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Datenaustausch in der Prozessautomatisierung Teil 1

Date post:05-Feb-2016
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Datenaustausch in der Prozessautomatisierung Teil 1. Rainer Bauer. Einleitung. Die meisten technischen Anlagen sind heute schon automatisiert. Dabei handelt es sich in der Regel um verteilte Regelungs- / Steuerungssysteme. - PowerPoint PPT Presentation
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  • Datenaustausch in der Prozessautomatisierung

    Teil 1Rainer Bauer

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    EinleitungDie meisten technischen Anlagen sind heute schon automatisiert. Dabei handelt es sich in der Regel um verteilte Regelungs- / Steuerungssysteme.Ihr kritischster Bestandteil ist das Kommunikations-system, welches nicht nur schnell und fehlerfrei Daten auszutauschen hat, sondern auch langlebig sein muss, da diese Anlagen normalerweise eine Betriebs-zeit von mehreren Jahrzehnten haben.Aus diesem Grund halten Neuerungen nur langsam Einzug in die Prozessautomatisierung.

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    Begriffe zur Prozessautomatisierung (1)ProzessGesamtheit von aufeinander einwirkenden Vorgngen in einem System, durch die Materie, Energie oder auch Information umgeformt, transportiert oder gespeichert wird. [DIN 19233]

    Technischer ProzessGesamtheit der Vorgnge in einer technischen Anlage zur Bewltigung einer bestimmten technischen Aufgaben-stellung. [DIN 19233]

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    Begriffe zur Prozessautomatisierung (2)ProzessdatenDaten, die Gren eines technischen Prozesses darstellen. [DIN 19233]

    Automatisieren, AutomatisierungDas Ausrsten einer Einrichtung, so dass sie ganz oder teilweise ohne Mitwirkung des Menschen bestimmungs-gem arbeitet. [DIN 19233]

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    Anwendungsgebiete der Prozessautomatisierung

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    Begriffe zur Prozessautomatisierung (3)LeitenGesamtheit aller Manahmen, die einen im Sinne festgelegter Ziele erwnschten Ablauf eines Prozesses bewirken. Die Manahmen werden vorwiegend unter Mitwirkung des Menschen aufgrund der aus dem Prozess oder auch aus der Umgebung erhaltenen Daten mit Hilfe der Leiteinrichtung getroffen. [DIN 19222]

    LeiteinrichtungGesamtheit aller fr die Aufgabe des Leitens verwendeten Gerte und Programme, sowie im weiteren Sinne auch aller Anweisungen und Vorschriften. [DIN 19222]

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    Begriffe zur Prozessautomatisierung (4)Anzeige- und Bedienkomponenten (ABK)sind personengebundene Module fr Bedienung und Beobachtung, sowie fr Service und Engineering.

    Prozessferne Komponenten (PFK)optimieren, stabilisieren und koordinieren den Prozess.

    Prozessnahe Komponenten (PNK)messen, steuern und regeln den Prozess.

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    5 Ebenen der AutomatisierungstechnikBetriebsleitebeneSensor- / AktorebeneSteuerungs- / RegelungsebeneProzessleitebeneManagementleitebene Material- und Energiefluss Informationsfluss

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    Etablierte KommunikationsstandardsFabrik-Netzwerk (Industrial Ethernet)Sensor- Aktor- Bus (ASI, Profibus DP, Profibus PA, ) direkte Anschaltung (analog, digital, RS232, RS422, )Feldbus-Netzwerk (CAN, LON, Profibus FMS, )Bro-Netzwerk (Ethernet)

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    Standards und Normen senken KostenAnlagenautomatisierungStandards senken die Engineeringkosten, was sich auf Grund der geringen Stckzahlen unmittelbar auf den Preis auswirkt.

    ProduktautomatisierungStandardisierte Komponenten erlauben einen schnellen Wechsel zu gnstigeren Zulieferern. Bei groen Stck-zahlen geht eine Preisdifferenz von wenigen Cent unmittelbar ins Betriebsergebnis ein.

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    Anforderungen an die Netzwerkschichten

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    Schwerpunkt BussystemeFabrik-Netzwerk (Industrial Ethernet)Sensor- Aktor- Bus (ASI, Profibus DP, Profibus PA, ) direkte Anschaltung (analog, digital, RS232, RS422, )Feldbus-Netzwerk (CAN, LON, Profibus FMS, )Bro-Netzwerk (Ethernet)

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    Merkmale von BussystemenSerielle Bussysteme zeichnen sich aus durch:Verwendung von ZweidrahtleitungenEnergieversorgung ber die DatenleitungenKoppler, die ein Mischen unterschiedlicher Netz-topologien (Ring, Stern, Baum, Linie) erlauben Diese Merkmale vereinfachen stark die Installation von Automatisierungskomponenten und minimieren so die damit verbundenen Kosten.

