Dietmar Dietrich, Dietmar Loy, Hans-Jörg Schweinzer (Hrsg.) LON- Technologie. Verteilte Systeme in der Anwendung. DJJ Hüthig Verlag Heidelberg

Transkript

1 Dietmar Dietrich, Dietmar Loy, Hans-Jörg Schweinzer (Hrsg.) LON- Technologie Verteilte Systeme in der Anwendung DJJ Hüthig Verlag Heidelberg

2 Inhalt Abkürzungen XVI 1 Einführung Vernetzung, Ursachen und Konsequenzen Steuerung technischer Prozesse Klassischer Ansatz Dezentraler Ansatz Kommunikation als Grundlage verteilter Systeme Systemhierarchien Schichtenmodell Topologien Das Zeitverhalten der Kommunikation, Einfluß auf die Applikation (Realzeitproblematik) Strategie der Kommunikation auf Applikationsebene Werkzeuge Grundlegende Applikationskonzepte Netzknotentypen Dekomposition einer Applikation hinsichtlich paralleler Abläufe und hierarchischer Strukturen Steuerung und Überwachung Segmentierung und Datenfluß Feldbussysteme im Überblick LonWorks PROFIBUS P-NET INTERBUS-S CAN EIB Branchen und Profile Zukünftiger Weg der Dezentralisierung 39 2 Verteiltes System Verteilte Systeme auf der Sensor- und Aktorebene Komponenten eines verteilten Systems für die Sensor- und Aktorebene Eigenschaften verteilter Steuersysteme Verteilte Systeme mit LonWorks-Technologie Systementwurf bei LonWorks anhand eines Beispiels 50

3 VIII Inhalt 2.4 Kommunikationseffizienz und Transparenz Perspektiven künftiger verteilter Anwendungen 55 3 LonWorks-Knoten Übersicht Speicher Anschlüsse und Ein-/Ausgabe Taktversorgung und Timer Reset, Sicherheitsfunktionen und Sleep-Mode Neuron ID und Service Pin Progammtechnische Besonderheiten Kopplung mit Host-Prozessoren Komponenten für den Aufbau von LonWorks-Knoten 68 4 LonTalk-Protokoll Allgemeines Protokollübersicht und Terminologie Protokollübersicht Terminologie Adressierung in LonTalk Domain Subnet und Node Group, Member Neuron-ID Adressierung auf Schicht Physical Layer Link Layer Interface zu den benachbarten Schichten Buszugriffsverfahren Priorisierung Rahmenformat MPDU/LPDU Differential-Manchester-Codierung Network Layer Interface zum Transport Layer Format der NPDU Router Transport Layer Dienste im Transaction Control Sublayer Dienste im Transport Layer Formate und Typen der TPDU Wiederholung auf Schicht Timer der Schicht Authentication-Server Dienste im Authentication-Server Formate und Typen des Authentication-Server Der Verschlüsselungsalgorithmus 93

4 Inhalt IX 4.8 Session Layer Interface des Session Layer Formate und Typen der SPDU Authentication Protokoll-Timer der Schicht Presentation und Application Layer Funktionen des Presentation und Application Layers Typen und Formate der APDU Message Codes Application Layer Interface Datenstrukturen der Nachrichten- und Antwortobjekte Transaktion einer APDU Network Management und Network Diagnostic Knotenstatus Konfigurationsdatenstrukturen Einteilung der NM/ND-Dienste Ablauf NMM zur Knotenidentifizierung Query ID Respond to Query Service Pin Message Bearbeitung der Domain-Tabelle Update Domain Query Domain Leave Domain Update Key Adreßtabellenbearbeitung Update Address Query Address Bearbeitung der Netzwerkvariablentabellen Update Net Variable Config Query Net Variable Config Query SNVT Network Variable Fetch Speicherbearbeitung von Netzwerkknoten Read Memory Write Memory Checksum Recalculate Memory Refresh NMM für besondere Aufgaben Set Node Mode Install Network Management Escape Code Network Management Messages für Router RouterMode Router Clear Group or Subnet Table 127

5 X Inhalt Router Group or Subnet Table Download Router Group Forward Router Subnet Forward Router Do Not Forward Group Router Do Not Forward Subnet Router Group or Subnet Table Report Router Status Router Half Escape Code Network Diagnostic Messages - NDM Query Status Proxy Status Clear Status Query Transceiver Status LonTalk-Rahmenformat Neuron-Chip-Firmware CPU-Modell CPU-Architektur Überblick über die CPU-Register Base-Page-Modell Befehlssatz des Neuron-Chips Logikanalysator Interface am Neuron-Chip-Emulator Firmware-Initialisierung Aufgabenverteilung der CPUs RAM-Test und Initialisierung Start der MAC CPU Start der Network CPU Start der Application CPU Firmware - Normaler Betrieb Hauptschleife der MAC CPU Hauptschleife der Network CPU Hauptschleife der Application CPU Timer Kommunikation Kommunikations-Buffer Buffer-Größe und Buffer-Anzahl Kommunikations-Timer Programmiermodell Neuron C Unterschiede zu ANSI C Sprachbeschreibung Bibliothek Der Scheduler Die Neuron C Task Funktionsprinzip des Schedulers 174

