DHBW Mannheim Automatisierungssysteme System - Kommunikation Erich Kleiner, Jan. 2019 1. Prinzip AS_Syst_Komm.doc 1 System - Kommunikation Diese Unterlage beschreibt den Informationsaus- tausch zwischen den Komponenten eines Automati- sierungssystems. Inhalt: Seite 1 Prinzip 1.1 Anforderungen 1 1.2 Aspekte, Begriffe 3 1.3 ISO / OSI - Schichtenmodell 3 1.4 Übertragung / Codierung 4 1.5 Datensicherung 4 1.6 Nachrichteninhalt 5 2 Netzwerk - Topologien 5 3 Kommunikationssteuerung 6 3.1 Zugriffsverfahren 6 3.2 Kommunikationsbeziehungen 7 4 Hardware - Schnittstellen 7 4.1 RS232 / V24 7 4.2 RS422 und RS485, 4.3 IEC1158 8 5 Protokolle 9 6 Feldbusse 6.1 Übersicht 9 6.2 PROFIBUS, 6.3 PROFIsafe 11 6.4 INTERBUS, 6.5 AS-I, 13 6.6 CAN, 6.7 CANopen, 15 6.8 DeviceNet 6.9 SERCOS 15 7 LAN, WAN 17 7.1 Ethernet 17 7.2 FDDI 18 8 Industrial Ethernet 19 9 Planung 21 10 Beispiele, Literatur – Hinweise, Anhang 22 Anhang: Protokolle, Profinet IRT, Kabel 24 1. Prinzip 1.1 Anforderungen Bild 1.1.1 zeigt die Kommunikationsaufgaben in der Automatisierung, ihre Realisierung und grob die jeweiligen Anforderungen. Die linke Spalte „Aufgaben“ zeigt, dass es im Wesentlichen um vertikale Signalverbindungen von der Feldebene über die Prozessebene zu Kommuni- kation (Bedienen und Beobachten) und Betriebs- / Unternehmensebene geht. In großen Anlagen gibt es innerhalb der Prozessebene auch horizontale Signalverbindungen. Die Anforderungen an die systeminterne Kommuni- kation sind in den Ebenen verschieden: einzelne Werte mit hoher Geschwindigkeit in der Feldebene bis große Datenmengen (z.B. Prozessbilder) in der Kommunikation mit weit geringerer Geschwindig- keitsanforderungen. Verdrahtete Signalverbindungen gibt es heute prak- tisch nur noch zwischen Gebern bzw. Messum- formern und Eingabegeräten in „Remote I/Os“ oder PLCs bzw. Ausgabegeräten und Aktoren, alles andere wird durch Busverbindungen realisiert. In Betriebs- / Unternehmensebene und in der MMK (HMI) ist das Ethernet praktisch Standard. Um einen leichten Zugriff auf die unteren Ebenen zu haben und möglichst wenig verschiedene Schnittstellen / Protokolle zu benötigen wird es als „Industrial Ethernet“ (robuste Echtzeitausführung) immer mehr bis in die unteren Ebenen hinein verwendet, insbe- sondere im Rahmen der dezentralen Verarbeitung durch intelligente Feldgeräte. Für einfache Anwendungen (Kontakte) und Spei- sung der Sensoren über den Bus (z.B. Profibus -PA) werden sich einige Feldbustypen jedoch wohl weiter behaupten. „Wireless“ werden heute Initiatoren und Remote IOs an Auswertegeräte / Schnittstellen angeschlos- sen, Initiatoren auch drahtlos mit Energie versorgt, oder per Batterie bei nicht dauerndem Senden. ver- drahtet mit Bus Feld Prozessleitebene Kommunikation Betriebs- und Unternehmens- Ebene Anforderungen wireless RIO Feldbus Aufgaben Energie Signal Ein/ Ausg. (I/O) Ver- arbei- tung M Mess- Um- form. Leist.- Schalt. Sensoren Energie + SIgnal „Systembus“ - kleine Datenmengen (Bytes) (einzelne Signal- Werte), - hohe / sehr hohe Geschwindigkeit (ms / μs) Regelgüte, besonders bei Motion Control, Echtzeit für Störungs- Analyse (1 ms Auflös.) Realisierung Echtzeit-Ethernet 24/48 V bzw.0/4 ..20 mA Not-AUS - mittlere Datenmengen (KB), - hohe Geschwindigkeit (ms) (für korrespondierende Automatis.- Stationen) - große Datenmengen (MB), - mittlere Geschwindigkeit „Kommunika- tionsbus“: Ethernet Server Bedienung, Beobachtung Engi- neering - große Datenmengen (MB), - kleine Geschwindigkeit Statistik, Disposition Bild 1.1.1: Kommunikations- Anwendungen in der Automatisierung
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DHBW Mannheim Automatisierungssysteme System - Kommunikation Erich Kleiner, Jan. 2019 1. Prinzip
AS_Syst_Komm.doc 1
System - Kommunikation Diese Unterlage beschreibt den Informationsaus-tausch zwischen den Komponenten eines Automati-sierungssystems.
1. Prinzip 1.1 Anforderungen Bild 1.1.1 zeigt die Kommunikationsaufgaben in der
Automatisierung, ihre Realisierung und grob die jeweiligen Anforderungen. Die linke Spalte „Aufgaben“ zeigt, dass es im Wesentlichen um vertikale Signalverbindungen von der Feldebene über die Prozessebene zu Kommuni-kation (Bedienen und Beobachten) und Betriebs- / Unternehmensebene geht. In großen Anlagen gibt es innerhalb der Prozessebene auch horizontale Signalverbindungen. Die Anforderungen an die systeminterne Kommuni-kation sind in den Ebenen verschieden: einzelne Werte mit hoher Geschwindigkeit in der Feldebene bis große Datenmengen (z.B. Prozessbilder) in der Kommunikation mit weit geringerer Geschwindig-keitsanforderungen. Verdrahtete Signalverbindungen gibt es heute prak-tisch nur noch zwischen Gebern bzw. Messum-formern und Eingabegeräten in „Remote I/Os“ oder PLCs bzw. Ausgabegeräten und Aktoren, alles andere wird durch Busverbindungen realisiert. In Betriebs- / Unternehmensebene und in der MMK (HMI) ist das Ethernet praktisch Standard. Um einen leichten Zugriff auf die unteren Ebenen zu haben und möglichst wenig verschiedene Schnittstellen / Protokolle zu benötigen wird es als „Industrial Ethernet“ (robuste Echtzeitausführung) immer mehr bis in die unteren Ebenen hinein verwendet, insbe-sondere im Rahmen der dezentralen Verarbeitung durch intelligente Feldgeräte. Für einfache Anwendungen (Kontakte) und Spei-sung der Sensoren über den Bus (z.B. Profibus -PA) werden sich einige Feldbustypen jedoch wohl weiter behaupten. „Wireless“ werden heute Initiatoren und Remote IOs an Auswertegeräte / Schnittstellen angeschlos-sen, Initiatoren auch drahtlos mit Energie versorgt, oder per Batterie bei nicht dauerndem Senden.
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„Systembus“
- kleine Datenmengen (Bytes)
(einzelne Signal- Werte),
- hohe / sehr hohe
Geschwindigkeit (ms / µs)
Regelgüte, besonders
bei Motion Control,
Echtzeit für Störungs-
Analyse (1 ms Auflös.)
Realisierung
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- mittlere Datenmengen (KB),
- hohe Geschwindigkeit (ms)
(für korrespondierende
Automatis.- Stationen)
- große Datenmengen (MB),
- mittlere Geschwindigkeit
„Kommunika-
tionsbus“:
Ethernet
Server
Bedienung,
Beobachtung
Engi-
neering
- große Datenmengen (MB),
- kleine GeschwindigkeitStatistik,
Disposition
Bild 1.1.1: Kommunikations- Anwendungen in der Automatisierung
Systemkommunikation Automatisierungssysteme DHBW Mannheim 1. Prinzip Erich Kleiner, Januar. 2006
2 AS_Syst_Komm.doc
Unter „Busverbindung“ wird hier eine serielle Übertragung von Werten verstanden. Bild 1.1.2 zeigt links eine verdrahtete Übertra-gung von Werten von Messumformern im „Feld“ zu den Eingabegeräten im Elektronikraum. Hier braucht jedes Signal eine eigene Leitung, dafür stehen die aktuellen Werte aber stets praktisch verzögerungsfrei „parallel“ der Verarbeitung zur Verfügung. Rechts sind die Eingabegeräte im Feld und über nur eine Busverbindung mit der Verar-beitung verbunden. So müssen alle Werte seriell (hintereinander) über diese eine Leitung übertragen werden, aktuelle Werte stehen also nicht wirklich stets zur Verfügung. An den Informationsaustausch zwischen den Kom-ponenten eines Automatisierungssystems werden in den verschiedenen Ebenen verschiedene Anforder-ungen gestellt, wie in Bild 1.1 grob mit Begriffen aus der Fertigungsautomatisierung gezeigt wird. Sie unterscheiden sich in - der zu übertragenden Menge an Daten pro
Übertragungsvorgang, - der zulässigen Dauer für einen Übertragungsvor-
gang, - der notwendigen Häufigkeit von Übertragungsvor-
gängen. Von einem Bus - System können nicht alle Anforder-ungen optimal erfüllt werden, daher werden ver-schiedene Systeme eingesetzt: - In der Sensor / Aktor - Ebene (zwischen Sensor-
en / Aktoren und Leiteinrichtung) geht es um die schnelle Übertragung kleiner Datenmengen (ein-zelne Mess- / Stellwerte). Hier werden Feldbusse wie PROFIBUS- PA oder in der Fertigungsauto-matisierung AS-I (Aktor / Sensor - Interface) oder andere „Echtzeit-fähige“ Systeme eingesetzt.
- In der Feldebene (zwischen z.B. "intelligenten" Antrieben und Messumformern) geht es auch um kleine Datenmengen und hohe Geschwindigkeit, die aber etwas reduziert werden können zu Guns-
ten von vielfältigen Übertragungsmethoden ("Diensten") mit z.B.: PROFIBUS-DP oder -FMS
oder Produkt - spezifische Systembusse. - In der Zellenebene (1 Fertigungszelle / 1 Teilsys-
tem) werden die gleichen Busse für größere Datenmengen und geringere zeitliche Anforder-ungen eingesetzt.
- In der Leitebene (zwischen Teilsystemen und zu Kommunikationseinrichtungen) geht es um wesentlich mehr Daten (z.B. Tabellen), die aber weniger schnell und häufig übertragen werden müssen. Hier ist Ethernet als Bus mit TCP/IP als Protokoll Standard geworden.
Allgemein wird von einem Datenübertragungs-system gefordert: - Die Übertragungsleitung soll billig, störsicher, mit
einfacher Anschlusstechnik anwendbar sein, als wirtschaftlicher Ersatz für Verkabelung.
- Die Übertragung soll selbst anlaufen, auch nach Störungen, soll selbsttätig neue (aktive) Teilneh-mer erkennen, und sich besonders in den unteren Anwendungs - Ebenen durch Echtzeit - Betrieb wie parallele Verbindungen verhalten.
Feldebene Byte einige 100us 10 bis 100 ms PROFIBUS-DP,
bis 100 ms -FMS
Systembusse
Aktuator / Bit, Byte us bis ms einige ms PROFIBUS-PA,
Sensor- AS-I
Ebene
Bild 1.1.3: Anforderungen an Bus - Systeme in den Anwendungsebenen
Bild 1.1.2: Verdrahtung und BUS - Übertragung
I
4..20 m
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S
Eingabe-
Gerät
Verarbeitung
Elektronik-
Raum
Prozess
(„Feld“)„Remote- I/O“ (RIO)
Ein-
gabe-
Gerät
verdrahtet BUS - Übertragung
100…1 10…0
010..1
Messumformer
Bus- taugliche
Messumformer
Messumformer
ggf.
