Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2

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1 Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2 Marco Munstermann

2 Datenaustausch der Zukunft CAD DB DWH PPS ABK PFK QS Büro-Netzwerk (Ethernet) Unternehmens-Netzwerk (Ethernet Fabrik-Netzwerk & Industrial Ethernet) (Industrial Ethernet) Feldbus-Netzwerk (Realtime Ethernet) PNK 1 PNK n Sensor- Aktor- Bus (ASI, Profibus DP, Profibus PA, ) Sensoren / Aktoren Sensoren / Aktoren Folie 2

3 Industrial Ethernet CAD DWH Thema seit Ende der 90er DB PPS ABK PFK QS Sammelbegriff proprietärer Kommunikationssysteme die Ethernet verwenden auf Basis industrietauglicher Hardware PNK 1 Sensoren / Aktoren PNK n Sensoren / Aktoren kein wohldefinierter Standard mit proprietären Applikationsprotokollen Folie 3

4 Realtime Ethernet CAD DWH DB PPS Unternehmens-Netzwerk (Ethernet & Industrial Ethernet) ABK PFK QS Feldbus-Netzwerk (Realtime Ethernet) PNK 1 PNK n Sensor- Aktor- Bus (ASI, Profibus DP, Profibus PA, ) Sensoren / Aktoren Sensoren / Aktoren Folie 4

5 Ethernet-TCP/IP + potenzielle Eignung auf Feldbus-Ebene hohe Übertragungsrate korrekte Datenübertragung - nicht eigensicher - Jitter > 1ms - kommunikationsstörende Knoten werden nicht erkannt - CSMA / CD: Kollisionen werden erkannt, nicht vermieden keine garantierten Antwortzeiten, somit nicht echtzeitfähig Folie 5

6 Realtime Ethernet 1. Lösungsansatz Veränderung des Medienzugriffs (MAC-Layer) Token passing (logischer Ring erforderlich) z.b. EtherCAT Time Division Multiple Access z.b. Profinet v.3, Sercos-III Isochroner Datenverkehr (zyklisch) Kommunikationszyklus Asynchroner Datenverkehr spezielle Hardware in allen TS 1 TS 2 TS Netzknoten erforderlich! n Folie 6

7 Realtime Ethernet 2. Lösungsansatz S O C Veränderung der Logischen Verknüpfungsschicht (LLC-Layer) C P 1 Polling (zentral/dezentral) CS1 z.b. Ethernet-Powerlink (EPL) mit zentralem Polling Acyclic Cyclic Start Send Poll Of Cycle (slave 1) 2) 3) C P 2 C S 2 C P 3 CS3 A P 3 AS3 Slave 1 Master Slave 2 Slave 3 Folie 7

8 Realtime Ethernet 2. Lösungsansatz Veränderung der Logischen Verknüpfungsschicht (LLC-Layer) Polling (zentral/dezentral) z.b. Ethernet-Powerlink (EPL) mit zentralem Polling verwendet Standard-Hardware in den Netzknoten besonderer Kommunikationsstack in allen Knoten notwendig Folie 8

9 Realtime Ethernet 3. Lösungsansatz Kollisionsvermeidung durch konsequenten Einsatz von Switches full duplex Store-and-Forward (Queues) Priorisierung der Nachrichten (QoS) Router (Firewall) entlasten das Echtzeit-Segment Einsatz bei Ethernet/IP (Industrial Protocol) Folie 9

10 Realtime Ethernet 3. Lösungsansatz verwendet Standard-Hardware in allen Netzkomponenten verwendet ausschließlich Standard TCP/IP- und UDP/IP- Protokoll-Stacks Reaktionszeit (>> 1ms) zu hoch für Motion Control Folie 10

11 Realtime Ethernet 3. Lösungsansatz alle Kommunikationsteilnehmer mit Uhr versehen alle Uhren synchronisieren alle Steuerbefehle erhalten Ausführungszeit Schließe Ventil3 um 15:58: Entkopplung der Performance des Gesamtsystems von der des Netzwerks Folie 11

12 Klassifizierung der Realtime-Verfahren Software (OSI-Schicht 3 und 4) Standardkonform Proprietär Profinet v.3 Sercos-III EtherCAT Ethernet/IP EPL Proprietär Hardware Standardkonform Folie 12

13 Applikationsschnittstellen CAD DWH DB PPS Unternehmens-Netzwerk (Ethernet & Industrial Ethernet) ABK PFK QS Feldbus-Netzwerk (Realtime Ethernet) PNK 1 PNK n Sensor- Aktor- Bus (ASI, Profibus DP, Profibus PA, ) Sensoren / Aktoren Sensoren / Aktoren Folie 13

