Datenkommunikation in vernetzten Systemen (DK) Berufsbezogener Lernbereich Schwerpunkt: Informations- und Automatisierungstechnik

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1 Datenkommunikation in vernetzten Systemen (DK) Berufsbezogener Lernbereich Schwerpunkt: Informations- und Automatisierungstechnik Aufgaben und Ziele des Faches: Das zukünftige Betätigungsfeld der Technikers (Fachrichtung Elektrotechnik) mit dem Schwerpunkt Informations- und Automatisierungstechnik wird die industrielle Prozessautomatisierung sein. Die aktuelle Entwicklung in diesem Bereich lässt erkennen, dass die Standards der Intranet- und Internetkommunikation auch für die industrielle Automatisierungstechnik immer wichtiger werden und die klassische Feldbustechnik ergänzen und langfristig ersetzen. Hier seien nur die Stichworte Echtzeit-Ethernet und Industrie Ethernet erwähnt, um die Bedeutung der in der Bürokommunikation seit langem eingeführten Standards zu unterstreichen. Das Fach Datenkommunikation hat die Aufgabe, die grundlegenden Zusammenhänge des Datenaustauschs in vernetzten Rechnersystemen zu vermitteln sowie die wichtigsten Dienste und Protokolle auf der Basis von Ethernet/WLAN und TCP/IP in Theorie und Praxis vorzustellen und in Bezug zu setzen zu den Anforderungen der industriellen Prozessautomatisierung. Ausgehend von der Kenntnis dieser grundlegenden Zusammenhänge sollen die Möglichkeiten der Netzwerkkommunikation für industrielle Anwendungen vermittelt werden. Bezüge zu anderen Fächern bzw. Lerninhalten: Das Fach Datenkommunikationstechnik stützt sich auf Inhalte der Fächer Informationstechnik und Mikrocontrollertechnik. Es ist mit dem Fach Softwareentwicklung für technische Systeme und Prozessautomatisierung sehr eng verzahnt, da der Praxisbezug wichtiger Handlungsbereiche nur im Kontext der dort vermittelten Inhalte erreicht werden kann. Ein weiterer enger Bezug besteht zum Fach Messverfahren und Messsysteme, da Planung und Einsatz komplexer Messsysteme für umfassende Prüf-, Analyse- und Simulationsaufgaben zunehmend mit Mikrocomputer- bzw. PC-Systemen in vernetzen Infrastrukturen stattfindet. 1

2 Handlungs- und Lernbereiche: Grundlegende Kommunikationsprinzipien in vernetzten IT-Systemen verstehen 5 Unterrichtsstunden Die Studierenden definieren grundlegende Voraussetzungen für die Datenkommunikation in vernetzten Systemen. Sie beschreiben die Rollen unterschiedlicher Netzknoten und stellen Vor- und Nachteile unterschiedlicher Übertragungsmedien gegenüber. Die Studierenden bewerten die Übertragungsmedien hinsichtlich der Anforderungen in der Bürowelt und der Industrie. - Datenkommunikationsmodelle (OSI, TCP/IP) - Merkmale wichtiger Übertragungsmedien - Unterschiedlicher Zugriffsverfahren - Merkmale unterschiedlicher Netztopologien - Rollenverteilung bei der Kommunikation Kommunikationsprozesse eines klassischen Feldbus am Beispiel von CAN/CANopen verstehen, analysieren und nutzen 15 Unterrichtsstunden Die Studierenden unterscheiden klassische Feldbussysteme nach Merkmalen. Sie informieren sich über Vor- und Nachteile einzelner Bussysteme und deren praktischen Einsatzmöglichkeiten. Sie sammeln alle notwendigen Informationen, um ein CANopen-Gerärt mit einer Steuerung zu verbinden. Sie binden das Gerät in ein Steuerungsprogramm ein testen die Kommunikation. Sie können die Busprotokolle analysieren und mögliche Fehler beheben. - RS232 und RS485 im Vergleich - Zugriffskontrolle durch bitweise Arbitrierung - Nachrichtenorientierte Protokollstruktur - Aufbau eines CAN-Telegramms - Anwendungsschicht von CANopen - Analyse von EDS-Dateien - CANopen in der Praxis 2