„Interfacegeräte“
(Entkopplung,
MU- Speisung)
4..20 m
A
4..20 m
A
4..20 m
A
seriell
parallel
seriell
DHBW Mannheim Automatisierungssysteme System - Kommunikation Erich Kleiner, Januar 2007 1. Prinzip
AS_Syst_Komm.doc 3
Echtzeit - Verhalten bedeutet, die zeitlichen Anfor-derungen einer Anwendung (z.B. Regelung mehrer-er Achsen) unter allen Betriebsbedingungen zu ge-währleisten. Kriterien dafür sind: - Laufzeit: max. Zeit für Informationsübertragung / - Zykluszeit: vorgegebenes Zeitraster / - Reaktionszeit: Zeit für Reaktion nach Ereignis, - Jitter: Abweichung vom Reaktionszeit-Sollwert, - Synchronität: gleichzeitige Aktionen auf
verschiedenen Geräten, - Datendurchsatz: Datenmenge in vorgegeb. Zeit
1.2 Aspekte, Begriffe Für die Beschreibung eines Bus - Systems gibt es allgemein übliche Begriffe: Der Informationsweg kann verschieden sein: Die Netz - Topologie (Anordnung der Verbindungen zwischen den Teilnehmern) kann verschieden sein: Die Übertragungsrichtung kann sein: Bild 1.2.3 d.h. nur auf einer Leitung und nur in einer Richtung, oder Bild 1.2.4
d.h. auf einer Leitung abwechselnd in beiden Richtungen (z.B. Funksprechverbindung), oder Bild 1.2.5 d.h. auf je 1 Leitung in beiden Richtungen. Die Kommunikationsbeziehung (Bild 1.2.6) sagt: - wann / wie die Teilnehmer senden dürfen, - ob es einen oder mehrere steuernde "Master" gibt, - ob eine "Verbindung" aufgebaut wird (wie Telefon)
oder einfach gesendet wird (wie Rundfunk). Bild 1.2.6: Begriffe Die Hardware - Schnittstelle ist die elektrische Realisierung der Verbindung (Spannung, Stecker, ..) Der Nachrichteninhalt umfasst neben den zu über-tragenden Daten auch Hilfs - Informationen für die Interpretation und die Datensicherung. Das Übertragungs - Protokoll beschreibt die Ab-wicklung der Übertragung.
1.3 ISO / OSI - Schichtenmodell (Bild 1.3)
Um Bus - Beschreibungen mit all den oben genannt-en Aspekten vergleichbar zu machen wurde ein Modell einer Beschreibung als "Schichten - Modell" standardisiert, und zwar von der "International Stan-dard Organisation" als "Open System Interconnect-ion" (offene / offengelegte Systemverbindung).
Informationsweg
- Broadcasting: von 1 Sender
an alle anderen Teilnehmer
- Punkt zu Punkt
- Ring - Verkehr Bild 1.2.1
Bus (Linie), Baum
Stern
Ring
Bild 1.2.2
EmpfängerSender
simplex
Empfänger
Sender
halb - duplex
Empfänger
Sender
7 Application / Anwendung
6 Presentation / Darstellung
5 Session / Kommunikation
4 Transport / Transport
3 Network / Vermittlung
2 Link / Sicherung
1 Physical / Bitübertragung
Dienstleistungen der Anwenderprogramme: Dateitransfer, Datenbank - Abfrage
Codierung / Konvertierung von Datentypen (z.B. Zahlen, Texte)
zum Austausch zwischen verschiedenen Systemen (z.B. ASN.1, XDR)
Steuert Datenaustausch auf der Transfereinrichtung: Wechsel Transferrichtung,
Neustart nach Verbindungsabbruch (z.B. LU6.2)
Transport von Nachrichten zwischen den Kommunikationspartnern, Adressierung,
steuert den Datenfluss, stellt Unverfälschtheit der Daten sicher (z.B. TCP, UDP)
Errichtung virtueller Pfade zwischen Stationen am Netz,
z.B. durch Vermittlung von Paketen über Knotenrechner (z.B. IP, X.25)
Gesicherte Übertragung von Informationseinheiten (Pakete oder Blöcke),
Adressierung der am Übertragungsmedium angeschlossenen Stationen (z.B. CSMA/CD)
Austausch der Informations - Bits über Medium: Geschwindigkeit, Bit-Codierung,
Systemkommunikation Automatisierungssysteme DHBW Mannheim 1. Prinzip Erich Kleiner, Dez. 2014
4 AS_Syst_Komm.doc
Hier sind alle Aspekte einer Bus - Übertragung in 7 aufeinander aufbauenden Schichten beschrieben, wobei nicht in jedem Fall alle Funktionen (Schichten) verwendet werden. Das Modell ist ein Rahmen ("Referenz - Modell") zur Beschreibung der Bus - Übertragung ("Protokoll" - Charakteristika), um Daten zwischen verschiedenen Produkten austauschen zu können. Die komplexe Gesamtaufgabe ist in separate "Protokolle" aufgeteilt, die zusammenwirken. Teilaufgaben sind als Dienste in "Layern" mit definierter Daten-übergabe zwischen diesen definiert.
1.4 Übertragung / Codierung Für die Übertragung müssen die logischen Zustände 1 und 0 in elektrische Pegel bzw. Übergänge „codiert“ werden. Hier sind verschiedene Verfahren üblich, die sich durch Aufwand und Reichweite unterscheiden. Asymmetrische Übertra-gung verwendet eine positive (0) oder negative (1) Spannung gegen Bezugs-leiter. Die Störsicherheit ist gering, nur für kurze Distanz geeignet. Anwendung z.B. in RS232. Symmetrische Übertra-gung verwendet ein Lei-tungspaar, den log. Zustand drückt die Polarität der Spannungsdifferenz aus. Die Störsicherheit ist gut, da Gleichtaktstörungen unterdrückt werden. Für mittlere Distanz geeignet. Anwendung z.B. bei RS422, 485 Wird jedes Bit direkt mit einer Spannung codiert, so gibt es bei aufeinanderfolgenden gleichen Pegeln (z.B. 5 x "1") keine Nulldurchgänge ("None Return to Zero"). Dieser "Gleichspannungs- - Anteil" lädt die Leitungskapazität auf, so dass der Störspannungs-abstand kleiner wird und lange Leitungen bzw. hohe Frequenzen (Geschwindig- keiten) aus-scheiden. MLT-3 (Multi Level Transmission) nutzt Pos./keine/negative Spannung, also drei Zustände. Bei NRZ wie MLT können viele gleiche Pegel hintereinander ohne Nulldurchgang auftreten, so dass der Takt (Bitwechsel-Zeitpunkt) nicht erkannt werden kann. Als Abhilfe werden „Bit- Umwand-lungen“ vorgeschaltet, die z.B. bei „4Bit/5Bit“ max. 4 gleiche Pegel zulassen (Ethernet 100-Base TX). Beim 100-Base T4 werden 8 Bit in 6 „Ternaries“ übersetzt, und auf 3 Leitungspaaren übertragen. Beim Manchester Code findet dauernd ein Pola-ritätswechsel statt: eine negative Flanke bedeutet
„1“ und eine positive „0“ (IEEE 802: umgekehrt!) Dadurch kann der Takt direkt aus den Nulldurchgängen gewonnen werden. Wegen des kleinen Gleichspannungsanteils für große Distanzen geeignet, Anwend-ung z.B. beim PROFIBUS, aber: doppelte Frequenz!
1.5 Datensicherung Durch Störungen auf der Übertragungsleitung kann das Übertragungssignal verfälscht werden. Damit der Empfänger keine falsche Nachricht verarbeitet kann man die übertragene Information nach verschiedenen Verfahren sichern. Beim Parity Bit wird einem mit z.B. 8 Bit codierten Zeichen ein zusätzliches Bit angehängt, das die Summe der "1" - Bits auf eine gerade bzw. ungerade Anzahl bringt: Der Empfänger prüft auf die vereinbarte Methode (gerade oder ungerade) und kann die Verfälschung eines Bits erkennen und Wiederholung der Nach-richt anfordern. Als Maß für die Codesicherheit dient die Hamming - Distanz d = e + 1, wobei e die Anzahl der erkannten gleichzeitig aufgetretenen Fehler bedeutet. Bild 1.5.2 Hier wird kein Fehler erkannt, also ist d = 0+1 = 1 Bild 1.5.3 Hier wird ein Fehler erkannt, also ist d = 1+1 = 2. Zwei gleichzeitige Fehler werden nicht erkannt. In vielen Übertragungsprotokollen wird eine leist-ungsfähigere Methode verwendet, z.B. der Cyclic Redundancy Check (CRC), bei dem eine Hamming - Distanz von z.B. 6 erreicht werden kann.
1
0 S
tart
bit
B
it 0
B
it 1
B
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B
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B
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B
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B
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B
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P
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pbit
t
1 0 0 0 0 0 1 0 0
= Buchstabe ‚A‘, ASCII 65
Signal - Zustände mit Parität ‚Gerade‘
Senden ohne Verfälschung: Empfang:
Sicherung: eine gültig, falsch!
1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1z.B.:
Senden mit Verfälschung: Empfang:
gerader Parität: eine
1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 03 x „1“ = ungerade,
Ungültig!
1 1 1 1 0 1 1 1 1 04 x „1“ = gerade,
Gültig!
zwei1 0 1 0 0
1 0 1 1 0 1 0 0 .....1 1
Nachricht
0 1 1 0 .... 1 0
Prüfsumme
Schieberegister mit
Rückführungen
1.
2.
Sender
1.
0 1 1 0 .... 1 0
Nachricht
Prüfsumme
0 1 1 0 .... 1 02.
Empfänger
1 0 1 1 0 1 0 0 .....1 1
Bild 1.4.4: MLT-3
Bild 1.4.3: NRZ
GRD
asymmetrisch
(RS232)
>3V
< -3V
„0“
„1“GRD
asymmetrisch
(RS232)
>3V
< -3V
„0“
„1“ Bild 1.4.1
Bild 1.4.2
+0,3
bis
+ 6 V„0“ „1“
symmetrisch
(RS422, 485)
+0,3
bis
+ 6 V„0“ „1“
symmetrisch
(RS422, 485)
Bit-Werte 0 1 1 1 0 1 0 0
Signal-
Pegel
+0-
+0-
Bild 1.4.5: Manchester- Code
Bild 1.5.4: CRC- Datensicherung
Bild 1.5.1: Parity-Bit bei RS232
DHBW Mannheim Automatisierungssysteme System - Kommunikation Erich Kleiner, Dezember 2014 2. Netztopologien
AS_Syst_Komm.doc 5
Die Nachricht (als Zahl) wird durch ein Generator – Polynom geteilt, der Rest wird vom Sender als Prüfsumme nach der Nachricht übertragen. Der Empfänger errechnet sie bei Eintreffen der Nachricht 1.6 Nachrichteninhalt Durch das Protokoll einer Übertra-gung ist der Aufbau einer Nach-richt ("Telegramms") als "Rahmen" (en: Frame) festgelegt. Dabei kön-nen in einem Protokoll für ver-schiedene Vorgänge verschiedene Rahmen festgelegt sein. Die zwei Beispiele in Bild 1.6 zeigen, dass die zu übertragenden Daten nur einen Teil des Frames ausmach-en. Hinzu kommen Infos über: - Art des Telegramms, - Adressen (Quelle: Sender, Ziel: Empfänger) - ggf. Länge der Daten - Prüfzeichen (Prüfsumme)
2. Netzwerktopologien Busse können physikalisch sehr verschieden aufgebaut werden, man spricht hier von Topologien. Der einfachste Fall ist eine
"Punkt-zu-Punkt" - Verbindung, z.B. zwischen einem Service-gerät und der zu programmier-enden CPU, mit Simplex- oder Duplex - Übertragung (Bild 2.1)
Die "klassische" Bus -Verbindung ist eine Verbin-dung mit T-Abzweigen, genannt „BUS“ (bild 2.2), ohne T-Abzweige spricht
man von „Linie“, z.B. beim PROFIbus. ((BILD 2.2)
In einem "Segment" ist die Anzahl der Teilnehmer meist durch elektrische Daten begrenzt. Bei Zwischenschaltung eines "Repeaters" (Verstärker) können mehrere Segmente miteinander verbunden werden. Die Gesamtzahl der Teilnehmer ist durch den Adressenvorrat begrenzt. Jedes Segment muss an beiden Enden mit Widerständen abgeschlossen werden. Eine sehr flexible Anwendung erlaubt eine Abwand- lung der Linie als
Baum - Struktur wie z.B. beim PROFIBUS-PA.
Die Anordnung ein-es Teilnehmers in Linie oder Baum hat nichts mit seiner Adresse zu tun.
Linie und Bus sind störanfällig, da ein Leitungs- oder Abschlussfehler den Datenverkehr stoppt.
auch und vergleicht sie mit der vom Sender empfangenen. Diese Prüfung erfolgt praktisch während der Übertragung, benötigt also keine weitere Bearbeitungszeit, daher "Cyclic ..). Heute wird oft eine Stern - förmige Verbindung verwendet, deren Mitte ein "HUB" oder "SWITCH" bildet. Bild 2.4: Stern - förmige Verbindung Hier sind die Stichleitungen zu den einzelnen Teil-nehmern gegeneinander rückwirkungsfrei, die Zu-verlässigkeit der gesamten Anordnung ist also besser als bei einer Linie. Über einen HUB kann zu einer Zeit nur eine Nachricht verteilt werden, der SWITCH führt auch gleichzeitig mehrere gezielte Vermittlungen durch. Insbesondere für Lichtwellenleiter, bei denen keine Verzweigungen möglich sind, wird die Ring - Anordnung verwendet, z.B. beim FDDI (Fiber Distributed Data Interface): Hier werden die
Daten über den Ring durch alle Teilnehmer "durchgeschoben". Das ist nur bei der hohen Übertragungs-geschwindigkeit auf Lichtwellenleitern sinnvoll, oder mit relativ kleinem Daten-volumen wie beim INTERBUS.
