2003 IAS, Universität Stuttgart 152. Die Schnittstellen in einem Automatisierungssystem kennen

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1 3 Prozessperipherie 3.1 Schittstelle zwische dem techische Prozess ud dem Automatisierugs-Computersystem 3. Sesore ud Aktore 3.3 Darstellug der Prozessdate i Automatisierugs-Computer 3.4 Ei-/Ausgabe vo aaloge Sigale 3.5 Ei-/Ausgabe vo biäre ud digitale Sigale 3.6 Feldbussysteme 003 IAS, Uiversität Stuttgart 15 Kapitel 3: Prozessperipherie Kapitel 3 - Lerziele Die Schittstelle i eiem Automatisierugssystem kee Wisse, was Sesore ud Aktore sid ud wie sie aufgebaut werde Wisse, wie Date i Automatisierugscomputer dargestellt werde Verstehe, wie eie Aalog-Digital-Umsetzug ud umgekehrt erfolgt Uterschiedliche Umsetzer-Realisierugsforme kee Erkläre köe, wie eie digitale Eigabe ud Ausgabe vo Prozesssigale erfolgt Wisse, was ma uter Feldbussysteme versteht Die uterschiedliche Bus-Zugriffsverfahre erkläre köe Verstehe, was das Besodere a der PROFIBUS-Kommuikatio ist Die wichtigste Eigeschafte vo CAN kee 003 IAS, Uiversität Stuttgart 153

2 3 Prozessperipherie 3.1 Schittstelle zwische dem techische Prozess ud dem Automatisierugs-Computersystem Arte vo Schittstelle 3.1. AS i - Beispiel für eie Sesor-/Aktor-Bus 3. Sesore ud Aktore 3.3 Darstellug der Prozessdate i Automatisierugs-Computer 3.4 Ei-/Ausgabe vo aaloge Sigale 3.5 Ei-/Ausgabe vo biäre ud digitale Sigale 3.6 Feldbussysteme 003 IAS, Uiversität Stuttgart Arte vo Schittstelle Fuktioale Arte: Ei-/Ausgabeschittstelle Es existiert eie -Wege-Kommuikatio bei der Übertragug vo Prozess- Sigale zwische techischem Prozess ud Automatisierugs- Computersystem: Prozess-Sigaleigabe: Prozessgrösseerfassug Temperatur Prozess-Sigalausgabe: Asteuerug vo Stellglieder Vetil schließe 003 IAS, Uiversität Stuttgart 155

3 3.1.1 Arte vo Schittstelle Verbidugsarte Aschluss über Leitugsbüdel Kovetioelle Art Aschluss über Bus-Akoppel-Module (E/A-Kote) Verwedug vo Feldbuskoppler Aschluss über Sesor/Aktor Bus-System Moderste Form: Verwedug itelligeter Sesore ud Aktore Direkter Aschluss vo Sesore ud Aktore Bei der Produktautomatisierug Kurze Leituge zum Mikrocotroller Ei/ Ausgabe über Feldbus-Systeme Bei der Alageautomatisierug Reduzierug der Verkabelug ud Istallatioskoste 003 IAS, Uiversität Stuttgart Arte vo Schittstelle Übersicht Kopplug Automatisierugs- Computer mit techischem Prozess ud zugehörige Schittstelle Prozess- Sigal- Ei/ Ausgabe Automatisierugs- Computer (z.b. SPS, PC) Bus-Koppler Prozessbus Bus-Koppler Schittstelle zu de höhere Ebee der Computer- Hierarchie Recher-Ei-/ Ausgabe-Schittstelle (Recher- Systembus) Prozessperipherie- Schittstelle (elektrische oder optische Sigale) Feldbus Feldbus- Schittstelle... E/A- Kote E/A- Kote Sesor/Aktor-Bus Sesor/Aktor- Schittstelle (elektrische oder optische Sigale) Sesore ud Aktore Bk Techischer Prozess i eiem techische System Bk Bk... Bk Prozessgrößeschittstelle (physikalische Größe) 003 IAS, Uiversität Stuttgart 157

4 3.1. AS i - Beispiel für eie Sesor-/Aktor-Bus Aforderuge a ei Bussystem auf Aktor-Sesor-Ebee Sesore/Aktore verschiedeer Hersteller aschließbar Kurze Systemreaktioszeit Gerige Aschlusskoste Geriges Bauvolume Eifache Hadhabug bei Verkabelug ud Ibetriebahme Ziele des Aktor-Sesor Iterface (AS i) Ausrichtug auf Aktor-Sesor-Ebee Gerige Datemege pro Teilehmer Kurze Reaktioszeite Ersatz der parallele Verkabelug vo biäre Aktore/Sesore Sigale ud Spaugsversorgug über die gleiche Leitug 003 IAS, Uiversität Stuttgart AS i - Beispiel für eie Sesor-/Aktor-Bus Eigeschafte vo AS i Beliebige Netzstruktur Übertragugsprizip Sigle-Master-System mit zyklischem Pollig eie fixe Adresse pro Slave max. 31 Slaves pro Strag bis zu 4 Sesore/Aktore pro Slave Übertragugsmedium ugeschirmte ud uverdrillte Zweidrahtleitug gemeisame Nutzug für Date ud Eergie Nutzdate ud Zykluszeit 4 Bit Nutzdate 5 ms max. Zykluszeit Zykluszeit passt sich der Azahl der Slaves a 003 IAS, Uiversität Stuttgart 159

