Netzwerkhierarchien in der FabrikundProzessautomatisierung

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1 Netzwerkhierarchien in der FabrikundProzessautomatisierung Übersicht und Speziik der Kommunikation in der Automatisierung Seit vielen Jahren vollzieht sich in der Automatisierungstechnik ein deutlicher Wandel bei den realisierten Kommunikationsstrukturen zwischen den einzelnen Automatisierungsgeräten. Bedingt durch die Entwicklung auf dem Gebiet der Mikro- und Optoelektronik entstanden auch neuartige Strukturen auf der Basis serieller Kommunikation, die Automatisierungssysteme in verschiedene hierarchische Ebenen gliedern (Abb. 2.1). Diese Entwicklung schließt erweiterte Einsatzmöglichkeiten sowie zusätzliche Funktionen von Automatisierungsgeräten ein. Durch die Implementierung von Mikrocontrollern in intelligente Automatisierungsgeräte kann die Funktionalität beträchtlich erweitert und Abb.2.1 EbenenmodellzurEinordnungvonBussystemeninAutomatisierungsstrukturen G.Schnell,B.Wiedemann,Bussysteme in der Automatisierungs- und Prozesstechnik, DOI / _2, SpringerVieweg Springer FachmedienWiesbaden

2 118 2 NetzwerkhierarchieninderFabrik-undProzessautomatisierung unkritisch MByte Reaktionszeit Datenmenge Übertragungshäufigkeit niedrig Produktionsanlage Betriebsrechner Fabrikbus Fertigungsrechner Anlagenbus Leitsystem Engineering Anlagenbus SPS SPS Produktionsleitebene Unternehmensleitebene Prozessleitebene ms Bit hoch Feldbus Link PA Link Sensor/Aktor-Bus Feldebene Steuerungsebene Prozess Abb.2.2 HierarchischesKommunikationsnetz(Prozess-undFertigungsautomatisierung) die Zuverlässigkeit mittels einer Anzahl von Eigen- und Diagnosefunktionen verbessert werden. Am Anfang dieser Entwicklung wurden zunächst linienförmige Bussysteme konzipiert, an die direkt buskoppelbare sowie intelligente Mess- und Stelleinrichtungen angeschlossen werden sollten. Bald fanden auch weitere Strukturen, wie z. B. die Ringstruktur, Interesse für die Datenübertragung zwischen den einzelnen Automatisierungsgeräten. Solche StrukturenspielenbeierhöhtenZuverlässigkeitsanforderungeneinebedeutendeRolle.Mit der Entwicklung entsprechender Geräte wurde es möglich, auch Kommunikationssysteme unterschiedlicher Leistungsbereiche miteinander zu verbinden. So erfolgte und erfolgt zusehends die Kopplung und Vermischung zwischen dem Anlagen- und Officebereich. In Abb. 2.2 ist ein solches hierarchisches Kommunikationsnetz schematisch dargestellt. Die unterschiedlichen Anforderungen an die verschiedenen Systemebenen wird beispielgebenddurchdiedarstellungvonreaktionszeit,datenmengeundübertragungshäufigkeit verdeutlicht. Serielle Kommunikationssysteme finden seit Jahren in der Feldebene zunehmende Akzeptanz.AndieseFeldbusebene,diealseigentlichesBindegliedzwischendenprozessnahen Einrichtungen der Sensor/Aktorebene und der Steuerungsebene nach Abb. 2.1 anzusehen ist, werden besondere Anforderungen an das eingesetzte Kommunikationssystem gestellt. Zu diesen Anforderungen zählen: Echtzeitfähigkeit (determiniertezugriffsverfahrenbevorzugt) hohe Übertragungsgeschwindigkeit Zuverlässigkeit,ggf.Fehlertoleranz geringe Störempfindlichkeit (EMV)

3 2.1 ÜbersichtundSpeziikderKommunikationinderAutomatisierung 119 Übertragungsrate Bit/s lokal global 1 G lokale Netze system- (LAN) 100 M 10 M naher Bereich Feldbusse (FAN) 1 M 100 k 10 k parallel seriell Weitverkehrsnetze (WAN, Datenfernübertragung, DSL, HSDPA) Übertragungsentfer- 1 m 10 m 100 m 1 km 10 km 100 km 1000 km Abb. 2.3 Einordnung von Bussen und Netzen in die Parameterbereiche der Kommunikationstechnik flächendeckende Topologie Flexibilität Installations-undMontagetechnik(Sensor/Aktor-Bereich) Wirtschatlichkeit(Low-cost-Lösungen). Aus den an die Kommunikation im prozessnahenbereich gestellten spezifischen Forderungen resultiert eine hierarchische Kommunikationsstruktur in Form eines Mehrebenennetzes mit Sensor/Aktor-, Anlagen- und Fabrikbus. Die Vorteile eines solchen Feldbusnetzes in Mehrebenenstruktur liegen vor allem in der hohen Flexibilität. Dazu zählt eineweitgehendfreiwählbaretopologie,eineprojektierbarezuverlässigkeitdurchgestute Redundanz und Fehlertoleranz, wählbare Reaktionszeit und damit ein anpassbares Echtzeitverhalten. Vor allem in der untersten Automatisierungsebene, wo noch ein hoher Grad an herkömmlichen Übertragungsstrukturen zu finden ist, entsteht bei der Errichtung von Anlagen ein hoher Aufwand für Verkabelung. Durch das ständige Sinken der Bauelementekosten ist in den letzten Jahren verstärkt daran gearbeitet worden, kostengünstige Lösungen zur busförmigen Ankopplung von Sensoren und Aktoren zu finden. Derzeit auf dem Markt verfügbare Systeme sind spezifisch für unterschiedliche Anwendungen nutzbar. Besonders hohe Einsparpotentiale liegen in einer Verbesserung der Installations- und Montagetechnik, sodass insbesondere die aufwändigen Arbeiten für Abisolieren, Anlöten von Steckverbindungen, Setzen von Verteilerkästen usw. auf Baustellen entfallen. Ein