Ethernet Frame („Standard - Ethernet“, nicht TCP / IP)
7 Bytes
Präambel Start Zieladresse Quelladresse Typ zu übertragende Nachricht Prüfzeichen
Frame (Dest.Add.) (Source Add.) (Frame Check
Delimiter (SFD) Sequence
1 B 6 Bytes 6 Bytes 2 Bytes
Header
64 bis 1600 Bytes
Daten
4 Bytes
Trailer
PROFIBUS Frame Antworttelegramm:
Synchr. Start Daten- Wieder Zieladresse Quelladresse Kontroll-u. Nachricht Endbyte
Vergrößerung der Teilnehmerzahl(Teilnehmeranzahl, Leitungslänge
begrenzt durch elektrische Daten)
Bus als Baum (z.B. Profibus-PA)
Bild 2.3: Baum-Struktur
Stern mit Hub (Verteiler) Stern mit Switch (Vermittler)
z.B. Ethernet
Repeater(Verstärkung,
Entkopplung)Mehrere
Verbindungen
gleichzeitig,
nur gezielte
Weitergabe an andere
Eine Nachricht
zu einer ZeitSegment 1
Teilnehmer
Ringleitung
Bild 2.5: Ring
Bild 2.1
Systemkommunikation Automatisierungssysteme DHBW Mannheim 3. Kommunikationssteuerung Erich Kleiner, August 2003
6 AS_Syst_Komm.doc
Als "Logischer Ring" oder "Token - Ring" wird die
zyklische Sende- bzw. Aufrufzuteilung be-stimmter Teilnehmer bezeichnet, auch wenn diese physika-lisch z.B. als Baum - Struktur verbunden sind, wie beim PROFIBUS.
Bild 2.2.7 zeigt eine praktische Anwendung in der Prozessautomati- sierung: eine zum Ring erweiterte Linie. Diese bietet im Vergl. Zu anderen Var. niedrigen Preis und hohe Ver- fügbarkeit. [7] (Abkürzungen: Anzeige- u. Bedien- Komponente, Prozess- nahe Komponente, z.B. SPS, PLS)
3. Kommunikationssteuerung In einem Bus - System muss festgelegt werden, welche Teilnehmer wann senden bzw. Daten aufrufen dürfen (Zugriffsverfahren) und ob Daten an einen bestimmten Empfänger oder "an alle" gesendet werden (Kommunikationsbeziehung). Dabei wird zwischen aktiven Teilnehmern (Master) und passiven (Slave) unterschieden. Ein Master kann Daten und/oder Anforderungen senden, ein Slave antwortet nur auf Anforderungen. Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die Berech-enbarkeit der Übertragungszeiten. Legt die Art der Kommunikationssteuerung die Reaktionszeiten der Übertragung fest, so nennt man das ein "deterministisches" Verhalten. Das ist z.B. in der Feldebene nötig, um Teilnehmeranzahl / Daten-volumen für über Bus geschlossene Regelkreise festlegen zu können, damit die Aktualisierung nicht zu langsam wird. Beim so genannten "stochastischen" Verhalten ist die Reaktionszeit nicht berechenbar sondern von "zufälligen" Umständen abhängig, z.B. anfallende Datenvolumina, interne Bearbeitungszeiten, usw. 3.1 Zugriffsverfahren Nachfolgend die wichtigsten Methoden für die Steuerung des Zugriffs auf den Bus erläutert. Master / Slave Bild 3.1.1 zeigt einen Master, der Daten an einen oder mehrere Slaves sendet und/oder diese auf-fordert, daten zu senden.
Dieser Ablauf ist deterministisch. Anwendung z.B. beim Datenaustausch zwischen verschiedenen Systemen über DIN - Protokoll, MODBUS, .. CSMA / CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), auch "Polling" genannt, für mehrere Master. Vor dem Senden prüft Bild 3.1.2 ein Teilnehmer, ob das
Netz frei ist. Wenn ja, so sendet er für eine beschränkte Zeit. Wenn nicht, so "hört" er mit und sendet, wenn das Netz frei wird. Senden mehrere Master zur gleichen Zeit ("Kollision"), so brechen alle ab und versuchen nach individuellen Zufallszeiten nochmals zu senden. Dieser Ablauf ist stochastisch. Anwendung z.B. beim Ethernet (Linien - Struktur), sinnvoll bei "gelegent-lich" zu übertragenden größeren Datenvolumina, z.B. Bildern. Durch den Einsatz eines Switch (Bild 2.4 rechts) wird die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen verringert, da dieser gleichzeitig mehrere Verbindungen herstellt, so dass nicht mehr der gesamte Datenverkehr auf einer "Leitung" läuft und jeder Teilnehmer auf jeden anderen warten müsste. Dazu "merkt" sich der Switch die Adressen der an jedem seiner Ports angeschlossenen Teilnehmer. Hieraus ist zu sehen, dass die Kollisionen minimiert werden können, wenn an einem Port nur ein Teilnehmer angeschlossen ist. Dann gibt es nur noch Kollisionen und damit Wartezeiten, wenn ein Teilnehmer von mehr als einem anderen zur Kommunikation aufgefordert wird. Token Bus Passing für mehrere Master / Slaves. Im Netz gibt es ein
Bitmuster ("Token" = Merkmal), das zum Senden berechtigt. Hat der gerade ak-
Bild 3.1.3 tive Master seine Daten gesendet, so gibt er das Token an den in ei- ner Reihenfolge festgelegten nächsten Master weiter, der nun sendet. Hat er nichts zu senden, so gibt er ohne zu senden weiter. Der Ablauf ist deterministisch, da es maximale Bus - Zugriffszeiten für die Master und feste Zeiten für die Slaves gibt. Anwendung: z.B. PROFIBUS. Token - Ring - Zugriff (mehrere Master in einem physikalischen Ring. Der gerade aktive
Master gibt das Token an den im physika-lischen Ring nächsten Master weiter.
Bild 3.1.4 Ablauf: deterministisch durch maximale Bus - Zugriffszeit pro Master und bekannte "Umlauf" - Zeit. Anwendung: z.B. FDDI
1
2
3
M SM S S
M1 M2 M3S1 S2
M1 M2 M3
M1 M2 M3
Bild 2.2.6: Logischer Ring
ABK 1 ABK 1 ABK 1 ABK 1
Prim.
Switch
Sek.
Switch
Warte
Prim.
Sw.
Sek.
Sw.
PNK 1.1 PNK 1.2
Prozessbereich 1
Prim.
Sw.
Sek.
Sw.
PNK 2.1 PNK 2.2
Prozessbereich 2
DHBW Mannheim Automatisierungssysteme System - Kommunikation Erich Kleiner, August 2003 4. HW- Schnittstellen
AS_Syst_Komm.doc 7
3.2 Kommunikationsbeziehungen Bild 3.2 zeigt, auf welche Art Teilnehmer an einem Bus - System mitein-ander kommunizieren können. Dabei bedeutet "Verbind-ung", dass nur bestimm-te, durch ihre Adressen definierte Teilnehmer miteinander kommuni-zieren.
4. Hardware - Schnittstellen Basis jeder Bus - Kommunikation ist eine HW - Schnittstelle, im ISO/OSI - Modell in der Schicht 1 zu beschreiben. Die Auswahl der Schnittstelle bestimmt die Distanz, über die Signale übertragen werden können, die mögliche Topologie und Codierung sowie mögliche Übertragungsrichtung und - Geschwindigkeit. Ein Schnittstellentyp kann aber meist für mehrere Protokolle verwendet werden. Nachfolgend werden die wichtigsten Schnittstellen erläutert und verglichen. 4.1 RS232 / V24 Bild 4.1.1 zeigt die Signaldefinition an der durch die Normen RS232 bzw. V24 festgelegten Schnittstelle. Logisch 1 / 0 werden durch eine negative / positive Spannung zwischen 3 und 12 V übertragen, der Bereich zwischen -3 und +3V ist nicht definiert (wird nicht als Signalzustand gewertet). Geeignet nur für die Übertragung von einem zu einem anderen Teilnehmer (Punkt - zu - Punkt), auf einer Leitung nur eine Übertragungsrichtung, daher normalerweise mit einer Sendeleitung (TD = Transmit Data) und einer Empfangsleitung (RD = Receive Data) ausgeführt. Übertragungsrate: 20 kBit / s. Durch die unsymmetrische Leitung (Spannung gegen 0) ohne Verstärker max. 15 m Länge.
Anwendung: ältere Modems, Direktanschluss eines PCs an eine CPU. Bei der Verkabelung ist zu unterscheiden zwischen: Verbindung zwischen
"Daten - Endgeräten", also z.B. PC - CPU.
Hier müssen TD und RD gekreuzt werden.
Die "Handshake" - Leitungen RTS / CTS werden meist nicht benutzt.
Bild 4.1.3: Verbindung über "Daten - Übertragungsgerät" (Verstärker), hier erfolgt die Kreuzung im Übertragungsgerät. Es sind 25- und 9-polige Stecker genormt. Verkabelt wird mit mehradrigem Signalkabel, Abschirmung ist nicht vorgeschrieben aber sinnvoll, sollte allerdings vom Bezugsleiter getrennt einseitig angeschlossen werden.
Kommunikationsbeziehungen
Verbindungs - orientiert Verbindungs - los
Master /
Master
Master /
SlaveBroadcast Multicast
- Verbindungsaufbau zwischen
Sender und 1 Empfänger,
- Schutz während Datenübertragung
mit Verbindungsüberwachung,
- Abbau nach Beendigung
- Ein Teilnehmer kann gleichzeitig
mit mehreren anderen Teilnehmern
kommunizieren,
- meist keine Verbindungsüberwachung,
- kein Verbindungs - Aufbau / Abbau nötig
- 1 Teilnehmer sendet,
- alle anderen empfangen,
- verwenden Nachricht
wenn von ihnen benötigt,
Erkennung z.B. über
Quelladresse
- 1 Teilnehmer sendet,
- bestimmte andere empfangen
Punkt - zu Punkt -
Verbindung mit
gegebenen Adressen
Mit oder ohne
Slave - Initiative
Zyklisch oder azyklischZyklisch: lesen / schreiben in festem Zyklus, dadurch feste Abtastzeiten
z.B.: Abfrage der Eingabegeräte bei SPS / PLS
azyklisch: lesen / schreiben nach Anforderung (z.B. eines Anwenderprogramms)
„Slave - Initiative“: Alarm - Meldungen an zuständigen Master (PROFIBUS)
Bild 3.2: Kommunikationsbeziehungen
Sender Empfänger
(Transmitter) (Receiver)Länge: max 15 m
(ohne Verstärker)
Ausgangsspannung:
< - 3V
> + 3V
Daten-
Eingabe
Daten-
Ausgabe
TD
RD
RTS
CTS
DSR
DTR
GND
2
3
4
5
6
20
7
2
3
4
5
6
20
7
TD
RD
RTS
CTS
DSR
DTR
GND
„Daten -
Endgerät“
„Daten -
Endgerät“
TD
RD
RTS
CTS
DSR
DTR
GND
2
3
4
5
6
20
7
„Daten -
Endgerät“
„Daten -Übertragungs -
gerät“ (z.B. Verstärker)
2
3
4
5
6
20
7
TD
RD
RTS
CTS
DSR
DTR
GND
TD
RD
RTS
CTS
DSR
DTR
GND
2
3
4
5
6
20
7
2
3
4
5
6
20
7
TD
RD
RTS
CTS
DSR
DTR
GND
„Daten -
Endgerät“
Bild 4.1.2
Systemkommunikation Automatisierungssysteme DHBW Mannheim 4. Hardware - Schnittstellen Erich Kleiner, Dezember 2016
8 AS_Syst_Komm.doc
4.2 RS422 und RS485 Bild 4.2.1 zeigt Prinzipbild und Signaldefinitionen für die Schnittstelle nach RS422. Hier wird auf einem verdrillten Leitungspaar, also symmetrisch über-tragen, wodurch höhere Geschwindigkeit und größere Distanz möglich sind. Auf einem Leiterpaar wird simplex übertragen, für duplex werden zwei Paare verwendet. Jedes Paar braucht am letzten Teilnehmer einen Abschlusswiderstand. Hier kann eine Sender Daten an bis zu 10 Empfäng-er senden, 37 / 15 / 9 - polige Stecker sind genormt, Belegung (* muss verwendet werden) nach Tabelle 4.2.1: Tabelle 4.2.2: HW - Schnittstellen im Vergleich
Durch Kombination von Sendern (Transmitter) und Empfängern (Receiver) zu "Transceivern" sowie anderen Leitungsabschluss wird aus der RS422 die Bus - fähige Schnittstelle RS485: Bild 4.2.2 zeigt Prinzipbild und Signaldefinitionen der Schnittstelle nach RS485. Hier kann ein Leiterpaar halb-duplex als Bus zwischen bis zu 32 Teilnehmern verwendet werden. Über einen speziellen Segmentkoppler kann diese Schnittstelle auch eigensicher als „RS485-IS“ verwendet werden
4.3 IEC 1158-2 definiert eine Signal-Übertragung auf der Stromver-sorgungsleitung durch ein zusätzliches Stromsignal (+ 9mA), angewandt z.B. bei PROFIBUS PA
In Tabelle 4.2.2 sind die gebräuchlichsten HW - Schnittstellen mit ihren wichtigsten Daten und den jeweiligen Normen angegeben. Darunter sind die Abkürzungen der Normungsgremien erklärt.
