Ethernet-TCP/IP für die Industrieautomation

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1 Z738-3O2 Frank J. Furrer Ethernet-TCP/IP für die Industrieautomation Grundlagen und Praxis 2., völlig neu bearbeitete und erweiterte Auflage Hüthig Verlag Heidelberg

2 1 EINFÜHRUNG INDUSTRIEAUTOMATION DIE DREI ZEITALTER DER INDUSTRIEAUTOMATION Vorzeit: Programmierbare Steuerungen Erstes Zeitalter: Proprietäre Kommunikation Zweites Zeitalter: Bus-Hierarchien Drittes Zeitalter: Systemweite Middleware Die Rolle von Ethernet-TCP/IP Sachzwänge aus der kommerziellen Informationstechnologie ELEMENTE DER INDUSTRIELLEN AUTOMATION 10 2 DEZENTRALE STEUERUNG GRUNDIDEE DER DEZENTRALEN STEUERUNG KOMMUNIKATIONS ANFORDERUNGEN DER BEGRIFF ECHTZEIT" Echtzeitanforderungen Echtzeitverhalten Echtzeitmodell DEZENTRALE SOFTWARE STEUERUNGS ARCHITEKTUR BUS-SYSTEME FÜR DIE INDUSTRIEAUTOMATION Anforderungen an einen Feldbus Feldbusse A uswahl der industriellen Kommunikationssysteme NETZWERKE UND DIENSTQUALITÄT NETZWERKGRUNDLAGEN Der Begriff Netzwerk" Intranets, Extranets, Internet und VPNs OSI-Modell Tunnelprotokolle Repeater, Hubs, Bridges, Router und Gateways Switches DIENSTQUALITÄT (QUALITY OF SERVICE) Der Begriff QoS" QoS im OSI-Modell Serviceklassen (CoS) QoS-Implementation QoS-NETZWERKE, QoS-Architektur und Management QoS in Netzwerken für die Industrieautomation IPQOS IP Integrated Services Architecture IP Differentiated Services Framework IP QoS-Implementation 49

3 3.4.4 Standard IEEE 802.1p 29 4 ETHERNET ETHERNET-ENTWICKLUNGSGESCHICHTE KLASSISCHES ETHERNET (10 MBIT/S) Ethernet-Struktur und-topologie Zugriffsverfahren CSMA/CD Bewältigung von Kollisionen Übergeordnete Kommunikationssoftware Ethernet Packet Ethernet Adresse ETHERNET STANDARDS FAST ETHERNET (100 MBIT/S) Fast Ethernet Topologie Füll Duplex Betrieb Autonegotiation Flusssteuerung (Flow Control) Trunking GIGABIT ETHERNET (l'ooo MBIT/S) Gigabit Ethernet Topologie 69 MA C Erweiterungen GBIT/S ETHERNET 71 5 IP, UDP UND TCP TCP/IP-PROTOKOLLFAMILIE Vergleich mit OSI-Architektur Geschachtelte Protokolle PACKET-DRIVER INTERNET-PROTOKOLL IPV Internet-Funktionen IPv4 Internet-Packet (!Pv4 Datagramm) IPv4 Internet-Adressen Adress Resolution Protocol ARP Internet Control Message Protocol ICMP INTERNET-PROTOKOLL IPv6 " Neue Eigenschaften von IPv IPv6 Internet-Packet (IPv6 Datagramm) IPv6 Internet-Adressen IPv6 Einfluss auf übergeordnete Protokolle IPv6 QoS und Sicherheit TRANSMISSION CONTROL PROTOCOL TCP TCP-Eigenschaften TCP-Segment TCP-Sicherungsmechanismen Zugriff auf die TCP-Funktionen ÜBERGEORDNETE FUNKTIONEN UND PROGRAMMINTERFACES USER DATAGRAM PROTOCOL UDP UDP Eigenschaften UDP Segment 93

4 SOCKET-INTERFACE SOCKET-INTERFACE BETRIEBSPHILOSOPHIE CLIENT-/SERVER-BEZIEHUNGEN SOCKET-LlBRARY FUNKTIONEN Socket Library Verbindungsaufbau Blockierung Programmierung der Socket-Library Socket-Library für IPv REMOTE PROCEDURE CALLS Der Begriff,, RPC" RPCs über Ethernet-TCP/IP Probleme'mit RPCs RPC-Implementationen ISO TRANSPROTPROTOKOLL ÜBER TCP/IP 106 ETHERNET MIT LASTBESCHRÄNKUNG QoS PARAMETER FÜR DIE INDUSTRIEAUTOMATION ETHERNET KOLLISIONSBEREICHE (COLLISION DOMAINS) Kollisionsbereiche HO Grosse eines Kollisionsbereichs Kollisionshäufigkeit KOLLISIONSVERMEIDUNG ETHERNET-THEORIE: MITTELWERTE ETHERNET-THEORIE: WORST-CASE ETHERNET-SIMULATION: LASTBESCHRÄNKUNG Simulationsmodell für das Ethernet Simulationsmodell für die Netzwerktopologie Verifikation der theoretischen Mittelwerte Predictable" Ethernet Deterministisches Anwendungsprotokoll Lastbeschränkung 125 Die Bezeichnung Predictable Ethernet" ' SIMULATION MIT LASTBESCHRÄNKUNG (10 MBIT/S) Simulationsmodell für die einzelnen Stationen Poisson-Prozesse Meldungslängengenerator JVartezeitgenerator Resultierende Meldungsrate der Netzwerkstation Simulationsumgebung Simulationsparameter SIMULATIONSRESULTATE: EINFACHES QUELLENMODELL Simulationsreihen Simulationsresultate fiir das einfache Quellenmodell Zusammenfassung der Simulationsresultate Schlussfolgerungen aus den Simulationsresultaten mit dem einfachen Quellenmodell SIMULATIONSRESULTATE: ERWEITERTES QUELLENMODELL Status-ZControl-Meldungen 153

