Integration unterschiedlicher Feldbusse in PAC-Automatisierungssysteme
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- Maike Sachs
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Transkript
1 Integration unterschiedlicher Feldbusse in PAC-Automatisierungssysteme Daniel Riedelbauch, Technical Marketing Engineer
2 Integration unterschiedlicher Feldbusse in PAC-Automatisierungssysteme Daniel Riedelbauch, Technical Marketing Engineer
3 Was ist ein PAC? Robustheit und Zuverlässigkeit einer SPS Flexibilität und Leistungsfähigkeit eines PCs Anwenderdefinierte Hardware durch FPGAs Software-Flexibilität PCs Standard- / Industrie- Computer PAC Programmable Automation Controller SPSen Speicherprogrammierbare Steuerung Robustheit und Zuverlässigkeit
4 Die PAC-Plattform von NI Touchpanel Compact RIO Vision Single-Board RIO Compact FieldPoint Neu PXI
5 Was ist ein Feldbus? Ein Feldbus ist ein industrielles Kommunikationssystem, das eine Vielzahl von Feldgeräten wie Sensoren, Stellglieder und Aktoren mit einem Steuerungsgerät verbindet. Unternehmen ERP, SAP Ethernet Planung Datenerfassung Betrieb Prozess Steuerung SPS SCADA Feldbus z. B. AS-i MES PAC Ethernet Feldbus / Ethernet Feldbus z. B. Aktoren/Sensoren A/S A/S A/S A/S A/S A/S A/S A/S A/S ERP = Enterprise Resource Planning; SAP = Systemanalyse und Programmentwicklung; MES = Manufacturing Execution System; SCADA =Supervisory Control and Data Acquisition; SPS = Speicherprogrammierbare Steuerung; PAC = Programmable Automation Controller;
6 Feldbusse im Überblick
7 Wichtige Feldbusse auf einen Blick Bustyp Treibende Firma Anwendung Ebene Verbreitung Siemens Fertigungs-, Prozess-, Antriebstech., Automobil A/S, St Weltweit, Europa WorldFIP Schneider Electric Fertigungs-, Bahntechnik A/S, St Frankreich, CERN Interbus Phoenix Contact Fertigungstechnik, Druckerei A/S, St Europa /ControlNet Rockwell Automation Fertigungs-, Prozess-, Antriebstechnik, Automobil A/S, St Weltweit, USA CC-Link Mitsubishi Fertigungstechnik A/S, St Japan, Asien Modbus Plus Schneider Electric Chemie, Pharma, Papier, Gebäude A/S, St USA, CH Foundation Fieldbus Emerson Prozesstechnik, Petrochemie A/S, St, Pro USA AS-Interface Siemens Fertigungstechnik, Gebäude A/S Europa HART Emerson Prozesstechnik A/S, St USA Sercos Bosch Rexroth Antriebstechnik, Druckerei, Verpackung, CNC A/S, St Europa Schneider Electric Embedded, Medizin-, Fahrzeugtechnik A/S Europa LON Echelon Gebäude (Heizung, Lüftung, Klima) A/S, St USA EIB Siemens Gebäude (Elektroinstallation) A/S, St Europa A/S = Aktor-Sensorebene; St = Steuerungsebene; Pro = Prozessebene
8 Industrial Ethernet auf dem Vormarsch Gesamter Markt $630M Ethernet beinhaltet: Quelle: VDC 2006
9 Industrial Ethernet auf einen Blick Bustyp Treibende Firma Anwendung Verbreitung Siemens Fertigungs-, Prozess-, Antriebstechnik Weltweit, Europa Ethernet Powerlink B&R Automation Antriebstechnik, schnelle Prozesse Europa Beckhoff Gebäude-, Antriebstechnik, dezentrale I/O Europa Schneider Electric Übergeordnete Kommunikation Weltweit Ethernet/IP Rockwell Automation Fertigungs- Prozesstechnik, Automobile Weltweit, USA Sercos III Bosch Rexroth Schnelle, synchrone Antriebe Europa
10 Feldbusse
