Ethernet & Netzwerke der Automatisierungstechnik Dozent: Dr. Frank Dopatka

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1 & Netzwerke der stechnik Dozent: Dr. Frank Dopatka Voraussetzung: Grundkenntnisse in Netzwerken & Netzwerk-Protokollen Ziele & Themen: Definition und Begründung von industriellen Echtzeitanforderungen Umsetzung der Anforderungen in n mangelnde Echtzeitfähigkeit des s aufzeigen Vorstellung von Lösungsansätzen der Industrie Folie 2 Organisation... Organisation Themenvergabe [Name, Matr.-Nr, Studiengang] 1. Zeitsynchronisation nach IEEE 1588 (HW & SW) [,,] 2. Hart Communication [,,] 3. Interbus [,,] 4. DeviceNet & ControlNet [,,] 5. /IP und CIPsync [,,] 6. EPL vs. RTnet [,,] 7. TCnet vs. EPA [,,] 8. Foundation Fieldbus H1 und HSE [,,] (NEU!) Es gibt keine dummen Fragen, nur dumme Antworten! Folie 3 Organisation Folie 4 Zur Prüfung... Organisation... Organisation... Termine der Vorlesungen: individuell vereinbart per 1. Die Prüfung beinhaltet den vorgetragenen Foliensatz sowie die in den Vorlesungen besprochenen Zusatz-Informationen. 2. Zur Prüfung sollten Sie insbesondere folgende Themenbereiche abdecken: a. Wie ist industrielle Echtzeit definiert? In welchen Zeitintervallen spielt sich (harte) industrielle Echtzeit ab? Welche Anforderungen existieren? b.woher kommen die Echtzeitanforderungen? c. Was ist ein Feldbus? Wie funktionieren CAN/ ProfiBus/ASi prinzipiell? Wie wird die Echtzeitfähigkeit erreicht?

2 Folie 5 Zur Prüfung... Folie 6 Quellen dieser Vorlesung und Literatur Organisation... Organisation... d. Wieso soll echtzeitfähig werden? -> Vertikale Integration e. Wo sind Probleme in der Echtzeitfähigkeit des s in HW und SW? -> CSMA/CD, Pufferung, Hubs vs. Switch-Typen, Verzögerung,... f. Welche Ansätze existieren zur Realisierung von Echtzeitfähigkeit? -> EPL, ProfiNet, SERCOS III und EtherCAT prinzipiell beschreiben -> Wie wird die Echtzeitfähigkeit erreicht, Vor- und Nachteile kennen Roland Wismüller: Vorlesungsunterlagen Rechnernetze I und II; Universität Siegen, Betriebssysteme und verteilte Systeme; ws0809/rn2/index_html ss09/rn1/index_html Frank Dopatka: Ein Framework für echtzeitfähige -Netzwerke in der stechnik mit variabler Kompatibilität zu Standard-; Dissertation der Universität Siegen, Betriebssysteme und verteilte Systeme; Folie 8 Interaktion von System & Umgebung & Echtzeit

3 Folie 9 Interaktion von System & Umgebung Folie 10 Steuerung RT- Die Führungsgröße ist die Vorgabe des Benutzers Offene Wirkungskette: keine Rückkopplung von x(t) Das Steuersignal u(t) wird ohne Kenntnis von x(t) bestimmt -> benötigt ein Modell der Strecke: Zusammenhang zwischen x(t) und y(t) Eine Steuerung kann nicht auf Störungen im Prozeß reagieren Folie 11 Regelung Folie 12 Regelung in der stechnik RT- Geschlossene Wirkungskette: x(t) wird kontinuierlich erfaßt und mit Sollwert verglichen => Regler stellt u(t) so ein, daß x(t) = w(t) wird (Istwert mit Sollwert vergleichen und anpassen) Ein Regler kann auch Störungen des Prosesses ausgleichen RT- Ist das Lenken eines Autos eine Steuerung oder eine Regelung?

4 Folie 13 Antriebsregelung: Stromregelung Folie 14 Antriebsregelung: Drehzahlregelung RT- RT- Spitzen- und Dauerstrom des jeweiligen Antriebes begrenzen -> Arbeiten im Arbeitsbereich PI-Regler; Aktualisierung: ca. alle 10µs Gleichstrommotor: Stromrichter Wechselstrommotor: Frequenzumrichter Sollwert des Stroms -> Sollvorgabe der Drehmomentes Drehzahlregelung nach dem Stromleitverfahren Frequenzumrichter sind in der Lage, direkt über den Ankerstrom des Antriebs die Istdrehzahl zu ermitteln und eine sensorlose Regelung durchzuführen -> Update ca. alle 10 ms Folie 15 Antriebsregelung: Positionsregelung Folie 16 Antriebsregelung in den Antrieben RT- RT- Definition der Verfahrstrecke -> Start-/Endpos. Update zwischen 10 ms und 100 ms sehr komplexe Regelung -> mikrocontroller- oder SPS-basierte Lösungen alles in einem Antrieb: Siemens PROFIdrive