Im Anhang 3 sind gebräuchliche Kabel beschrieben
Sender
(Transmitter) Länge: max 1200 m
p
n
Daten -
Eingabe S
10 Mbit/s max
Logisch 1: Up - Un < - 0.3 V
Logisch 0: Up - Un > +0.3 V
Empfänger
(Receiver)
R = 120/ 150
R R
1 Schirm Abschirmung / Schutzerde
2 M24 Masse der 24V Augangsspannung
3 RxD/TxD-P* Empfangs / Sendedaten „Positiv“
4 CNTR-P Steuersignal für Repeater (Richtung)
5 DGND* Datenübertragungspotential (Masse zu 5V)
6 VP* Versorg.spg. für Abschl.widerstände (P 5V)
7 P24 Ausgangsspannung + 24V
8 RxD/TxD-N* Empfangs / Sendedaten „Negativ“
9 CNTR-N Steuersignal für Repeater (Richtung)
RS
Sender / Empfänger 1
(Transceiver)
RS
Sender / Empfänger n
(Transceiver)
Länge: max 1200 m
10 Mbit/s max
(wie RS422)
220
GND
(5)
390
390
VP(6)
Standardisierung: V... (LAN) u X.. (WAN): CCITT-Empfehlungen (Comité Consultative International Télégraphique et Télécomm.)
RS.. EIA - Standards (Electronic Industries Association, USA)
DIN .. DKE - Norm (Deutsche Elektrotechnische Kommission im DIN und VDE)
max Kabellänge 15 m 1200 m 1200 m bis 1900 m bis 200 km
max Übertrag.Rate 20 Kbit/s 10 Mbit/s 10 Mbit/s 31,25 kbit/s bis Gbit/s
Sende-Pegel (Lichtpulse)
Signal ohne Last: + 15V + 5V + 5V + 9mA auf Speise-
Signal mit Last: + 5V + 2V + 1,5V leitung moduliert
Last: 3 .. 7 K 100 54
Anwendung PC - Peripherie LAN - Bereich LAN - Bereich Feld, Ex-i LAN, WAN
bei nur 1 Sender (PROFIBUS-PA)
1 1 2 . . . 10 1 2 . . . 30
busVerteiler
DHBW Mannheim Automatisierungssysteme System - Kommunikation Erich Kleiner, August 2008 5. Protokolle, 6. Feldbusse
AS_Syst_Komm.doc 9
5. Protokolle Die HW - Schnittelle ist die physikalische Verbind-ung, vergleichbar mit verdrahteter Telefonleitung oder Funkverbindung beim Mobil - Telefon. Das Protokoll ist vergleichbar mit der Sprache, die auf der Verbindungsleitung benutzt wird. Im Anhang befindet sich eine Tabelle, die die wichtigsten Protokolle auflistet. Es gibt sowohl genormte Protokolle als auch Hersteller - spezifische, die entstanden, als die genormten nicht leistungsfähig genug waren (z.B. 3964 von Siemens ersetzte DIN 19244). Heute sind am weitesten verbreitet: - PROFIBUS in der Proz. Automatisierung (Europa), - Foundation Fieldbus in USA, teilw. Asien, - LON, EIB in der Gebäudeleittechnik, - MAP / MNS in der Fertigungsleittechnik, - TCP/IP für MMK in allen Ebenen, sowie WANs.
Bei den Namen ist Vorsicht geboten: teils meint eine Bezeichnung nur das Protokoll (z.B. TCP/IP), und teils das ganze Bus - System einschließlich der HW (z.B. PROFIBUS).
Verglichen mit dem ISO / OSI – Schichtenmodell
6. Feldbusse 6.1 Übersicht Feldbusse ersetzen Verkabelung zwischen Sensor-en / Aktoren und SPS / PLS, und dienen auch als Vernetzung zwischen SPS - Einheiten. Daher müssen sie: - Daten in "Echtzeit" zuverlässig übertragen, - sich der Anlagen - Topologie anpassen, - anpassbar sein an verschiedene Verfügbarkeits- und Sicherheits - Anforderungen (z.B. Ex-i), - einfach zu handhaben sein (Planung bis Wartung).
umfassen die genannten Protokolle verschiedene Auswahlen der Schichten. So werden z.B. beim PROFIBUS die Schichten 3 - 6 "aus Effizienz-gründen" nicht benutzt: - Steigerung der Leistungsfähigkeit des Buskopplers hinsichtlich Reaktionszeit, - Kostensenkung für HW und SW Beim Einsatz eines Bus - Systems, z.B. Ethernet zwischen PCs, wird das Protokoll durch die jeweiligen Schnittstellen - Geräte / Netzkarten abge-wickelt, der Anwender braucht sich dabei nicht um Details zu kümmern. Muss jedoch eine Bus - Übertragung zwischen ver-schiedenen Systemen eingesetzt werden, z.B. zwischen verschiedenen SPS / PLS - Produkten, so können verschiedene Datenformate und Adressierungsmethoden aufeinanderstoßen. Die "Übersetzung" muss in den Schnittstellengeräten erfolgen. Dazu sind oft spezielle Programme zu entwickeln, zumindest aber Adressenzuordnungen zu planen. Neu ist IEC 61850: eine Vereinbarung von Meldun-gen, Diagnose und Vorverarbeitung in „Stationen“ der (Nieder-/,) Mittel- und Hochspannungsanlagen für die Kopplung zur Prozessleittechnik (siehe auch: "Planung") auf Ethernet- Basis. Für verschiedene Anwendungen und von verschie-denen Herstellern wurden verschiedene Feldbusse entwickelt, einige wurden international genormt, aber es gibt nicht "den" Feldbus. Bild 6.1.1 zeigt eine Zuordnung von Feldbussen zu Anwendungsgebieten, angeordnet in einem Koordi-natensystem aus Dynamik und Anwendungs-möglichkeiten. Der Trend geht in der Fertigungsautomatisierung wegen der Durchgängigkeit zu Betriebs- und Unter-nehmensebene zu Ethernet- basierten Lösungen. Die Prozessautomatisierung bleibt wohl vorerst bei Profibus-PA und Foundation Fieldbus H1, da hier
Im Feld häufig Eigensicherheit er-forderlich ist. Als Kopplung zu über-geordneten Funk-tionen werden Ethernet- basierte Systeme aber verwendet, beson-ders Profinet und FF-HSE (High Speed Ethernet).
AutomotiveKommunikation in
PKW, LKW, Baumaschinen
Zeitkritisch, Preis, Sicherheit
CAN,
FlexRay,
MOST,
TTP/A,
. . .Dyn
am
ik d
es
Bu
ss
ys
tem
s
GebäudeautomationHome / Building Automation:
Wind-, Temperatursensoren,
Lichtschutz- / Schließanlagen
Preis
EIB,
InstaBus,
ZigBee,
. . .
FertigungsautomationAutomobilfertigung,
Maschinenbau,
Stückfertigung
Hohe Bandbreite
AS-Interface, Interbus,
Profibus DP, EtherCat,
CANopen, Sercos,
DeviceNet, VARAN,
Profinet, Ethernet/IP,
ControlNet, SDS, . . .
Prozessautomation
Chemie, Pharma, Öl & Gas,
NuG, Wasser / Abwasser,
Stromerzeugung, . . .
Eigensicher, Energie über Bus,
Investitionsschutz (Kompatibilität)
Foundation Fieldbus H1,
Profibus -PA
(FF HSE),
(Profibus DP)
(Profinet)
Anwendungsmöglichkeiten
Trend:
- FF H1 und Profibus-PA
bleiben vorrangig,
- Ethernet-basierte Lösungen
selten, dann im nicht-Ex-Bereich,
- zunehmend aber als „Backbone“
Trend:
- Ethernet-basierte Lösungen
werden immer mehr eingesetzt
wegen Durchgängigkeit zu
höheren Ebenen
Bild 6.1.1: Feldbusse, Übersicht
Systemkommunikation Automatisierungssysteme DHBW Mannheim 6. Feldbusse Erich Kleiner, Sept. 2007
10 AS_Syst_Komm.doc
Die Tabellen 6.1 und 6.2 enthalten Details zu den wichtigsten Feldbussen: Tabelle 6.1: Feldbusübersicht (1) Tabelle 6.2: Feldbusse (2)
Übertragungs- Zweidrahtleitung Twisted Pair / PL: auf Starkstr.leitg. Starkstr.leitg.,
LWL Funk, LWL, Infrarot
(Wie
CA
N)
DHBW Mannheim Automatisierungssysteme System - Kommunikation Erich Kleiner, August 2007 6. Feldbusse
AS_Syst_Komm.doc 11
6.2 PROFIBUS Ein Feldbus soll so leistungsfähig sein um SPS - Einheiten vernetzen zu können und auch so kosten-günstig um in einer kleinen SPS und für Einfach - Ein / Ausgaben eingesetzt werden zu können. Das ist mit einer einzigen Lösung nicht möglich, sondern nur mit einer abgestimmten Familie von Varianten: PROFIBUS-DP (Decentralized Periphery oder Distributed Control) - auf Geschwindigkeit optimierte Variante, speziell
zwischen Automatisierungs- und E / A - Geräten - besonders geeignet als Ersatz für parallele
Signalübertragung (24 V und 0 / 4 .. 20 mA) - DP V1: zyklischer (Daten) und azyklischer (Alarme) Datenverkehr, - DP V2: isochroner Datenaustausch, Redundanz PROFIBUS-FMS: ersetzt durch –DP-Entwicklung, für Neuanlagen nicht mehr eingesetzt (Fieldbus Message Specification) gleichzeitig am gleichen Bus wie -DP möglich PROFIBUS-PA (Process – Automation) oder MBP (Manchester coded, Bus Powered) - für die Automatisierungstechnik in der Verfahrens-
technik - eigensicher (erlaubt in Explosions - gefährdeten
Räumen, „Ex-i“) - Fernspeisung der Teilnehmer über den Bus Es gibt verschiedene Teilnehmer - Typen: -DP: - Master Class 1 für Prozessdaten - Handhabung (z.B. eine SPS), - Master Class 2 für Konfiguration /
Programmierung, - Slave (Sensor, Aktor) - PA: - Master (Schnittstelle in z.B. SPS), - Slaves (Feldgeräte). Struktur und Bus - Zugriff sind abhängig davon. ob ein oder mehrere Master (Class 1) vorhanden sind: Bild 6.2.1: Struktur / ugriff bei 1 Master
Daneben gibt es sogenannte "Profile": Anwendungs - spezifische Festlegungen als Auszug des tatsächlich benötigten Funktionsumfangs aus dem PROFIBUS-FMS. Die EN 50 170 legt drei nationale Feldbus - Standards fest. Die europäische Maschinenrichtlinie EN 60 204 schreibt die Anwendung der EN 50 170 vor. Europa: - PNET: EN 50 170 Volume 1 (Dänemark): - Multi - Master - System, Unterscheidung:
Master, Slaves, Controller - Master rufen, wenn sie das Token besitzen, in
Eigeninitiative Slaves auf, Slaves antworten nur nach Aufruf.
- Feste Baudrate: 76,8 kbit/s, je Teilnetz max. 125 Teilnehmer, ca. 300 Messwerte / s
- Alle Anwenderfunktionen mit „Read“ und „Write“ realisiert.
- PROFIBUS: EN 50 170 Volume 2 (Deutschland) enthält -DP und -FMS (-PA wird später integriert): - Multi - Master - System wie PNET, - 1,5 Mbit/s bzw. 12 Mbit/s (DP), max. 127
- WorldFIP: EN 50 170 Volume 3 (Frankreich) - System mit zentraler Buszuteilung: 1 Master
vergibt nacheinander Sendeberechtigung per Token an alle Teilnehmer,
- Linien - Struktur, max. 256 Teilnehmer - „verteilte Datenbasis“ - 31,25 kbit/s oder 1,5 Mbit/s oder 2,5 Mbit/s,
typisch: 3200 Variable in 10 ms - Auszug aus FMS - Diensten mit zyklischem und
azyklischem Verkehr
International: - PROFIBUS Interational (PI): PROFIBUS - Dachverband 1995 gegründet, 1992 wurde "ISP" (Interoperable System Project) von vielen Firmen gegründet mit dem Ziel,
inter-operable Geräte und Systeme auf Basis des PROFIBUS zu schaffen.