6 Inhalt XI Funktionssteuerung Zeitverhalten des Schedulers Fehlerbehandlung Kommunikationsobjekte Netzwerkvariablen Explicit Messages Betriebsverhalten von Knoten Echtzeitfähigkeit eines Knotens Echtzeitfähigkeit einer verteilten Anwendung Verhalten eines Knotens in einem verteilten System Netzwerkstrukturen und Netzwerkübergänge Eigenschaften von Busstrukturen und Open Media Repeater, Bridges, Router und Gateways Repeater Bridges Router Gateway Routing in LonWorks-Netzen Adressierung bei LonTalk Schicht-2/3-Adressierung LonWorks Router Eigenschaften Forwarding-Tabellen LonWorks Learning Router LonWorks Configured Router Einfache Looping-Topologie Configured LonWorks Router bei Open Media Punkt-zu-Punkt-Datensicherung Beherrschbare Medien mit LonWorks Routern Leitungsgebundene Medien Leitungsungebundene Medien und Power Line Nachrichtenpufferung bei LonWorks Routern Nützlichkeitsfunktion Wahl sinnvoller Puffergrößen Netzwerkübergänge Allgemeine Problematik Übergang zwischen LonTalk und PROFIBUS-FMS PROFIBUS-FMS Aufgaben von ProfiLon Aufbau von ProfiLon Datenübertragung vom PROFIBUS zum LON Datenübertragung vom LON zum PROFIBUS-FMS Verhalten bei Übertragungsfehlern Adressierung der Datenpakete Initialisierungsphase 218

7 XII Inhalt Resümee Übergang zwischen LonTalk und HTTP HTTP Aufgaben von LonHttp Aufbau von LonHttp Datenübertragung von HTTP zum LON Datenübertragung vom LON zum HTTP Adressierung Sicherheitsüberlegungen Netzmanagement Aspekte des Netzmanagements Die LON-Netzmanagementarchitektur LonWorks Networks Services Client-Server-Architektur im LON Network Services Server und Network Services Interface LonWorks Networks Services Host API Erhältliche Werkzeuge LonWorks Component Architecture Object Linking and Embedding -ActiveX Objektorientierung im LON Entwicklungsumgebungen für LCA-Anwendungen LCA und Interoperabilität LNS- und LCA-Dokumentation von Echelon Firmwaregestützte Ein-/Ausgabeobjekte Direkte Ein-/Ausgabeobjekte Bit Input/Output Byte Input/Output Leveldetect Input Nibble Input/Output Byteserielle Ein-/Ausgabeobjekte Parallel Input/Output Muxbus Input/Output Bitserielle Ein-/Ausgabeobjekte Bitshift Input/Output I 2 C Input/Output Magcard Input Magtrack 1 Input Neurowire Input/Output Serial Input/Output Touch Input/Output Wiegand Input Zähler-Zeitgeber-Objekte Dualslope Input Edgelog Input 258

8 Inhalt XIII Infrared Input 258 On Time Input 259 Period Input 259 Pulsecount Input 259 Quadrature Input 260 Total Count Input 260 Edgedivide Output 260 Frequency Output 260 Oneshot Output 261 Pulsecount Output 261 Pulsewidth Output 261 Triac Output 261 Triggered Count Output 262 Interoperabilität 263 Von kompatibel bis Plug-And-Play 263 Begriffsdefinitionen 266 Voraussetzungen und Nachweis für Interoperabilität 267 Konformität und Interoperabilität bei LonWorks 269 Interoperabilität des Physical Layer 269 Interoperabilität der Layer 2 bis Interoperabilität des Application Layer 270 Anwendungsobjekte 273 Configuration Properties 277 Device Documentation 278 Profile 281 Profil und Standard 281 Klassen von Profilen 282 LonMark Functional Profiles 282 Profile im LonTalk-Protokoll 282 Beispiel eines Functional Profiles Dekomposition einer verteilten Anwendung anhand eines Beispiels Prozeßablauf Prozeßschritte (Aktionen) Prozeßzustände Parallele Abläufe Funktionshierarchie Elemente der Steuerung Zuordnung von Knoten und Knotentypen Funktionalität der Knotentypen Sensorknoten Binäre Aktorknoten Frequenzumrichterknoten 293

9 XIV Inhalt Controllerknoten Monitorknoten SCADA-Anschluß Ereignisse Umsetzung von Steuerungsabläufen in Neuron-C-Programme Netzwerkvariable Kommandos, Parameter Status der Sensoren und Aktoren Status der Gesamtanlage Meßwerte Programmstruktur Anlagenüberwachung Monitorknoten Zugriffsrechte auf Aktoren Bustopologie Anwendungsgrenzen Grenzen durch die Adreßtabelle Grenzen durch Reaktionszeiten Werkzeuge Übersicht Entwurfswerkzeuge Programmentwurf für Einzelknoten Festlegung von Projektierungseinheiten Montageplanung Zuordnung definierter Knoten Zuordnung einer definierten Funktion Verbinden Benutzung generischer Module Konfiguration und Überprüfung Installationsvarianten Systempflege Werkzeugeigenschaften Test- und Diagnosewerkzeuge Debugger für gesteuerte Abarbeitung Monitore für freie Aufzeichnung Protokollanalysatoren und Netzwerkmonitore Integrierte Diagnosesysteme Hilfsmittel zur Werkzeugentwicklung Adaption an Host-Rechner Network-Management-Bibliotheken Integrierte Softwarearchitektur Leistungsaspekte Methodik Leistungsmessung 342

10 Inhalt XV Simulation Mathematische Analyse Benchmarks Leistungsmaße und Kenngrößen Analyse Meßszenario Leistungsmaße und Benchmarks Analyse der Reaktionszeiten 350 Literaturverzeichnis 352 Sachwörterverzeichnis 362