5 3.1. AS i - Beispiel für eie Sesor-/Aktor-Bus AS i- Prizipaufbau 1 Masterkote Koste für Masterchip ca. 10 Variate 1: I Steuerug itegrierter Kote Variate : Separates Aufschaltmodul (z.b. für SPS) Überwacht Buskommuikatio Slavekote Koste für Slavechip ca. 5 Variate 1: Sesore/Aktore mit itegriertem AS i - Slavechip Variate : Separates Aufschaltmodul AS i - Masterkote Netzgerät Steuerug AS i - Masterchip AS i - Leitug Gemeisame Leitug für Sigale ud Versorgug AS i -Slavechip Modulschaltug S/ A S/ A S/ A S/ A AS i -Slavechip Sesor/Aktuator AS i - SlaveKote 003 IAS, Uiversität Stuttgart AS i - Beispiel für eie Sesor-/Aktor-Bus Sigal ud Versorgug auf der selbe Zweidrahtleitug Sigal wird auf Gleichspaugsversorgug aufmoduliert Voraussetzug: Kei Gleichstromateil der Sigale Realisierug mittels Alteriereder Puls-Modulatio (APM) Sederseite Soll-Bitfolge i Machestercodierug Beispielfolge Pause Erzeugug eies Stromsigals Wadlug des Stromsigals i Spaugssigal Aufschaltug auf Versorgugsspaug 60mA 0 U b V V Empfägerseite Detektio vo positive ud egative Impulse Rückgewiug der ursprügliche Bitfolge Pause IAS, Uiversität Stuttgart 161

6 3 Prozessperipherie 3.1 Schittstelle zwische dem techische Prozess ud dem Automatisierugs-Computersystem 3. Sesore ud Aktore 3..1 Sesore 3.. Aktore 3.3 Darstellug der Prozessdate i Automatisierugs-Computer 3.4 Ei-/Ausgabe vo aaloge Sigale 3.5 Ei-/Ausgabe vo biäre ud digitale Sigale 3.6 Feldbussysteme 003 IAS, Uiversität Stuttgart Sesore Sesore Aufgabe Aufehmer, Messwertaufahmeeirichtug Erfassug physikalischer Prozessgröße Umwadlug i eie zur Weiterverarbeitug geeigete Form Grezwert-Überwachug Selbsttest Selbstkalibrierug Itelligete Sesore Apassug a ei Bussystem Sie des Automatisierugssystems 003 IAS, Uiversität Stuttgart 163

7 3..1 Sesore Sesorelemet Aufgabe Wadlug eier icht-elektrische physikalische Größe i eie elektrische oder optische Größe Fühler, Geber Ausutzug physikalischer Effekte Widerstadsäderug Äderug der Iduktivität Äderug der Kapazität Piezoelektrischer Effekt Thermoelektrischer Effekt Photoelektrischer Effekt Wirbelstrom-Effekt Strahlugsabsorptio 003 IAS, Uiversität Stuttgart Sesore Sesorelemet Äußere Eiflüsse (z.b. Temperatur) physikalische (icht-elektrische ud icht-optische) Eigagsgröße Sesorelemet elektrische oder optische Ausgagsgröße Hilfseergie Sesor äußere Eiflüsse physikalische (ichtelektrische) Eigagsgröße Sigal- Aufbereitug ichtelektrisch elektrisch Hilfseergie mecha. Umsetzelemet Sesorelemet elektrische oder optische Ausgagsgröße 003 IAS, Uiversität Stuttgart 165

8 3..1 Sesore Itelligeter Sesor "Itelligeter" Sesor Bus-Apassug physikalische Eigagsgröße mecha. Umsetzelemet Sesorelemet Verstärker Aalog- Digital- Umsetzer Mikroprozessor Sesor- Bus Kalibrierug 003 IAS, Uiversität Stuttgart Sesore Klassifizierug ach der Art des Sesorausgagssigals biäre Sesore digitale Sesore amplitudeaaloge Sesore frequezaaloge Sesore Sesorsystem Itegratio mehrerer Sesore für verschiedee Prozessgröße mit der Auswerteelektroik auf eiem Bauelemet 003 IAS, Uiversität Stuttgart 167

9 3..1 Sesore Biäre Sesore Ja/ Nei-Iformatio Grezwertgeber/ Schwellwertgeber Beispiel: Edschalter, berührugslos arbeitede Gabellichtschrake Digitale Sesore Umwadlug der ichtelektrische Messgröße i ei digitales Ausgagssigal Umsetzarte direkte Umsetzug Umwadlug des ichtelektrische Sigals mittels Codescheibe (Drehbewegug) oder Codelieal (Liearbewegug) i ei digitales Sigal idirekte Umsetzug Umwadlug des ichtelektrische Sigals i amplitude-aaloges Sigal, da Aalog-Digital- Wadlug 003 IAS, Uiversität Stuttgart Sesore Amplitudeaaloge Sesore Umformug eier ichtelektrische Messgröße i ei amplitudeaaloges Ausgagssigal, d.h. Amplitude des elektrische Ausgagssigals ist proportioal der zu messede physikalische Größe Oft mit Umformerstufe im selbe Gehäuse Verstärkug Normierug Liearisierug Temperaturkompesatio Für alle wichtige Messgröße verfügbar 003 IAS, Uiversität Stuttgart 169