5 Folie 17 Antriebsregelung in der Steuerung Folie 18 Antriebsregelung: Fallbeispiel Walzwerk RT- RT- Problem der durchlaufenden Warenbahn! Folie 19 früher: zentrale Welle - Kurvenscheibe Folie 20 Beispiele aus der heutigen RT- RT- Etikettiermaschine (Lochstanzen) Papiermaschine (stückbasiert) Linearmotor (Wasserbewegung vermeiden) laufende Warenbahn

6 Folie 21 Software-Welle Folie 22 Beispiel: Bewegungssteuerung eines Roboters RT- Ein Problem liegt in der hohen Synchronität der Antriebe zueinander. Diese Anforderung resultiert aus der Anlagenmechanik, die gerade bei einer durchlaufenden Warenbahn kritisch ist. Für einige technologische Prozesse wird ein Gleichlauf mehrerer Arbeitsmaschinen oder ein festes Drehzahlverhältnis zueinander gefordert. Dies kann ohne Kopplung mechanischer Wellen durch eine elektrische Welle erfüllt werden. In Verbindung mit modernen taktsynchronen n verwenden Moning und Lanz sogar den Begriff der Software-Welle. Folie 23 Referenzarchitektur für eingebettete Systeme Folie 24 Arten der Echtzeit RT- Weiche Echtzeitsysteme: Zeitbedingungen sind Richtlinien, die gelegentlich bzw. leicht überschritten werden dürfen (z.b. bei Multimedia) Feste Echtzeitsysteme: Ergebnisse werden nutzlos, es entsteht aber kein Schaden, z.b.: Positionsmessungen bewegter Objekte Harte Echtzeitsysteme: Es entsteht ein (größerer) Schaden, z.b.: - Anhalten eines autonomen Fahrzeugs vor Hindernis -ABS-System - Not-Aus Betätigung vor einer Presse

7 Folie 25 Was ist ein Echtzeitsystem? Folie 26 Rechtzeitigkeit: Nutzen der Information RT- RT- Ein Rechnersystem, bei dem neben logischer Korrektheit auch der Zeitpunkt der Ausgaben von Bedeutung ist! Ein Echtzeitsystem erfüllt die Anforderung der Rechtzeitigkeit Gleichzeitigkeit Vorhersehbarkeit Verlässlichkeit Verfügbarkeit Die Erfassung und Auswertung von Prozeßdaten, sowie die geeignete Reaktion muss stets innerhalb einer vorgegebenen Zeitschranke ausgeführt werden. Die verschiedenen Zeitschranken werden meist in Zeit/Nutzen-Diagrammen festgelegt. Diese stellen dar, zu welcher Zeit eine Information, z.b. ein übertragener Meßwert, von Nutzen für die Anlage ist: weiche feste harte Echtzeit Folie 27 Rechtzeitigkeit: Zeitbedingungen Folie 28 Rechtzeitigkeit: zyklische Abarbeitung RT- RT- Das Echtzeitsystem muß also Daten rechtzeitig abholen und liefern -> es existieren Zeitbedingungen für Eingabe und Ausgabe Varianten zur Angabe von Zeitbedingungen: - Angabe eines genauen Zeitpunkts - Angabe eines spätesten Zeitpunkts (Zeitschranke, Deadline) - Angabe eines frühesten Zeitpunkts - Angabe eines Zeitintervalls Periodische Zeitbedingungen: - Zeitbedingung wiederholt sich periodisch - z.b. regelmäßiges Auslesen von Sensoren: zeitlich äquidistante Werte sind wichtig für numerische Berechnungen -> a = dv/dt = d²s/dt² Aperiodische Zeitbedingungen: - ausgelöst durch das Auftreten von Ereignissen - z.b. Not-Aus Schalter betätigt