14 Einheitliche Applikationsschnittstellen Office- Anwendung OPC-Client PPS OPC-Client ABK OPC-Client OPC-Server Motorregelung OPC-Server Getriebesteuerung OPC-Server Pumpensteuerung Vorteile: geringere Engineeringkosten, Interoperabilität Folie 14

15 OPC OLE for Process Control standardisierte Applikationsschnittstelle in der Automatisierungstechnik definiert Kommunikationsobjekte basiert auf Microsofts Distributed Component Model (DCOM, ehemals OLE) verwendet das Client-Server-Modell ermöglicht vertikale Integration von der Feldebene bis in die Unternehmensleitebene z.b. aktuellen Temperaturwert automatisch in Excel- Sheet übernehmen Folie 15

16 OPC Spezifikationen OPC OPC Data Access OPC Alarms and Events OPC Historical Data OPC Data exchange OPC Data Access XML Folie 16

17 OPC Data Access (OPC DA) Schnittstelle zur Prozessdatenkommunikation ermöglicht 1..n Clients den transparenten Zugriff auf Prozessdaten Prozessdaten werden abonniert und kontinuierlich gesendet Clients legen e an (Sicht auf die Daten) aufbau: Wert, Zeitstempel, Statusinformation optionale Attribute (z.b. Gerätename, Standardabweichung, ) die am häufigsten implementierte Spezifikation Folie 17

18 OPC Data Access (OPC DA) Prozessdaten OPC Item OPC Item OPC Item OPC Item OPC Item OPC Group OPC Group OPC Server OPCDA Server OPC Client Folie 18

19 OPC Alarms and Events (OPC AE) Schnittstelle zum Übertragen und Quittieren von Ereignissen und Alarmen Ereignisse und Alarme werden abonniert und diskontinuierlich gesendet Clients legen Ereignis- / Alarmobjekte an aufbau: Ursprung, Zeitstempel, Meldung, Priorität, optionale Attribute erlaubt Server überwacht Prozessdaten und generiert ggf. Ereignis- / Alarmmeldungen Folie 19

20 OPC Alarms and Events (OPC AE) Ereignisse OPC Event OPC Event OPC Event OPC Event OPC Event OPC Server OPCAE Server OPC Client Folie 20

21 OPC Historical Data (OPC HDA) Schnittstelle zum Übertragen von historischen Prozessdaten einmalige Datenübertragung auf Anforderung Aggregate (z.b. Mittelwert, Minimum, Maximum, ) können erstellt werden historische Daten können nicht nur gelesen, sondern auch eingefügt, ersetzt und gelöscht werden! Folie 21

22 OPC Historical Data (OPC HDA) historische Prozessdaten OPC Server OPCHDA Server OPC Client Folie 22

23 OPC Data exchange (OPC DX) DX Server importiert externe Prozessdaten von DA Server um diese im eigenen Namensraum anzubieten vereinfacht: DX Server = DA Client & DA Server DA Client DA Server DA DX Server DX Server Folie 23

24 OPC XML DA entspricht in seiner Funktionalität OPC DA verwendet XML und SOAP statt DCOM Plattform unabhängig Einsatzbereich auf das Internet erweitert deutlich langsamer als OPC DCOM DA ineffizienter Datenversand zusätzliche Prozessorleistung Folie 24

25 OPC OLE for Process Control Senkung der Engineeringkosten OPC DA befreite Kunden von der Geräteherstellerabhängigkeit OPC XML DA befreit die Anwender von der Microsoft-Abhängigkeit OPC basiert auf TCP/IP, d.h. eine Anpassung an Realtime Ethernet ist erforderlich, um garantierte Antwortzeiten einzuhalten. Folie 25

26 Ist ein Ende vertikaler Integration erreicht? CAD DWH DB PPS Unternehmens-Netzwerk (Ethernet & Industrial Ethernet) ABK PFK QS Feldbus-Netzwerk (Realtime Ethernet) PNK 1 PNK n Sensor- Aktor- Bus (ASI, Profibus DP, Profibus PA, ) Sensoren / Aktoren Sensoren / Aktoren Folie 26

27 Fragestellungen für ein Masterthema Lassen sich die Echtzeitansätze für Ethernet auch auf WLAN übertragen, um die Kommunikation zwischen dem Fahrzeug und dem Leitstand im FAUST- Projekt zu realisieren? Programmtechnische Umsetzung des gewählten Echtzeitansatzes Analyse der zu erzielende Ergebnisse Ist der Einsatz von OPC DA (basierend auf Realtime Ethernet) für die Kommunikation auf der Regelungs- / Steuerungsebene des Fahrzeugs geeignet? Folie 27

28 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Folie 28

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