3.1 Schnittstellen zwischen dem technischen Prozess und dem Automatisierungs- Computersystem

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1 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie Schittstelle zwische dem techische Prozess ud dem Automatisierugs- Computersystem Übertragug vo vo Prozess-Sigale zwische techischem Prozess ud ud Automatisierugs-Computersystem Prozess-Sigaleigabe: Prozessgrösseerfassug Prozess-Sigalausgag: Asteuerug vo vo Stellglieder Temperatur Vetil schließe Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 3 Prozessbus Eirichtuge zur Kopplug eies Automati- sierugs- Computers mit dem techische Prozess sowie zugehörige Schittstelle Prozessperipherie- Schittstelle (elektrische oder optische Sigale) Prozess- Sigal- Ei/ Ausgabe... E/A- Kote Automatisierugs- Computer (z.b. SPS, PC) Bus-Koppler E/A- Kote Feldbus Bus-Koppler Schittstelle zu de höhere Ebee der Computer- Hierarchie Recher-Ei-/ Ausgabe-Schittstelle (Recher- Systembus) Feldbus- Schittstelle 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)

2 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 4 Möglichkeite für die Verbidug der Sesore ud Aktore mit dem Automatisierugs-Computersystem Aschluss über über Leitugsbüdel Kovetioelle Art Aschluss über über Bus-Akoppel-Module (E/A-Kote) Verwedug vo Feldbuskoppler Aschluss über über Sesor/Aktor Bus-System Moderste Form: Verwedug itelligeter Sesore ud Aktore Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 5 Direkter Aschluss vo vo Sesore ud ud Aktore Bei Bei der der Produktautomatisierug Kurze Leituge zum zum Mikrocotroller Ei/ Ei/ Ausgabe über Feldbus-Systeme Bei Bei der der Alageautomatisierug Reduzierug der der Verkabelug ud ud Istallatioskoste

3 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 6 VME-Bus-System Eigeschafte Stadardisierte Recher-Ei-Ausgabe-Schittstelle zum zum Aschluss vo vo Recherkompoete Aufbau -- Backplaes -- VME-Bus-Module Module ((Boards) Master-Slave Verfahre Asychroe Kommuikatio mit mit Hadshake-Sigale Paralleler Recherbus Multiplex- ud ud Nichtmultiplex-Betrieb Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 7 VME-Busmodul mit Steckverbiduge

4 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 8 Fuktioales Blockdiagramm des VME-Bus Data Processig Device (CPU) Memory or I/O Device(s) Defied by VMEbus Specificatio Master Iterrupt Hadler Iterrupter Slave Iterrupter chip2 für master System Cotroller Module System Clock Driver Power Moiter Arbiter IACK* Daisy-chai Driver Bus Timer Locatio Moitor Requester Backplae Iterface Logic Backplae Iterface Logic Backplae Iterface Logic Data Trasfer Bus Priority Iterrupt Bus Data Trasfer Arbitratio Bus Utility Bus VMEbus Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 9 Multiplex Bus Nicht-Multiplex Bus Adresse Date Adresse Date Bus Trasceiver Bus Trasceiver Bus Trasceiver Bus Trasceiver gemeisame Adresse ud Date Adresse Date

5 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 10 VME- Bus- Eige- schafte Eigeschaft Spezifikatio Bemerkuge Architektur Master/Slave Übertragugsart asychro,omultiplexed, opt. multiplexed keie zetrale Sychroisatiosuhr Adressraum 16-bit (short I/O) 24-bit (stadard) 32-bit (exteded) 64-bit (log) Adressraum ka dyamisch selektiert werde Datebreite 8, 16, 24, 32 oder 64 bit Datebreite ka dyamisch selektiert werde ualiged data trasfers ja kompatibel mit de meiste Mikroprozessore Fehlererkeug ja Datetrasferrate 0-40 Mbyte/sec 0-80 Mbyte/sec 0-160Mbyte/sec Mbyte/sec (VME320) Iterrupts 7 Ebee Prioritäts-Iterruptsystem Multiprozessorfähigkeit 1-21 Prozessore flexible Busarbitrierug Systemdiagosefähigkeite ja mechaischer Stadard Sigle Height, 3U Double Height, 6U 160x100mm Europakarte 160x233mm Europakarte DIN Steckverbider Iteratioale Stadards ja IEC 821, IEEE 1101, IEEE 1014 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 11 Arte vo VME-Bus Bus-Baugruppe: Baugruppe: Prozessorkarte Speicherkarte Massespeicher-Karte Aaloge I/O-Module Digital/Parallel I/O-Module Serielle I/O-Module Netzwerkkarte Iterfacekarte Backplaes Stromversorgugs-Module