3 Lokale Netze auf der Basis von Ethernet und TCP/IP planen und konfigurieren 25 Unterrichtsstunden Die Studierenden planen die Erweiterung bestehender Netze durch weitere Subnetze. Sie wählen die notwendigen Komponenten aus, installieren und konfigurieren diese. Sie fertigen über ihre Arbeit eine Dokumentation an, die alle wesentlichen Umsetzungsschritte nachvollziehbar beschreibt Sie entwickeln Testszenarien und diagnostizieren mögliche Fehler. Sie arbeiten bei der Umsetzung im Team. - Bedeutung von Ethernet, WLAN und Bluetooth für den - industriellen Einsatz - Aufgaben von Schicht 1 und 2 (OSI) - Ethernet-Infrastrukturen für industrielle Vernetzung - Netzwerkkopplung über Hubs und Switches - Leitungsredundanz durch Spanning Tree Protokolle - Bedeutung des Einsatzes von VLANs - Protokolle der Schicht 3 (ARP, IP, ICMP) - Routing und Subnetting - Network Address Translation (NAT) - Kommunikationsanalyse mit Hilfe von Sniffer-Tools Wichtige Dienste in einem TCP/IP-Netz installieren und konfigurieren 25 Unterrichtsstunden Die Studierenden führen die Installation eines Netzwerkbetriebssystems durch. Sie nutzen dabei die Informationen, die ihnen einschlägige Seiten im Internet zur Verfügung stellen. Sie installieren und konfigurieren wichtige Serverprozesse auf dem System und sind in der Lage, das System gestellten Anforderungen anzupassen. - Installation und Administration eines Netzwerkbetriebssystems (bevorzugt Linux) - textorientierte Administration des Betriebssystems - Kommunikationsabläufe bei TCP und UDP - Planung, Installation, Konfiguration und Test eines DHCP- Servers für ein Subnetz - Namensauflösung mittels DNS im Internet und Intranet - Installation, Konfiguration und Test eines DNS-Servers sowie dessen Einbindung in eine bestehende Netzstruktur - Installation und Konfiguration eines Web-Servers (bevorzugt Apache) - Erweiterung der Infrastruktur durch einen Datenbankserver 3

4 Anforderungen für das Industrie-Ethernet kennen und Umsetzungsmöglichkeiten auswählen und beurteilen 20 Unterrichtsstunden Die Studierenden beschreiben unterschiedliche Anforderungsprofile für die Vernetzung von Steuerungen mit Sensoren und Aktoren im Feld. Sie beurteilen Unterschiede zwischen klassischen Feldbussystemen und einer Vernetzung auf der Basis von Ethernet. Sie informieren sich über unterschiedliche Lösungsansätze für ein Industrial Ethernet und präsentieren ihre Ergebnisse. Sie beurteilen anhand von Kataloginformationen unterschiedliche Herstellerangbote für ethernetfähige Steuerungen. Prozessbedienung und visualisierung konzipieren und realisieren 20 Unterrichtsstunden Die Studierenden planen und installieren die Erweiterung einer Steuerung durch Möglichkeiten zum Visualisieren und Bedienung des Prozesses. Sie nutzen dazu handelsübliche SCADA-Produkte. - Entwicklung vom Feldbus zum Industriebus - Anforderungen an ein echtzeitfähiges Ethernet - Varianten ethernetbasierter Feldbusse in der Automatisierungstechnik im Vergleich - Datenkommunikation über ModbusTCP - Planungsgrundlagen von Industrienetzen - Einsatz von Web-Technologien in der Automatisierung - ActiveX- und Applet-Technologien im Vergleich - OPC-Einsatz in der Automatisierungstechnik - SCADA- und HMI-Architekturen mit OPC Leistungsmerkmale öffentlicher Netze für die Automatisierung nutzen 10 Unterrichtsstunden Die Studierenden informieren sich über Angebote von Herstellern über Geräte zur Anbindung von Automatisierungsnetzen an das öffentliche Netz und deren Leistungen. - Fernwartung über GSM - GPRS als Brücke zwischen Mobilnetz und Internet - Weltweiter Zugriff auf lokale Netze mittels VPN 4

5 Sicherheitsrisiken in der Datenkommunikation beurteilen und Maßnahmen zur Abwehr von Gefahren planen und umsetzen 15 Unterrichtsstunden Die Studierenden beurteilen die Risiken der Datenkommunikation in vernetzten Systemen und können Maßnahmen zur Abwehr von Gefahren beschreiben und beurteilen. - Gefahrenabschätzung und Risikoanalyse - Sicherung der Vertraulichkeit durch Verschlüsselung - Bedeutung und Einsatz von Zertifikaten - Firewallfunktionen und Firewallarchitekturen - Planung und Installation von Paketfiltern 5