- Fieldbus Foundation: Zusammenführung von ISP und World-FIP in die "Fieldbus Foundation" in 1955, um einen Welt - weiten Standard zu schaffen aus den vorhande- nen ISP- und IEC – Festlegungen. „Foundation Fieldbus“: heute Konkurrenz zum PROFIBUS-PA. Durch Teiln.-Teiln.-Datenaustausch besonders für dezentrale Verarbeitung geeignet!
Nachfolgend die wichtigsten allgemein gültigen Merkmale des PROFIBUS:
Reichweite: einige 100 m je nach Geschwindig-keit, bis einige 10 km über Repeater
M
S1 S2 SnSlaves
Senden Ausgänge,
Abruf Eingänge, Konfiguration, Diagnose
Antworten: Eingänge, Konfiguration, Diagn.
Zyklisch:
M
Azyklisch:
Service über
Master Cl.2 Cl.1
M1
S1 S2 S3 S4
M2 Bei Mehrfachzuordnung
von Slaves ist nur der
Master schreibberechtigt,
der den Slave konfiguriert
und parametriert hat.
Zusätzlich: Broad / Multicast
Erteilen Buszugriff durch Tokentausch
(mehr Funktion möglich jedoch nicht sinnvoll)
Bild 6.2.2: Struktur / Zugriff bei 2 Mastern
Systemkommunikation Automatisierungssysteme DHBW Mannheim 6. Feldbusse Erich Kleiner, August 2007
12 AS_Syst_Komm.doc
Anzahl Bus - Teilnehmer: 32 pro Bus - Strang (Segment), durch Repeater bis max. 122
Implementierung (ISO - OSI): Schicht 1+2 mit
ASIC, Schicht 7 mit P, alle Schichten mit ASIC für Slaves
Spannungsversorgung: Busanschaltung wahlwei-se Potential - gebunden oder - getrennt
Redundanz: optional
Datensicherheit: Hamming - Distanz d = 4
Übertragungsgeschwindigkeit: 9,6 kbit/s bis 12 Mbit/s, in Stufen einstellbar
Bus - Zugriffsverfahren: hybrid (logischer Token - Ring und Master - Slave)
Standardisierung: - DIN 19245 Teil 1 für Schicht 1 und 2, - Teil 2 für Schicht 7 als "Companion Standard" (FMS) Ein „Companion Standard“ soll die Kommunikati-onsdienste, die eine bestimmte Technik oder An-wendung benötigt, definieren und die Kommunika-tion dafür unter Verwendung von MMS (Manu-factoring Message Standard) standardisieren. Um eine Vorstellung von den Übetragungszeiten zu vermitteln rechts zwei Diagramme: Bild 6.2.5 zeigt Kombinationsmöglichkeiten der PROFIBUS - Varianten und anderer üblicher Busse (davon kommen in einer Anlage nicht alle vor!). Bild 6.2.5: PROFIBUS - Kombinationsmöglichkeiten PROFIBUS-FMS und -DP sind nur zwei verschie-dene Protokolle am physikalisch gleichen Bus, -FMS ist durch die Erntwicklung bei –DP inzwischen ersetzt. PROFIBUS-PA ist physikalisch ein anderer Bus und muss daher stets über einen Segmentkoppler angekoppelt werden. Ein "Actuator/Sensor-Interface (AS-I) kann über eine SPS an das Gesamtsystem angeschlossen sein oder über ein Interface an den PROFIBUS gekoppelt werden.
Bild 6.2.3 zeigt die Reaktionszeiten bei verschiedenen Übertragungsgeschwindigkeiten und Teilnehmerzahlen. Dabei ist angenommen, dass jeder Slave je 4 Bytes empfängt und sendet. Bild 6.2.4 zeigt
die Abfrage von Slaves auf einem PROFIBUS-PA, der an -DP ange-koppelt ist.
PROFIBUS-PA wird mit spez. Steckern geschleift oder über Verteiler (auch als Ring) angeschlossen. Ein Ethernet für übergeordnete Aufgaben (z.B. mit MAP - Protokoll) ist meist an Schnittstellengeräten in SPS / PLS angeschlossen, kann aber auch über spezielle Koppler mit dem PROFIBUS verbunden werden.
Reaktionszeit am PROFIBUS-DP
[ms]
10 ms
9 ms
8 ms
7 ms
6 ms
5 ms
4 ms
3 ms
2 ms
1 ms
100us
2 4 6 8 10 12 16 24 32 DP Slaves
12 MBaud
1,5 MBaud
10 20 30 Feld-Geräte
pro Segment
300 ms
200 ms
100 ms
Zykluszeit
pro -PA - Segment-DP / -PA -
Koppler
PG Programmier- u. Diagnosegerät
B+B Bedien- u. Beobachtungsgerät
NC Numerische Steuerung
RC Robotersteuerung
PLS Prozessleitstation (-System)
Rechner LeitstationLeitebene
MAP / Industrial Ethernet
PG B+B
Zellebene /
Steuerungs-
Ebene
SPS NC RC PLS
PROFIBUS-DP
PG SPS
SPSPG
AS-I
E / A
binär
E / A
(analog)
Interface
„Intell.“
Antrieb
B+B
PROFIBUS-DP
SPSE/A
Feldebene
Feldgeräte
Sensor / Aktor
Ex- BereichRemote I/O
Speisung
MultibarriereE/A E/A
E/A
Segment-
Koppler
DP-IS
oder:
E/A E/A
-PA (Ex-i)
E/A
max. 6!
-PA (Ex-e)
T-
Stücke
Feldbus-
Barrieren
E/AE/A E/AE/A
-PA
(Ex-i)
Strom-
Vers.
Segm.-Koppler
Profibus-PA,
Found.Fieldb.
-DP Abschluss
#P
#P
#P
#P
#P
#P
T-Abzweige oder Verteiler (IP67) oder Schleifenstecker
Strom-
Vers.
Segm.-Koppler
Profibus-PA,
Found.Fieldb.
-DP Abschluss
#P
#P
#P
#P
#P
#P
#P
#P
#P
#P
#P
#P
T-Abzweige oder Verteiler (IP67) oder Schleifenstecker
Bild 6.2.6: PROFIBUS –PA- Verteilung
DHBW Mannheim Automatisierungssysteme System - Kommunikation Erich Kleiner, Juli 2015 6. Feldbusse
AS_Syst_Komm.doc 13
6.3 PROFIsafe Auch Sicherheits - relevante Signale werden prak-tischerweise immer öfter über Bus übertragen. Dies geschah anfangs über spezielle, besonders qualifi-zierte Bus - Systeme. Mit "PROFIsafe" wurde am PROFIBUS ein Verfahren entwickelt und zugelas-sen, das die Übertragung von Standard- und Sicher-heits - Daten auf dem selben Bus - System zuläßt. Dazu werden die Sicherheits - relevanten Daten ("F-Daten") zusätzlich gesichert durch: - fortlaufende Nummerierung der F -Telegramme, - Definition von Übertragungszeiten mit Überwach-
ung (kommende Telegramme und Quittierung, - Kennung zwischen Sender und Empfänger
("Losungswort"), - zusätzliche CRC - Datensicherung Diese zusätzlichen Angaben stehen im Datenteil eines Standard - Telegramms, das somit "normal" behandelt werden kann (Bild 6.3.1). Dadurch wäre dieses Prinzip auch für andere Busse anwendbar. Ausgewertet werden die zusätzlichen Angaben durch einen zusätzlichen Layer im Protokoll, (oberhalb von Schicht 7 des ISO/OSI - Modells. Die "Fail-safe" - Geräte für Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe der Sicherheitssignale können mit anderen Geräten gemischt werden (Bild 6.3.2). 6.4 Interbus-S besteht aus ei-nem Ring, der in einem Kabel un-tergebracht ist, so dass die Verkabelung wie bei Linien- oder Baumstruktur er-folgen kann (Bild 6.4.1). Vom "Hauptring" (im Bild senk-recht) können Sub-Ringsyste-me durch "Bus-klemmen" abge-zweigt werden. Jeder Teilnehmer ist Repeater, so dass eine Gesamtausdehnung von 13 km erreicht werden kann. Schnittstelle ist RS485, die mit 500 kBit/s betrieben wird. Dadurch ergibt sich ein max. Abstand zwischen Teilnehmern von 400 m. Anstelle der elektrischen Leitung können auch LWL eingesetzt werden. Die Übertragung erfolgt in einem "Summenrahmen", der Summe der Datenregister aller Teilnehmer, der nur einen Header für einen Übertr.- Zyklus braucht (Bild 6.4.2). Der Master sendet den Summenrahmen mit neuen Daten durch die Schieberegister der Teilnehmer und empfängt gleichzeitig deren Inhalte. Ist das "Loopback"-Wort wieder an der richtigen Stelle im
Man spricht daher auch von "Integrierter Sicherheit". Ein PROFIBUS - Segment mit solchen Sicherheits-funktionen muss zum Schutz gegen Zugriffe vom übrigen Netz getrennt werden. Ähnlich funktionieren auch „Open Safety (Fa. B&R), „ASI Safety at work“ und „Safety Net p” (Fa. Pilz). Master, so kann er Daten der Teilnehmer lesen bzw. neue in den neuen Rahmen schreiben. Steuerung schaltet auf "Multidrop" um, Parametrierung erfolgt in "Fenstern". Diese Übertragung ist sehr effektiv. Die wichtigsten INTERBUS - Merkmale:
Bild 6.3.1: PROFIsafe - Daten im PROFIBUS - Telegr.
Fail save
CPU
DP-Master
Komm.
Zugriffs-Sperre
z.B. Firewall
TCP/IP
Fail save
DP Slave
Standard
DP Slave
Fail
safe-
Gerät
DP/PA-
Koppler
PA
Sicherheits-relev.
EinrichtungenNot-AUS
„gekapseltes“ PROFIBUS - Segment
Bild 6.3.2: PROFIsafe - Busstruktur
Steuerung Loopback Dat.1 Dat.2 Dat.3 CRC
Steuerg.
Dat.3
Steuerung Loopback Dat.1 Dat.2 Dat.3 CRC
Steuerg.
Dat.2
Steuerg.
Dat.1
Ausgaben
Eingaben
STOP für Datenaustausch
Bus - Master mit Buffern für alle Schieberegister
Teilnehmer mit Daten - Schieberegistern
Kopplu
ng
Summenrahmen: Header + alle Schieberegister
Takt
Bild 6.4.2: INTERBUS - Datenübertragung
Systemkommunikation Automatisierungssysteme DHBW Mannheim 6. Feldbusse Erich Kleiner, Mai 2006
14 AS_Syst_Komm.doc
6.5 AS-I (Actuator - Sensor - Interface) An Sensor / Aktor - Busse werden spezielle Anforderungen gestellt: - harte Echtzeitbedingungen, - flexible Topologie, - Energieversorgung über die Busleitung, - sehr einfache Montagetechnologie, - System - gerechte Service - Tools, und das alles als Low-cost - Lösung für große Stückzahlen im Breiten - Einsatz. Daher unterscheiden sich Busse, die speziell für den Einsatz im untersten Feldbereich entwickelt wurden, erheblich von universell einsetzbaren Bussen. Zur Erfüllung dieser Forderungen eignen sich fol-gende Lösungen: - Serielle Busse in Zweileiter - Technik, d.h. Daten
und Hilfsenergie auf einem Leiterpaar mit max. 300 W / 10A
- zugehörige spezielle Netzteile und Busanschalt-ungen,
- verwechslungsfreie Verkabelung durch unsymme-trische Form des Kabelmantels (statt Farbe),
- Durchdringungs- oder Schneidklemmtechnik für die Busankopplung eines Teilnehmers,
- keine Schirmung / Verdrillung (wegen Durchdring-ungs- oder Schneidklemmtechnik), sondern EMV - Beherrschung mit elektronischen (erdsymmetrisch) und informationstechnischen Mitteln (kurze Tele-gramme, Datensicherung und Telegrammwieder-holung bei Fehlern),
- Schnittstellenmodule zum Anschluss konven-tioneller Sensoren /Aktoren ohne eigenen Bus - Anschluss,
- Lösbarkeit der Buskoppelmodule vom Buskabel um Sensoren / Aktoren mechanisch versetzen zu können, wobei Durchdringungsverbindungen sich nach dem Lösen wieder Spritzwasser - geschützt schließen (elastisches Material),
- spezielle, an das jeweilige Personal angepasste Servicetools.