11 Überblick: Typ. Feldbus für Siemens Produkte Verwaltet durch & International (PI) Über 25 Millionen -Knoten weltweit installiert Vorteile In Europa Marktanteil > 50% Nachteile Aufwendige Konfiguration Unterschiedliche Anwendungsgebiete (FMS, DP, PA) Begrenzte Ausdehnung
12 Eigenschaften Übertragungsgeschw.: 9600 Bit/s 12 MBit/s Max. 127 Busteilnehmer Max. Kabellänge in Abhängigkeit der Baudrate: 1200 Meter bei 93,75 KBit/s 200 Meter bei 1,5 Mbit/s 100 Meter bei 12 Mbit/s
13 Telegrammstruktur SD1 = 0x10 (keine Daten) SD2 = 0x68 (variable Länge) SD3 = 0xA2 (Länge) SD4 = 0xDC (Token) SC = 0xE5 (Kurzquittung) SD1 DA SA FC FCS ED SD2 LE LEr SD2 DA SA FC DSAP SSAP PDU FCS ED SD3 DA SA FC PDU FCS SD4 DA SA SC ED SD = Start Delimiter LE = Data LEngth LEr = Data LEngth repeat DA = Destination Address SA = Source Address FC = Function Code DSAP = Destination Service Access Point SSAP = Source service access point PDU = Protocol Data Unit FCS = Frame Checking Sequence ED = End Delimiter
14 Hardware Kompatibel mit Windows XP/2000, LabVIEW RT -Schnittstellen für PCI, PXI und CompactRIO Unterstützte Eigenschaften: DPV0 Master (Klasse 1/2), DPV0 Slave, DPV1 Master (Klasse 2)
15 Software Grafische Netzwerkkonfigurationssoftware: Configurator II LabVIEW Express API für einfache Programmierung
16 Überblick: Typ. Feldbus für Produkte von Schneider Electric Verwaltet durch CAN in Automation (CiA) CAN-Protokoll (Controller Area Network) als Grundlage für Vorteile Flexible Anpassung, umfassende Profile, günstig Nachteile Unbefriedigende Standardisierung Basierend auf CAN-Protokoll Begrenzte Ausdehnung
17 Eigenschaften Übertragungsgeschw.:10 kbit/s 1 MBit/s Max. 127 Busteilnehmer Max. Kabellänge in Abhängigkeit der Baudrate: m -Objekte in Objektverzeichnissen (OV) PDO (Prozessdatenobjekte) I/O-Kommunikation in Echtzeit SDO (Servicedatenobjekte) Datenaustausch für Konfiguration Netzwerkmanagementobjekte Fehlermeldungen, Start-up-Befehle
18 Telegrammstruktur Startfeld Statusfeld Kontrollfeld Datenfeld Sicherungsfeld Bestätigungsfeld Endfeld 1 bit 12/32 bit 6 bit 0 8 Byte (0 64 bit) 16 bit 2 bit 7 bit Standard Format 11-Identifier CAN-Frame SOF 11-bit-ID RTR IDE r0 DLC Startfeld Statusfeld Kontrollfeld Datenfeld Extended Format 29-Identifier SOF 11-bit-ID SSR 18-bit-ID RTR r1 r0 DLC Startfeld Statusfeld Kontrollfeld SOF = Startbit SSR = Subsitute Remote Request RTR = Remote Transmission Request IDE = Identifier Extension Bit r1, r0 = reserved DLC = Data Length Code Datenfeld Datenfeld -Objekt SCS Index Sub-Index Daten Kontrollfeld Byte 0 Byte 1 Byte 2 Byte 3 Byte 4 Byte 5 Byte 6 Byte 7 Datenfeld Sicherungsfeld
19 Hardware Kompatibel mit Windows 2000/NT/XP/Me/9x, LabVIEW RT CAN-Schnittstellen für PCI, PXI, PCMCIA, USB und crio : PCI, PXI, PCMCIA (Series 2) und CompactRIO
20 Software Treiber NI-CAN beinhaltet: MAX-Integration mit Gerätekonfiguration und Diagnosetool Integration von Vector CANdb CAN-Bus-Monitor Testpanels Baudraten-Konfiguration Library Sammlung einfach bedienbarer High-Level-Funktionen NI-CAN-Series 2 werden voll funktionsfähige -Masterschnittstellen
21 Überblick: Typ. Feldbus für Allen-Bradley- (Rockwell Automation) Produkte Verwaltet durch Open Device Vendors Association (ODVA) CAN-Protokoll (Controller Area Network) als Grundlage für Vorteile Weltweit verbreitet Nachteile Lockere Standardisierung Für alle Anwendungen, in vielen Prozessen integriert Begrenzte Ausdehnung
