Feldbus & Netzwerk Technologie

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1 Feldbus & Netzwerk Technologie

2 Feldbustechnologie Motivation Grundlegende Merkmale von Bussystemen Feldbussysteme PROFIBUS DP Ethernet AS-Interface INTERBUS CANopen 2

3 Motivation Was ist ein Feldbus? - Eine Datenverbindung (Bus) über ein Datenkabel (Buskabel) von einer SPS zu unterschiedlichen Komponenten. Feldbus - Vergleichbar mit Peripherie (Maus, Tastatur ), die über ein serielles Kabel an einen PC angeschlossen wird. - Realisiert über in die SPS integrierte Schnittstellen oder steckbare Schnittstellenkarten (Master). 3

4 Motivation Warum Feldbussysteme? - Schnelle und einfache Installation - Erweiterte Diagnosemöglichkeiten - Einfache Fehlerbehebung - Schnellere Neukonfiguration - Mehr Flexibilität - Weniger Verkabelungsaufwand - Reduzierte Kosten Konventionell Feldbus 4

5 Interbus Profinet Ethernet Welcher Feldbus? Verschiedene Feldbusse für unterschiedliche Applikationen Die unterschiedlichen Bussysteme können anhand ihrer Komplexität unterschieden werden.? Unterschiedliche Applikationen verlangen angepasste Lösungen. Systemarchitektur Leitebene Automatisierungsebene PB- DP CAN LON 5 Feldebene AS-I IB-S Loop

6 Grundlegende Merkmale von Bussystemen Buszugriffsverfahren Adressierung Übertragungsmedium Grundlegende Merkmale von Bussystemen Topologie Teilnehmerhierarchie 6

7 Buszugriff / Polling Master Master greifen auf Slaves zu. Slaves Die Master sind die zentralen Steuereinheiten und haben den aktiven Buszugriff. Die Master geben die Ein-/Ausgabedaten den Slaves. garantierte Buszugriffszeiten (Deterministischer Prozess) einfaches Protokoll 8

8 Buszugriff / Token Passing - Bus Token Passing - Logischer Ring Physikalische Busstruktur Token 9 Die Station mit dem Token hat das Buszugriffsrecht. Jede Station kann Steuerfunktionen haben. garantierte Buszugriffszeiten (deterministischer Prozess) einfache Realisierung

9 Buszugriff / Summenrahmenprotokoll MASTER SLAVE 1 SLAVE 2 SLAVE 4 SLAVE 3 Der Master ist die zentrale Steuereinheit und hat den aktiven Buszugriff. Der Master gibt alle Daten in einem Summenrahmenprotokoll an alle Slaves. garantierte Buszugriffszeiten (deterministischer Prozess) sehr effiziente Busauslastung 10

10 Grundlegende Merkmale von Bussystemen Buszugriffsverfahren Adressierung Übertragungsmedium Grundlegende Merkmale von Bussystemen Topologie Teilnehmerhierarchie 11

11 Teilnehmer Adressierung Teilnehmer orientiert (Physikalische Adressierung) Station 1 Station 2 Station 3 Station n n Nachricht = Stationsadresse + Daten 12 Die Daten werden mit Hilfe der Stationsadressen verarbeitet.

12 Logische Adressierung Logische Adressierung Station 1 Station 2 Station n Objekt 11 Objekt 32 Objekt 1 Objekt 6... Objekt X Objekt Y Nachricht = Objekt Nr. + Daten Die Daten werden direkt an festgelegte Objekte adressiert. 13

13 Grundlegende Merkmale von Bussystemen Buszugriffsverfahren Adressierung Übertragungsmedium Grundlegende Merkmale von Bussystemen Topologie Teilnehmerhierarchie 14

14 Übertragungsmedien Verdrillte Zweidrahtleitung Netzleitung + 115/230VAC Energieversorgungsleitung Lichtwellenleiter + 24VDC Funk Koaxial-Kabel 15

15 Grundlegende Merkmale von Bussystemen Buszugriffsverfahren Adressierung Übertragungsmedium Grundlegende Merkmale von Bussystemen Topologie Teilnehmerhierarchie 16

16 Topologie Baum ASI, LON BUS (Linie) PROFIBUS Ring INTERBUS Stern Ethernet Frei LON 17

17 Topologie Stern Vorteile: keine Unterbrechung bei Stationsausfall Nachteile: Das gesamte System ist von dem Sternpunkt abhängig. Installationsaufwand Steuerung Slaves 18

18 Topologie Ring Vorteile: einfache Erweiterbarkeit geringer Verkabelungsaufwand sichere Übertragung Nachteile: Ausfallrisiko 19

19 Topologie Bus Vorteile: einfache Erweiterung einfache Verdrahtung kein Systemausfall bei Stationsausfall Nachteile: Adressierung notwendig aufwendiger Datenaustausch 20

20 Topologie Baum Vorteile: einfache Erweiterbarkeit einfache Verdrahtung flexible Installation Nachteile: Adressierung notwendig Bei Ausfall einer Station können weitere Stationen ausfallen. 21

21 Topologie Frei Vorteile: einfache Erweiterbarkeit einfache Verdrahtung flexible Installation Nachteile: Übersichtlichkeit 22

22 Grundlegende Merkmale von Bussystemen Buszugriffsverfahren Adressierung Übertragungsmedium Grundlegende Merkmale von Bussystemen Topologie Teilnehmerhierarchie 23

23 Hierarchie Multi - Master - System M M M M M P P A P P M M M M M P P P P A M.. Master S.. Slave A.. aktiv P.. passiv Multi-Master-System: Mehrere Stationen haben aktiven Buszugriff und können Steuerungsfunktionen haben. Master - Slave - System M S S S S A P P P P 24 Master-Slave-System: Nur ein Master hat den aktiven Buszugriff und die Steuerungsfunktion.