Die AS-Interface - Technik enthält diese Lösungen. Sie ist durch folgende Merkmale gekennzeichnet: - Übertragung rein binärer Informationen (ursprünglich, inzwischen durch Aufteilung und
Benutzung zweier Zyklen auch für analoge Werte), - Hilfsenergie für Sensoren und Aktoren über die
ungsklemmen), - strenge EMV - Bedingungen, - mit Ergänzungen auch für sicherheitsgerichtete
Anwendungen (nach EN 954-1 Kat.1) geeignet. Bild 6.5.1 zeigt die Struktur eines ASS-I - Busses mit - Sensoren / Aktoren (Slaves) für Direktanschluss,
die ein Kopplungs - ASIC enthalten, - passive Anschlussklemmen als Verteiler für Slaves
mit Direktanschluss bzw. Leitungen, - aktiver Anschlussklemme für konventionelle
Aktoren / Sensoren.
Bild 6.5.1: AS-I, Prinzip - Schaltung Den Datenverkehr am AS-I zeigt Bild 6.5.2: Bild 6.5.2: AS-I - Datenverkehr Der Master (PC - Karte oder SPS - Modul) sendet zyklisch Befehle und Datenanforderungen an jeden einzelnen Slave adressiert (im Bild oben), der Slave antwortet unmittelbar darauf, so dass das Antworttelegramm keine Adressinformation benötigt. Jedem Slave können bis zu 4 "Binärelemente" (bits) zugeordnet werden, wahlweise als Ein- oder Ausgang. Bei Vollausbau mit 31 Slaves können also 124 Binärelemente übertragen werden. Über das Datenabbild im Master hinausgehende Funktionen sind über eine "Dienst - Schnittstelle" am Master zugänglich, die es erlaubt, Slaves und Master zu steuern und zu projektieren. Dabei sind folgende Funktionen möglich: - Automatische Projektierung, - Austausch von Konfigurationsdaten (vermeidet
Neu - Programmierung), - Schreiben von Parametern / ändern der
Betriebsadresse an Slaves, - Setzen von Master - Betriebsmodi / Parametern, - Statusabfragen Die wichtigsten AS-I - Merkmale sind:
Netztopologie: Baumstruktur
Busmedium: ungeschirmte Zweidrahtleitung für Daten und Speiseenergie
Leitungslänge: max. 100 m, mit Repeater > 100 m
Anzahl Slaves: max. 31
Daten: bis zu 4 "Binärelemente" / Slave
Zykluszeit: bei 31 Slaves 5 ms
Datensicherg.: Signalform, -Zeit, Rahmen, Parität
5 Adressbits Stopbit Master-Pause
Steuerbit 5 Datenbits Parit.bit 3 - 10 bits
Startbit4 Dat.b.
Slave-Pause
DHBW Mannheim Automatisierungssysteme System - Kommunikation Erich Kleiner, Juli 2006 6. Feldbusse
AS_Syst_Komm.doc 15
6.6 CAN (Controller Area Network) CAN wurde von kleinen und mittleren Unterneh-men unter Führung der Fa. Bosch für den Einsatz in Kraftfahrzeugen und be-weglichen Maschinen ent-wickelt und umfasst nur die untersten beiden Layer im Schichtenmodell. Der CAN – Bus ist als beidseitig elektrisch abgeschlossene Linie aufgebaut (Bild 6.6.1), die Teilnehmer sind gleichberechtigt. Adressiert werden nicht die angeschlossenen Geräte sondern die Tele-gramme mittels einer Identifikationsnummer, die gleich nach dem Startbit gesendet wird. Diese Nummer bestimmt auch die Priorität des Tele-gramms: je niedriger die Nummer desto höher die Priorität. Zur Datenübertragung verwendet der CAN- Bus ein Differenzsignal, d.h. es wird nur die Differenz zwischen den beiden Leitungen CANH und CANL ausgewertet. Der Bezugspunkt GND wird mitgeführt, also werden 3 Leitungen benötigt. Die Leitungen werden verdrillt wenn Cu- Leitung verwendet wird. Elektrische Störungen wirken dadurch als Gleich-taktstörungen: CANH und CANL werden in gleicher Weise beeinflusst, die Differenz zwischen ihnen ändert sich jedoch nicht. Dadurch ist der CAN- Bus recht robust gegen EMV- Einflüsse. Keine Spannungsdifferenz (< 1,5V) bedeutet log. 1, Differenz (> 3,5V) log. 0. Wenn ein Teilnehmer „0“ sendet, indem er CANL auf GND zieht, so entsteht eine Differenzspannung zwischen den Busleitungen, auch wenn andere Teilnehmer „1“ senden, „0“ ist also dominant. Hierauf beruht das Zugriffsverfahren. Jeder Teilnehmer darf ein Telegramm senden wenn der Bus gerade frei ist. Beginnen zwei Teilnehmer gleichzeitig, so überschreibt das Telegramm mit der niedrigeren Identnummer („0“) bitweise die Identnummer des anderen Telegramms. Der Sender dieses Telegramms liest mit, stellt das Überschrei-ben fest und stoppt das Senden. 6.7 CANopen Mit einem offenen, d.h. für verschiedene Hersteller verwendbaren Kommunikationsprotokoll (Layer 7), wird CAN als „CANopen“ inzwischen auch in der Automatisierung eingesetzt, z.B. bei Textilmaschi-nen, Aufzugsteuerungen und landwirtschaftlichen Maschinen. Dieses Protokoll legt das Zeitverhalten, die Art der Datenübertragung, die Verwendung der Identifikationsnummern (Identifier) sowie verschie-dene Anwender- Profile fest. Entwickelt wurde und gepflegt wird CANopen durch eine Nutzerorganisation, die „CiA“ (CAN in Auto-mation). CANopen ist in EN 50325-4 standardisiert.
Tabelle 6.6: CAN- Eigenschaften 6.8 DeviceNet Ein auf CAN basierender Feldbus (Schichten 1..4 mit Einschränkungen). Auf den oberen Schichten (5..7) wird das von der ODVA (siehe unten) definierte CIP (Common Industrial Protocol) genutzt. DevicNet erlaubt bis zu 64 Knotenadressen pro Feldbussegment, die mechanisch einstellbar oder über den Bus parametrierbar sind. Entwickelt wurde DeviceNet von der Firma Allan Bradley (Rockwell Automation) und später als offe-ner Standard an die ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) übergeben. Einsatz daher in den USA und in Asien. 6.9 SERCOS interface Das SErial Realtime COmmunication System wurde bereits 1995 für die synchrone Datenübertragung an digital geregelte Antriebe entwickelt. Version 2 (1999) erreich 16 Mbit/s und kann z.B. 40 Achsen bei 1 ms Zykluszeit und 1µs Jitter Sollwerte für Lage-, Drehzahl- oder Drehmomentregelung senden. Als Medium dient ein LWL- Ring, Schnittstelle ist ein ASIC mit Dual Port RAM. SERCOS III erlaubt bis 254 Antriebe, bei je 16 Bit in 1 ms Zykluszeit auf Standard- Ethernet. Später ist auch hier LWL vorgesehen.
Varianten: CAN C CAN B D2B optical Teilnehmerzahl: 10 24 61 Baudrate: 500 kBd 83,33 kBd 5,65 MBd übertragbare Daten: Steuer-u.Regelungsdaten Steuerungsdaten Steuerungs- u. Audiodaten physikalischer Layer: ISO 11898 ISO 11519 modif. Fibre-optic Transceiver (fehlertolerant) Übertragungsmedium: Twisted Pair (Cu) Twisted Pair (Cu) Kunststoff-LWL (PMA)
Gerät 1
CAN
120Ω
CAN
Gerät 2
CAN
Gerät nGerät 1
CAN
120Ω
CAN
Gerät 2
CAN
Gerät n
Bild 6.6.1: CAN- Bus- Aufbau (Linie)
Bild 6.6.2: Teilnehmeranschaltung
GND
Vcc
Driver
ReceiverCANL
CANH
CAN-GND
<1,5V >3,5V
„0“„1“ = dominant
Systemkommunikation Automatisierungssysteme Berufsakademie Mannheim 6. Feldbusse Erich Kleiner, Juli 2015
16 AS_Syst_Komm.doc
Die Firma WAGO benutzt für ihr besonders schnelles IP67–I/O-System „Speedway“ SERCOS als Feldbus zur Verbindung mit z.B. einer Steuerung. Innerhalb des Systems wird ein spezieller Systembus eingesetzt. SERCOS und Systembus sind synchronisiert, so dass keine Wartezeiten entstehen können. Mit einem anderen Feldbus sind die Zeiten länger.
Eingänge: SERCOS synchron
Anderer FB asynchron
512 digital 250µs ca. 700µs
256 digital + 64 analog 250µs ca. 700µs
32 digital + 8 analog 250µs ca. 400µs
DHBW Mannheim Automatisierungssysteme System - Kommunikation Erich Kleiner, Juli 2006 7. LAN, WAN
AS_Syst_Komm.doc 17
7 LAN, WAN Zur Übertragung größerer Datenmengen (z.B. Bilder oder Listen für die MMK) werden darauf speziali-sierte Busse eingesetzt. Nach der zu überbrückenden Distanz werden unterschieden: - LAN (Local Area Network), z.B. Prozessbus, und - WAN (Wide Area Network), z.B. Internet. Für LANs ist das Ethernet Standard geworden, meist mit TCP/IP als Protokoll. Es wird daran gear-beitet, das Ethernet sowohl noch leistungsfähiger zu machen als auch für die Feldanwendung technisch und Kosten - mäßig anzupassen. Als "Back bone" - Netz für die Fernübertragung und als Prozessbus in größeren Anlagen wird das in Lichtwellenleitertechnik ausgeführte FDDI verwen-det. Die Zukunft ist wohl ATM (Asynchronous Transfer Mode) mit skalierbarer Bandbreite Nachfolgend jeweils eine kurze Beschreibung der aktuell angewandten Verfahren. 7.1 Ethernet Bereits in den 70er - Jahren wurde das Ethernet als leistungsfähige Übertragungstechnik entwickelt, damals mit 10 Mbit/s und 500 m Distanz ohne Repeater (2500 m mit Repeatern), als "10Base5". Tabelle 7.1 zeigt die weiteren Entwicklungen. Heute ist Ethernet mit einem Anteil von über 80% das Netzwerk "Nummer 1" für LANs. Als Zugriffsverfahren wird CSMA/CD (siehe 3.1) verwendet, was allerdings die maximale Laufzeit und damit die Entfernung begrenzt, da für die Kollisionserkennung 576 Bit-Zeiten festgelegt sind. Bei zu weit auseinander liegenden Stationen und hoher Geschwindigkeit kann durch die Laufzeit diese Zeit überschritten werden, so dass die Kollisionsüberwachung versagt. Ausserdem reduziert das Zugriffsverfahren den Datendurchsatz: bei einer Baudrate (Übertragungsgeschwindigkeit) von 10 Mbit/s werden nur 1 .. 4 Mbit/s Daten übertragen. Trotzdem gibt es praktisch keine bessere Alternative. Normalerweise wird Half Duplex als Übertragungsrichtung verwendet. Bei Full Duplex (FDX) über getrennte Sende- und Emp-fangsleitungen z.B. mittels Lichtwellenleitern oder Twisted Pair kann die Kollisionserkennung abgeschaltet werden, wodurch Datendurchsatz und zulässige Distanz (siehe oben) erhöht werden können, siehe Tabelle 7.2. Tabelle 7.1: Ethernet - Entwicklung
Die Busleitung hat sich im Laufe der Zeit auch sehr verändert. Ursprünglich wurde die Linien - Struktur mit Koax - Kabel verwendet (Bild 7.1.1) Bild 7.1.1: Ethernet als Linie Diese Anordnung ist störanfällig, denn ein Fehler in einem Leitungsabschluss, am Kabel oder T - Ab-zweig stoppt den Datenverkehr. Besser ist Stern - förmige Verdrahtung (Bild 7.1.2): Hier sind die Teilnehmer über einen "Hub" als Ver- teiler verbunden, ihre
Leitungen sind gegen-einander rückwirkungs-frei entkoppelt. Das Ganze bleibt aber ein Netz mit einer Information zu einem Zeitpunkt. Als Kabel dient "Twisted Pair" über Stecker RJ45.
Heute wird oft ein "Switch" anstelle eines Hubs verwendet (siehe Bild 7.1.3). Dieser stellt zwischen seinen Ports (Anschlüs-
sen) Verbindungen her, auch mehrere gleich-zeitig. Dadurch wird das Netz geteilt, es gibt weniger Kollisionen, der Datendurchsatz wird höher. Sind an einem Port mehrere Teilneh-mer angeschlossen, so läuft ein Datenverkehr zwischen ihnen nicht über den Switch.