10 3..1 Sesore Frequezaaloge Sesore Liefer ei Wechselspaugssigal, desse Frequez der zu messede physikalische Größe proportioal ist Vorteile: Uempfidlichkeit gege Störbeeiflussug auf de Übertragugsleituge eifache Frequez-Digitalumsetzug durch Zähltechik kei Geauigkeitsverlust bei Verstärkug ud Übertragug eifache Potezialtreug mit Übertrager Selte im Vergleich zu amplitudeaaloge Sesore 003 IAS, Uiversität Stuttgart Sesore Arte Physikalische Prozessgröße Sesorelemet Ausgagsgröße Temperatur Druck Kraft Drehzahl Beschleuigug Durchfluss Thermoelemet Metallische Widerstäde Halbleiter-Widerstäde (Heißleiter) Keramik-Widerstäde (Kaltleiter) Druckdose mit Membra ud Dehugsmessstreife Druckdose mit Silizium-Membra (piezoresistiver Effekt) Dehugsmessstreife Iduktiver Kraftmessfühler Piezoelektr. Fühler Tachogeerator Impulszählug Silizium-Piezowiderstad Silizium-Kodesator Rigkolbezähler Iduktive Durchflussmesser mv Widerstadsäderug Widerstadsäderug Widerstadsäderug Widerstadsäderug Widerstadsäderug Widerstadsäderug Iduktivitätsäderug Ladug V Impulsfolge Widerstadsäderug Kapazitätsäderug Impulsfolge mv Aäherug Hallelemet aus Silizium mv Wikel Wikelkodierer Impulsgeber Digitalwert Impulsfolge Feuchte Lithiumchlorid-Feuchtefühler mv Lichtitesität Photodiode Photowiderstad µa Widerstadsäderug 003 IAS, Uiversität Stuttgart 171

11 3.. Aktore Aktore Aufgabe vo Aktore ist die Umsetzug der vom Automatisierugs- Computersystem ausgegebee Iformatioe i Stelleigriffe i dem techische Prozess Muskel des Automatisierugssystems Aktor als Wadler vo Iformatio i eie Stelleigriff Iformatio (z.b. auf eiem Sesor/Aktor-Bus oder Feldbus) Aktor Hilfseergie Stelleigriff (z.b. Weg, Kraft, Wikel, Drehmomet) Aktore für uterschiedliche Stellgröße optische Größe mechaische Größe thermische Größe Durchflüsse 003 IAS, Uiversität Stuttgart Aktore Aktore mit mechaischer Ausgagsgröße Aktorprizip Elektromechaische Bewegug Hydraulischer Stellzylider Peumatischer Stellzylider Piezoelektischer Effekt Magetostriktiver Effekt Elektrorheologischer Effekt Magetorheologischer Effekt elektrisch erzeugter Gasdruck Bimetall-Effekt Memory-Metalle Silizium-Mikrotechik Aktore Elektromotor, Schrittmotor, Elektromaget, Liearmotor Hydraulische Aktore Peumatische Aktore Piezoelektrische Aktore, Elektrostriktive Aktore Magetostriktive Aktore Elektrorheologische Aktore Magetorheologischer Aktore Chemische Aktore Thermo-Bimetall-Aktore Memory-Metalle-Aktore Mikromechaische Aktore 003 IAS, Uiversität Stuttgart 173

12 3 Prozessperipherie 3.1 Schittstelle zwische dem techische Prozess ud dem Automatisierugs-Computersystem 3. Sesore ud Aktore 3.3 Darstellug der Prozessdate i Automatisierugs-Computer 3.4 Ei-/Ausgabe vo aaloge Sigale 3.5 Ei-/Ausgabe vo biäre ud digitale Sigale 3.6 Feldbussysteme 003 IAS, Uiversität Stuttgart Darstellug der Prozessdate i Automatisierugs-Computer Arte vo elektrische Prozess-Sigale aaloge Prozess-Sigale amplitudeaalog frequezaalog phaseaalog biäre Prozess-Sigale Schalterstellug digitale Prozess-Sigale -Bit-Wort Prozess-Sigale i Form vo Impulse Drehzahlgeber Prozess-Sigale i Form vo Impulsflake Zustadsübergag eier Prozessgröße 003 IAS, Uiversität Stuttgart 175

13 3.3 Darstellug der Prozessdate i Automatisierugs-Computer Umsetzug ud Darstellug aaloger Prozessgröße Aaloge Prozessgröße müsse vor ihrer Verarbeitug i eiem Computersystem i eie digitale Größe umgesetzt werde. Dabei wird der aaloge Wertebereich digital diskretisiert. Darstellugsfehler (% vom Darstellugsitervall Wertverschlüsselug des Aalog-Digital-Umsetzers Bits Dezimalzahle Erford. Wortläge (Bytes) 0,39% 0,1% 0,05% 0,006% 0,0015% wichtig: Für die Darstellug aaloger Prozessgröße reicht eie Wortläge vo 16 Bit aus 003 IAS, Uiversität Stuttgart Darstellug der Prozessdate i Automatisierugs-Computer Darstellug digitaler Prozessgröße Digitale Prozessgröße werde meist als Dual-, Oktal- oder Hexadezimalzahl agegebe. Die Abbildug veraschaulicht die Umrechug i die eizele Systeme. Bit-Nr.: Dualzahl: Oktalzahl: Hexadezimalzahl: 17DB D B wichtig: Für die Darstellug digitaler Prozessgröße reicht eie Wortläge vo 16 Bit i aller Regel aus 003 IAS, Uiversität Stuttgart 177

