LONWORKS. Cyber Physical Systems: Bottom-Up

Transkript

1 Cyber Physical Systems: Bottom-Up

2 LONWORKS

3 Technik/ Knoten Folie Nr. 3

4 Ein CPS-Knoten und seine Umgebung Ein-/ Ausgabe µ-controller Übertrager Medium Knoten-Chip Transceiver Herr Mustermann vorprogrammierte EA-Typen - Twisted Pair - 230V~ Netzleitung - Funk etc. Folie Nr. 4

5 Prozess Takt Service Netzteil Knotenaufbau (konkretes Beispiel LON) Neuron-Chip 11 Pin 5 Pin E/A-Beschaltung Transceiver RAM / EEPROM / ROM Ext. Speicher (nur 3150) Übertragungsmedium: Zweidrahtleitung (Twisted-Pair TP), Starkstromnetz (Power-Line PL), Funk (Radio-Frequency RF),... Folie Nr. 5

6 Neuron 3120 und Neuron Pin-Anwendungsschnittstelle (für Relais, LED, digitale Eingänge, Zähler usw.) CPU 1 CPU 2 CPU 3 RAM 1 KByte (3120) 2 KByte (3150) EEPROM 512 Byte ROM 10 KByte (nur 3120) Abschluss für externen Speicher (nur 3150) 5-Pin-Netzwerkschnittstelle Anschluss an Transceiver maximal 1,25 Mbit/s

7 Neuron 3150 Erweiterungsbus Ucc 5V Medienzugriff CPU 1 Netzwerk CPU 2 Anwendung CPU 3 E 2 PROM RAM Uss 8-bit-Datenbus 16-bit-Adressbus Steuerbus Takt & Timer Anwendungsschnittstelle 20-mA-Treiber, Pullup-Widerstände Service Netzwerkschnittstelle Reset Service Clock I/O 0...I/O 10 CP 0...CP 4 Folie Nr. 7

8 Neuron Chip CPU 2: Netzwerkmanagement, Adressierung CPU 1: Buszugriff Kollisionserkennung CPU 3: Anwendungsprogramm Speicher für: Neuron-ID (MAC) Firmware Anwendungsprogramm Konfiguration Verknüpfungen Betriebsdaten + externer Speicher Kontrolle & Timer I/O Transceiveranschluß Folie Nr. 8

9 LONWORKS Knotenaufbau: Beispiel Folie Nr. 9

10 Übertragungs -medien Folie Nr. 10

11 Twisted-Pair (TP) Verdrillte Zweidraht-Leitung Übertragungsmedien Übersicht Power Line (PL) V Funk (Radio Frequency RF) Lichtwellenleiter (Fiber Optic) Koaxialleiter Folie Nr. 11

12 Physikalische Netzwerk- Strukturierung Folie Nr. 12

13 Freie Topologien Ring-Topologie Stern-Topologie K K K K K K K K K K K K K K K gemischt verzweigte Topologie K K K K K K K K K K K = Netzwerk-Knoten = Bus-Abschluss Folie Nr. 13

14 Freie Netztopologie: bei eingebetteten CPS weit verbreitet Linie Baum Ring Freie Polarität

15 FTT10-A / LPT-10A in freier Topologie mit JY(St)Y 2 2 0,8 Abstand zwischen beliebigen Knoten: Abstand zwischen beliebigen Knoten und Busabschluß bzw. Link-Power-Supply: Gesamtleitungslänge: max. 320 m max. 320 m max. 500 m maximal 320 m K K K K maximal 320 m K = Netzwerk-Knoten = Bus-Abschluss Folie Nr. 15

16 FTT / LPT in Bus- / Linientopologie Große Leitungslänge Zwei Busabschlüsse an den Leitungsenden erforderlich Länge der Stichleitungen = maximal 3 m keine beliebige Verzweigung zulässig daher schwer erweiterbar, insbesondere bei Unterputz-Installation Busabschluss 107 max. 3 m K K K K K K = Netzwerk-Knoten = Bus-Abschluss Folie Nr. 16