8 Folie 29 RT- Rechtzeitigkeit: Geschwindigkeit und Vorhersagbarkeit Folie 30 RT- Rechtzeitigkeit: Geschwindigkeit und Vorhersagbarkeit Um Zeitbedingungen einhalten zu können, muß Echtzeitsystem zwei Eigenschaften besitzen: hinreichende Verarbeitungsgeschwindigkeit genügend schnelle CPUs, effiziente Programmierung zeitliche Vorhersagbarkeit - Zeitbedingungen müssen in jedem Fall garantiert werden - wesentliche Anforderung an Betriebssysteme und Laufzeitsysteme! Hohe Geschwindigkeit ohne Vorhersagbarkeit ist bedeutungslos: Echtzeitfähigkeit ist nicht gleich Geschwindigkeit! z.b. sind cache-basierte Systeme problematisch: im Mittel sehr schnell, bei Cachefehlern jedoch deutlich höhere Verarbeitungszeit z.b. ist 100MBit/s schnell (im Gegensatz zu n)! Was passiert, wenn der Not-Aus-Frame aufgrund von hohem Traffic in einem Switch verworfen wird? -> Neu-Senden mit TCP? -> Priorisierung! -> Deterministisches, vorhersehbares Verhalten! -> Worst/Case-Rechnungen! Folie 31 Gleichzeitigkeit Folie 32 Vorhersehbarkeit RT- Die Forderung nach Gleichzeitigkeit besagt, dass ein Echtzeitsystem in der Lage sein muss, auch auf mehrere gleichzeitig ablaufende Vorgänge des technischen Prozesses zu reagieren. Insbesondere wird von jedem Rechenprozess erwartet, dass er alle Operationen vor Ablauf einer in der Einplanung angegebenen Zeitschranke erfolgreich abschließt. RT- Ein System ist vorhersehbar, wenn alle Reaktionen planbar und deterministisch sind. Es dürfen nur definierte und reproduzierbare Zustände auftreten. Dabei ist besonders von Bedeutung, dass sich keine zufälligen Komponenten im System befinden.

9 Folie 33 Verlässlichkeit Folie 34 Verfügbarkeit RT- RT- Zur Verläßlichkeit zählt die Zuverlässigkeit, Sicherheit und Verfügbarkeit eines Systems. Im industriellen Bereich bedeutet dies, das ein Netzwerk unter Industriebedingungen ordnungsgemäß arbeitet. Zu den Anforderungen zählen Standhaftigkeit gegenüber EMV-Belastung, mechanischer und chemischer Beschädigung, Temperatur, Vibration und Feuchtigkeit. RTSs müssen unterbrechungsfrei betriebsbereit sein, sonst Verletzung der Zeitbedingungen! Verbietet u.a. Reorganisationsphasen z.b. Index- und Speicher-Reorganisation bei Datenbanksystemen, Garbage Collection in Java,... Abhilfe: reorganisations-freie Algorithmen oder Reorganisation in kleinen Schritten (z.b. bei RTSJ) Folie 35 RT- Die Forderung der Antriebstechnik nach Isochronität Folie 36 Die Forderung der Antriebstechnik nach Isochronität Isochroner Echtzeitverkehr - auch als Isochronous Realtime Traffic (IRT) bezeichnet - ist dann gegeben, wenn jeder Beginn eines Buszyklusses mit höchstmöglicher Genauigkeit startet. Jeder IRT-Übertragung wird dabei ein bestimmtes Zeitquantum zugeordnet, wobei sich die Geräte über die Länge dieses Quantums einig sind. Das Netzwerk garantiert eine Langzeitstabilität des Taktes. RT- Die zeitlichen Abweichungen (Jitter) sind dabei minimal zu halten. Der isochrone Echtzeitverkehr soll damit den Anforderungen bei den Positioniervorgängen der Antriebstechnik gerecht werden. Die sonst bei allen Bussen übliche Fehlererkennung bzw. Korrektur ist bei isochroner Übertragung nicht vorgesehen. Ebenso wie bei der Übertragung von Audiooder Videodaten ist eine Neuübertragung im Fehlerfall sinnlos, da die Information durch die Zeitverzögerung bereits ihren Nutzen verloren hat.

10 Folie 37 RT- Die Forderung der Antriebstechnik nach Isochronität IRT basiert dabei auf zeitlich geplanten Übertragungswegen. Dafür wird für die Planung der Kommunkation die Kenntnis der Netzwerkinfrastruktur vorausgesetzt. Die Infrastruktur hat Einfluss auf die Eigenschaften der Kommunikation zwischen den IRTGeräten hinsichtlich Performance und Synchronisationsgenauigkeit. Änderungen an der Infrastruktur bewirken Änderungen der Systemeigenschaften. Dies muss bei der Projektierung berücksichtigt werden. [...] Da die IRT-Kommunikation höchste Anforderungen an zwischen den beteiligten Feldgeräten abgestufte Zeitplanung stellt, ist die Synchronisation aller IRT- Geräte auf ein gemeinsames Taktsystem unbedingte Voraussetzung. (Popp) : SPS-Anlagen Folie 39 Was ist eine SPS? Folie 40 Vernetzung RT- RT- Eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS, engl. Programmable Logic Controller, PLC) ist eine Baugruppe, die zur Steuerung und/oder Regelung einer Maschine oder Anlage eingesetzt wird. In der Regel ist eine solche Baugruppe elektronisch ausgeführt und ähnelt den Baugruppen eines Computers. Die Geber (Sensoren) und die Stellglieder (Aktoren) sind mit dieser Baugruppe verbunden. Das zugehörige Betriebssystem (Firmware) stellt sicher, dass dem Anwenderprogramm immer der aktuelle Zustand der Geber zur Verfügung steht. Anhand dieser Informationen kann das Anwenderprogramm die Stellglieder so ein- oder ausschalten, dass die Maschine oder die Anlage in der gewünschten Weise funktioniert. Ebenfalls erfolgt zunehmend die Verbindung der Sensoren und Aktoren mit der SPS über einen Datenbus und nicht mehr diskret. Hierdurch verringert sich der Verdrahtungsaufwand. Schließlich erfolgt auch zunehmend eine Anbindung an die Verwaltungsrechner einer Firma (vertikale Integration). So stehen z.b. immer aktuelle Daten über Fertigungsstände, Lagerbestände etc. zur Verfügung (vernetzte Fabrik). So wird der Unterschied zwischen einer modernen SPS und einem Prozessleitsystem immer kleiner.