14 3.3 Darstellug der Prozessdate i Automatisierugs-Computer Darstellug vo Kotaktstelluge Kotaktstelluge werde häufig zu eiem Recherwort zusammegefasst. Bei eier solche Zusammefassug müsse da eizele Bits zugreifbar ud maipulierbar sei Bit-Stelle wichtig: Für die Darstellug biärer Prozessgrösse ud impulsförmiger Prozessgrösse reicht eie Wortläge vo 16 Bit im allgemeie völlig aus Frage: Wozu 3-Bit-Recher für Automatisierugsaufgabe? größerer Adressraum, größere Rechergeschwidigkeit 003 IAS, Uiversität Stuttgart Prozessperipherie 3.1 Schittstelle zwische dem techische Prozess ud dem Automatisierugs-Computersystem 3. Sesore ud Aktore 3.3 Darstellug der Prozessdate i Automatisierugs-Computer 3.4 Ei-/Ausgabe vo aaloge Sigale Aalog-Eigabe 3.4. Aalog-Ausgabe Umsetzer 3.5 Ei-/Ausgabe vo biäre ud digitale Sigale 3.6 Feldbussysteme 003 IAS, Uiversität Stuttgart 179

15 3.4.1 Aalog-Eigabe Forme aaloger Prozess-Sigale elektrische Spaugssigale elektrische Stromsigale elektrische aaloge Widerstadswerte Forme der Sigalwadlug Realisierug ergibt sich aus Aforderuge des Gesamtsystems schelle A/D-Wadlug Sigale werde sofort beötigt lagsame A/D-Wadlug Ausutzug der Verarbeitugszeit 003 IAS, Uiversität Stuttgart Aalog-Eigabe Grudsätzlicher Aufbau Date Adresse Steuersigale Durch- schalt- elemete Zuleituge Rechersystembus Sesore Busakopplug Aalog- Digital- Umsetzer 1 1 D A U Adresse- Decodierug 1 m Vorverstärker Prozessperipherie- Schittstelle Sesore-Schittstelle 003 IAS, Uiversität Stuttgart 181

16 3.4.1 Aalog-Eigabe Schelle Aalog-Digital-Umsetzug Schelle Aalog-Digital-Umsetzug ADU mit Umsetzzeit vo µs, d.h. Abtastfrequez > Werte pro Sekude Date 1. Durchschaltug des Aalogsigals zum ADU ud Umsetzug. Eigabe des gewadelte Werts über de Datebus Busakopplug Adresse Steuersigale Adresse- Decodierug 1 m Aalog- Digital- Umsetzer Vorverstärker 1 1 D A Rechersystembus Prozessperipherie- Schittstelle Sesore-Schittstelle Durch- schalt- elemete Zuleituge Sesore U 003 IAS, Uiversität Stuttgart Aalog-Eigabe Lagsame Aalog-Digital-Umsetzug Lagsame Aalog-Digital-Umsetzug ADU mit Umsetzzeit vo > 100 µs, d.h. Abtastfrequez < Werte pro Sekude 1. Adresse des eizugebede Aalogsigals wird zur Durchschaltug ausgegebe. Umsetzug i Digitalwert wird gestartet 3. Aderes Programm wird zur Ausutzug der relativ lage Umsetzzeit gestartet 4. We Umsetzug beedet ist, wird Iterruptsigal erzeugt 5. Etsprechedes Iterruptprogramm liest gewadelte Iformatioe ei 003 IAS, Uiversität Stuttgart 183

17 3.4. Aalog-Ausgabe Aalog-Ausgabe Umsetzug der vom Automatisierugs- Computer kommede digitale, zeitdiskrete Werte i kotiuierliche Sigale & & & Date Adresse Steuersigale Adresse- Decodierug 1 m Durchschaltelemet D D D A A A Zwischespeicher D/A-Umsetzer Prizipieller Aufbau eies Aalog-Ausgabe- Moduls Ausgabestufe Zuleituge Rechersystembus Prozess- peripherie- Schittstelle Sesor-/ Aktor- Schittstelle Stellglied Regler 003 IAS, Uiversität Stuttgart Aalog-Ausgabe Hiweise zur Aalog-Ausgabe Zwischespeicher wird beötigt, um Iformatioe am Durchschaltelemet zu speicher Aaloge Stelleigriffe sehr häufig über Stellmotore, die mit Biärsigale über die Digital-Ausgabe agesteuert werde Aaloger Ausgabewert etspricht der Zeitdauer der Biärsigalausgabe 003 IAS, Uiversität Stuttgart 185

