FDL – das Buszugriffsprotokoll von Profibus

PROFIBUS existiert in verschiedenen Varianten, die alle eigene Charakteristika vorweisen können. Ein gemeinsamer Nenner ist jedoch das FDL, das Buszugriffsprotokoll. Dieses ist auf der zweiten Ebene des ISO/OSI-Referenzmodells, also der Sicherungsschicht, realisiert. Dieses Protokoll beinhaltet alle Funktionen die der Sicherung der gesammelten Daten dient, übernimmt allerdings auch die Abwicklung der Protokolle die die Übertragung an sich regeln, sowie die Telegramme. Der Name Sicherungsschicht findet bei PROFIBUS keinen Gebrauch, da hier das Kürzel FDL verwendet wird, welches für „Fieldbus Data Link“ steht. Die Steuerung, mit welcher der Zugriff auf den Bus erfolgt, definiert das Verfahren und legt somit auch den genauen Zeitpunkt fest, in welchem ein Busteilnehmer eine Datei versenden darf.

Die Funktionen des FDL

Durch den Einsatz eines Buszugriffsprotokolls werden zahlreiche interne Prozesse geregelt, zu denen vor allem die Datensicherung zählt. Da die Formate der Telegramme, die in der zweiten Schicht von PROFIBUS auftreten, ein hohes Maß an Sicherheit während der Übertragung gewährleisten, eignet sich das FDL besonders für den Zweck der Datensicherung. So weist jedes Telegramm einen sogenannten Hamming-Abstand auf, der die Maße zur Unterschiedlichkeit von Zeichenketten definiert. Um dies zu erreichen, werden bei den Startzeichen und Endzeichen gewisse Zeichen wie das Paritätsbit und das Kontrollbyte hinzugefügt. Es wird jedoch auch eine schlupffeste Synchronisation erreicht. Die Funktionsweise des Buszugriffsprotokolls lässt sich als verbindungslos bezeichnen, sodass es nicht nur die logischen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zulässt, sondern auch eine Datenübertragung ermöglicht, die über mehrere Punkte mittels des Broadcast-Verfahrens oder der Multicast-Methode vonstattengeht.

  • Broadcast – hier sendet ein aktiver Teilnehmer eine Nachricht, die noch nicht quittiert ist und welche an alle anderen Teilnehmer, also sowohl Master als auch Slaves, gerichtet ist
  • Multicast – hier wird ebenfalls eine nicht quittierte Nachricht durch den aktiven Teilnehmer versendet. Diese geht jedoch nur an eine ausgewählte Gruppe adressierter Master und Slaves.

Die Anforderungen an die Buszugriffssteuerung

So eine Steuerungseinheit kann die MAC-Steuerung sein, welche die Aufgabe trägt, zu gewährleisten, dass zu jedem Zeitpunkt stets nur ein einzelner Teilnehmer über die Berechtigung zum Datenversand verfügt, da es sonst zu Kollisionen auf der Leitung und somit Störungen im System kommen könnte. Aus diesem Grunde wurden bei PROFIBUS auch zwei Anforderungen definiert, die eine Buszugriffssteuerung erfüllen muss, um als effizient zu gelten und somit eingesetzt werden zu können:

  1. Es ist sicherzustellen, dass jeder Teilnehmer innerhalb eines vorab klar definierten Zeitfensters auch wirklich ausreichend Spielraum hat, um die Kommunikationsaufgaben hinreichend abzuarbeiten.
  2. Es ist sicherzustellen, dass eine Kommunikation realisiert wird, deren Daten echtzeitbezogen sind und bei welcher diese zyklisch übertragen werden. Zudem muss ein möglichst geringer Aufwand betrieben werden.

Zur Erfüllung der zweiten Anforderung verwendet PROFIBUS das Token-Passing-Verfahren, da diese für die Kommunikation komplexer Master untereinander geeignet ist und zusätzlich das Master-Slave-Verfahren ergänzt.

Die Verfahren für die Zuteilung des Token

Damit ein reibungsloser Ablauf eines Datentransfers möglich wird, müssen bestimmte Ordnungen und Regeln eingehalten werden. Besonders die Zuteilung des Token ist entscheidend, sodass es hier zwei hauptsächliche Verfahren gibt, die relevant sind:

  • Token-Passing-Verfahren
    Diese Methode garantiert eine Zuteilung des Buszugriffsrechts innerhalb eines definierten Zeitrahmens. Hierfür wird die sogenannte Token-Nachricht, die schlichtweg ein spezielles Telegramm ist, von einem Master zu dem darauffolgenden Master übergeben. Dieses Telegramm enthält die Sendeberechtigung und wird innerhalb einer Token-Umlaufzeit einmal an jeden Master verschickt. Dieses Verfahren wird bei PROFIBUS allerdings nur für die komplex aufgebauten Teilnehmer eingesetzt.
  • Master-Slave-Verfahren
    Hier wird das Prinzip des aktiven und passiven Teilnehmers verfolgt. So wird seitens des Masters, dem aktiven Part, die Kommunikation zu den adressierten Slaves, den passiven Komponenten, gestartet. Hierfür benötigt der Master jedoch die Sendeberechtigung. Hat er diese kann er nach der Aufnahme einer Verbindung Nachrichten übermitteln oder sich Nachrichten von Slaves wiederholen. Durch diese Variante des Buszugriffs lassen sich zahlreichen Systemkonfigurationen durchführen zu denen z.B. ein reines Master-Slave-System, ein reines Master-Master-System oder eine Kombination aus beiden Methoden gehören.

Die Aufgaben der Zugriffssteuerung

Die Mac, also die Buszugriffssteuerung, hat verschiedene Funktionen, die sie innerhalb von PROFIBUS erfüllen muss. So sollen die aktiven Teilnehmer, also die Master, dabei unterstützt werden im Zeitraum der Hochlaufphase die vorherrschende logische Zuordnung zu erkennen und somit den Token-Ring etablieren zu können. Unter diesem Ring ist hierbei die organisatorische Anordnung der aktiven Teilnehmer zu verstehen, welche durch die jeweiligen Adressen auf dem Bus einen logischen Ring bilden. Innerhalb des Token-Rings wird das Buszugriffsrecht von einem Master an den nächsten Master gereicht. Wenn es während des laufenden Betriebs dazu kommt, dass ein Teilnehmer abgeschaltet wird oder über einen Fehler verfügt und somit als defekt einzustufen ist, dann wird dieser durch die Zugriffssteuerung aus dem Ring herausgetragen und ein neuer Teilnehmer aufgenommen. Charakterlich für die MAC-Steuerung sind auch die Tokenhaltezeit und die Tokenumlaufzeit. Hierbei handelt es sich um Leistungen, die die Erkennung von Defekten innerhalb des Übertragungsmediums und an dem Leitungsempfänger enthalten, jedoch auch Fehler bei der Adressierung von Teilnehmern oder der Weitergabe des Token umfassen.