Master-Slave vs. Multi-Master, Busarbitrierung mit CSMA/CA beim CAN-Bus, Modbus RTU/TCP und PROFINET Echtzeitklassen (RT, IRT).
📖 Fachtheorie & KMK-Prüfungswissen
1. Warum Feldbusse statt Standard-Ethernet?
Büro-Ethernet (CSMA/CD) ist nicht deterministisch: Latenzen und Kollisionen können nicht garantiert vermieden werden. Industrielle Fertigungsprozesse erfordern jedoch Zykluszeiten unter 1 ms mit Jitter unter 1 µs.
2. CAN-Bus (Controller Area Network)
- Multi-Master-Prinzip: Jeder Teilnehmer kann Nachrichten senden.
- Bitweise Arbitrierung (CSMA/CA): Dominante Bits (logisch 0) überschreiben rezessive Bits (logisch 1). Bei gleichzeitigem Senden setzt sich die Nachricht mit dem niedrigsten Identifier (höchste Priorität) ohne Übertragungsverlust durch!
- Abschlusswiderstand: 120 Ohm an beiden Busenden zur Vermeidung von Signalreflexionen.
3. Modbus (RTU vs. TCP) & PROFINET
- Modbus RTU: Master-Slave-Protokoll über RS-485 (Zweidrahtleitung). Der Master fragt Slaves gezielt über Funktionscodes ab (z. B. 03 = Read Holding Registers).
- PROFINET (Process Field Network): Basiert auf Industrial Ethernet:
- PROFINET RT (Real-Time): Umgeht Schicht 3 und 4 (TCP/IP) für Zykluszeiten von 1–10 ms.
- PROFINET IRT (Isochronous Real-Time): Hardwarereguliertes Taktsynchronverfahren mit Zeitschlitzen für Zykluszeiten < 1 ms (Roboter- und Antriebssteuerung).
✍️ Authentische IHK-Prüfungsaufgaben mit Erwartungshorizont
CAN-Bus Arbitrierung bei Kollision
8 Punkte
Zwei Steuergeräte am CAN-Bus beginnen exakt zeitgleich zu senden:
- Steuergerät A (ABS-Bremse): Identifier 0x01A (binär: 000 0001 1010)
- Steuergerät B (Klimaanlage): Identifier 0x1A2 (binär: 001 1010 0010)
1. Erläutern Sie anhand der dominanten (logisch 0) und rezessiven (logisch 1) Bits, welches Steuergerät den Bus gewinnt und welches sich zurückziehen muss.
2. Bei welchem Bit (von links gezählt) entscheidet sich die Arbitrierung?
💡 Didaktischer Erwartungshorizont & Punkteverteilung (nach KMK-Kriterien)
1. Arbitrierungsentscheidung:
- Steuergerät A (ABS) gewinnt die Arbitrierung und darf unterbrechungsfrei weitersenden.
- Steuergerät B (Klimaanlage) erkennt auf der Busleitung ein dominantes Bit (0), obwohl es selbst ein rezessives Bit (1) gesendet hat. Es stoppt sofort den Sendevorgang und schaltet in den Empfangsmodus. (4 Pkt.)
2. Entscheidendes Bit:
- Bit 1: Beide 0 (dominant)
- Bit 2: Beide 0 (dominant)
- Bit 3: Steuergerät A sendet 0 (dominant), Steuergerät B sendet 1 (rezessiv).
- Die Entscheidung fällt beim 3. Bit von links! (4 Pkt.)