsignal kann angezweifelt werden. Ein direkter Anschluss eines Messgerätes ohne Tastkopf an den Bus funktioniert nur dann störungsfrei, wenn eine wellenwiderstandsrichtige Anpassung stattfindet. Bei den meistens verwendeten D-SUB-Adaptern ist das nicht korrekt erfüllt. Ein- und Ausgang des Adapters müssen auf Z abgeglichen sein. Der Messanschluss sollte möglichst nicht mehr als 10pF zusätzliche Kapazität nebst einigen 100k-Ohm Lastwiderstand einbringen. Achtung: 1:1-Tastköpfe besitzen nur noch die direkte Eingangskapazität des Oszilloskops 50..120pF parallel zu etwa 1MOhm. Damit reduziert sich die Messbandbreite erheblich. Beispiele aus der Messpraxis: Theoretischer Spannungsverlauf mit Berücksichtigung der frequenzabhängigen Kabeldämpfung. Symmetrisches Messverfahren. Wir rechnen in diesem Beispiel allerdings mit konstanter Gruppenlaufzeit über den gesamten Frequenzbereich K1 bis Kx. In Wirklichkeit kommt es mit zunehmender Frequenz zu einer Gruppenlaufzeitverzerrung (die oberen Frequenzen werden zur Grundwelle verzogen).  Dämpfungsverlauf des Profibuskabels bei einer Länge von 75 m (ohne Busmodule) Die Schwerpunktsfrequenz K1 erfährt eine Dämfung von 2,5 dB ca. 25% die dritte Oberwelle K3 ist bereits schon bei einer Dämpfung von 5 dB  Der daraus resultierende Signalpegel wird um 30-40% gedämpft nur durch die Kabelverbindung. Die angeschlossenen Module führen zu einer zusätzlichen Dämpfung. Dadurch kann nur eine bestimmte Anzahl Busteilnemer in ein Segment eingebunden werden. In diesem Bild sind 40 Busteilnehmer gleichmäßig verteilt. Der Spannungsabfall des Signalpegels je Busmodul ist daraus ersichtlich.  Das ist ein schlechtes Beispiel aus der Praxis mit anderer Busteilnehmerkonfiguration - kommt auch vor!  Fazit:
06.09.2009 |
Typische
Aufbau eines Feldbussystems in unserem Labor  mit Bussimulation und Testaufbau  So etwas ist natürlich im HF-Bereich nicht zu gebrauchen  so geht's!  und mit potenzialfreien Eingängen  Bereits bei einer einfachen M12 Steckverbindung sind schon Reflexionen zu erwarten Die Krimpung verändert die Kapazität der Datenverbindung  Der M12-Steckverbinder ist hier kritischer als eine abgeglichen Sub-D-Steckverbindung  Auswirkende Reflexionen Augendiagramm  Signalveränderung  Im Labor generierter Störpegel  mit Messaufbau  Spektrum des Profibussignals   K1 = 6 MHz
Grundwelle;
Schwerpunktfrequenz |