6 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie Sesore ud Aktore Sesore Aufehmer, Messwertaufahmeeirichtug Aufgabe Erfassug physikalischer Prozessgrösse Umwadlug i i eie eie zur zur Weiterverarbeitug geeigete Form Grezwert-Überwachug Selbsttest Selbstkalibrierug Itelligete Sesore Apassug a a ei ei Bussystem im Sie des Automatisierugssystems Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 13 Sesorelemet Fühler, Geber Aufgabe Wadlug eier icht-elektrische physikalische Grösse i i eie eie elektrische oder optische Grösse Ausutzug physikalischer Effekte Widerstadsäderug Äderug der der Iduktivität Äderug der der Kapazität Piezoelektrischer Effekt Thermoelektrischer Effekt Photoelektrischer Effekt Wirbelstrom-Effekt Strahlugsabsorptio

7 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 14 Sesorelemet Äußere Eiflüsse (z.b. Temperatur) physikalische (icht-elektrische ud icht-optische) Eigagsgröße Sesorelemet elektrische oder optische Ausgagsgröße Hilfseergie Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 15 Bestadteile eies Sesors Sesor äußere Eiflüsse physikalische (ichtelektrische) Eigagsgröße Sigal- Aufbereitug ichtelektrisch elektrisch mecha. Umsetzelemet Sesorelemet elektrische oder optische Ausgagsgröße Hilfseergie

8 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 16 Itelligeter Sesor "Itelligeter" Sesor Bus-Apassug physikalische Eigagsgröße mecha. Umsetzelemet Sesorelemet Verstärker Aalog- Digital- Umsetzer Mikroprozessor Sesor- Bus Kalibrierug Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 17 Klassifizierug vo Sesorelemete ach der Art des Sesorausgagssigals amplitudeaaloge Sesore frequezaaloge Sesore digitale Sesore biäre Sesore Sesorsystem Itegratio mehrerer Sesore für verschiedee Prozessgrösse mit der Auswerteelektroik auf eiem Bauelemet

9 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 18 Amplitudeaaloge Sesore Umformug eier ichtelektrische Messgröße i i ei ei amplitude-aaloges Ausgagssigal, d.h. d.h. Amplitude des des elektrische Ausgagssigals ist ist proportioal der der zu zu messede physikalische Größe Oft Oft mit mit Umformerstufe im im selbe Gehäuse Verstärkug Normierug Liearisierug Temperaturkompesatio Für Für alle alle wichtige Messgröße verfügbar Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 19 Frequezaaloge Sesore Liefer ei ei Wechselspaugssigal, desse Frequez der der zu zu messede physikalische Größe proportioal ist ist Vorteile: Uempfidlichkeit gege gege Störbeeiflussug auf auf de de Übertragugsleituge eifache Frequez-Digitalumsetzug durch durch Zähltechik kei kei Geauigkeitsverlust bei bei Verstärkug ud ud Übertragug eifache Potetialtreug mit mit Übertrager Selte im im Vergleich zu zu amplitudeaaloge Sesore

10 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 20 Digitale Sesore Umwadlug der der ichtelektrische Messgröße i i ei ei digitales Ausgagssigal Umsetzarte direkte direkte Umsetzug Umwadlug Umwadlug des des ichtelektrische ichtelektrische Sigals Sigals mittels mittels Codescheibe Codescheibe (Drehbewegug) (Drehbewegug) oder oder Codelieal Codelieal (Liearbewegug) (Liearbewegug) i i ei ei digitales digitales Sigal Sigal idirekte Umsetzug Umwadlug Umwadlug des des ichtelektrische ichtelektrische Sigals Sigals i i amplitudeaalogeaaloges Sigal, Sigal, da da Aalog-Digital-Wadlug amplitude- Biäre Sesore JA/ JA/ Nei-Iformatio Grezwertgeber/Schwellwertgeber Beispiel: Edschalter, berührugslos arbeitede Gabellichtschrake Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 21 Arte vo Sesor- elemete Physikalische Prozessgröße Temperatur Druck Kraft Drehzahl Beschleuigug Durchfluss Sesorelemet 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 Ausgagsgröße 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- mv Feuchtefühler Lichtitesität Photodiode Photowiderstad µa Widerstadsäderug