22 Eigenschaften Übertragungsgeschw.: kbit/s Max. 64 Busteilnehmer Max. Kabellänge in Abhängigkeit von Baudrate/Kabeltyp: m -Netzwerke basieren auf Producer-Consumer-Prinzip unterstützt verschiedene Kommunikationshierarchien und priorisierte Nachrichten
23 Telegrammstruktur Startfeld Statusfeld Kontrollfeld Datenfeld Sicherungsfeld Bestätigungsfeld Endfeld 1 bit 12/32 bit 6 bit 0 8 Byte (0 64 bit) 16 bit 2 bit 7 bit Standard Format 11-Identifier CAN-Frame SOF 11-bit-ID RTR IDE r0 DLC Startfeld Statusfeld Kontrollfeld Datenfeld Extended Format 29-Identifier SOF 11-bit-ID SSR 18-bit-ID RTR r1 r0 DLC Startfeld Statusfeld Kontrollfeld SOF = Startbit SSR = Subsitute Remote Request RTR = Remote Transmission Request IDE = Identifier Extension Bit r1, r0 = reserved DLC = Data Length Code Datenfeld
24 Hardware Kompatibel mit Windows 2000/NT/XP/Me/9x, LabVIEW RT -Schnittstellen für PCI, PXI, und PCMCIA
25 Software Treiber NI-DNET liefert High-Level-API für einfachen und vollständigen -Zugriff NI-DNET Configurator NI-DNET Analyzer
26 Industrial Ethernet
27 Überblick: Erstes industrielles Protokoll für Ethernet (1999 eingeführt) Verwaltet durch Modbus-IDA Weit verbreiteter, offener Ethernet-Standard Vorteile Relativ einfaches Protokoll Nachteile Kein Determinismus Nutzt Standard-Ethernet (Hardware und TCP/IP-Übertragungsschicht) Kein Protokoll für harte Echtzeitanforderungen
28 Eigenschaften Übertragungsgeschw.: 10, 100, 1000 MBit/s Nahezu unbegrenzte Busteilnehmerzahl Einfaches Client/Server-Netzwerk basierend auf Standard- Ethernet-Technologie und TCP/UDP/IP-Protokollen verwendet ein Request/Reply-Protokoll und umfasst Dienste, die durch Funktionscodes spezifiziert werden
29 Telegrammstruktur Transaktions-ID Protokoll-ID Length Field -Frame Prüfsumme 2 Bytes 2 Bytes 2 Bytes (n+2) 2 + n Bytes TCP-Frame Adresse Funktionscode Daten 1 Byte 1 Byte n Bytes -Frame 1 Byte
30 Software NI-ModbusVIs Modbus-I/O-Server
31 Überblick: Typ. Feldbus für Allen-Bradley- (Rockwell Automation) Produkte Verwaltet durch Open Device Vendors Association (ODVA) Erweiterung des -Konzepts auf Ethernet-Ebene Vorteile Nutzt Ethernet- Übertragungsschicht (TCP und UDP) Nachteile Kann Netzwerk mit UDP- Nachrichten überlasten, Managed Switches mit IGMP empfohlen
32 Eigenschaften Übertragungsgeschw.: 10, 100, 1000 MBit/s Nahezu unbegrenzte Busteilnehmerzahl Einfaches Client/Server-Netzwerk basierend auf Standard- Ethernet-Technologie und TCP/UDP/IP-Protokollen Konfiguration durch Electronic Device Data Sheets (EDS-Files) EDS-Files werden durch Hersteller bereitgestellt
33 Telegrammstruktur
34 Software Ethernet/IP-VIs für Message- und Scanner-Modus Tags lesen/schreiben (SPSen ControlLogix und CompactLogix) Unterstützt LabVIEW für Windows und LabVIEW Real-Time (Pharlap und VxWorks) NI-Labs-Download:
35 Überblick: Ethernet Control Automation Technology Verwaltet durch Technology Group (ETG) Offen und basierend auf Standards wie z. B. IEC Vorteile Sehr effizientes und unkompliziertes Kommunikationsprotokoll Nachteile Nicht für Standard-TCP/IP- und - Kommunikation zur gleichen Zeit geeignet Industrielles Protokoll für harte Echtzeitfähigkeit Struktur schon weit von Standard-Ethernet entfernt