4 120 2 NetzwerkhierarchieninderFabrik-undProzessautomatisierung Strukturelle Anforderungen Funktionelle Anforderungen Betreiberforderungen sowie Wirtschaftlichkeit - Topographie/Topologie flächendeckend - Zuverlässigkeit der Übertragungswege - Hilfsenergieversorgung (z. B. getrennt oder gemeinsam mit Daten über die Busleitung) - Teilnehmeranzahl - Entfernungsbereiche - Durchgängigkeit - Zeitverhalten - Geschwindigkeit - Zugriffsverfahren - Kommunikationsdienste - Sicherheit der Informationsübertragung - Fehlerbehandlung (Diagnose, Fehlertoleranz) - Kommunikationsprofile - Geräteprofile - Betriebsbedingungen - Mehraufwand durch besondere Sicherheitsanforderungen (z. B. Ex-Schutz) - Standardisierung/Normung - mehrere Anbieter (Hardware, Software und Servicewerkzeuge) - Kosten des Übertragungsmediums - wirtschaftlicher Betrieb Abb.2.4 AnforderungenaneinFeldbussystem weiterer wirtschatlicher Aspekt, der ot schwer zu quantifizieren ist, ist die Diagnosefähigkeit. Da über die Lebensdauer einer industriellen Anlage Stillstandszeiten bei weitem höherekostenverursachenkönnenalsdiematerialpreiseodermontagekostenbeiinstallation der Anlage, liegen in diagnosefähige Sensoren und Aktoren erhebliche Einsparpotentiale. DerAustauschvonDaten,unabhängigdavon,obessichdabeiumMessergebnisse,Systemzustände oder andere Informationen handelt, wird auf den verschiedenen Ebenen in einer sehr unterschiedlichen Art durchgeführt. Schon innerhalb der einzelnen Automatisierungsgeräte werden Daten ausgetauscht. Hier finden allerdings parallele Verdrahtung den Vorrang. Bedingt durch die Anforderungen(kurze Entfernungen und sehr hohe Übertragungskapazitäten) ist diese Übertragungsart priorisiert. Bei dem Informationsaustausch zwischen den einzelnen Automatisierungsgeräten kommen serielle Übertragungssysteme zum Einsatz, die herkömmliche Übertragungsstrukturen ersetzen. Diese Übertragungssysteme reduzieren den Aufwand an Verkabelung erheblich und erhöhen, durch Implementierung von Automatisierungsgeräten mit Intelligenz, die Leistungsfähigkeit solcher Systeme. Für die nachfolgende Betrachtung ist besonders auch der Feldbereich relevant. In diesem Bereich werden die einzelnen Automatisierungsgeräte für verschiedene Aufgaben aus dem Automatisierungsbereich miteinander verbunden. Zur Kommunikation zwischen den einzelnen Teilnehmern kommen unterschiedliche Topologien zum Einsatz. Dabei handelt es sich um Sternstrukturen, Linienstrukturen und Ringstrukturen, wobei die beiden letztgenannten aus Zuverlässigkeitsgründen teilweise redundant ausgelegt werden. Mischformen aus den einzelnen Strukturen treten ebenfalls in der Praxis auf. DieAnforderungenaneinKommunikationssysteminnerhalbdesAutomatisierungsbereiches sind also sehr differenziert. Sie sind insbesondere auch stark abhängig vom jeweiligen Projekt(Leistungsfähigkeit, Einsatzumgebung, Kosten) und damit vom zuküntigen

5 2.1 ÜbersichtundSpeziikderKommunikationinderAutomatisierung 121 Abb.2.5 VereinfachteDarstellungderKommunikationsebenen Kriterium Anlagenbus Sensor-Aktor-Bus Ausdehnung des Netzwerks ca m ca. 100 m Anzahl Teilnehmer pro Netzwerk mittel (ca. 10) hoch (ca. 100) Abtastzeit ca. 10 ms bis 10 s ca. 1 ms bis 1 s Datenmenge pro Übertragung 8 bis einige 100 Byte 0,5 bis 8 Byte Busstruktur Linie (Master/Slave, Multimaster) Linie (Master/Slave) Zugriffsverfahren kontrolliert ( ggf. zufällig) Polling (kontrolliert) Übertragung auf gleicher Ebene Kosten des Übertragungsmediums ja niedrig selten sehr niedrig Anschlusskosten pro Busteilnehmer ca. 100 bis 1000 ca. 5 bis 100 Abb.2.6 AbgrenzungzwischenBussenfürdenSystembereichundSensor/Aktor-Bereich Einsatzbereich.Abbildung2.4zeigtdieallgemeinenAnforderungenanFeldbussystemefür den Einsatz in der Automatisierungstechnik. Eine engere Struktur der industriellen Kommunikation wird durch Abb. 2.5 weiter verdeutlicht. Dabei ist zu erkennen, dass die in Abb. 2.1 dargestellten fünf Funktionsebenen eigentlich durch drei Haupt-Kommunikationsebenen realisiert werden. Bedingt durch die verschiedenen Anwendungen in den einzelnen Ebenen, entstehen zwangsläufigdifferenzierteansprücheandiekommunikationssysteme.abbildung2.6verdeutlichtdieunterschiedlichenanforderungenderprozessnahensensor/aktor-ebenezur Leitebene(Systemebene). Verstärkt soll in den nachfolgenden Ausführungen auf die Anwendungsbereiche Fabrik- und Prozessautomatisierung eingegangen werden.