11 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 22 Aktore Aufgabe Umsetzug der der vom vom Automatisierugs- Computersystem ausgegebee Iformatioe i i Stelleigriffe i i dem dem techische Prozess Muskel des Automatisierugssystems Aktore für für uterschiedliche Stellgröße optische Größe mechaische Größe thermische Größe Durchflüsse Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 23 Aktor als Wadler vo Iformatio i eie Stelleigriff Iformatio (z.b. auf eiem Sesor/Aktor-Bus oder Feldbus) Aktor Stelleigriff (z.b. Weg, Kraft, Wikel, Drehmomet) Hilfseergie

12 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 24 Aktore mit mechaischer Ausgagsgröße Aktorprizip Elektromechaische Bewegug Hydraulischer Stellzylider Peumatischer Stellzylider Piezoelektrischer 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 Magetorheologische Aktore Chemische Aktore Thermo-Bimetall-Aktore Memory-Metall-Aktore Mikromechaische Aktore Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie Feldbussysteme Motivatio für für die die Eiführug vo vo Feldbussysteme Schwäche kovetioeller Verbidugstechike: 1 Leitug pro Bauelemet sehr aufwedig uflexibel bei Äderuge ud Erweiteruge Eisatz serieller Bussysteme zur zur Sekug der der Projektierugsud Istallatioskoste Kommuikatio zwische de de Sesore/Aktore ud ud dem dem ud Automatisierugs-Computersystem Awedugsbereiche: Gebäudeautomatisierug Produktiosautomatisierug Kfz-Elektroik (Steuerug + Überwachug)

13 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 26 Termiologie Feldbereich: Feldgeräte: Feldbussysteme: Jeer Teil Teil des des Automatisierugssystems welcher i i räumlicher Nähe oder oder direkter Verbidug zum zum techische Prozess steht Mess-, Schalt- ud ud Stellgeräte, Regeleirichtuge ud ud Bediegeräte, die die direkt mit mit dem dem techische Prozess i i Iteraktio trete Serielle Datekommuikatiossysteme für für de de Dateaustausch im im Feldbereich. Hier Hier besoders Aforderuge a a die die Sicherheit der der Dateübertragug: Dateitegrität, EMV-Resistez Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 27 Feldbussysteme Beispiele Hersteller oder Haupteisatzgebiet BITBUS PROFIBUS (Process Field Bus) Bus) INTERBUS-S CAN EIB EIB (Europea Istallatio Bus) Bus) FIP FIP INTEL BMBF Fertigugsautomatisierug BOSCH Gebäudeautomatisierug Fraz. Feldbuskozept

14 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 28 Klassifizierug vo Feldbuskozepte Kozept 1 Kozept 2 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 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 29 Aforderuge a Feldbus-Systeme Zuverlässige Kommuikatio uter alle Umgebugsbediguge Eifache Hadhabug durch Istadhaltugspersoal Eifache ud ud robuste Aschlusstechik Eigesicherheit i i explosiosgefährdete Bereiche

15 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 30 Bus-Zugriffsverfahre Regel für für das das Sede vo vo Nachrichte Arte vo Zugriffsverfahre Determiistischer Buszugriff festgelegtes Verfahre für für Sedeberechtigug Atwortzeitverhalte vorhersagbar Zufälliger Buszugriff permaetes Mithöre ereigisgesteuerte Kommuikatio iedrige mittlere Busbelastug Atwortzeitverhalte icht vorhersagbar Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 31 Verfahre mit determiiertem Bus-Zugriff Master/Slave-Verfahre übergeordeter Busteilehmer (Master) steuert Buszugriff Vorteile: eifache Orgaisatio sichergestellte Maximalzeit Nachteile: maximale Latezzeit proportioal zur zur Azahl der der Busteilehmer bei bei Ausfall des des Masters keie Kommuikatiosbeziehug mehr möglich Beispiele: Bitbus, Profibus