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    Beispiel: FahrstuhlsteuerungEine konventionelle Steuerung ber 13 Etagen bentigt pro Etage 2 Signalleitungen (AUF, AB). Hinzu kommt ein weiteres Adernpaar ber alle Etagen fr die Energieversorgung.Dies ergibt, bei einer Geschosshhe von 3 m, einen Kabelbaum von 324 m Lnge.

    Im Vergleich dazu eine EIB PL1-Installation, bei der die Daten ber die Leitungen des Stromnetzes bertragen werden.Es werden nur 72 Meter Kabel bentigt.

    1) European Installation Bus over Power Line

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    Echtzeitfhige BussystemeSensor- Aktor- Bus (ASI, Profibus DP, Profibus PA, ) direkte Anschaltung (analog, digital, RS232, RS422, )Feldbus-Netzwerk (CAN, LON, Profibus FMS, )

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    EchtzeitUnter Echtzeit versteht man nicht, dass ein System unendlich schnell reagiert, sondern dass es vorgegebene Reaktionszeiten garantiert einhlt.

    In der Echtzeitplanung spezifiziert man, innerhalb welcher Zeitschranken auf ein Ereignis zu reagieren ist. Des Weiteren wird festgelegt, in wie viel Prozent der Flle diese Regel verletzt werden darf.Diese berlegungen bestimmen die Wahl der Hardware- und Entwicklungsplattform, sowie das Kommunikationssystem. Letzteres ist bei verteilten Steuerungen / Regelungen am kritischsten.

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    Echtzeit-KommunikationssystemeAnforderung an bertragungsverzgerung ist stark Branchen abhngig.Sekunden-Bereich in der VerfahrensautomatisierungBruchteile einer Millisekunde in der Fertigungsautomatisierung Hohe Datenraten sollen geringe Verzgerungszeiten garantieren. Industrial Ethernet ermglicht aber auch, groe Datenmengen (z.B. Videobilder) zu bertragen.Eine effiziente Fehlerbehandlung informiert alle relevanten Knoten im Fehlerfall. Dies stellt eine korrekte Datenbertragung sicher.

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    ASI Actuator- Sensor- Interface

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    ASI Actuator- Sensor- InterfaceBeschreibt ein Bussystem fr die Sensor- / Aktor- EbeneEinsatz vorwiegend in der Verfahrens- und FertigungsautomatisierungVerpolungssichere ZweidrahtleitungAnschluss mittels DurchdringungstechnikSchutzart IP67Integrierte Energiever- sorgung der NetzknotenZulssig sind Netze in Linien-, Stern- und Baumstruktur

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    ASI Actuator- Sensor- Interface

    KenngrenNormiert nach:EN 50295, IEC 62026-2OSI- Layer:Physical-, Data Link- und Application- LayerZahl der Teilnehmer:maximal 31 (62)Zahl der binren Informationen:maximal 124 (248)Leitungslnge:maximal 100 mDatenrate:167 kBit / s

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    ASI Actuator- Sensor- InterfaceBusmanagementMaster- Slave- Zugriff mit zyklischem PollingSlaves kennzeichnen sich eindeutig ber Adresse und ID- Code Anwender setzt bei Installation die Slave- AdresseMaster erstellt bei Inbetriebnahme Slave- Liste fr DiagnostikMaster detektiert Abweichungen vom InstallationsabbildMaster erkennt Ersatzslave anhand Defaultadresse und passendem ID- CodeMaster setzt die ursprngliche Adresse automatisch

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    ASI Actuator- Sensor- InterfaceMaster fragt zyklisch alle Slaves der Reihe nach ab.Verfahren zur Steuerung und berprfung der Sendeberechtigung knnen entfallen.Maximale Zykluszeit ergibt sich zu: (31+2) 150 s 5 ms ( 66 150 s 10 ms )

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    ASI Actuator- Sensor- InterfaceTelegrammstruktur des Masteraufrufs (14 Bits)

    STSBA4A3A2A1A0I 4I 3I 2I 1I 0PBEB

    Endebit (immer 1)ParittsbitDatenbits (I4 auch Adressbit)AdressbitsSteuerbitStartbit (immer 0)

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    ASI Actuator- Sensor- InterfaceTelegrammstruktur der Slaveantwort (7 Bits)

    STI 3I 2I 1I 0PBEB

    Endebit (immer 1)ParittsbitDatenbitsStartbit (immer 0)

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    ASI Actuator- Sensor- InterfaceAusgewertet wird der daraus resultierende Spannungsimpuls in der zweiten Takthlfte. (negativer Impuls 0, positiver Impuls 1)Aus der Manchester II kodierten Bitfolge generierter SendestromManchester II kodierte Bitfolge (0 fallende Flanke, 1 steigende Flanke)Zu sendende Bitfolge