36 Funktionsprinzip Vergleichbar mit einem schnellen Zug: Zug (Ethernet-Frame) hält nicht an Auch wer Zug durch schmales Fenster sieht, sieht den gesamten Zug Wagen (Sub-Telegramme) haben variable Länge Es können einzelne Personen (Bits) oder ganze Reisegruppen zusteigen und/oder aussteigen sogar mehrere Gruppen pro Zug
37 Telegrammstruktur -Befehle werden im Datenbereich des Ethernet-Frames übertragen und können durch speziellen Ether Type gekennzeichnet werden Ether Type ist auf Ethernet-Subnetze begrenzt (ohne Router) Ethernet Header Command Ethernet Header Header + Data + WC Command CRC 14 Byte 2 Byte 10 + n + 2 Byte 10 + m + 2 Byte 4 Byte 14 Byte 20 Byte 8 Byte 2 Byte 10 + n + 2 Byte 10 + m + 2 Byte 4 Byte IP Header UDP Header -Telegrammstuktur (mit und ohne UDP)
38 NI-System für deterministische, verteilte I/O Host-Computer Standard-Ethernet (TCP/IP) NI crio-9074 Deterministisches Ethernet () NI-PXI-System mit zwei Ethernetschnittstellen NI 9144
39 NI Master Controller Voraussetzungen CompactRIO- oder PXI-RT-System mit zwei Ethernet-Schnittstellen Treiber NI-Industrial Communications for
40 Erweiterungschassis NI Ports: Serienschaltung Robustes Chassis: -40 bis 70 C 9-30 V Versorgung Ex-Schutz Stoß-/vibrationsfest 8 Steckplätze für Module der C-Serie
41 Integration in LabVIEW CompactRIO Chassis Erweiterungschassis NI 9144
42 DEMO
43 Überblick: Typ. Feldbus für Siemens-Produkte Verwaltet durch & International (PI) Erweiterung des -Konzepts auf Ethernet-Ebene Vorteile Nutzt IEEE-1588 und QoS, um Determinismus zu verbessern Nachteile Benötigt Switches mit ERTEC ASIC für anspruchsvolle Applikationen Unterstützt Standard- und deterministisches Ethernet Für RT/IRT werden Managed Switches mit QoS empfohlen
44 Eigenschaften Non Real Time (NRT CBA) Für die Werksüberwachung Zykluszeiten im Bereich von 100ms RT (Real-Time CBA und IO) I/O-Applikationen Zykluszeiten bis zu 10 ms IRT (Isochrones Real-Time IO) Motorsteuerungssysteme Zykluszeit kleiner 1 ms
45 Telegrammstruktur Kein Startschuss Taktsynchronisation über IEEE 1588 und Asynchronous Roter Teil des Zyklus: Isochron Grüner Teil des Zyklus: Asynchron min. 125 µs Echtzeitkanal Echtzeitkanal TCP/IP- Kanal Echtzeitkananl Cycle 1 Cycle 2 Cycle n z. B. 1 ms position control clock Echtzeitkommunikation TCP/IP-Kommunikation
46 Hardware und Software Siehe
47 Determinismus und Leistungsmerkmale Bustyp Antwortzeit (für 100 Achsen) Jitter Datenrate ~ 0.1 ms < 0.1 us 100 Mbits/s Sercos-III < 0,5 ms < 0.1 us 100 Mbits/s -IRT < 1 ms < 1 us 100 Mbits/s Ethernet Powerlink < 1 ms < 1 us 100 Mbits/s Ethernet/IP ~ 1 ms < 1 us 100 Mbits/s Real-time comparison of the various real-time methods Standards-Based Real Time Ethernet Now Off-the-Shelf, by Klaus Zwerina
48 NI und Alliance Partner unterstützen
49 Zusammenfassung Industrial Ethernet bietet hohen Datendurchsatz und Determinismus basieren auf Standard-Ethernet-Technologie NI und Alliance Partner ermöglichen es durch NI LabVIEW, einfachen Zugang zu Feldbussen zu erhalten Erfahren Sie mehr unter:
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