Auch dadurch lässt sich der Datendurchsatz wesentlich erhöhen, siehe Tabelle 7.2. In Tabelle 7.2 bedeutet "switched" eine Punkt-zu-Punkt - Verbindung (über Switch) in halb-duplex, und "Full Duplex" eine Punkt-zu-Punkt - Verbindung
100BaseTx Twisted pair (2 x 2) RJ-45 100 Mbit/s 100 m Stern
100BaseT4: Twisted pair (4 x 2, je 25Mbit/s) RJ-45 100 Mbit/s, 100 m Stern
100BaseFx: 2 Glasfasern, Stern in duplex 100 Mbit/s, 400 m, mit SWITCH: 2000 m Stern
in Einführung: 1 Gbit/s
nicht mehr für Neu-Enwickl.
Fast-Ethernet
Systemkommunikation Automatisierungssysteme Berufsakademie Mannheim 7 LAN, WAN Erich Kleiner, Dez. 2001
18 AS_Syst_Komm.doc
in voll-duplex durch getrennte Sende- und Emp-fangsleitung, also über einen "2-poligen" Switch. Den Vorteil beim Datenfluß mit "switched" (ge-schalteteter) Verbindung zeigt Bild 7.1.4. Der Switch gestattet lokalen Verkehr in angeschlossenen Segmenten (Teil - Netzen), über ihn gehen nur Nachrichten gezielt in andere Segmente. Bei Verbindung der Segmente per HUB oder Repeater bleiben alle Segmente ein Netz; zu einem Zeitpunkt ist nur eine Information auf dem Gesamtnetz. Drei weitere Begriffe gehören hierher: Autosensing beschreibt die Eigenschaft von Netz-knoten (Endgeräte und Netzkomponenten wie der Switch), automatisch die Übertragungsrate einer Nachricht (10 Mbit/s oder 100 Mbit/s) zu erkennen, und Autonegotiation zu unterstützen. Autonegotiation ist das Konfigurationsprotokoll im Fast Ethernet. Es ermöglicht den beteiligten Knoten vor der Übertragung der ersten Datenpakete die Übertragungsrate und die Übertragungsrichtung (halb- oder voll - duplex). "auszuhandeln". Power-over-Ethernet (PoE): Teilnehmer- Stromver-sorgung über das Ethernet- Kabel, IEEE 802.3af 7.2 FDDI (Fibre Distribution Data Interface) Lichtwellenleiter - Verbindungen erlauben keine Ver-zweigungen, dafür aber höhere Geschwindigkeiten als elektrische Leitungen. Daher wird bei LWL - Einsatz die "Ring" - Struktur verwendet. Hier werden adressierte Datenpakete über eine Ringleitung durch alle Teilnehmer geschoben. Die per Adresse angesprochenen Teilnehmer lesen die für sie bestimmten Daten und fügen adressierte Nach-richten für andere Teilnehmer ein. Durch die hohe Übertragungsgeschwindigkeit wird die Zeit für den langen Weg der Nachrichten ausgeglichen. Damit der Datenverkehr nicht durch eine Störung im Ring gestoppt wird, benutzt man einen Primär - Ring für die normale Übertragung, und schaltet bei Störung mittels optischer Umschalter einen Sekun-där - Ring ein (Bild 7.2.1). Wenn z.B. die Leitung am rechten Rand des Bildes gestört ist, so schalten die beiden "Kontakte" des rechten Schalters und trennen diese Leitung ab. Das Gleiche geschieht im Teilnehmer unten rechts. Nun ersetzt der Sekundär - Ring das gestörte Stück. Bild 7.2.2 zeigt einen FDDI - Ring als "Backbone - Bus" ("Rückgrat") zur Verbindung verschiedener Netzwerke. Die wichtigsten Merkmale:
Signaldefinition: Lichtpulse im 4bit / 5bit - Code (Einschieben 5. bit für Zeichen- wechsel nach 3 bit - Zeiten)
Übertragungsrichtung: halb - duplex
Netz-Topologie: Ring
Leitungslänge: bis 200 km
Übertrag.rate: 100 Mbit/s
Zugriff: Token (nicht im Frame)
Tabelle 7.2: Netztechnologie und Datendurchsatz
Netztechnologie Datendurchsatz
100 Mbit/s switched, Full Duplex 200 Mbit/s
100 Mbit/s switched 100 Mbit/s
100 Mbit/s shared (1 Netz) 40 Mbit/s
10 Mbit/s switched, Full Duplex 20 Mbit/s
10 Mbit/s switched 10 Mbit/s
10 Mbit/s shared (1 Netz) 4 Mbit/s
Bild 7.1.4: geschaltete und verteilte Verbindung Bild 7.2.1: Redundanter Ring, Prinzip Bild 7.2.2: FDDI als "Backbone" - Bus
Primär - Ring
Sekundär - Ring
Optische Schalter (isolieren defekte Teile
durch Benutzung des Sekundär - Rings)
„A“- Stationen am Doppelring
mit optischenSchaltern
„B“- Stationen
sternförmig an
einem „Hub“
(Stern - Verteiler)
100 Mbit/s
200 km
FDDI
BridgeFDDI
Bridge
Ethernet LAN
FDDI als
„Backbone“
(Rückgrat)
FDDI
Hub
Ring-
Zugriff
Verschiedene Teilsysteme
über FDDI verbunden
Segment A Segment B
Segment D Segment C
Segment A Segment B
Segment D Segment C
SWITCH HUB, Repeater
DHBW Mannheim Automatisierungssysteme System - Kommunikation Erich Kleiner, Jan. 2019 8. Industrial Ethernet
AS_Syst_Komm.doc 19
8. Industrial Ethernet [9] Um die vertikale Durchgängigkeit für Prozessdaten (aufwärts) und Eingriffe (abwärts) von der Feld- bis zur Unternehmensebene zu erleichtern ist es sinn-voll, auf allen Ebenen möglichst gleiche Geräte, Schnittstellen und Formate einzusetzen, z.B. für das automatische Aussenden einer Diagnose - E-mail.. Ausserdem ist es wünschenswert, viel Funktionalität wie z.B. beim Ethernet vorhanden, auch in den unte- 8.1 Übersicht „Industrial Ethernet“ sind Netzwerke nach IEEE 802.3, die „Echtzeit“-fähig sind, d.h. schnell genug für die ent-sprechende Anwendung. Dazu ist zyklische Übertragung notwendig (deterministisch) mit kleinen Zyklus-zeiten (µs – ms). und kleinen Ab-weichungen davon („Jitter“: µs), siehe Bild 8.1.1. Es gibt (nach [10]):
- Feldbusse mit Ethernet-Übertrag-ungsschicht wie EtherCAT und VARAN, die ein spezielles Protokoll mit spezieller HW realisieren und damit sehr schnell sind. Azyklische, „normale“ Ethernet-Telegramme (TCP/IP) werden davon „transportiert“.
- „Kooperatives“ Industrial Ethernet wie Profinet und Ethernet/IP. Hier werden ganz normale Ethernet- Komponenten und –Frames verwendet. Die Echtzeit-Telegramme erhalten aber eine höhere Priorität im Feld „Quality of Service“ und werden daher im Teilnehmer-Controller und in Switches und Routern bevorzugt abgefertigt. Außerdem werden durch konsequentes „switchen“ Kollisionen ver-mieden und die Netzbelastung bei Adresszuwei-sungsdiensten durch Broad- und Multicast verringert (nur betroffene MAC- Adressen werden aktiv).
ren Ebenen zur Verfügung zu haben. Daher wurden Methoden entwickelt, das bisher nur stochastisch arbeitende aber in höheren Ebenen quasi als Standard verwendete Ethernet auch Echtzeit - fähig zu machen und dadurch auch in den unteren Ebenen einsetzen zu können. Zur Zeit gibt es verschiedene Ansätze. Nach einer Übersicht werden hier drei davon kurz vorgestellt: In der Tabelle 8.1.1 sind aktuelle Echtzeit- Ethernet- Lösungen angegeben. „Powerlink“ ist inzwischen etwas abgeschlagen. „Ethernet/IP“ und „Profinet RT“ sind weit ver-breitet, können höchste Geschwindigkeits-anforderungen aber nicht erfüllen. Dafür verwenden sie „normales“ Ethernet“, was für Anwendungen mit viel „normalem“ TCP/IP- Verkehr günstig ist. „Fieldbus Foundation HSE“ ist etwa vergleichbar mit Ethernet/IP. Die Spezifikation unterstützt besonders dezentrale Verarbeitung mit Funktions-bausteinen in z.B. intelligenten Antrieben.
CIP: Common Industrial Protocol SRT: Soft Real Time IRT: Iso-chrone Real Time (neu) FMMU: Fieldbus Memory Managem. Unit
Systemkommunikation Automatisierungssysteme Berufsakademie Mannheim 8. Industrial Ethernet Erich Kleiner, Juli 2012
20 AS_Syst_Komm.doc
„Profinet IRT“ wird praktisch noch nicht angewandt. Durch Anwendung spezieller Mechanismen und eines HW-Bausteins soll nun eine Zykluszeit von 32 µs bei einem Jitter von <1µs erreicht werden (siehe Anhang). Also auch hier: spezielle HW! Auch bei SERCOS ist eine ähnliche Version geplant, kommt aber wohl zu spät. 8.2 Powerlink Ende 2001 wurde mit Powerlink von B&R Indus-trieelektronik das erste Echtzeit - fähige Kommuni-kationssystem auf Ether-net - Basis vorgestellt. Es benutzt geschützte, synchrone Ethernet - Seg-mente, in denen Echtzeit - Daten zyklisch (determi-nistisch) in "Zeitschlitzen" übertragen werden, aber auch zusätzlich zu be-stimmten Zeiten azyklische ("normale") Daten über eine Bridge übertragen werden können. (Bild 8.2) 8.3 PROFInet Auch bei PROFInet Version 2.0 [6] werden "nor-male" Standard - Telegramme und Echtzeit - Tele-gramme verschieden behandelt, aber auf gleicher HW (Layer 1), jedoch spezieller SW ("SRT" = Soft Realtime). Dazu wird ein nach IEEE 802.3 standardisiertes Telegrammformat als "Echtzeit" -Telegramm benutzt, das eine besondere Kennung enthält. So können die Echtzeit - Telegramme durch ein besonderes Protokoll bereits in Schicht 2 des ISO/OSI - Modells separiert und in einem eigenen Kommunikationskanal für Echtzeit - Daten (Bild 8.3) der Anwendung schneller zur Verfügung gestellt werden. Dazu werden Fähigkeiten der Standard - Telegramme, die für Echtzeit - Betrieb nicht relevant sind, weggelassen, wodurch sich die Abarbeitung des Protokolls wesentlich verkürzt. Die Fa, Innovasic Inc. bietet inzwischen einen Controller an, der einige Aufgaben in HW löst und noch schneller ist. Auf dem Übertragungsweg werden konsequent Switches eingesetzt, die Kollisionen weitgehend vermeiden. In Switches und Routern werden Echtzeit-Telegramme bevorzugt befördert.
Der nächste Schritt ist PROFInet V3 mit "IRT" (= Isochrone Realtime), ebenfalls geswitcht. Hierfür wird von Siemens ein 4-Port - Switch als ASIC entwickelt, voll kompatibel zum TCP/IP - Standard. Damit wird Takt - synchrone Echtzeitkommunikation bei einer Zykluszeit von 1 ms und einem Jitter unter 1 μs erreicht. Diese Lösung wird aber noch kaum eingesetzt. Durch „Fast Forwarding“, „Dynamic Frame Packing“ und „Fragmentation“ auf einem erweiterten ASIC ERTEC 200P wird EtherCAT ungefähr erreicht (siehe Anhang).
„EtherCAT“ und „VARAN“ benutzen kein „echtes“ Ethernet (Komponenten, Frames), sind aber für Anwendungen mit hohen Geschwindigkeitsan-forderungen und weniger TCP/IP- Verkehr gut geeignet. EtherCat ist inzwischen weit verbreitet Bild 8.3: Echtzeit - Telegrammabarbeitung bei PROFInet 8.4 EtherCAT Unter dieser Bezeichnung, die "Ethernet for Control Automation Technology" bedeutet, präsentierte Fa. Beckhoff auf der Hannover Messe 2003 ein Echtzeit - Ethernet - Netzwerk, das mit Twisted Pair - Leitung oder Lichtwellenleiter mit Standard - Geräten und einfacher Linienstruktur (oder geswitcht) 1000 E/As in 30 μs abfragt. Dazu wurde eine neue "Fieldbus Memory Management Unit" (FMMU) entwickelt, in der für einen Teilnehmer interessante Daten "im Vorbeilaufen" mitgeschrieben oder Sendedaten ergänzt werden. Das bedeutet eine Verzögerung von nur wenigen ns, ohne die Kompatibilität und Offenheit der Ethernet - Welt außerhalb der Teilnehmer aufzugeben. E/As können damit wieder einfach als ausgelagerte Speicher der Steuerung betrachtet werden. Innerhalb der Teilnehmer wird eine spezielle HW und ein spezielles Protokoll benutzt. Vertreter von Profinet und EtherCat argumentieren heftig gegeneinander, aber beide können TCP/IP-Telegramme übertragen und kommen (inzwischen) nur mit spezieller HW auf ihre Spitzenzeiten.