11 Folie 41 Blockschaltbild einer SPS Folie 42 SPS im Schaltschrank RT- RT- Folie 43 Arbeitsweise einer SPS Folie 44 Arbeitsweise einer SPS RT- RT- Eine SPS arbeitet seriell-zyklisch : Zu Beginn eines Zyklus wird der Zustand der wirklichen Eingänge in das Prozessabbild der Eingänge (PAE) übertragen, danach bleibt eine Änderung des wirklichen Einganges für das PAE ohne Folgen. Diese Aktion führt das Betriebssystem der SPS durch, sie muss nicht programmiert werden. Dann wird das Programm seriell, also in Reihenfolge der Befehle (bzw. Unterprogrammaufrufe) abgearbeitet. Dabei zählt die letzte Zuweisung. Die Eingangswerte kommen aus dem PAE und die Zuweisungen von Ausgängen erfolgen an das Prozessabbild der Ausgänge (PAA), also nicht an die wirklichen Ausgänge selbst, daher ändern sich die Zustände der Ausgänge während der Programmbearbeitung nicht. Schließlich wird der Zustand des PAA auf die "echten", externen Ausgänge übertragen. Erst jetzt ändern sich die Zustände der Ausgänge. Auch diese Aktion führt das Betriebssystem der SPS durch. Die Bearbeitung startet von vorn!

12 Folie 45 E/A-Verarbeitung durch zyklisches Polling Folie 46 E/A-Verarbeitung durch zyklisches Polling RT- RT- Folie 47 Arbeitsweise einer SPS Folie 48 Arbeitsweise einer SPS RT- RT-

13 Folie 49 Arbeitsweise einer SPS Folie 50 Ablauf eines zyklischen Betriebes RT- RT- Folie 51 Hydraulik vs. Servomotor Folie 52 Hydraulik vs. Servomotor RT- RT- Die beiden schwarzen Schläuche, die um die senkrecht stehenden Ventilrohrantriebe gelegt sind, dienen der Wassertemperierung des Massebehälters.

14 Folie 53 Hohlkörper-Gießmaschine: Schaltplan Folie 54 Hohlkörper-Gießmaschine: Busverdrahtung Servosystem für eine 5-Achsen-Dosiermaschine 2 x Ventilrohre, 2 x Dosieren, 1 x Hubtisch Folie 55 Hohlkörper-Gießmaschine Folie 56 Hohlkörper-Gießmaschine: Schaltschrank RT- RT-

15 Folie 57 Hohlkörper-Gießmaschine: gefüllte Formen Folie 58 Hohlkörper-Gießmaschine: GUI RT- RT- Folie 59 Hohlkörper-Gießmaschine: GUI Folie 60 Antriebe für Füllungen einstellen RT-

16 Folie 61 Gießmaschine Folie 62 Gießmaschine RT- RT- Folie 63 Formenkontrolle Folie 64 Formenkontrolle RT- RT-

17 Folie 65 Formenkontrolle RT- Grundlagen von n Folie 67 Was ist ein Feldbus? Folie 68 Wo werden eingesetzt? RT- RT- Ein Feldbus ist ein industrielles Kommunikationssystem, das eine Vielzahl von Feldgeräten wie Messfühler (Sensoren), Stellglieder und Antriebe (Aktoren) mit einem Steuerungsgerät verbindet. Die Feldbustechnik wurde in den 80er Jahren entwickelt, um die bis dahin übliche Parallelverdrahtung binärer Signale sowie die analoge Signalübertragung durch digitale Übertragungstechnik zu ersetzen.