18 3.4.3 Umsetzer Arte vo Aalog-Digital-Umsetzer (ADU) Mometawertumsetzer Eizele Werte eies aaloge Prozess-Sigals werde abgetastet ud i digitale Werte umgesetzt Itegrierede Umsetzer (Mittelwertumsetzer) Aaloges Prozess-Sigal wird über eie Periode T der Netzfrequez itegriert ud der Mittelwert gebildet Mittelwert wird i digitale Wert umgesetzt 1 kt ukt ( ) = T utdt ( ) ( k 1) T Vorteil: hohe Mess-Sicherheit Vergleichsweise geriger Aufwad Ausschaltug vo hochfrequete, aperiodische Störspitze Uterdrückug vo etzfrequete Störspauge Nur für relativ lagsam veräderliche Prozess-Sigale awedbar 003 IAS, Uiversität Stuttgart Umsetzer Prizip des itegrierede ADU 1 kt ukt ( ) = utdt ( ) T ( k 1) T aaloges Prozess-Sigal, dem eie 50 Hz-Störspaug sowie hochfrequete Störspitze überlagert sid u (t) T (k-1) T kt (k+1) T t T = Vielfaches vo 0 ms bei 50 Hz Netzfrequez 003 IAS, Uiversität Stuttgart 187

19 3.4.3 Umsetzer Umsetzverfahre für ADU Vorteil Nachteil hohe Störspaugsuterdrückug Umsetzverfahre Mometawertumsetzer hohe Umsetzgeschwidigkeit Werte/s Störimpulse bewirke Verfälschug der Digitalwerte Zählmethode, Stufemethode, direkte Methode Mittelwertusetzer Gerige Umsetzgeschwidigkeit Spaugszeit- oder Spaugsfrequez- Umsetzer 003 IAS, Uiversität Stuttgart Umsetzer Mometawert-ADU ach dem Zählverfahre Prizipieller Aufbau aaloges + Komparator Eigagssigal D/A-Umsetzer Z ä h l e r... U E U S Digitales Ausgagssigal (-Bit-Wort Taktgeber & 003 IAS, Uiversität Stuttgart 189

20 3.4.3 Umsetzer Prizipielle Vorgehesweise U S am Ausgag des DAU s Vergleich mit U E Bei Gleichheit erfolgt keie Zählerasteuerug aderefalls wird Zähler (im Takt) erhöht eues Zählersigal wird D/A-gewadelt Verfahre wird solage wiederholt, bis U S > U E D/A-Umsetzer 1 UE aaloges Eigagssigal + Komparator U S - digitales Ausgagssigal (-Bit-Wort) U S aaloge Eigagsspaug U S U E Z ä h l e r & Taktgeber t 1 t 003 IAS, Uiversität Stuttgart Umsetzer Umsetzzeit beim Mometawert-ADU ach dem Zählverfahre Umsetzzeit T ist abhägig vo Eischwigverhalte DAU s Schaltgeschwidigkeit des Komparators Eigagsspaug Wortläge des digitale Ausgags (max. Schritte) Taktfrequez f Taktfrequez hägt wiederum vo Eischwigzeit des DAU ud Schaltgeschwidigkeit des Komparators ab 003 IAS, Uiversität Stuttgart 191

21 3.4.3 Umsetzer Mometawert-ADU ach der Stufemethode Prizipieller Aufbau D/A-Umsetzer U S U E Steuerug Taktgebe + Komparator aaloges Eigagssigal Ausgagsregister digitale Ausgagssigale 003 IAS, Uiversität Stuttgart Umsetzer Prizipielle Vorgehesweise Steuerug setzt höchstwertiges Bit (MSB = Most sigificat Bit) U S am Ausgag des DAU s Vergleich mit U E ist U E > U S bleibt MSB gesetzt, sost zurückgesetzt Verfahre wird für die weitere Bits wiederholt ach letztem Vergleich (Bit ) steht der Wert des aaloge Eigagssigals digital codiert im Ausgagsregister aaloge Eigagsspaug U S U E Dualwerte t digitales Sigal 003 IAS, Uiversität Stuttgart 193

22 3.4.3 Umsetzer Umsetzzeit beim Mometawert-ADU ach der Stufemethode Umsetzzeit T kostat (ach Schritte liegt Ergebis vor) T= /f Begrezug durch Eischwigzeit des DAU Schaltzeit des Komparators 003 IAS, Uiversität Stuttgart Umsetzer Mometawert-ADU ach dem Parallelumsetzverfahre Prizipieller Aufbau aaloges Eigagssigal U E Referezspaug U R Komparatore ~ + + K -1 K Codeumsetzer 1 -bit-wort Wiederstadsetzwerk + K IAS, Uiversität Stuttgart 195

23 3.4.3 Umsetzer Prizipielle Vorgehesweise Eigagssigal wird auf - 1 Komparatore gegebe Über Widerstadsetzwerk mit Referezspaugsquelle werde Vergleichsspauge erzeugt Umwadlug durch Codeumsetzer i -Bit-Wort Umsetzzeit beim Parallelumsetzverfahre Abhägig vo der Schaltgeschwidigkeit der Komparatore ud des Codeumsetzers 10 8 Werte/sec Sehr aufwädig, 8-Bit ADU beötigt 8-1 Komparatore 003 IAS, Uiversität Stuttgart Umsetzer Itegriereder ADU ach dem Dual-slope-Verfahre Prizipieller Aufbau aaloge Eigagsspaug U E S Dual-slope-ADU ist ei Spaugs-Zeit-Umsetzer R I C C U Ref + OV - U C + Komparator - U K Zähler digitales Sigal Steuerlogik Taktgeber 003 IAS, Uiversität Stuttgart 197