MSR - Anwendung
zykl. Daten azykl. Daten
TCP UDP
IP
Powerlink
Powerlink Knoten 1
Ethernet
CSMA/CD
MSR - Anwendung
zykl. Daten azykl. Daten
TCP UDP
IP
Powerlink
Powerlink Knoten 2 Powerlink Bridge TCP / IP Host
Ethernet
CSMA/CD
Powerlink
Ethernet
CSMA/CD
Ethernet
CSMA/CD
Bridge
Ethernet
CSMA/CD
TCP UDP
IP
Host
azykl. Daten
(geschütztes) Powerlink - Segment
mit deterministischem Verhalten
MSR - Anwendung
zykl. Daten azykl. Daten
TCP UDP
IP
Powerlink
Powerlink Knoten 1
Ethernet
CSMA/CD
MSR - Anwendung
zykl. Daten azykl. Daten
TCP UDP
IP
Powerlink
Powerlink Knoten 2 Powerlink Bridge TCP / IP Host
Ethernet
CSMA/CD
Powerlink
Ethernet
CSMA/CD
Ethernet
CSMA/CD
Bridge
Ethernet
CSMA/CD
TCP UDP
IP
Host
azykl. Daten
(geschütztes) Powerlink - Segment
mit deterministischem Verhalten
Optimierter
Echtzeitdaten -
Komm.-Kanal
ISO/OSI-
Layer:
7
4
3
2
PROFInet
DCOM Realtime-Daten
TCP
IP
RT-Software
Ethernet (Standard Controller)
Bild 8.2: Powerlink
DHBW Mannheim Automatisierungssysteme System - Kommunikation Erich Kleiner, Jan. 2019 8. Industrial Ethernet
AS_Syst_Komm.doc 21
Inzwischen wurde ein neuer Ansatz spezifiziert: „Ethernet TSN“ (Time Sensitiv Networking), der zusammen mit OPC UA (Open Communication for Process Control, Unified Architecture) der künftige Standard werden könnte. Bild 8.4 zeigt die wichtigsten Fakten zu TSN, das auf dem Feldbus-System SERCOS auf-baut und ähnlich wie PROFInet funktioniert. Es ist „ein echtes“ Ethernet, das die normale Ethernet-HW verwendet. OPC UA ist ein internationaler Standard für vertikale (Prozess / Betrieb / Unternehmen) und horizontale (zwischen verschiedenen Anlagenbereichen) Kommunikation, für Her-steller- und Plattform- unabhängigen, Betriebssystem übergreifenden Datenaus-tausch. Die wichtigsten Interessenverbände haben sich darauf in den letzten Jahren geeinigt.
9 Planung Für eine wirtschaftliche Planung von Kommu-nikationsverbindungen über Busse wäre es nicht sinnvoll, wenn der Anwender in die Details des je-weiligen Protokolls einsteigen müsste. Daher enthalten Engineeringsysteme Funktionslitäten, durch die Bus - Verbindungen über eine einfache grafische Konfigurierung hergestellt werden können.. In der „SPS-Norm“ DIN 61131 wurden Funktions-bausteine beschrieben, die das bewerkstelligen sollen Diese werden aber heute so nicht mehr manuell geplant.
Die Verbindungen zu Feldbus-Geräten werden durch EDD bzw. FDT / DTM und neuerdings FDI beschrieben (siehe Skript „Engineering“), die „Zugriffskanäle“ der DIN 61131 werden auch nicht mehr manuell benutzt.
Das Beschreibungsformat EDDL (Electronic Device Description Language) gibt ein bestimmtes Raster für die Oberflächendarstellung der Geräteparameter vor. Verschiedene Geräte - Hersteller brauchen nur die Parameter und Regeln für ihre Geräte in EDDL – Syntax und -Semantik beschreiben, woraus das Be-dienwerkzeug eine einheitliche Oberfläche generiert.
FDT steht für Field Device Tool, DTM für Device Type Manager. Gerätehersteller und Anbieter von Konfigurier- und Engineering - SW haben dabei Schnittstellen für den Datenaustausch abgestimmt. Jedes FDT unterstützt die gleichen Schnittstellen, so dass für ein Gerät nur ein DTM bereitgestellt werden muss. Dieser mitgelieferte DTM "kümmert" sich um alle Interna des Gerätes und die Art und Weise, wie sich das Gerät dem Anwender präsentiert.
FDI fasst die Vorteile beider Werkzeuge zusammen und ist wirklich Produkt-unabhängig.
Beim Datenaustausch zwischen verschiedenen Leit-technik - Produkten über einen Bus, der oft zu-mindest mit einem System nicht kompatibel ist, wird eine Anpassung im Koppler nötig (Bild 9.2) wegen: - verschiedener Datenarten, Auflösungen, - - verschiedener Adressierung, - - verschiedener Zugriffsverfahren, Zeitbehandlung. Viele Produkte stellen Schnittstellengeräte zu den gängigsten Protokollen zur Verfügung, ansonsten muss eine entsprechende SW entwickelt werden. Der Anwender muss dann in beiden Systemen Variablen definieren und in der Anpassung Adressen zuordnen, was meist nur in Teamarbeit zwischen Experten beider Systeme machbar ist.
Genau hier kann OPC UA Abhilfe schaffen.
CPU Koppl. CPU
System 1 (SPS, PLS)
Koppl.
&
& VAR
System 2 (SPS, PLS)
z.B. DIN, MODBUS, ..
Backpla
ne
VAR
Anpassung
Anpassung
Bild 9.2: Datenaustausch zwischen verschiedenen Produkten
Systemkommunikation Automatisierungssysteme DHBW Mannheim 10. Beispiele Erich Kleiner, Juli 2015
22 AS_Syst_Komm.doc
10 Beispiele ausgeführter Anlagen
Bild 10.1 zeigt die Anla-genkonfiguration der Poly-styrol - Fabrik der BASF in Ludwigshafen, automati-siert mit dem Prozess-leitsystem PCS7 von Siemens, fertig gestellt Mitte 2002. Das System ist zur Er-höhung der Verfügbarkeit komplett redundant ausge-führt und umfasst mehrere Anlagenteile, auf die durch Zugangsberechtigung von verschiedenen Terminals aus zugegriffen werden kann. Die Bedienung er-folgt auf einer Windows-Oberfläche. Die Datenhal-tung ist durch mehrere redundante Server eben-falls aufgeteilt. Die Verar-beitung in den Automati-sierungssystemen AS417 erfolgt ebenfalls redundant mit Ereignis - gesteuerter Synchronisation zur Stoß - freien Umschaltung auf das Reservesystem. Bild 10.2 zeigt die Konfiguration bei Walz-werken, automatisiert mit „Industrial IT“ von ABB. Die Bus- Darstellung sieht anders aus (ABB-Bild), die Realisierung ist aber auch ein redundanter Ring.
Dieser Kunde erlaubte Bus-fähige Messumformer und intelligente Antriebe. Bei den Servern gibt es hier „Aspekt“- und „Anwen-dungs“-Server für Daten, die man sich z.B. als In-standhalter auf den Bild-schirmarbeitsplätzen holen ksnn und die nicht für die CPUs benötigt werden (Datenblätter, verfahrens-techn. Zeichnugen, usw,).
E A
E AC
PU
Feld, Ex-Bereich Remote
I/OFeldbus:
PROFIBUS
-DP V1
Redundanter
Aufbau
CP
U
Automat. Syst.
PCS7 (AS417H)
Ereignis - synchr.
E A
E A
CP
U
Remote
I/O
Redundanter
Aufbau
CP
U
Systembus: Redundanter Industrial Ethernet - Ring mit LWL
Server-Paar . . .
Terminalbus: Redundanter Industrial Ethernet - Ring mit LWL
Messwarten, Bedienstand, Labor Unternehm.- Fremd- Mobile
Arbeitsplatz 1 . . . Arbeitsplatz n Optimierung Server Bedienung
. . .
Bedienung
PCs mit
Windows -
Oberfläche,
Zugriff auch auf
historische Daten
Datenhaltung,
Engineering
PCs mit
Windows -
Oberfläche
Mehrere tausend
PLT - Stellen
Anlagen-
Netzwerk /
Intranet
Aspekt-
Server
Anwendungs-
Server
Engineering-
Arbeitsplatz
CP
U
M M
PE A
Remote I/O
CP
U
M M
P
(AC 800C)
M
Schalt-
Anlage oder vor-Ort
Bild 10.2: Walzwerk mit ABB Industrial IT
Berufsakademie Mannheim Automatisierungssysteme System - Kommunikation Erich Kleiner, Juli 2015 10. Beispiele
AS_Syst_Komm.doc 23
Bild 10.3 zeigt CAN-Busse in einem Kraftfahrzeug. Hier werden verschiedene „Klassen“ für verschieden wichtige Aufgaben verwendet. CAN Class A für Low-Speed bis 10 KBit/s, typische Anwendungen: - Bedienelemente (z.B. am Lenkrad CAN Class B für Low-Speed bis 125 KBit/s: erfüllt alle CAN Class A Anforderungen, zusätzlich komplexere Fehlererkennungs- und -behebungsmechanismen und höherer Baud-rate, Single-wire oder Twisted-Pair für Body Control, Twisted-Pair für Komfort-Elektronik CAN Class C für High-Speed bis 1 MBit/s: hohe Datenübertragungsraten bei geringer Fehlerrate erfordert zusätzlichen Aufwand / erhöhte Kosten, für Power-Train Applikationen, ABS, ASR, … Bild 10.4 zeigt die Antriebe einer Ettikettierdruckmaschine, die ex-trem synchron laufen müssen, um das durchlaufende Papier nicht zu zerreißen. Dazu sind sie unterein-ander durch einen CANsync – Bus verbunden, die Verbindung nach außen (Druckinhalt, …) erfolgt durch „normales“ Ethernet. Literaturhinweise: (in der BA - Bibliothek verfügbar) [1] Bussysteme in der Automatisierungstechnik, Gerhard Schnell (Hrsg.), Vieweg - Verlag [2] Switching - Technologie in lokalen Netzen, Mathias Hein, International Thomson Publishing [3] Statusbericht Feldbusinstallationen, atp 01/2002 [4] Verbesserte Parametrierverfahren im Engineering, atp - Sonderheft zur Interkama 2001 [5] Echtzeit - Ethernet - Konzepte im Wettstreit, Ronald Heinze, open automation 3 / 2003 [6] Echtzeit am Ethernet mit PROFInet V2.0, Joachim Feld u. Ralph Büsgen, Siemens AG, atp 1/2003 [7] Überlegungen zur Topologie von Automatisierungsnetzwerken, Karl-Heinz Niemann, atp 9 u. 10/2006 [8] Vielfalt der Feldbusse, Michael Pelz (Clariant Produkte) und Dr. Rolf Birkhofer (CodeWrights), atp 2/2007 [9] Mit Priority-Channel robustes Ethernet betreiben, Volker Goller (Innovasic Inc.), etz 6/2012 [10] Profinet: Kürzere Zykluszeiten eröffnen neue Anwendungsfelder, Xaver Schmidt (PNO), etz 5/2012
Bild 10.3: CAN-Busse im PKW
Bild 10.4: Synchronisierung von Antrieben durch CANsync
Systemkommunikation Automatisierungssysteme DHBW Mannheim Anhang Erich Kleiner, Juli 2012
24 AS_Syst_Komm.doc
Anhang 1: Tabelle der Protokolle, die in Automatisierungs - Systemen vorkommen (Auswahl)
Name / Standard: Hauptsächlich benutzt für: Bemerkung:
DIN 19244 Allgemeiner Datenaustausch Alt, wenige Datenarten, geringe Geschwindigkeit (für RS232)
ANSI X3.28 Allgemeiner Datenaustausch
MODBUS Allgemeiner Datenaustausch, wichtig für Kopplungen zu amerikanischen Produkten,
verteilte Automatisierung (USA) große Funktionsauswahl
3964 Siemens Datenaustausch mit Siemens SPS Weiterentwicklung aus DIN für: - höheren Datenumfang, Geschwindigkeit,
(Speicherprogrammierte Steuerung) - mehr Datenarten
Teleperm ME Datenaustausch mit / in Produkt - spezifisch,
Siemens - Leitsystem Teleperm ME Anwendung abnehmend