16 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 32 Toke-Passig Passig-Verfahre Weitergabe des des Toke (Sederecht) vo vo Teilehmer zu zu Teilehmer ach eier maximale Zeitdauer Arte des des Toke-Passig-Verfahres Toke TokeBus Liietopologie Liietopologie logische logische Folge Folge vo vo Teilehmer Teilehmer Toke TokeRig Rigtopologie Rigtopologie Reihefolge Reihefolge des des Sederechts Sederechts etspricht etspricht physikalischer physikalischer Reihefolge Reihefolge Vorteile Nachteile gutes, gutes, vorhersagbares vorhersagbares Echtzeitverhalte Echtzeitverhalte sehr sehr gute gute Hochlasttauglichkeit Hochlasttauglichkeit lage lage Verögerugszeite Verögerugszeiteim im Fehlerfall Fehlerfall Überwachug Überwachug der der Tokeweitergabe Tokeweitergabe Reiitialisierug Reiitialisierug ach ach Tokeverlust Tokeverlust Beispiel: Profibus Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 33 TDMA- Verfahre Time Divisio Multiple Access Jeder Teilhmer ierhalb eier Periode (TDMA-Zyklus) bekommt eie oder oder mehrere Zeitschlitze bestimmter Läge Prizip verteiltes Schieberegister Master-Schieberegister mit m * Bit Takt Register i Teilehmer 1 Register i Teilehmer 2 Register i Teilehmer

17 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 34 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 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 35 Verfahre mit zufälligem Bus-Zugriff CSMA-Verfahre Carrier Sese Multiple Access 1) 1) Jeder Teilehmer prüft, ob ob Bus Bus frei frei 2) 2) we frei, frei, Sedeversuch 3) 3) im im Falle vo vo Kollisioe, Wiederholug des des Sedeversuchs

18 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 36 CSMA/ CD - Verfahre (Collisio( Detectio) Erkeug vo vo Kollisioe durch Dateabgleich Sedewiederholug ach teilehmerspezifischer Wartezeit Vorteile iedrige Busbelastug kurze Latezzeit im Niederlastbereich Nachteile im Hochlastbereich lage Wartezeite Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 37 CSMA/CA-Verfahre (Collisio( Avoidace) Vermeidug vo Kollisioe durch Prioritätsregel Prioritätsregel Adress-Arbitrierug Teilehmer mit mit iedrigster/ höchster Adresse setzt sich sich bei bei gleichzeitigem Sedeversuch durch. Beispiel: CAN- Bus Bus Zeitspae-Zuordug Nach Beedigug eier Sedug teilehmerspezifische Wartezeitspae

19 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 38 PROFIBUS Feldbus-Familie PROFIBUS --DP DP (Dezetrale Peripherie) PROFIBUS --FMS (Field Message Specificatio) PROFIBUS --PA PA (Prozess-Automatisierug) Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 39 Profibus-Eigeschafte Uterscheidug vo vo Master- ud ud Slave-Teilehmer Master-Teilehmer (aktive Teilehmer) Sedug vo vo Nachrichte ohe Aufforderug bei bei Tokebesitz Slave-Teilehmer (passive Teilehmer) kei kei Tokebesitz möglich Quittierug vo vo Nachrichte auf auf Afrage Nachrichteübermittlug Toke-Passig Passig-Verfahre für aktive Teilehmer Master-Slave Slave-Verfahre für Kommuikatio mit passive Teilehmer

20 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 40 Hybrides Zugriffsverfahre beim PROFIBUS Logischer Tokerig zwische Master-Geräte aktive Teilehmer, Master-Geräte SPS SPS PROFIBUS Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 41 Fabrikbus MAP 3.0 INTERBUS-S MMS M M Messwertgeber V Sesor Sesor Atrieb Aktor Sesor Atrieb passive Teilehmer, Slave-Geräte Kommuikatiosarchitektur mit mit dem dem Iterbus-S PMS = Peripheral Messages Services FMS Zellbus FMS Feldbus MMS = Maufactorig Messages Structure FMS = Fieldbus Maagemet Services Sesor-Aktor-Bus PMS Iterbus--S PMS PMS PMS Vetile Azeige - ud Bediegeräte Umrichter Wikelcodierer