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    ASI Actuator- Sensor- InterfaceFehlererkennungauf dem Physical- Layer wird berprft:Spannungspegel des EmpfangssignalsAbfolge von positiven und negativen FlankenZeitverlauf des TelegrammsParittsbitMaster wiederholt seine Anfrage nur einmal pro Zyklus und ein weiteres Mal im FolgezyklusZykluszeit verlngert sich bei einem Fehler geringfgig von 4,95 ms auf 5,1 ms, bei 10 Fehlern auf 6,45 ms

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    ASI Actuator- Sensor- InterfaceDie Slaves stellen bei ASI Kommunikationsobjekte dar, die folgende Methoden besitzen:DatenaufrufParameteraufrufAdressieraufrufKommandoaufrufReset (Broadcast)

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    CAN Controller Area Network

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    CAN Controller Area NetworkEntwickelt fr die Fahrzeugtechnik, wird aber auch in der Verfahrens- und Fertigungsautomatisierung eingesetztBeschreibt ein Bussystem fr die Steuerungs- / RegelungsebeneNachrichtenorientiertZweidrahtleitung, verdrillt und geschirmt Abschlusswiderstnde notwendigErlaubt Netze in Linientopologie

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    CAN Controller Area Network

    KenngrenNormiert nach:ISO 11519-1 (OSI-Schicht 2) ISO 11898, ISO 9141 (OSI-Schicht 1)OSI- Layer:Physical- und Data Link- LayerZahl der Nachrichten:211 = 2048Zahl der binren Informationen:maximal 8 ByteLeitungslnge:40 mbis6,7 kmDatenrate:1 MBit/sbis10 kBit/s

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    CAN Controller Area NetworkProducer- Consumer Prinzip per Broadcast

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    CAN Controller Area NetworkTelegrammtypenDatentelegramm (RTR = 0)Datenanforderungstelegramm (RTR = 1, keine Daten)Fehlertelegramm (6 identische Bits) gezielter Versto gegen Bitstuffing- VereinbarungOverloadtelegramm versendet ein Knoten, um weitere Telegramme zu verzgern

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    CAN Controller Area NetworkStruktur des Datentelegramms (max. 108 Bit)

    STAFKFDatenfeldCRCACKEF

    Endefeld (7 Bit)ACK (2 Bit)CRC (16 Bit)max. 8 Datenbytes (max. 64 Bit)Kontrollfeld mit Anz. Datenbytes (6 Bit)Arbitrierungsfeld (11 + 1 Bit)Startbit (immer 0)

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    CAN Controller Area NetworkBusarbitrierung

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    CAN Controller Area NetworkFehlererkennungCANs hohe Fhigkeit zur Erkennung von bertragungs-fehlern basiert auf einer Kombination mehrerer Manahmen:berwachung des Buspegels durch den Sender einer Nachricht (Bitmonitoring)jeder Empfnger berprft CRC-Summe und Telegrammstrukturdefekte Netzknoten werden erkannt und abgeschaltet

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    CAN Controller Area NetworkFehlersignalisierungErkennt ein Netzknoten einen Fehler, signalisiert er diesen.Daraufhin verwerfen alle Netzknoten die bereits empfangenen Teile der Nachricht.Der sendende Knoten versucht unverzglich die Nachricht zu wiederholen.Vorteile der Fehlersignalisierung sind:die sehr geringe Fehlererholzeitdie geringe zustzliche Busbelastung

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    CAN - ApplikationsschnittstellenCAN Application Layer (CAL) von der CAN-in-Automation (CiA) spezifiziertobjektorientiertanwendungsunabhngigCANopen (EN 50325-4)von der CAN-in-Automation (CiA) spezifiziertbenutzt einen Subset von CAL fr die Kommunikation und das Netzwerk-Managementanwendungsspezifische Profile

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    CAN - AnwendungsprofileCiA 401 I/O ModuleCiA 402 Elektrische AntriebeCiA 405 SPSCiA 415 StraenbaumaschinenCiA 416 TrsteuerungenCiA 417 AufzugsteuerungenCiA 418 Batterie ModuleCiA 419 Batterie LadegerteCiA 422 Kommunale Nutzfahrzeuge

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    Datenaustausch der ZukunftUnternehmens-Netzwerk (Ethernet & Industrial Ethernet)Fabrik-Netzwerk (Industrial Ethernet)Sensor- Aktor- Bus (ASI, Profibus DP, Profibus PA, )direkte Anschaltung (analog, digital, RS232, RS422, )Feldbus-Netzwerk (CAN, LON, Realtime Ethernet, )Bro-Netzwerk (Ethernet)PNK 1PNK nQSABKPFKCADPPS DBDWH

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    Aufgabenstellung fr eine MasterarbeitEntwurf eines Schnittstellenstandards fr den Datenaustausch zwischen meteorologischen Gerten und Systemen.

    zur Zeit existiert weder Norm noch StandardDWD hat Interesse an einer einheitlichen Schnittstelle (Kosten senken, Investitionsschutz)

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    Vielen Dank fr die AufmerksamkeitBusse halten schon in vielenBereichen des tglichen Lebens. Steigen Sie ein!

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