6 122 2 NetzwerkhierarchieninderFabrik-undProzessautomatisierung Anwendungsebene Geeignete Kommunikationssysteme Fabrikleitebene Fertigungsleitebene (Zellebene) Aufgaben/ Funktionen Typische Geräte Charakteristische Anforderungen - Auftragsverwaltung - Konstruktion - PPS - Bestandsführung - Nachdisposition - Istdatenauswertung - übergeordnete Steuerung von Fertigungszellen - Istdatenerfassung - Anlagenvisualisierung - Datenarchivierung - Stammdatenverwaltung - Kommunikation mit Host-Rechner - Workstations - Server - mittlere Datentechnik - Industrieterminals - Scanner - PCs - Industrie-PCs - Server, Netzwerkanbindung - Reaktionszeiten < 10 s - große Datensätze - kommunikationsfähig mit unterlagerter Ebene - WAN-Anwendungen im Firmenverbund - Reaktionszeiten bis < 100 ms - zustandsabhängige Kommunikation zwischen gleichberechtigten Teilnehmern - mittlere Datensätze wechselnder Länge - feste Teilnehmerkonfiguration, zusätzlich wechselnde Teilnehmer - gleichberechtigter Buszugriff für alle Teilnehmer, Querverkehr - Kommunikation mit über-/ unterlagerten Ebenen - INTERNET, INTRANET, LAN - Anlagenbus, Fabrikbus - Lokale Netze LAN - Gateways für den Verbund unterschiedlicher Einzelnetze Maschinenund Anlagen-ebene (Feldebene) - Erfassen von analogen und digitalen Signalen - Steuerung und Regelung von Einzelmaschinen, Transportanlagen, - Mess- und Identifikationseinrichtungen - binäre Sensoren und Aktoren - analoge Sensoren und Aktoren - Antriebssteuerungen, Antriebstechnik - Bedien- und Anzeigegeräte - SPS/CNC/RC - Regler (unterlagert) - Reaktionszeiten < 10 ms - zyklische Übertragung, Abtastung - kurze Datensätze - meist feste Teilnehmerkonfiguration - störsichere Übertragung, ca. 500 m - dezentraler Buszugriff - Kommunikation mit überlagerter Ebene - Sensor- Aktor- Bussysteme - Feldbusse - hochzuverlässige Feldbusse Abb. 2.7 Anforderungen für die Kommunikation in der Fabrikautomatisierung Fabrikautomatisierung Die Fabrikautomatisierung stellt einen der umfangreichsten Bereiche für die Anwendung von Feldbussystemen dar. Die Netzwerkausdehnung liegt in der Regel unter 500 m. Im Hinblick auf die Zeitanforderungen der Kommunikation ist zu unterscheiden zwischen zeitkritischenhochdynamischenregelungsvorgängen,dieggf.eineäquidistantesignalabtastung im 0,1 ms-bereich benötigen, Steuerungs- und Meldeaufgaben sowie Überwachungs- oder Sicherungsfunktionen mit unterschiedlichen Zeitanforderungen.

7 2.1 ÜbersichtundSpeziikderKommunikationinderAutomatisierung 123 Abb. 2.8 Kommunikationsstrukturen in der Fertigungsautomatisierung. a zentrale Lösung, ohne Feldbus,bdezentraleIntelligenz,dezentraleE/A-Anschaltung,Linienbusstruktur Hier wird es häufig sinnvoll sein, unterschiedliche Bussegmente und Bussysteme einzusetzen, um durch Kombination eine wirtschatlich optimale Lösung zu realisieren und auch den unterschiedlichen Zeitanforderungen gerecht zu werden. Durch die Auteilung der Aufgabenbereiche und Anforderungen gemäß Abb. 2.7 in drei Funktionsebenen mit ihren typischen Geräten und charakteristischen Anforderungen für die Kommunikation wird erreicht, dassdie Feldbusauswahlsinnvolleingeengt wird, indemzunächstdie prinzipiell geeigneten Kommunikationssysteme umschrieben werden. Zur Verdeutlichung der verschiedenen Realisierungsmöglichkeiten verteilter Automatisierungsaufgaben folgen mit Abb. 2.8 zwei Beispiele aus der Fertigungstechnik. Dabei zeigen diese Beispiele, welche Auswirkungen verschiedene Anwendungsstrukturen haben (Topologie, dezentrale/zentrale Intelligenz). Ausgehend von der zentralen Lösung(Anlage mit zentraler Steuerung) wird eine dezentrale Anordnung mit binären Sensoren, Aktoren, busfähigenfeldgeräten undkomplexen Baugruppendargestellt Prozessautomatisierung Die Bezeichnung Prozessautomatisierung steht im Folgenden für die Anlagenautomatisierung von chemischen, verfahrenstechnischen und energietechnischen Produktionsbetrieben mit Mitteln der Prozessleittechnik zur Überwachung und Führung des technologischen Prozesses. Abhängig vom zu automatisierenden Prozess (kontinuier-

8 124 2 NetzwerkhierarchieninderFabrik-undProzessautomatisierung Anwendungsebene Geeignete Kommunikationssysteme Betriebsleit-ebene Prozess- Prozessdaten- industrietaugliche Bewältigung mittlerer bis systeminterne leitebene verarbeitung Prozessstationen hoher Datenmengen Busse Feldebene nachrichtenorientierte Feldbusse (Sensor- Aktor) Aufgaben/ Funktionen Produktionsdatenverarbeitung Produktionsplanung, Logistik und Anlagenoptimierung mittel- und langfristige Datenarchivierung Datenverknüpfung Statistik Visualisierung und Bedienung Koordination der systeminternen Kommunikation (verteiltes System) Systemankopplung an Betriebsleitrechner,SPS, PC u. a. Erfassung von analogen und digitalen Signalen Datenvorverarbeitung in den E/A- Komponenten Verteilung der Daten über systeminterne Bussysteme Steuerung und Regelung von Teilprozessen Typische Geräte Mainframes als Leitrechner leistungsfähige Workstations Anzeige- und Bedienstationen, z. B. Workstations redundante Prozessstationen analoge Sensoren und Aktoren binäre Sensoren und Aktoren Messumformer Antriebe mit intelligenten Bausteinen Analysegeräte Waagensysteme SPS, Regler Bedien- und Anzeigegeräte Charakteristische Anforderungen Kommunikation mit dem Leitrechner hoher Datendurchsatz Zeitverhalten min bis h Fremdsystemankopplung Zeitverhalten s bis min Kommunikation mit überlagerten und unterlagerten Systemen sichere Übertragungseigenschaften prozessspezifische Übertragungszyklen standardisierte Softwareschnittstellen und Geräteprofile Eigensicherheit Schutz vor Einflüssen aus dem Prozess Teilnehmeranzahl entsprechend den Anlagen(teil)bereichen (einige 100) herstellerunabhängiger Einsatz von Feldgeräten Echtzeitfähigkeit Kommunikation mit überlagerten Systemen kurze bis mittlere Datensätze, variable Länge Anschalten, Entfernen sowie Umparametrieren von Teilnehmern bei laufendem Busbetrieb werksweite Netze LAN-Anbindung INTERNET INTRANET Kommunikationsmöglichkeit mit Gateways oder Routern zu Lokalen Netzen LAN Sensor-Aktor- Bussysteme geeignete Feldbussysteme für explosionsgefährdete Bereiche datenorientierte Feldbussysteme Gateways zu herstellerspezifischen Bussystemen und Punkt-zu-Punkt- Ankopplungen Abb. 2.9 Anforderungen für die Kommunikation in der Prozessautomatisierung