18 Folie 69 Echtzeitklassen der Ebenen Folie 70 Echtzeitklassen der Ebenen Isochronität der Antriebstechnik! RT- Isochronität der Antriebstechnik! -> Die benötigte Echtzeitfähigkeit hängt von der Art der Anwendung ab! Folie 71 Gegenüberstellung der Ebenen Folie 72 Gegenüberstellung der Ebenen RT- Bürobereich Leitebenen keine oder geringe Echtzeitanforderungen große Datenframes (Dokumente, Bilder, : kbyte/mbyte-bereich) Übertragungszeit im sek-bereich unregelmäßger, asynchroner Datenverkehr vorwiegend dezentrale Kommunikation, ggf. einzelne Server und Gateways Datenfluß Anlagenbereich Feldebene harte Echtzeitanforderungen kleine Datenframes (Soll-/Ist-Werte: einige Bytes) Übertragungszeit im µs-bereich meist zyklischer, isochroner Datenverkehr Master/Slave-Kommunikation vorherrschend, Trend zur Dezentralisierung vorhanden RT- Bürobereich geringe bis mittlere Leitebenen Vorhersehbarkeit baumförmige Netztopologie feste Grundinstallation im Gebäude variabler Geräteanschluß geringe bis mittlere Verläßlichkeit Infrastruktur Anlagenbereich sehr starke Vorhersehbarkeit Feldebene flexible Topologie (stern-/baum-/ring-förmig) anlagenabhängige Verkabelung statische Anzahl und Position der echtzeitfähigen Geräte hohe Verläßlichkeit geringe bis mittlere Vorhersehbarkeit sehr starke Vorhersehbarkeit

19 Folie 73 Feldebene: Sensor / Aktor / Steuerung Folie 74 Nachteil paralleler Verdrahtung RT- RT- Für die Regelung eines Systems sind meist viele Sensoren und Aktoren nötig. Falls die Regelung elektrisch erfolgt, stellt sich die Frage, wie die Sensoren und Aktoren mit dem Regelungsgerät verbunden werden sollen. Zwei Grund-Varianten sind möglich: 1. Vom Regelungsgerät aus wird je ein Kabel zu jedem Sensor und Aktor gezogen (parallele Verdrahtung). -> früher 2. Vom Regelungsgerät aus wird nur ein Kabel gezogen: Das Kabel wird bei jedem Sensor und Aktor vorbeigeführt (serielle Verdrahtung). -> heute Mit steigendem sgrad einer Anlage oder Maschine wächst der Verkabelungsaufwand bei paralleler Verdrahtung aufgrund der größeren Anzahl der Ein-/ Ausgabepunkte. Das ist mit großem Aufwand bei Projektierung, Installation, Inbetriebnahme und Wartung verbunden. Die Anforderungen an die Kabel sind oft hoch, z. B. müssen spezielle Leitungen für die Übertragung von Analogwerten eingesetzt werden. So wird die parallele Feldverdrahtung zu einem gravierenden Kosten- und Zeitfaktor in der stechnik. Folie 75 Nachteil serieller Verdrahtung Folie 76 Was macht ein Feldbus? RT- RT- In der Wirklichkeit treten mehrere Ereignisse gleichzeitig auf, die auch von den unabhängigen Sensoren erfasst werden können. Bei paralleler Verkabelung können Sensoren/Aktoren auch gleichzeitig über das PAE/PAA angesteuert werden. Bei seriellem Datentransfer werden Daten jedoch stets nacheinander übertragen. Damit werden auch gleichzeitige Ereignisse hintereinander gereiht. Die Aufgabe des s liegt darin, dass die Daten stets rechtzeitig, vorhersehbar und verlässlich übertragen werden. Der Feldbus ersetzt die parallelen Leitungsbündel durch ein einziges Buskabel und verbindet alle Ebenen, von der Feld- bis zur Leitebene. Unabhängig von der Art des sgeräts, z.b. SPSoder PC-basierte Steuerungen, vernetzt das Übertragungsmedium des s alle Komponenten. Diese können beliebig im Feld verteilt sein, denn alle werden dezentral vor Ort angeschlossen. Damit steht ein leistungsfähiges Kommunikationsnetz für zeitgemäße Installationen zur Verfügung. An Stelle der Ein-/Ausgangsschaltungen wird eine Interface-Karte eingesetzt. Das spart I/O-Karten, reduziert den Platzbedarf im Schaltschrank und senkt die Kosten für die Verdrahtung.