24 3.4.3 Umsetzer Prizipielle Vorgehesweise Kodesator C wird vo t 0 bis t 1 mit dem Strom I C = U E /R gelade U Ref wird am Eigag des Itegrierers ach t 1 agelegt Kodesator C wird etlade, U E bestimmt Zeitdauer der Etladug Zeit bis U C = 0V ist direkt proportioal zu U E Zeitdauermessug durch Zähler, der Impulse eies Taktgebers zählt aaloge Eigagsspaug U E S R IC C U Ref + OV - U C + Komparator - UK Zähler digitales Sigal Steuerlogik Taktgeber 003 IAS, Uiversität Stuttgart Umsetzer Sigalverläufe im ADU ach dem Dual-slope-Verfahre U C U C U C1 Ausgag Itegrierer t 0 t U K Ausgag Komparator t 0 t 1 t t 3 Vorteile Lagzeitveräderuge gehe icht i die Messug ei Geauigkeit ist uabhägig vom Produkt R*C, ur abhägig vo der Geauigkeit der Referezquelle ud der Operatiosverstärker t 003 IAS, Uiversität Stuttgart 199

25 3.4.3 Umsetzer Arte vo Digital-Aalog-Umsetzer (DAU) Großteil der DAUs arbeitet ach dem Direktverfahre mit Widerstadsetzwerk Uterschiedliche Auspräguge des Widerstadsetzwerks Mögliche Arte der Realisierug DA-Umsetzug durch Summatio gewichteter Ströme DA-Umsetzug mit eiem Leiteretzwerk 003 IAS, Uiversität Stuttgart Umsetzer Realisierug eies DAU durch Summatio gewichteter Ströme U REF MSB S 0 R R 4R R R + - U A S LSB -1 R -1 Nachteile: stark uterschiedliche Potetiale a de Schalter (Bipolare Trasistore oder Feldeffekttrasistore) erforderliche Geauigkeit der stark uterschiedliche Widerstadswerte sehr schwer eizuhalte 003 IAS, Uiversität Stuttgart 01

26 3.4.3 Umsetzer Realisierug eies DAU s mit Hilfe eies Leiteretzwerkes i REF U REF R U REF / R U REF /4 R U REF /8 U REF R = R 0 R = R 1 R = R R = R 3 R i 0 i 1 i i 3 S 0 S 1 S S 3 R R + i ges U i = Ref U Ref 0 i1 = R 4R i = U Ref 8R i 3 = U Ref 16R - U A Ströme addiere sich je ach Schalterstellug zum Strom i ges Operatiosverstärker erzeugt U A Schalter sid meist bipolare Trasistore oder Feldeffekttrasistore 003 IAS, Uiversität Stuttgart 0 3 Prozessperipherie 3.1 Schittstelle zwische dem techische Prozess ud dem Automatisierugs-Computersystem 3. Sesore ud Aktore 3.3 Darstellug der Prozessdate i Automatisierugs-Computer 3.4 Ei-/Ausgabe vo aaloge Sigale 3.5 Ei-/Ausgabe vo biäre ud digitale Sigale Digital-Eigabe 3.5. Digital-Ausgabe 3.6 Feldbussysteme 003 IAS, Uiversität Stuttgart 03

27 3.5.1 Digital-Eigabe Digital-Eigabe Eigabe vo eizele biäre Prozess-Sigale Bsp.: Edschalter, Maximalwertgeber Eigabe vo Gruppe vo biäre Prozess-Sigale Bsp.: Stellug mehrstufiger Schalter Arte der biäre Eigabesigale Biäre Spaugseigabe Biäre Stromeigabe Biäre Kotakteigabe Stromversorgug für Kotaktgeber Eirichtug zur Uterdrückug vo Kotaktprelluge 003 IAS, Uiversität Stuttgart Digital-Eigabe Uterscheidug bezüglich Sigalparameter Statische Digital-Eigabe High ad Low für biäres Sigal etspreche de zwei Zustäde Dyamische Digital-Eigabe (Impulseigabe) Flake des Sigals diee als biäre Sigalparameter Übergag vo High auf Low ud umgekehrt setzt zugeordetes Speicherelemet Spotae Digital-Eigabe falls Iterrupt ausgelöst wird 003 IAS, Uiversität Stuttgart 05