9 2.1 ÜbersichtundSpeziikderKommunikationinderAutomatisierung 125 Abb Kommunikationsbeispiel aus der Prozessautomatisierung (Prozessleitsystem einer verfahrenstechnischenanlage) lich, diskontinuierlich bzw. Mischformen) variieren auch die Feldinstrumentierungen und damit die Anforderungen an die Kommunikation in diesem Bereich. Nach dem Ebenenmodell wird die Prozessautomatisierung in eine Feld-, Prozessleit- und Betriebsleitebene unterteilt, wobeidieseebenensystemtechnisch weitgehendselbständigaufgebautsind. ImFeldbereichwerdendieProzessdateninProzessstationenzusammengefasstunduntereinander zu Knoten vernetzt, wobei die räumliche Ausdehnung der Anlage und die DatenmengedieAnzahlderKnotenbestimmt.FürdieProzessdatenerfassungkommenneben Sensoren und Aktoren auch intelligente Systeme wie Waagensteuerungen, Probenehmerund Analyseeinrichtungen sowie Steuerungen von Verpackungs- und Transporteinrichtungen zum Einsatz(hierzu vgl. auch Abschn Fertigungsautomatisierung). Die Explosionssicherheit, insbesondere Eigensicherheit (Ex i), einer Feldbusausführung ist für den Einsatz in der Prozessindustrie ot eine notwendige Bedingung (sog. K.o.-Kriterium), ebenso die Übertragung der Hilfsenergie direkt über die Datenleitung (Fernspeisung) bzw. über ein zusätzliches Adernpaar im Buskabel. Die Busteilnehmer variieren stark in ihrer Anzahl, und das Netz kann sich von einigen 100 m bis zu 10 km je nach Anlagengröße ausdehnen. Die zeitlichen Anforderungen reichen von einigen ms bis zu Minuten, wobei diese Grenzen einerseits vom Prozess selbst und andererseits von Sicherheitsanforderungen(Abschaltungen) bestimmt werden. In der Prozessautomatisierung muss aber auch die Möglichkeit des Einbindens von analogen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen gegeben sein(z. B ma).

10 126 2 NetzwerkhierarchieninderFabrik-undProzessautomatisierung Durch die Auteilung von Abb. 2.9 in drei Funktionsebenen mit den jeweiligen typischen Geräten und charakteristischen Anforderungen an die Kommunikation in der Prozessautomatisierung wird die Feldbusauswahl im Sinne einer Vorauswahl sinnvoll unterstützt. JenachgewähltemKonzepteinesProzessleitsystemsübernimmtentwedereinProzessbus die gesamte Kommunikation zwischen Prozessstationen und Leitstationen oder nur die Kommunikation zwischen den Prozessstationen. Im zweiten Fall sorgt ein getrennt aufgebauter Systembus für die Kommunikation zwischen den Leitrechnern. Hierzu ist in Abb ein Beispiel dargestellt. 2.2 Kommunikationsebenen bei Stückgut- und Fließgutprozessen Die Anforderungen an die Kommunikationssysteme unterscheiden sich auf jeder Ebene hinsichtlich der zu übertragenden Datenmenge, der erforderlichen Antwortzeit bei der Abfrage für die einzelnen Steuerungsaufgaben jeder Ebene(Datenresponsezeit) sowie hinsichtlich der Abfragehäufigkeit für die Einhaltung der Echtzeitbedingungen einer Steuerung bzw. des Mensch-Maschine-Interface(Abtastzeit). Hierbei steigen die Anforderungen andiezuübertragendedatenmengevonderprozessnahenvor-ort-ebeneinrichtungder Managementebene, während dagegen die Zeitforderungen abnehmen(abb. 2.11). Der ursprüngliche Ansatz der Industrie, wonach für jede Ebene spezielle sowie firmenspezifische Lösungen bereitgestellt wurden, die ihrerseits nicht kompatibel waren, hat sich auf dem Markt als nicht zukuntssicher erwiesen. Vielmehr hat sich aus langjährigen Erfahrungen von Anwendung und Normung eine typische Struktur gemäß Abb. 2.1 herausgebildet,dierelativselbständigundsomitauchgetrenntfunktionsfähigsind.diebusse dieser Ebenen sind überwiegend genormt und in Abb in einer Auswahl dargestellt. Kommunikationsebene Management Prozess-/ Fertigungsleitung Nettodaten pro Übertragung Mbyte ( Byte) kbyte (1 000 Byte) Antwortzeit bei Abfrage Stunden/Tag ( s) Sekunden ( s) Prozessführung 10 Byte 100 ms (0,1 s) Objektnah: Steuerung/Regelung Vor Ort: Sensoren/Aktoren bit (0,5...2 Byte) bit (0,5...2 Byte) 10 ms (0,01 s) ms (0, ,01 s) Abfragehäufigkeit (Abtastzeit) Schicht/Tag ( s) Minuten/Stunden ( s) Sekunden ( s) 100 ms (0,1 s) ms (0, ,01 s) Abb.2.11 AnforderungsbereichefürKommunikationssystemeaufmehrerenEbenen