20 Folie 77 Vorteile eines s Folie 78 Nachteile eines s RT- RT- geringerer Verkabelungsaufwand Eigendiagnose durch das System Höhere Zuverlässigkeit und bessere Verfügbarkeit durch kurze Signalwege gerade bei analogen Werten erhöht sich der Schutz vor Störungen offene vereinheitlichen herstellerübergreifend die Datenübertragung und Geräteanschluss Erweiterungen oder Änderungen sind einfach durchzuführen und garantieren Flexibilität und Zukunftssicherheit komplexeres System: qualifiziertere Mitarbeiter notwendig höherer Preis von Komponenten durch Feldbus- Schnittstelle Aufwändige Messgeräte Etwas längere Reaktionszeit Durch die Vielzahl verschiedener sind Sensor-/Aktor-Hersteller gezwungen, mehrere zu unterstützen -> zusätzliche Kosten -> Gefahr von Fehlinvestitionen als zentrales Anbindungsprinzip kann bei einer Busstörung das Leitsystem von allen Sensoren und Aktoren abgeschnitten sein Folie 79 Zusammenfassung der Anforderungen Folie 80 Typische Merkmale RT- RT- Zuverlässigkeit, geringe Störempfindlichkeit (durch elektische Maschinen) einfache, kostengünstige Vernetzung: günstige Verkabelung und Endgeräte Übertragung von Prozeßdaten (Sensoren/Aktoren) - viele Geräte, kleine Informationsmengen - zyklische Datenerfassung - Echtzeitanforderungen: konstante und vorhersagbare Abtastintervalle Sicherheitsanforderungen (z.b. Explosionsschutz) meist Busstruktur: - geringer Verkabelungsaufwand bei hoher Teilnehmerzahl deterministische Medienzugangskontrolle: - meist zeitgesteuert - zentrale Zuteilung (Master/Slave) - dezentrale Zuteilung (Token-Bus bzw. -Ring oder TDMA) manchmal prioritätsgesteuert (vollständige) Kollisionsvermeidung durch CSMA/CA kurze Frames (Telegramme), oft nur wenige Bytes sehr zuverlässige Fehlererkennung

21 Folie 81 Typische Merkmale Folie 82 Client/Server Architektur RT- RT- oft verschiedene Bandbreiten, abhängig von Leitungslänge meist geschirmte Zweidrahtleitung, teilw. auch Lichtwellenleiter bei Sensor/Aktor-Bussen oft Zweidrahtleitung incl. Spannungsversorgung meist nur OSI-Schichten 1, 2 und 7 implementiert Anwendungsprotokolle realisieren häufig Zugriff auf Objektverzeichnisse Prozeßobjekte: z.b. Temperaturwerte, Schaltzustände,... ein Server stellt einen Dienst bereit ein Client fragt eine Komponente dieses Dienstes an der Server liefert die Antwort Beispiele im Internet: HTTP-/FTP-/DHCP-Server Vorteile u.a.: - Dienst -Denkweise ist modern -> SOA (Service-Oriented Architectures) - keine Dienstanfrage -> keine Kommunikation Nachteile u.a.: - hohes Maß an Overhead durch die Requests - Zeitverzögerung zwischen Request und Response -> in der stechnik kaum vertreten Folie 83 Client/Server Architektur Folie 84 Master/Slave Architektur RT- RT- ein Master fordert (zyklisch) Daten an der angesprochene Slave antwortet mit den Daten kein Slave sendet, ohne vorher vom Master die Erlaubnis bekommen zu haben zu einem Zeitpunkt existiert genau ein (primärer) Master im Netz meist bildet der Master ein Gateway nach aussen und baut intern ein Subnetz auf Vorteile u.a.: - gut vorhersehbares (deterministisches) Verhalten - leicht zu berechnen Nachteile u.a.: - jeder muss dem Master folgen - Ausfall des Masters? -> Zentralisierung

22 Folie 85 Master/Slave Architektur Folie 86 Publisher/Subscriber Architektur RT- RT- ein Gerät bietet bestimmte Daten (zyklisch) zur Veröffentlichung an -> Publisher jeder, der die Daten haben will, muss sich registrieren -> Subscriber ein Gerät kann gleichzeitig Publisher und Subscriber sein Vorteile u.a.: - moderne dezentrale Denkweise - skalierbar: keine Grenze durch einen Master Nachteile u.a.: - Wie werden die Daten übertragen? -> Multicast? - Determinismus schwieriger herzustellen Folie 87 Publisher/Subscriber Architektur Folie 88 Feldbus-Topologien RT- RT- Ring Stern Linien Baum

23 Folie 89 Trend zur dezentralen Peripherie Folie 90 dezentrale Peripherie und intelligente Sensorik RT- RT- Dezentrale Peripherie bezeichnet das Anbinden von verteilter Steuerungselektonik für eine (größere) Maschine an eine zentrale CPU über ein Bussystem. Der Ausdruck ist mit dem Aufkommen von n populär geworden. In der dezentrale Peripherie werden Ein- und Ausgabemodule etc. in die Nähe der zugehörigen Sensoren und Aktoren gelegt. Die Verbindung zur CPU erfolgt über einen Bus und spezielle Verteiler. Anstatt vieler Einzeladern zur zentralen CPU brauchen die Sensoren und Aktoren nur bis zur dezentralen Peripherie verkabelt werden. Von dort aus führt lediglich eine Busleitung zur CPU. Dieser Aufbau muss allerdings mit zusätzlichen Kosten für die Verteiler erkauft werden. Durch die Fortschritte der Mikroelektronik kann eine Vorauswertung der Daten bereits in den Geräten durchgeführt werden. So kann z.b. ein Temperatursensor direkt den Motor eines Ventilators ansprechen, wenn ein Grenzwert überschritten wird. -> intelligenter Sensor -> die zentrale CPU wird entlastet -> direkte Kommunikation der Beteiligten -> nebenläufige Übertragungen im Netzwerk sinnvoll Notwendig ist dazu jedoch eine verteilte Programmierung oder zumindest Parametrierung der einzelnen Geräte. Folie 91 Integrationsgrad von Sensoren Folie 92 die Forderung nach Querverkehr RT- Durch die Dezentralisierung bekommen die Slaves Intelligenz und können untereinander kommunizieren. Diese Kommunikation wird als Querverkehr bezeichnet.