21 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 42 Eigeschafte Rigtopologie KBit/s bzw. bzw. 2 Mbit/s (Lichtwelleleiter) bis bis zu zu Teilehmer am am Bus Bus Ausdehug bis bis km km zetrales Masterverfahre mit mit Schieberegister Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 43 Master Slave 1 Slave 2 Prozessabbild Slave 4 Slave 3

22 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 44 CAN-Bus Cotroller Area Network vo vo Bosch/Itel für für de de Eisatz im im Automobilbereich etwickelt Eisatzbereiche des CAN Kraftfahrzeugtechik Airbag Airbag ABS ABS Motormaagemet Klimaalage bei bei S-Klasse ca. ca Servos Servos Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 45 Gebäudeleittechik Aufzugsteuerug Überwachug Alarmalage Klima Idustrie-Automatisierug Feldbussysteme Verfahrestechik Werkzeugmaschie

23 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 46 Eigeschafte des CAN Botschaftsorietierte Adressierug Auf Auf eiem eiem Kote Kote köe köe mehrere Objekte liege, liege, Objekt Objekt wird wird adressiert, icht icht der der Kote. Multimaster-Buszugriffstechik Busvergabe ach Prioritäte bei bei Zugriffskoflikt Durch Durch ichtzerstörede, bitweise Arbitrierug ach ach dem dem CSMA/CA-Verfahre Kurze Botschaftsläge (0...8 Byte) Übertragugsrate bis bis 1Mbit/s (bei (bei max.40m Busläge) Verschiedee Fehlererkeugsmechaisme Selbsttest durch Fehlerzähler Verursacht ei ei Kote Kote zu zu viele viele Fehler, Fehler, so so koppelt koppelt er er sich sich schrittweise vom vom Bus Bus ab. ab. Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 47 Daterahme Iterframe Space Data-Frame > Bytes > 3 Start of Frame Idetifier Data Field Cotrol Field RTR Bit Arbitratios Field ACK Slot CRC Delimiter CRC Sequece Ed of Frame ACK Delimiter ACK-Field CRC-Field

24 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 48 CAN für elektromagetisch stark gestörte Umgebuge Störugserkeugsmechaisme Bit Bit stuffig ud ud destuffig ach 5 Bits Bits gleiche Logikzustads ei ei Bit Bit des des etgegegesetzte Logikzustads stuffig durch de de Seder destuffig durch de de Empfäger BIT BIT CRC (Cyclic Redudacy Check) zyklischer Biärcode mit mit Nachrichtestelle Kotrollstelle Hammigdistaz d = 6 P = 4.7 x 10 Restfehlerwahrscheilichkeit -16 Etheret P RE = 10-7 Buspegelüberprüfug simultaes Zurücklese Botschaftsrahmesicherug Prüfug des des Rahmes auf auf Richtigkeit Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie Ei-/Ausgabe vo aaloge Sigale Aalog-Eigabe Forme aaloger Prozess-Sigale elektrische Spaugssigale elektrische Stromsigale elektrische aaloge Widerstadswerte

25 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 50 Date Busakopplug Aalog- Digital- Umsetzer 1 D A 2 Adresse Steuersigale Grudsätz- licher Aufbau der Aalog- Eigabe Adresse- Decodierug 1 2 m Rechersystembus Vorverstärker Durchschaltelemete Zuleituge Prozessperipherie- Schittstelle Sesore-Schittstelle Sesore U Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 51 Ablauf eier Aalog-Eigabeoperatio Schelle Aalog-Digital-Umsetzug ADU mit Umsetzzeit vo µs, d.h. Abtastfrequez > Werte pro Sekude 1. Bereitstellug der Meßstelle Adresse des Aalogsigals zum ADU ud Umsetzug 2. Durchschaltug des agewählte Aalogsigals zum ADU ud Umsetzug 3. Eigabe des gewadelte Werts über de Datebus

26 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 52 Lagsame Aalog-Digital-Umsetzug ADU mit Umsetzzeit vo > 100 µs, d.h. Abtastfrequez < Werte pro Sekude 1. Adresse des eizugebede Aalogsigals wird ausgegebe zur Durchschaltug 2. 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 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 53 Aalog-Digital-Umsetzer Arte vo vo Aalog-Digitalumsetzer Mometawertumsetzer Eizele Werte Werte eies eies aaloge Prozess-Sigals werde werde abgetastet ud ud i i digitale digitale Werte Werte umgesetzt