11 2.2 KommunikationsebenenbeiStückgut-undFließgutprozessen 127 System INTERBUS PROFIBUS WorldFIP Foundation Fieldbus ControlNet DeviceNet CANopen AS-Interface Norm IEC , CPF 6 IEC , CPF 3 IEC , CPF 5 IEC , CPF 1 IEC , CPF 2/1 IEC EN IEC , EN Abb.2.12 AuswahlanBussystemenundderenCENELEC-Normen Stückgutprozesse Die Klasse der Stückgutprozesse ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenstände (Objekte) der Prozesse abzählbare Stückgüter sind;d.h.,ihr physikalischer Aggregatzustand ist fest, mindestens aber weisen sie eine feste Oberfläche auf (z.b. auch Flaschen,Fässer). Bei der Automatisierung derartiger Stückgutprozesse dominieren geometrische Größen wie Wege, Geschwindigkeiten, Winkel, Drehzahlen, Stückzahlen sowie Oberflächenbearbeitung, Transfer- und Verpackungsprozesse. Typisch ist hierfür, dass diese Prozesse sehr schnell ablaufen und aufgrund dieser hohen Dynamik entsprechend schnelle Automatisierungsmittel für den Echtzeitbetrieb erfordern, wie schnelle Sensoren und Aktoren, schnelle Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPSen mit Zykluszeiten von ca. 10 ms). Daher muss die Bereitstellung der überwiegend binären Sensor- und Aktorsignale im Echtzeitbetriebetwaalle5bis10mserfolgen.UndwennhierzueinSensor-Aktor-BusalsZubringer für entsprechende SPSen entworfen oder ausgewählt werden soll, so muss er über derartig kurze Reaktionszeiten verfügen. Dabei liegt die typische Übertragungsentfernung in einer Größenordnung von ca. 100 m. Weiterhin ist typisch, dass automatisierte Stückgutprozesse wegen ihrer Vielzahl abzählbarer Gegenstände(Körper) zugleich auch eine Vielzahl binärer Signale aufweisen, sodass eine Vielzahl binärer Sensoren und Aktoren an einen Sensor-Aktor-Bus anzukoppeln ist (Größenordnung 100 bis 200 pro Busstrang). Die zusätzliche Buskopplung muss natürlich vom Aufwandher in einem bestimmten Verhältnis zu den Grundkosten derartiger Lowcost-Sensoren/Aktorenbleiben. Soll also bei der Installation und Montage auf das aufwändige Abisolieren, Löten und Prüfen der Signalleitungen verzichtet werden, so führt dies auf die moderne Schneidklemmtechnik oder Durchdringungstechnik, die ihrerseits aber keine Schirmung und keine VerdrillungdesKabelserlaubt.DahermussdieimSensor-Aktor-BereichunerlässlicheElektromagnetische Verträglichkeit(EMV) durch unkonventionelle elektronische und informationstechnische Mittel gesichert werden. In deren Folge verliert z. B. die Hamming-Distanz, als das bislang wichtigste Beurteilungskriterium für die Störfestigkeit von Feldbussystemen, ihreklassischebedeutungvollständig.

12 128 2 NetzwerkhierarchieninderFabrik-undProzessautomatisierung Fließgutprozesse Die Klasse der Fließgutprozesse ist dadurch gekennzeichnet, dass als Gegenstände(Objekte)derProzesseentwederGase,Dämpfe,StäubeoderFlüssigkeitenautreten;d.h.,ihrphysikalischer Aggregatzustand ist gasförmig oder flüssig. Sie weisen also keine feste Oberfläche aufundmüssenfolglichinrohrleitungentransportiertundinbehälternaufbewahrtwerden,sodasssie insbesonderefürden Anlagenfahrernicht sichtbar sind.derzustandvon Fließgütern muss daher bei der Automatisierung durch Messung von Temperatur, Druck, Differenzdruck,Durchfluss,FüllstandsowieDichte,chemischeAnalysenwerteu.a.erfasst werden.typischisthierfürweiterhin,dassdieseprozessemittelschnellbisrelativlangsam ablaufen und aufgrund dieser geringen Dynamik nur relativ langsame Automatisierungsmittel erfordern, wie z. B. Prozessleitsysteme. Daher genügt es, die überwiegend analogen Sensor- und Aktorsignale im Echtzeitbetrieb für Fließgutprozesse etwa alle 300 ms bereitzustellen (drei Abtastungen pro Sekunde). Eine genauere Zuordnung der Abtastzeiten zu den einzelnen Prozessgrößen gibt die Übersicht nach Abb. 2.13b. Ein hierfür auszuwählender Sensor-Aktor-Bus kannalsomittelschnell bisrelativ langsamabtasten,mussallerdings pro Abtastung eine größere Informationsmenge übertragen, die sich aus den digitalisierten Analogwerten ergibt(10 bis 14 bit). Dabei ist die Übertragungsentfernung aber relativ großundliegtimbereich 100bis1000m(auch5km),daFließgutprozessenichtseltenin räumlich ausgedehnten (Freilut-)Anlagen ablaufen. Die Anzahl analoger Sensoren und Aktoren als Teilnehmer an einem Busstrang ist deutlich geringer und liegt in der Größenordnung 10 bis 30. Aufgrund des höheren Preisniveaus gegenüber binären Geräten liegen die tolerierbaren Buskoppelkosten mit maximal 25% natürlich deutlich über dem Low-cost-Bereich. Kostentreibend und im Sinne eines K.o.-Kriteriums wirkt hier die Forderung nach explosionsgeschützten Bussystemen, sofern der Anwendungsfall es verlangt; dies führt auf die weitgehend eigenständige Klasse der explosionsgeschützten Busse. Explosionssicherheit ist also ein zusätzliches Anwendungsfeld, das überwiegend nur in einer Unterklasse der Fließgutprozesse mit bestimmten Gasen, Dämpfen und Stäuben autritt, die zu Explosionenneigen. Die vergleichende Gegenüberstellung von wesentlichen Messgrößen für Fließgutprozesse und Stückgutprozesse nach Abb. 2.13a macht zugleich deutlich, dass sich beide Prozessklassennurwenigüberschneiden,sichweitgehendkomplementärdarstellenundsomit gut abgrenzbare Klassen bilden. Ihre gleichzeitige Relevanz für die Einteilung in Kommunikationsklassen haben die vorangestellten Erläuterungen bereits prinzipiell gezeigt. Gleichzeitig muss aber darauf hingewiesen werden, dass reale Prozesse in der Praxis sehr häufig eine Kombination aus beiden Grundklassen aufweisen, z.b. Fließgutprozesse mit nachgeschalteten Stückgutstufen für Abfüllung, Verpackung und Transport des erzeugten Produkts, ggf. eingebettet in eine technologisch erforderliche Gebäudeautomatisierung. DemgemäßergibtsichinkomplexenAnlagenaucheineMischungvonKommunikationssystemen,sowohlinihrercharakteristischenZuordnungzudenvorliegendenProzessklas-