24 Folie 94 Was ist ASi? RT- Feldbus: AS-Interface ASi heißt Aktuator Sensor Interface und ist für die Vernetzung von Aktuatoren (Magnetventile, Schütze, etc.) und Sensoren (optisch, induktiv, kapazitiv etc.) konzipiert. ASI ist ein Bussystem für die unterste sebene. Maßgeschneidert für die einfachsten Elemente im Maschinen- und Anlagenbau ist ASI am Bedarf der Anwender ausgerichtet. ASI ist eine Ergänzung zu existierenden Bussystemen und kein Ersatz. Folie 95 Was ist ASi? Folie 96 Meister und Sklave RT- RT- Mit ASI entfällt die aufwendige Parallelverdrahtung zwischen Sensoren und Steuerung. Eine einfache 2-Drahtleitung ermöglicht den Anschluß von 31 Slaves (max. 124 Sensoren und/oder Aktuatoren). Der Installationsaufwand ist dadurch deutlich geringer als bei der konventionellen Parallelverdrahtung. Eine weitere Kostenersparnis ergibt sich durch den Verzicht auf Klemmleisten und E/A-Karten. ASI arbeitet nach dem Master/Slave-Prinzip. Der ASI-Master als Einschubkarte für SPS oder PC oder als Gateway zu höherem Bussystemen überwacht den Bus und fragt die Teilnehmer zyklisch ab. Verschiedene Koppelmodule machen die meisten konventionellen Sensoren und Aktuatoren, wie sie heute am Markt verfügbar sind, busfähig".

25 Folie 97 Technische Daten Folie 98 Kosten/Leistung RT- RT- Folie 99 ASi-Master Folie 100 ASi-Gateway RT- RT- Der ASI-Master übernimmt alle Aufgaben, die für die Abwicklung des Busbetriebes notwendig sind. Er kann als Einschubkarte für eine SPS bzw. PC oder als Gateway zu einem anderen Bussystem realisiert werden. Der Master überwacht und steuert den Bus und entscheidet über den zeitlichen Zugriff auf die angeschlossenen Sensoren/Aktuatoren. Dazu ruft er die Teilnehmer im System mit ihrer Adresse auf und erwartet eine Antwort. Dieser Zyklus beträgt bei maximalem Ausbau (31 Teilnehmer) 5ms. Gateways stellen die Verbindung zu höheren Bussystemen (INTERBUS-S, Profibus, etc.) dar. ASI ist für binäre Sensoren/Aktuatoren für die unterster Feldebene konzipiert. Zur Übertragung größerer Datenmengen über weite Entfernungen werden andere Bussystem benötigt. Der Gateway-ASI-Master verbindet mit einem solchen übergeordnetem System und wird von diesem wie ein normaler Teilnehmer betrachtet.

26 Folie 101 ASi-Slaves Folie 102 ASi-Slaves RT- RT- Die an die ASI-Leitung angeschlossenen Sensoren und Aktuatoren müssen die Aufrufe des ASI-Masters verstehen und Daten an diesen übertragen können. Diese Aufgabe übernimmt der ASI-Slave. ASI-Slaves sind passive Teilnehmer und antworten nur, wenn sie vom Master angesprochen werden. Jeder Slave verfügt dazu über eine eigene Adresse. Diese ist bei Auslieferung auf 0" gesetzt. Vor dem Betrieb eines ASI-Systems muß jedem Slave eine gültige Adresse (zwischen 1 und 31) zugewiesen werden. Die Adressierung erfolgt durch ein spezielles Programmiergerät. Die Elektronik des ASI-Slaves ist nahezu komplett in einem hochintegrierten Schaltkreis untergebracht. Er verfügt über vier Datenleitungen und vier Parameterleitungen. Pro Slave und Zyklus werden über die Datenleitungen 4 Bit übertragen, die unterschiedlich nutzbar sind: Bei Lichtschranken mit integriertem Slave, beispielsweise für den Schalt- und Warnausgang, für die Bereitschaftsanzeige und zur Steuerung des Testeingangs mit dem der Sender kurzzeitig abgeschaltet werden kann. Folie 103 ASi-Slaves Folie 104 ASi-Stromversorgung RT- RT- Bei Geräten mit integriertem Slave lassen sich zusätzlich 4 Bit über die Parameterleitung übertragen. Damit können Sensoren oder Aktuatoren parametriert werden. Alternativ kann ein Slave aber auch über Koppelmodule vier rein binäre Geräte versorgen. Dadurch können bis zu 124 Sensoren / Aktuatoren (ohne integrierten ASI-Slave) Angeschlossen werden. Es kann dann aber jeweils nur ein Ein- bzw. Ausgang (z.b. Schaltausgang) pro Gerät verwendet werden. Die Energieversorgung der angeschlossenen Sensoren/Aktuatoren erfolgt über das Koppelmodul (24 V, bis 100 ma). Endgeräte mit höherem Leistungsbedarf benötigen eine externe Hilfsspannungsversorgung. Diese kann direkt an das Koppelmodul angeschlossen werden. Dafür werden Koppelmodule mit einer zusätzlichen M12-Rundsteckverbindung benötigt.