27 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 54 Itegrierede Umsetzer (Mittelwertumsetzer) Aaloges Prozess-Sigal wird wird über über eie eie Periode T der der Netzfrequez itegriert ud ud der der Mittelwert gebildet Mittelwert wird wird i i digitale Wert Wert umgesetzt Vorteil: Vorteil: hohe hohe Mess-Sicherheit Vergleichsweise geriger Aufwad Ausschaltug vo vo hochfrequete, aperiodische Störspitze 1 kt ukt ( ) = utdt ( ) T ( k 1) T Uterdrückug vo vo etzfrequete Störspauge Nur Nur für für relativ relativ lagsam veräderliche Prozess-Sigale awedbar Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 55 Prizip des itegrierede ADU T = Vielfaches vo 20 ms bei 50 Hz Netzfrequez aaloges Prozess-Sigal, dem eie 50 Hz-Störspaug sowie hochfrequete Störspitze überlagert sid u (t) T (k-1) T kt (k+1) T t

28 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 56 Umsetzverfahre für Aalog-Digital Digital-Umsetzer Vorteil Nachteil hohe Störspaugsuterdrückug Umsetzverfahre Hohe Umsetzgeschwidigkeit Werte/s Störimpulse bewirke Verfälschug der Digitalwerte Zählmethode, Stufemethode, direkte Methode Mometawertumsetzer Mittelwertumsetzer gerige Umsetzgeschwidigkeit Spaugszeit- oder Spaugsfrequez- Umsetzer Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 57 Mometawert-Aalog Aalog-Digital-Umsetzer ach dem Zählverfahre Prizipieller Aufbau aaloges Eigagssigal UE + Komparator U S - D/A-Umsetzer 1 2 digitales Ausgagssigal (-Bit-Wort) Z ä h l e r & Taktgeber

29 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 58 Verlauf der Spaug U S U S aaloge Eigagsspaug U E t 1 t Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 59 Umsetzzeit T ist ist abhägig vo vo Taktfrequez ff -- Eischwigverhalte DAU s -- Schaltgeschwidigkeit des des Komparators Eigagsspaug Wortläge des des digitale Ausgags 2 Schritte (: (: Wortläge i i Bit) Bit)

30 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 60 Mometawert-Aalog Aalog-Digital-Umsetzer ach der Stufemethode Prizipieller Aufbau D/A-Umsetzer aaloges Eigagssigal U S U E Steuerug + Komparator - Ausgagsregister Taktgeber digitale Ausgagssigale Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 61 Vorgehesweise Steuerug setzt höchstwertiges Bit Bit (MSB = Most sigificat Bit) Bit) U S am S am Ausgag des des DAU s Vergleich mit mit U E E ist ist U E > E U S bleibt S MSB gesetzt, sost zurückgesetzt Verfahre wird wird für für die die weitere Bits Bits wiederholt ach letztem Vergleich (Bit (Bit ) ) steht der der Wert des des aaloge Eigagssigals digital codiert im im Ausgagsregister

31 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 62 Verlauf der Spaug U S am Komparator U S aaloge U E Eigagsspaug Dualwerte t digitales Sigal Umsetzzeit Umsetzzeit bei bei Stufemethode Stufemethode kostat kostat ach ach Schritte Schritte liegt liegt Ergebis Ergebis vor vor T = /f /f Begrezug Begrezug durch durch die die Eischwigzeit Eischwigzeit des des DAU s DAU sud ud die die Schaltzeit Schaltzeit des des Komparators Komparators Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 63 Mometawert-Aalog Aalog-Digital-Umsetzer ach dem Parallel- umsetzverfahre aaloges Eigagssigal U E Komparatore + K Referezspaug U R - + K 2 Codeumsetzer 2 -bit-wort Widerstadsetzwerk - + K 1 1 -