13 2.3 Managementebene 129 a Messgrößen in Stückgutprozessen in Fließgutprozessen in Fließgutprozessen der Chemie - Stückzahl (Zählgrößen) 25 - Geometrische Größen (Länge, Weg, Winkel, Geschwindigkeit, Drehzahl, Beschleunigung) 25 - Zeit Menge (Masse, Volumen) Temperatur Druck Durchfluss Füllstand Analysenwert (Stoffeigenschaft) Sonstige Gesamt 100% 100% 100% b Mittlere Abtastzeit Temperatur (T) Druck (P) Durchfluss (F) Füllstand (L) Analysenwert (Q) Sonstige 100 s 1 s 1 s 10 s 100 s 0,5 Mittlere Abtastrate in 1/s 0, ,1 0,01 2 Häufigkeit 50% 10% 15% 6% 4% 15% Abb Typische Unterschiede bei Messgrößen für Fließgut- und Stückgutprozesse. a HäufigkeitsverteilungfürbeideProzessklassen(in%derGesamtmessstellenanzahl),berforderlichemittlere AbtastzeitenfürFließgutprozesse sen (Einsatzklassen) als auch hinsichtlich der hierbei intern autretenden Strukturen der Kommunikationsebenen. 2.3 Managementebene Die mangelnde Integrationsfähigkeit zur Verfügung stehender Automatisierungskomponenten führte zu Beginn der 80er Jahre zur Entwicklung von offenen Übertragungs- Protokollen,wobeieinenationaleoderinternationaleStandardisierungangestrebtwurde. Ein wesentlicher Beitrag zur Standardisierung im Bereich der offenen Kommunikation wurde mit der Standardisierung des Technical and Office Protocol(TOP) und des Manufacturing Automation Protocol(MAP) geleistet. Das Technical and Office Protocol ist für den Bürobereich und das Manufacturing Automation Protocol für den Automatisierungsbereich vorgesehen. Die Spezifikation von MAP geht auf eine Initiative von General Motors

14 130 2 NetzwerkhierarchieninderFabrik-undProzessautomatisierung INTERNET Abb.2.14 MAP/MMS-Kommunikationsstrukturen im Jahre 1982 zurück und war eng gebunden an den Standardisierungsprozess der InternationalOrganizationforStandardization(ISO).Wenigspäterstartetederamerikanische Flugzeugkonzern Boeing die Arbeiten zur Spezifikation des TOP. Einen vorläufigen Abschluss der Arbeiten bildete die im Jahre 1987 bereitgestellte Version 3.0 von MAP/TOP. Diese Version stellt erstmalig für die Entwickler von Automatisierungskomponenten eine einheitliche Schnittstelle bereit(abb. 2.14). Sie ermöglicht die Kommunikation zwischen Automatisierungsendgeräten verschiedener Herkunt, wie z. B. speicherprogrammierbare Steuerungen, Werkzeugmaschinensteuerungen, Robotersteuerungen oder Bedien- und Überwachungseinrichtungen. Die Spezifikation basiert auf dem ISO-OSI Referenzmodell und beruht auf einer Anzahl von OSI- Protokollen für die wichtigsten Anwendungsbereiche. Mit der Definition der Manufacturing Message Specification (MMS) wird eine objektorientierte Dienstschnittstelle für die Kommunikation mit Automatisierungsgeräten genormt. Dieser internationale Standard (ISO 9506) definiert die Kommunikationsdienste zum Strukturieren, den Betrieb und die Modifikation verteilter Automatisierungssysteme. Dem MMS ist ein Client-Server-Modell zugrunde gelegt, in dem die von außen sichtbare Struktur und das Verhalten der jeweiligen Automatisierungskomponente definiert wird. Voraussetzung ist, dass diese Komponente als Server fungiert. Die zur Verfügung stehenden Dienste ermöglichen ein Erzeugen, Beobachten, Dokumentieren, Manipulieren, Verknüpfen und Löschen von MMS-Objekten in einem heterogenen Automatisierungsverbund.DurchdieMMSwerdendamitstandardisierteEigenschatenvonAutoma-