5 7.9.2 Datenmeldungen Koexistenz von Status-ZControl- und von Datenmeldungen Erweitertes Quellenmodell Netzwerktopologie und Stationstypen Simulationsumgebung Simulationsreihen Simulationsresultate Schlussfolgerungen aus den Simulationsresultaten 7.10 EINFLUSS DES TCP/IP-TRANSPORTPROTOKOLLES Positive Einflüsse von TCP/IP Negative Einflüsse von TCP/IP Lastbeschränkung 8 ETHERNET MIT SWITCHING 8.1 SWITCHING 8.2 SWITCH-ARCHITEKTUREN Blockierung Switch-Steuerungssoftware Switch-Managementsoftware Zeitverhalten eines Switches 8.3 NETZWERKTOPOLOGIE MIT SWITCHES 8.4 DIE ZUKUNFT DES SWITCHINGS 9 ETHERNET-TCP APIS 9.1 EINFÜHRUNG API's/ALI's Anwendungsprotokolle 9.2 TCP/IP INSTRUMENT PROTOCOL Grundlagen TCP/IP Instrument Protocol IEEE-488 Funktionen über TCP/IP 9.3 OPC (OLE FOR PROCESS CONTROL) Grundlagen COM DCOM OPC-Funktionen 9.4 SIMATIC S7-FUNKTIONEN Grundlagen ' S7-Softwarestruktur Sl'-Funktionen S7 Kommunikations-SFB 's SAPI-S7 Schnittstelle im PC/Fremdsystem 9.5 MARITIME INFORMATION TECHNOLOGY STANDARD (MITS) MiTS Übersicht MiTS Softwarestruktur MiTS T-Profile MiTS A-Profile MiTS Companion Standards 9.6 CORBA

6 Inhaltsverzeichn is 9.7 APIS AUF DER BASIS VON XML XML (Extensible Markup Language) Message-Definition API-STANDARDISIERUNG DEZENTRALE SOFTWARE-ARCHITEKTUREN DEZENTRALE SOFTWARE DEZENTRALE SOFTWARE-MECHANISMEN Einführung Remote Procedure Calls Messages Globale Daten Globaler Clock EVENT-TRIGGERED UND TIME-TRIGGERED ARCHITEKTUREN Dezentrale Event-Triggered Architektur (ETA) Dezentrale Time-Triggered Architektur (TTA) BEISPIELE VON DEZENTRALEN SOFTWARE-ARCHITEKTUREN Dezentrale SPS im asynchronem Betrieb Dezentrale SPS im synchronen Betrieb Dezentrales Objektsystem INTEGRATION IN UNTERNEHMENSWEITE NETZWERKE SICHERHEIT IN INDUSTRIELLEN NETZEN SICHERHEITSBEGRIFF IN DER INDUSTRIEAUTOMATION A bgrenzung des Sicherheitsbegriffes Netzwerk-und Rechnersicherheit Messung der Sicherheit SICHERHEITSBEREICHE BEDROHUNG Technische Bedrohung , Wahrscheinlichkeit eines Angriffes SICHERHEITSMECHANISMEN PLANUNG DER SICHERHEIT Sicherheitsstrategie Sicherheitsperimeter Bedrohung Sicherheitsarchitektur und Sicherheitsmechanismen Überwachung " IPSEC REDUNDANZ UND FEHLERTOLERANZ VERFÜGBARKEIT UND FEHLERTOLERANZ NETZWERKREDUNDANZ (ETHERNET-REDUNDANZ) Fehleranalyse für das Automatisierungsnetzwerk Redundanz Wechsel auf das redundante Netzwerk STEUERUNGSREDUNDANZ Hardwareredundanz Softwareredundanz 248

7 13 ETHERNET-TCP/IP PLANUNG UND EINSATZ PLANUNG ZEITVERHALTEN SICHERHEIT NETZWERKARCHITEKTUR UND TOPOLOGIE Netzwerkarchitektur Netzwerktopologie INDUSTRIETAUGLICHE INSTALLATION Industrielle Umgebung Galvanische Isolation Erdung Stromversorgung Zerstörungsschutz Übertragungsmedien Kabel und Stecker IMPLEMENTATION Produkte Lastbeschränkung TCP/IP-Treibersoftware Intelligente Netzwerkadapter BETRIEB AUSBLICK LITERATURVERZEICHNIS BÜCHER UND ZEITSCHRIFTEN (BLBLIOGRAFIE) INTERNET-ADRESSEN (CYBERGRAFIE) 281 ABKÜRZUNGEN UND SACHWÖRTERVERZEICHNIS 285 ABKÜRZUNGEN 285 SACHWÖRTERVERZEICHNIS 288

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