32 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 64 Vorgehesweise Eigagssigal wird wird auf auf Komparatore gegebe Über Über Widerstadsetzwerk mit mit Referezspaugsquelle werde werde Vergleichsspauge erzeugt erzeugt Umwadlug durch durch Codeumsetzer i i -Bit-Wort Umsetzzeit Abhägig vo vo der der Schaltgeschwidigkeit der der Komparatore ud ud des des Codeumsetzers Werte/sec Sehr Sehr aufwedig, 8-Bit 8-Bit ADU ADU beötigt Komparatore Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 65 Itegriereder Aalog-Digital Digital-Umsetzer ach dem Dual-slope-Verfahre Prizipieller Aufbau aaloge Eigagsspaug U E S R I C C U Ref U C + Itegrierer - + Komparator - U K Zähler digitales Sigal Steuerlogik Taktgeber

33 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 66 Vorgehesweise Kodesator C wird wird vo vo t 0 t bis 0 bis t 1 t mit 1 mit dem dem Strom Strom I C I = C U E /R E /R gelade U Ref wird Ref wird am am Eigag des des Itegrierers ach ach t 1 t agelegt 1 Kodesator C wird wird etlade, U E bestimmt E Zeitdauer der der Etladug Zeit Zeit bis bis U 0 = 0 0V 0V ist ist direkt direkt proportioal zu zu U E E Zeitdauermessug durch durch Zähler, Zähler, der der Impulse eies eies Taktgebers zählt zählt Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 67 Sigalverläufe im ADU ach dem Dual Dual-slope-Verfahre U C U C2 U C1 Ausgag Itegrierer t 0 t U K Ausgag Komparator t 0 t 1 t 2 t 3 t

34 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 68 Vorteile Lagzeitveräderuge gehe gehe icht icht i i die die Messug ei ei Geauigkeit ist ist uabhägig vom vom Produkt R C, R C, ur ur abhägig vo vo der der Geauigkeit der der Referezquelle ud ud der der Operatiosverstärker Dual-slope slope-adu ist ei Spaugs-Zeit Zeit-Umsetzer Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 69 Arte vo Digital-Aalog Aalog-Umsetzer Arte Arte der der Realisierug eies eies DAU s DAU smit mit eiem eiem Widerstadsetzwerk DA-Umsetzug durch durch die die Summatio gewichteter Ströme Ströme DA-Umsetzug mit mit eiem eiem Leiteretzwerk

35 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 70 Realisierug eies DAU durch Summatio gewichteter Ströme U REF MSB S 0 R 2R 4R R R + - U A LSB S -1 R 2-1 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 71 Nachteile: stark uterschiedliche Potetiale a a de de Schalter (Bipolare Trasistore oder oder Feldeffekttrasistore) erforderliche Geauigkeit der der stark uterschiedliche Widerstadswerte sehr sehr schwer eizuhalte

36 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 72 Realisierug eies DAU s mit Hilfe eies Leiteretzwerkes i REF U REF R U REF /2 R U REF /4 R U REF /8 U REF R = 2R 0 R = 2R 1 R = 2R 2 R = 2R 3 2R i 0 i 1 i i 2 3 S 0 S 1 S 2 S 3 R R + i ges U i Ref 0 = 2R U i Ref 1 = 4R U i Ref 2 = U i Ref 3 8R = 16R - U A Ströme Ströme addiere sich sich je je ach ach Schalterstellug zum zum Strom Strom i ges i ges Operatiosverstärker erzeugt U A A Schalter sid sid meist meist bipolare Trasistore oder oder Feldeffekttrasistore Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 73 Aalog-Ausgabe Ausgabe Date Adresse Steuersigale Rechersystembus Umsetzug der der vom vom Automatisierugs- Computer kommede digitale, zeitdiskrete Werte Werte i i kotiuierliche Sigale & & & Adresse- Decodierug 1 2 m Durchschaltelemet Zwischespeicher Prizipieller Aufbau eies eies Aalog-Ausgabe- Moduls D D D A A A D/A-Umsetzer Ausgabestufe Zuleituge Prozess- peripherie- Schittstelle Sesor-/ Aktor- Schittstelle Stellglied Regler

37 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 74 Hiweise zur Aalog-Ausgabe Ausgabe Zwischespeicher wird wird beötigt, um um Iformatioe am am Durchschaltelemet zu zu speicher Aaloge Stelleigriffe sehr sehr häufig über über Stellmotore, die die mit mit Biärsigale über über die die Digital-Ausgabe agesteuert werde Aaloger Ausgabewert etspricht der der Zeitdauer der der Biärsigalausgabe Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie Ei-/Ausgabe vo biäre ud digitale Sigale 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 für Kotaktgeber Eirichtug zur zur Uterdrückug vo vo Kotaktprelluge