15 2.4 Prozessleitebene 131 tisierungskomponenten festgelegt. Während bei MMS die Übertragung messageorientiert (nachrichtenorientiert) durchgeführt wird, erfolgt in der Feldebene eine datenorientierte Übertragung. 2.4 Prozessleitebene Mit ersten Überlegungen zum Einsatz von Bussystemen für die Datenübertragung in der Automatisierungstechnik wurden vorwiegend Systemarchitekturen mit linienförmigem Feldbus konzipiert (Abb. 2.15a). An dieses System wurde eine zentrale Instanz (z. B. Leiteinrichtung) und die verschiedenen Mikroprozessrechner in prozessnahen Komponenten PNK angeschlossen. Die einzelnen Feldgeräte sind dann über die Rangierverteiler sternförmig mit dem jeweiligen Mikroprozessrechner verbunden, in dem die eigentliche Signalverarbeitung abläut. Im Anschluss an diese Entwicklungsstufe erfolgte eine Kopplung des bitseriellen Feldbussystems mit einem Local Area Network(LAN)und damit die Möglichkeit des Datenaustausches mit modularen Wartenrechnern. Um eine übergeordnete Informationsverarbeitung auch über größere Entfernungen zu gewährleisten, wurde die Kopplung mehrerer Datenübertragungssysteme über ein Wide Area Network (WAN) vorgenommen,vgl.abb.2.15b. Mit der Weiterentwicklung der Mess- und Stelleinrichtungen entstanden auch direkt buskoppelbare Feldgeräte. Diese intelligenten Mess-, Stell- und Leiteinrichtungen können nun direkt an ein serielles Datenübertragungssystem angeschlossen werden (Abb. 2.15b). Die einzelnen Busstrukturen werden nun nicht mehr allein aus Linienstrukturen gebildet. Es kommen auch Ringstrukturen bzw. gemischte Varianten zur Anwendung, die ein Field Area Network(FAN)bilden.BeiKompaktleitsystemennachAbb.2.15cwerdeninsbesondere Standardkomponenten genutzt, z. B. SPSen, PCs sowie Industrial-ETHERNET als LAN, CAN und Modnet/Modbus als FAN. Die Kopplung des bitseriellen Prozessbusses mit einem LAN erfolgt über eine spezielle Einrichtung, das so genannte Gateway. Ein LAN ist also ein Verbund räumlich verteilter Rechner mit dem Ziel des Datenaustausches und der Zusammenarbeit. In Abb ist eine Variante eines LAN dargestellt, basierend auf Personalcomputern und Work-Stations. Mehrere Personalcomputer bzw. Work-Stations sind in Linienstruktur mit der Server- Station verbunden. Die Server-Station stellt die zentrale Instanz des Datenübertragungssystems dar. Über das oben genannte Gateway erfolgt der mögliche Datenaustausch mit einem Prozess- oder Feldbussystem, um z.b. Ergebnisse aus dem Konstruktionsbereich (CAD) direkt in die Fertigungssteuerung einspeisen zu können. Die verschiedenen LAN können in vielerlei Hinsicht durch ihre Eigenschaten und Parameter spezifiziert werden, u.a. Übertragungsrate, Übertragungsstruktur, Zugriffsverfahren, Übertragungsprotokoll, bereitgestellte DiensteunddiepassiveoderaktiveKopplungderTeilnehmer.

16 132 2 NetzwerkhierarchieninderFabrik-undProzessautomatisierung a b c Abb Automatisierungssysteme in drei Generationen mit Anschluss an Kommunikationssysteme. a mit Mikroprozessrechnern, b mit intelligenten, busgekoppelten Mess-, Stell- und Leiteinrichtungen auf der Basis von Mikrocontrollern, c Kompaktleitsysteme. PNK Prozessnahe Komponenten, WAN Wide Area Network, MC Mikrocontroller, LAN Local Area Network, FAN FieldAreaNetwork

17 2.4 Prozessleitebene 133 Abb Struktur eines LocalAreaNetwork(LAN) ETHERNET für den Industrieeinsatz Die amerikanische Firma XEROX brachte Mitte der 70er Jahre ein lokales Netzwerk mit der Bezeichnung ETHERNET auf den Markt. Mit einem bis zu 1000 m langen Koaxialkabel konnten über 100 Teilnehmer(Rechner, Drucker u. Ä.) miteinander verbunden werden und gleichberechtigt kommunizieren. Der Zugriff einzelner Teilnehmer auf das gemeinsame Koaxialkabel (Buskabel) wird nach dem zufälligen Buszugriffsverfahren CSMA/CD gesteuert. Neben diesem Busprinzip mit Linienstruktur sindauch Sternstrukturen mit verdrillten Leitungen (Twisted Pair) bzw. Lichtwellenleitern (LWL) möglich. Auch drahtlose Übertragung(Wireless LAN) sind im Rahmen der Norm IEEE vorgesehen. Als zukuntsweisendelan-technologieistdasindustrialethernetmiteinerübertragungsrate von 100 Mbit/s anzusehen. Der Einsatz von Lokalen Netzwerken für die industrielle Kommunikation ist an wesentliche Voraussetzungen gebunden: hohezuverlässigkeitderinformationsübertragungunterindustriebedingungen, Erfüllung von Echtzeitforderungen. Beide Voraussetzungen werden zunächst vom ETHERNET nicht erfüllt. Fehlerhat übertragene Telegramme werden durchaus vom Empfänger erkannt und nicht weitergeleitet. Trotzdem bleibt ETHERNET unzuverlässig, weil der Sender keinerlei Rückinformation über den Empfang seines Telegramms erhält und im Störungsfall also auch keine WiederholungdieserÜbertragungveranlasst.DieÜbertragungszeitennehmenaufGrunddes zufälligen Verfahrens für den Buszugriff(CSMA/CD) ohnehin mit der steigenden Busbelastungstarkzu,weil hierdurch diekollisionsgefahrwächst,sodasskein Echtzeitverhalten garantiert ist(abb. 2.17). Die oben geforderten Voraussetzungen konnten jedoch dadurch erfüllt werden, dass ETHERNET zusätzlich zur Norm IEEE mit einer übergeordneten Kommunikationssotware ausgerüstet wird, z. B. TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol), vgl. hierzu Abschn Diese Ergänzungen sind für die industrielle Kommunikation besonders gut geeignet, weil sie die Datenübertragung durch Fehlererkennung und Fehlerkorrektursichert(z.B.durchWiederholung),dieFlusssteuerunghinsichtlichVollständigkeit und Korrektheit in der Reihenfolge der Telegramme übernimmt, eine Schnittstelle zur