28 3.5.1 Digital-Eigabe Grudsätzlicher Aufbau eier statische Digital-Eigabe Eigabeoperatio erfolgt i zwei Schritte: 1. Bereitstellug der Adresse der Biärsigale, die zu eier Gruppe zusammegefasst sid, auf dem Adressbus. >1 Date Adresse Steuersigale Adresse- Decodierug 1 m Rechersystembus. Durchschalte der adressierte Biärsigale zum Datebus Zuleituge & & & Prozessperipherieschittstelle Sesor- Schittstelle 003 IAS, Uiversität Stuttgart Digital-Ausgabe Digital-Ausgabe Grudsätzlicher Aufbau eies Digital-Ausgabe-Moduls Date Adresse Steuersigale Rechersystembus Ausgabe vo eizele Biärsigale Adresse- Decodierug 1 m Ausgabe eier Gruppe vo Biärsigale & & & Durchschaltelemet Zur Realisierug vo Dauersigale Zwischespeicher Ausgabestufe Zuleituge Biärsigal- Aktore Prozessperipherieschittstelle Sesor-/ Aktor- Schittstelle 003 IAS, Uiversität Stuttgart 07

29 3.5. Digital-Ausgabe Arte der biäre Ausgabesigale Spaugsausgabe Stromausgabe Ausgabe potezialfreier Kotaktstelluge Durchführug vo Digital-Ausgabe Ausgabesigal vom Prozess-Recher ist ur da gültig, we etsprechede Adresse a Adressbus aliegt Asteuerug vo Geräte (Schütze, Relais, Lampe) beötige Dauersigal als Eigagssigal Zwischespeicher Ausgabeoperatio i drei Schritte: 1. Bereitstellug der Adresse des auszugebede Wortes. Ausgabe der agewählte Biärsigale i de Zwischespeicher 3. Ausgabe des Dauersigals aus dem Zwischespeicher 003 IAS, Uiversität Stuttgart 08 3 Prozessperipherie 3.1 Schittstelle zwische dem techische Prozess ud dem Automatisierugs-Computersystem 3. Sesore ud Aktore 3.3 Darstellug der Prozessdate i Automatisierugs-Computer 3.4 Ei-/Ausgabe vo aaloge Sigale 3.5 Ei-/Ausgabe vo biäre ud digitale Sigale 3.6 Feldbussysteme Übersicht 3.6. Bus-Zugriffsverfahre Der Profibus Der Iterbus-S Der CAN-Bus (Cotroller Area Network) Zeitgesteuerte Bussysteme - Bsp. TTP 003 IAS, Uiversität Stuttgart 09

30 3.6.1 Übersicht Motivatio für die Eiführug vo Feldbussysteme Schwäche kovetioeller Verbidugstechike: 1 Leitug pro Bauelemet sehr aufwädig uflexibel bei Äderuge ud Erweiteruge Eisatz serieller Bussysteme für Kommuikatio zwische de Sesore/Aktore ud dem Automatisierugs-Computersystem zur Sekug der Projektierugs- ud Istallatioskoste Awedugsbereiche: Gebäudeautomatisierug Produktiosautomatisierug Kfz-Elektroik (Steuerug + Überwachug) Alageautomatisierug 003 IAS, Uiversität Stuttgart Übersicht Aforderuge a Feldbus-Systeme Ma uterscheidet zwische allgemeie Aforderuge wie Zuverlässige Kommuikatio uter alle Umgebugsbediguge, Eifache Hadhabug durch Istadhaltugspersoal, Eifache ud robuste Aschlusstechik, Eigesicherheit i explosiosgefährdete Bereiche, ud awedugsbezogee Aforderuge wie Azahl der Ei-/Ausgagssigale, Komplexität, Graularität, Alageausdehug, Echtzeitaforderuge. 003 IAS, Uiversität Stuttgart 11

31 3.6.1 Übersicht Termiologie Feldbereich: Jeer Teil des Automatisierugssystems welcher i räumlicher Nähe oder direkter Verbidug zum techische Prozess steht Feldgeräte: Mess-, Schalt- ud Stellgeräte, Regeleirichtuge ud Bediegeräte, die direkt mit dem techische Prozess i Iteraktio trete Feldbussysteme: Serielle Datekommuikatiossysteme für de Dateaustausch im Feldbereich. Hier besoders Aforderuge a die Sicherheit der Dateübertragug: Dateitegrität, EMV-Resistez 003 IAS, Uiversität Stuttgart Übersicht Feldbussysteme Beispiele Hersteller ud Haupteisatzgebiet AS-Iterface 11 Aktor-/Sesorhersteller, Eifache Schittstelle biärer Feldgeräte INTERBUS-S Phoeix Cotact Eisatz i Fertigugsautomatisierug PROFIBUS (Process Field Bus) Verbudprojekt Feldbus europäischer Feldbusstadard Foudatio Fieldbus Fieldbus Foudatio amerikaischer Feldbusstadard FIP (Flux Iformatio Processbus) fraz.- ital. Kosortium frazösischer Feldbusstadard CAN BOSCH Haupteisatzgebiet i Kfz-Idustrie EIB (Europea Istallatio Bus) Hersteller Elektroistallatiostechik Gebäudeautomatisierug 003 IAS, Uiversität Stuttgart 13