38 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 76 Uterscheidug bezüglich Sigalparameter Statische Digital-Eigabe High High ad ad Low Lowfür für biäres Sigal etspreche de de zwei zwei Zustäde Dyamische Digital-Eigabe (Impulseigabe) Flake des des Sigals diee als als biäre Sigalparameter Übergag vo vo High High auf auf Low Lowud umgekehrt setzt zugeordetes Speicherelemet Spotae Digital-Eigabe falls falls Iterrupt ausgelöst wird wird Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 77 Date Grudsätzlicher Aufbau eies Moduls zur statische Digital-Eigabe > 1 Adresse Steuersigale Adresse- Decodierug 1 m Rechersystembus & & & Prozessperipherieschittstelle Zuleituge Sesor- Schittstelle

39 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 78 Eigabeoperatio i i zwei Schritte Bereitstellug der der Adresse der der Biärsigale, die die zu zu eier Gruppe zusammegefasst sid, auf auf dem dem Adressbus Durchschalte der der adressierte Biärsigale zum zum Datebus Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 79 Digital-Ausgabe Ausgabe vo vo eizele Biärsigale Ausgabe eier eier Gruppe Gruppe vo vo Biärsigale Date Adresse Steuersigale Adresse- Decodierug 1 2 m Rechersystembus Grudsätzlicher Aufbau eies Digital-Ausgabe- Moduls & & & Durchschaltelemet Zwischespeicher Zur Realisierug vo Dauersigale Ausgabestufe Zuleituge Biärsigal- Aktore Prozessperipherieschittstelle Sesor-/ Aktor- Schittstelle

40 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 80 Arte der biäre Ausgabesigale Spaugsausgabe Stromausgabe Ausgabe potetialfreier Kotaktstelluge Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 81 Durchführug vo Digital-Ausgabe Ausgabesigal vom vom Prozess-Recher ist ist ur ur da gültig, we etsprechede Adresse a a Adressbus aliegt Asteuerug vo vo Geräte (Schütze, Relais, Lampe) beötige Dauersigal als als Eigagssigal Zwischespeicher Ausgabeoperatio i i drei drei Schritte Bereitstellug der der Adresse des des auszugebede Wortes Ausgabe der der agewählte Biärsigale i i de de Zwischespeicher Ausgabe des des Dauersigals aus aus dem dem Zwischespeicher a a das das ageschlossee Gerät

41 Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie Störbeeiflussuge auf Prozess-Sigalleituge Arte vo Störbeeiflussuge Amplitudeaaloge Sesore Verfälschug der der Iformatio Empfidlichkeit gegeüber Störeiflüsse um um so so größer, je je höher höher die die Verarbeitugsgeschwidigkeit ist ist Störspauge auf auf Prozess-Sigalleituge Beeiflussuge vo vo i i der der Nähe Nähe vorbeiführede Eergieleituge (iduktive oder oder kapazitive Kopplug) Geräte, Geräte, die die elektromagetische Felder Felder erzeuge z.b. z.b. Schweißmaschie, Trasformatore, Leistugsschalter, Elektromotore mit mit Bürste Umwelteiflüsse z.b. z.b. Gewitter, statische Etladug bei bei Berührug der der Messeirichtug durch durch eie eie aufgeladee Perso Perso Störbeeiflussug Sesor Störbeeiflussug Prozess- Sigal-Eigabeleituge Prozessautomatisierug I 3 Prozessperipherie 83 Wege vo Störspauge i das Prozessrechesystem über über die die Prozess-Sigal-Eigabeleituge über über die die Prozess-Sigal-Ausgabeleituge über über die die Netzversorgugsleituge Beeiflussuge bei Störspauge auf Eigabeleituge Gegetakt-Störspauge ( ormal-mode-störuge ) -- Überlagerug zu zu dem dem erfassede Prozess-Sigal Gleichtakt-Störspauge ( commo-mode-störuge ) -- gleichsiige Beeiflussug der der beide Eigagsleituge i i Bezug auf auf das das Bezugspotetial

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