18 134 2 NetzwerkhierarchieninderFabrik-undProzessautomatisierung Abb.2.17 RelativeZeitverzögerungalsFolgederBusbelastungbeimETHERNET AnwendungssotwarebildetundVerwaltungsdienste ausführtsowiebeidenteilnehmern bestimmte Beschränkungen hinsichtlich Häufigkeit und Dauer ihres Buszugriffs erzwingt, umdiebusbelastunggeringzuhaltenundsomitdasechtzeitverhaltenzuverbessern(siehe Abb.2.17) LösungsmöglichkeitenmitTCP/IP Die Kommunikationssotware TCP/IP ist dem ETHERNET übergeordnet und bildet zusammen mit diesem eine typische Schichtenstruktur. Ein Vergleich dieses Schichtenaufbaus mit den 7 Schichten des ISO/OSI-Referenzmodells nach Abschn zeigt eine gute Übereinstimmung des ETHERNET mit den Schichten 1 bis 4, wobei TCP/IP den Schichten 3und4zuzuordnenist.Dies istbemerkenswert, wennmanbedenkt, dasstcp/ipbereits deutlich vor dem ISO/OSI-Modell geschaffen wurde, das seinerseits auf das Jahr 1983 zurückgeht. Internet Protocol IP Die Aufgabe des Internet-Protokolls besteht darin, die Telegramme von einem Teilnehmer zu einem oder mehreren anderen Teilnehmern zu übertragen. Dies erfolgt sowohl innerhalb eines Netzwerkes als auch zwischen verschiedenen Netzwerken (daher auch die Bezeichnung Internet). Diese verschiedenen Netzwerke sind über Router verbunden, die auch in der Lage sind, verschiedene Übertragungswege (Pfade) durch einen Netzwerkverbund auszuwählen, sodass Überlastungen oder Störungen einzelner Netze umgangen werden.

19 2.4 Prozessleitebene 135 Abb.2.18 ModelleinesÜbertragungssystemsmitTCP Im Einzelnen erfüllt das Internet Protokoll folgende Funktionen: Übermittlung von Telegrammen(Datagrammen) vom Sender zu einem oder mehreren Empfängern Adressenverwalter(Adress-Management) Telegrammauteilung (Segmentierung) Pfadsuche(Routing) Netzwerk-Kontrollfunktionen (Fehlererkennung). Als Folge dieses Routings kann es allerdings autreten, dass sich einzelne Telegramme wegen unterschiedlich langer Wegstrecken überholen und somit in anderer Reihenfolge(Sequenz) beim Empfänger eintreffen. Insgesamt wird aber das unzuverlässige Übertragungsverhalten des ETHERNET auch durch das Internet Protokoll noch nicht beseitigt. Das IP kann weder die Reihenfolge der Telegramme beim Empfänger noch deren sicheren Empfang garantieren (Telegramm- Verlust oder Verdopplung). Ein solches Kommunikationsverhalten wäre aber für die Vernetzung von industriellen Steuerungssystemen gänzlich ungeeignet, sodass eine weitere Sotwareschicht erforderlich ist(tcp). TransmissionControlProtocolTCP Die Protokollsotware zur Übertragungssteuerung TCP übernimmt die Aufgabe, eine zuverlässigetelegrammübertragungzusichern,d.h.fehlerfrei,sequenzgerecht undvollständig. Dazu organisiert TCP einen Vollduplex-Betriebzwischen der Anwendungssotware in verschiedenen Teilnehmern, wie dies in Abb ersichtlich ist. Somit sindinsbesondereauch Rückinformationen vom Empfänger zum Sender möglich, um den Telegrammempfang zu bestätigen oder Fehler mitzuteilen(quittungsbetrieb).

20 136 2 NetzwerkhierarchieninderFabrik-undProzessautomatisierung Im Einzelnen erfüllt die TCP-Sotware folgende Funktionen: zuverlässigetelegrammübertragung Vollduplex-Datenstrom zwischen den Teilnehmern Aufbau und Abbau von Verbindungen zwischen den kommunikationswilligen Teilnehmern(verbindungsorientiertes Protokoll) Überwachung bestehender Verbindungen (z. B. unerwarteter Abbruch, Stau im Netzwerk u. a.; Meldungen an Anwendungssotware) Zwischenspeicherung und Aufbereitung der Datenblöcke (von der Anwendungssotware an das TCP übermittelte Datenblöcke in beliebiger Größe und zu beliebigen Zeitpunkten werden bis zur Übertragung gespeichert, ggf. in übertragbare Segmentezerlegt sowie im Empfänger wieder korrekt zusammen gesetzt) Vereinbarung dynamischer Ports(zwischen TCP und Anwendungssotware vereinbarte Nummern zur Schnittstellenbezeichnung). Als Sicherungsmechanismen für die Informationsübertragung werden durch das TCP realisiert: Erkennen von Übertragungsfehlern(32 Bit-Prüfsumme) Empfangsbestätigung über korrekt erhaltene TCP-Segmente (Quittung,,,Acknowledgement ) Wiederholung bei Übertragungsfehlern oder Telegrammverlust(,,Repeat ) Zeitüberwachung zwischen Senden und Empfangsbestätigung(,,Time-Out ). Diese Mechanismen erhöhen die Verfügbarkeit und Datensicherheit des ETHERNET, und somit steigen die Einsatzchancen für die industrielle Kommunikation ganz wesentlich. Offen bleibt jedoch nach wie vor die Erfüllung der Echtzeitforderungen. Echtzeitfähigkeit durch Lasteinschränkungen Ein industrielles Kommunikationssystem muss weiterhin gewährleisten, dass ein Datentelegramm voneinemsenderinnerhalbeinesbekannten und akzeptierbaren Zeitintervalls mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit bei einem Empfänger eintrit, sodass dieser rechtzeitig reagierenkann.diehierbeizulässige Nachrichtenverzögerung(Meldungsverzögerung, MessageDelay)hängteinerseits vonden Anwendungsbereichen ab,undinnerhalbdieser wird sie durch die jeweilige Kommunikationsebene maßgeblich bestimmt. Das Industrial-ETHERNET wird für die Übertragung i. allg. oberhalb und ggf. auch innerhalb der Feldbus-Systemebene benötigt. Aus Abb. 2.2 geht hervor, dass in diesen LeitundFührungsebenen relativ große Datenmengen zu übertragen sind, aber die zulässigen Verzögerungen gleichfalls verhältnismäßig große Werte annehmen dürfen(0,1 10 s). Zur Realisierung solcher weichen Echtzeitforderungen bestehen auch bei dem zufälligen Buszugriffsverfahren CSMA/CD des ETHERNET gute Möglichkeiten, indem die Busbelastung

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