32 3.6.1 Übersicht Klassifizierug vo Feldbuskozepte Kozept 1 Kozept Kozept 3 Zetraler Computerbereich Feldbus- Schittstelle Feldbus Automati- sierugs- Computer Automati- sierugs- Computer E/A- Kote Feldbus E/A- Kote Feldbus (Sesor/ Aktor- Bus) Feldbereich Sesor/ Aktor- Schittstelle 003 IAS, Uiversität Stuttgart Bus-Zugriffsverfahre Arte vo Bus-Zugriffsverfahre Bus-Zugriffsverfahre = Regel für das Sede vo Nachrichte Determiistischer Buszugriff Festgelegtes Verfahre für Sedeberechtigug Atwortzeitverhalte vorhersagbar Bsp.: Master/Slave-Verfahre, Toke-Passig-Verfahre, TDMA-Verfahre Zufälliger Buszugriff Permaetes Mithöre Ereigisgesteuerte Kommuikatio Niedrige mittlere Busbelastug Atwortzeitverhalte icht vorhersagbar Bsp.: CSMA-Verfahre (CSMA/CD, CSMA/CA) 003 IAS, Uiversität Stuttgart 15

33 3.6. Bus-Zugriffsverfahre Master/Slave-Verfahre Prizip Übergeordeter Busteilehmer (Master) steuert Buszugriff Kommuikatio immer zwische Master ud Slaves Vorteile: Eifache Orgaisatio Sichergestellte Maximalzeit Nachteile: Maximale Latezzeit proportioal zur Azahl der Busteilehmer Bei Ausfall des Masters keie Kommuikatiosbeziehug mehr möglich Beispiele: AS-Iterface, Bitbus, Profibus 003 IAS, Uiversität Stuttgart Bus-Zugriffsverfahre Toke-Passig-Verfahre Weitergabe des Toke (Sederecht) vo Teilehmer zu Teilehmer ach eier maximale Zeitdauer. Arte des Toke-Passig-Verfahres Toke Bus Liietopologie logische Folge vo Teilehmer Toke Rig Rigtopologie Reihefolge des Sederechts etspricht physikalischer Reihefolge Vorteile + gutes, vorhersagbares Echtzeitverhalte + sehr gute Hochlasttauglichkeit Nachteile - lage Verzögerugszeite im Fehlerfall - Überwachug der Tokeweitergabe - Reiitialisierug ach Tokeverlust Beispiel: Profibus 003 IAS, Uiversität Stuttgart 17

34 3.6. Bus-Zugriffsverfahre TDMA- Verfahre (1) Time Divisio Multiple Access Jeder Teilehmer ierhalb eier Periode (TDMA-Zyklus) bekommt eie oder mehrere Zeitschlitze bestimmter Läge Prizip des verteilte Schieberegisters Master-Schieberegister mit m * Bit Takt Register i Teilehmer 1 Register i Teilehmer Register i Teilehmer 003 IAS, Uiversität Stuttgart Bus-Zugriffsverfahre TDMA- Verfahre () Vorteile kurze, kostate Zykluszeit geriger Protokoll Overhead Nachteile zeitliche Sychroisierug der Teilehmer otwedig ugeeiget für autoome Teilehmer weig flexibel, keie dyamische Apassug Beispiel: INTERBUS-S 003 IAS, Uiversität Stuttgart 19

35 3.6. Bus-Zugriffsverfahre Verfahre mit zufälligem Bus-Zugriff CSMA-Verfahre Carrier Sese Multiple Access Prizip: Jeder Teilehmer hat Buszugriff ohe explizite Sederechtszuteilug. (Multiple Access) Ablauf eies Sedevorgags: 1) jeder Teilehmer prüft, ob Bus frei (Carrier Sese) ) we frei, Sedeversuch 3) im Falle vo Kollisioe, Wiederholug des Sedeversuchs Uterschiedliche Arte des CSMA-Verfahres: CSMA-CD (Collisio Detectio) CSMA-CA (Collisio Avoidace) 003 IAS, Uiversität Stuttgart Bus-Zugriffsverfahre CSMA/CD-Verfahre (Collisio Detectio) Erkeug vo Kollisioe durch Dateabgleich Sedewiederholug ach teilehmerspezifischer Wartezeit Vorteile iedrige Busbelastug kurze Latezzeit im Niederlastbereich Nachteile im Hochlastbereich lage Wartezeite 003 IAS, Uiversität Stuttgart 1

36 3.6. Bus-Zugriffsverfahre CSMA/CA-Verfahre (Collisio Avoidace) Vermeidug vo Kollisioe durch Prioritätsregel Prioritätsregel Adress-Arbitrierug Teilehmer mit iedrigster/ höchster Adresse setzt sich bei gleichzeitigem Sedeversuch durch. Beispiel: CAN- Bus Zeitspae-Zuordug Nach Beedigug eier Sedug teilehmerspezifische Wartezeitspae 003 IAS, Uiversität Stuttgart Der Profibus Eigeschafte des Profibus Feldbusfamilie: PROFIBUS - DP PROFIBUS - FMS PROFIBUS - PA (Dezetrale Peripherie) (Field Message Specificatio) (Prozess-Automatisierug) Uterscheidug vo Master- ud Slave-Teilehmer Master-Teilehmer (aktive Teilehmer) Sedug vo Nachrichte ohe Aufforderug bei Tokebesitz Toke-Passig-Verfahre für aktive Teilehmer Slave-Teilehmer (passive Teilehmer) kei Tokebesitz möglich Quittierug vo Nachrichte auf Afrage Nachrichteübermittlug Master-Slave-Verfahre zwische aktive ud passive Teilehmer 003 IAS, Uiversität Stuttgart 3

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