24 Feldbus Systeme INTERBUS 25 Station 1 Station 2 Station 31 Station 32

25 PROFIBUS PROFIBUS ist ein Master-Slave und Master-Master System. Masters Slaves Token Standardisiertes Protokoll Interoperabilität mit Modulen verschiedener Hersteller Kurze Reaktionszeiten und hohe Sicherheit Geeignet für schnelle Steuerungsaufgaben PROFIBUS-DP Master für die meisten Steuerungen Wiederverwendung vorhandenen Wissens 26 PROFIBUS gibt es in 4 Varianten: DP, FMS, Profinet und PA. DP - hohe mögliche Übertragungsgeschwindigkeit FMS/Profinet - geeignet für die Master-Master-Kommunikation PA - eigensichere Variante für die Prozessautomation

26 PROFIBUS Hierarchie Buszugriff Topologie Anzahl Busteilnehmer Netzausdehnung Übertragungsgeschw. Übertragungsmedium Reaktionszeit Multi-Master / Master-Slave Token-Passing, Polling Bus, Baum (mit Repeater) 32 ohne Repeater 122 mit 3 Repeater 1, kbit/s MBit/s Bis zu 12 MBit/s TP, LWL, IR bei 1,5 MBit/s > 1,5 ms 27

27 Ethernet Ethernet ist ein Master-Slave und Master-Master System. Ethernet HMI switch Unterschiedliche Standards PROFINET Ethernet/IP EtherCAT Kurze Reaktionszeiten möglich Geeignet für schnelle Steuerungsaufgaben Einfacher Zugriff mit dem PC bis auf den Sensor möglich. Einfache Vernetzung von Steuerungen möglich. 28

28 Ethernet Hierarchie Buszugriff Topologie Anzahl Busteilnehmer Netzausdehnung Übertragungsgeschw. Übertragungsmedium Reaktionszeit Multi-Master / Master-Slave CSMA / CD Stern, Baum (mit Repeater) nahezu unbegrenzt 100 m Bis zu 1 GBit/s TP, LWL, WLAN 1 ms möglich 29

29 AS-Interface (ActorSensor-Interface) AS-Interface ist ein Master-Slave-System. Steuerung Slave Slave Master Slave Slave Standardisiertes Protokoll Interoperabilität mit Modulen verschiedener Hersteller Schnelle Reaktionszeiten und hohe Sicherheit Geeignet für schnelle Steuerungsaufgaben Freie Struktur (meistens Linie) Adresseinstellung per Software Slave Slave Slave Energie und Daten über 1 Leitung Geringer Installationsaufwand Slave Slave Slave 30 ASi-Master für die meisten Steuerungen Wiederverwendung vorhandenen Wissens

30 AS-Interface Hierarchie Buszugriff Topologie Master-Slave Polling Freie Topologie Anzahl Busteilnehmer 31/62 Netzausdehnung 100 m (mit Repeater 300 m) Maximale Zykluszeit Übertragungsmedium 5/10 ms 2x1,5 mm 2 (8A) 31 Verpolsichere Flachleitung Durchdringungsdorne

31 INTERBUS INTERBUS ist ein Master-Slave System. INTERBUS Standardisiertes Protokoll Interoperabilität mit Modulen verschiedener Hersteller Schnelle Reaktionszeiten und hohe Sicherheit Geeignet für schnelle Steuerungsaufgaben Ringstruktur (Schieberegister) Selbstkonfiguration, keine Adresseinstellung per Schalter INTERBUS-Master für die meisten Steuerungen Wiederverwendung vorhandenen Wissens 32

32 INTERBUS Hierarchie Buszugriff Topologie Master-Slave Keiner - Schieberegister Ring (Bus), Baum Anzahl Busteilnehmer 256 Netzausdehnung Übertragungsgeschw. Übertragungsmedium Fernbus 12.8 km 500 kbit/s / 2 Mbit/s TP, LWL, IR (Infrarot) 33

33 CAN CAN ist ein Steuerungsnetzwerk Es wird keine zentrale Steuerung benötigt. Dezentrale intelligente Steuereinheiten Kommunikations- und Steuerungsfunktionen auf einem Chip CAN Standardisiertes Protokoll (CANopen, DeviceNet) Interoperabilität mit Modulen verschiedener Hersteller Lokale Steuerungsfähigkeit Verteilung der Steuerungsfunktionen Schnelle Reaktion und hohe Sicherheit Geeignet für sehr schnelle Steuerungsaufgaben 34

34 CAN Hierarchie Buszugriff Topologie Anzahl Netzknoten Netzausdehnung Übertragungsrate Übertragungsmedium Multi-Master CSMA/CA Bus, Stern 30 ohne Repeater 2032 Full, Basic 2ˆ29 Extended 1 km bei 50kBit/s 40 m bei 1 MBit/s bis zu 1MBit/s TP 35

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