27 Folie 105 ASi-Geräte Folie 106 Protokoll RT- Bei Bedarf kann die Konfiguration vom PC aus erfolgen. Dazu wird die PCI- Karte (ASi-Master) über ihre RS-232-Schnittstelle mit einer RS-232-Schnittstelle im PC verbunden und am PC ein Terminalprogramm, z.b. Hyperterm, gestartet. RT- Folie 107 Masteraufruf Folie 108 Masteraufruf

28 Folie 109 Slaveantwort Folie 110 Codierung RT- RT- Zunächst werden die zu übermittelnden Daten nach Manchester kodiert, d.h. in der Mitte jeder logischen 0 erfolgt ein Übergang von 1 --> 0 und in der Mitte jeder logischen 1 ein Übergang von 0 --> 1. Der Vorteil dieser Kodierung liegt darin, daß während der Übertragung eines jeden Bits mindestens ein Übergang auftritt. Somit kann eine Zeitüberwachung zur Fehlererkennung vorgenommen werden. Anschließend wird die zu übertragende Information auf die Bus-Gleichspannung aufmoduliert. Durch die Einprägung eines Stromes durch den Sender entsteht auf dem Bus ein sin 2 -förmiges Spannungssignal mit alternierender Pulsfolge. Dieses Verfahren wird auch Alternierende Puls-Modulation (APM) genannt. Folie 111 Codierung Folie 112 Codierung RT- RT- Der Empfänger gewinnt aus den Pulsen mit Hilfe zweier Komparatoren das manchesterkodierte Signal zurück und kann dieses nun wiederum zum ursprünglichen Datum dekodieren.

29 Folie 113 Übertragung RT- Feldbus: CAN Folie 115 Übersicht Folie 116 Bitübertragung RT- RT- CAN: Controller Area Network Ursprünglich für die Vernetzung in Fahrzeugen entwickelt, inzwischen auch im industriellen Bereich Adressierung erfolgt nachrichtenorientiert - Nachrichtentyp statt Sender-/Empfänger-Adresse - Geräte reagieren auf bestimmte Nachrichtentypen Bustopologie, keine Begrenzung der Teilnehmerzahl Medium: i.d.r. verdrillte Zweidrahtleitung Übertragungsraten: 20 kb/s (max m) bis 1 Mb/s (max. 40 m) jedes Bit füllt die Leitung vollständig aus! -> Was bedeutet das? rezessive und dominante Pegel falls zwei Stationen gleichzeitig unterschiedliche Pegel an den Bus legen: -> dominanter Pegel (0-Bit) setzt sich durch

30 Folie 117 Frameformat ACK-Bit wird mit rezessivem Pegel gesendet Empfänger setzt (während der Übertragung) dominanten Pegel Folie 118 RT- Medienzugriff prioritätengesteuerte Arbitrierung: CSMA/CA, vollständige Vermeidung von Kollisionen Sender erkennen, wenn Bus unbenutzt ist: Bus liegt mehr als 5 Takte auf rezessivem Pegel Arbitrierung durch Mithören beim Senden des Identifikators und des Anfrage/Antwort-Bits: - bitweiser Vergleich von gesendeten Daten und Buspegel - bei Abweichung: Senden sofort einstellen - Identifikator mit der ersten 0 gewinnt Arbitrierung -> kleinster Identifikator hat höchste Priorität -> bei gleichem Identifikator: Antwort hat Priorität - gleichzeitige Anfragen mit selbem Identifikator unzulässig Folie 119 RT- Beispiel: Arbitrierung Identifikator: - Station 1: Station 2: > kleinste ID gewinnt - Station 3: > Wie wird der Determinismus erreicht? Feldbus: Siemens ProfiBus