17 Repeater als Verstärker Erhöht die maximale Netzausdehnung TPT 1,25 Mbit/s Repeater Repeater Erhöht die maximale Knotenanzahl FTT 78 kbit/s FTT 78 kbit/s... Repeater maximal 64 Knoten maximal 64 Knoten Folie Nr. 17

18 Bus-Beleuchtungssteuerung über Zweidrahtleitung (Twisted-Pair) K K K Neubau Twisted-Pair FTT Router Eingang Zentral- Werkstatt 1 Aus Anwendungsbeispiel: Router als Koppelelement K K K Altbau Power-Line PLT Büro1 Büro 2 Büro 3 Bus-Beleuchtungssteuerung über 230-V-Netzleitung (Power-Line) Folie Nr. 18

19 Router < 64 Knoten FTT 78 kbit/s > 64 Knoten FTT-10 Repeater > 2700 m in Linie > 64 Knoten FTT-10 Router > 500 m in FT Repeater Infrastruktur großer Netze FTT 1,25 Mbit/s Router FTT 78 kbit/s Repeater Router FTT 78 kbit/s... > 2700 m in Linie Repeater > 64 Knoten Knoten Folie Nr. 19

20 Router TPT 1,25 Mbit/s > 130 m Repeater Gateway Infrastruktur großer Netze Ethernet PLT 22 Router FTT 78 kbit/s FTT 78 kbit/s Router... Repeater > 64 Knoten Knoten Netzwerkabschluss Folie Nr. 20

21 Topologie: Backbone Prinzipiell hierarchiefrei Senkrechter Channel ( Backbone ): Allgemeine Funktionen wie PC oder Uhr Spannungsversorgung, jedoch mind. Busabschluß Router trennt logische Einheiten; z.b. 1 Channel / Etage 42V= Folie Nr. 21

22 Backbone: Wo gehört was hin? Je zentraler die Funktion eines Nodes, desto zentraler ist er auch anzuschließen: Die Systemuhr mit dem Zeitsignal für alle Nodes gehört auf den Backbone Die Zutrittserfassung für die Etage gehört auf den Etagenbus Allgemeiner formuliert: Signale sollen möglichst wenige Router passieren Zu allen Empfängern sollen die Signale möglichst gleich viele Router passieren Folie Nr. 22

23 Logische Netzwerk- Strukturierung Folie Nr. 23

24 Domain 1 Domain 2 Channel 2 Channel 3 Router Subnet Subnet Router Channel 4 Subnet Logische Netzwerk- Struktur Domain Subnet Node N N N N N N N N Channel 2 Channel 1 Subnet Router Subnet N N N N N N N N N N N N Channel 5 N N N N Group Folie Nr. 24

25 Router mit Filterfunktionen übernimmt Adress-Filterfunktionen und schafft somit eine Buslastentkopplung Router A TPT 1,25 Mbit/s A Repeater Router PLT mit 5 kbit/s Router B FTT 78 kbit/s Router C FTT 78 kbit/s... Repeater B Folie Nr. 25

26 Routertypen Vorkonfigurierte (Configured) Router filtern Telegramme anhand der Subnet-ID werden vom Inbetriebnahme-Tool mit einer Filtertabelle versorgt, die das Tool auf Basis der eingetragenen Projektdaten selbsttätig erstellt Router- Typen Selbstlernende (Learning) Routers filtern Telegramme anhand der Subnet-ID lassen nach Reset alle Telegramme passieren erstellen selbsttätig ihre Filtertabelle durch Beobachtung des Telegrammverkehrs auf beiden Seiten Bridges filtern auf Basis der Domain-ID im Telegramm bilden die Brücke zwischen zwei Domains verhalten sich wie Repeater in Netzen mit nur einer Domain (keine Filterung) Routeraufbau: Transceiver A Neuron A Neuron B Transceiver B Folie Nr. 26

27 Logische Adressierung Nodes Einwohner Subnet Subnet Zustellbezirk Domain Stadt Group Verein Group Domain Folie Nr. 27

28 Physikalisch: Node-ID bzw. MAC Eindeutige Adresse Logisch: Subnet + Node 8 bit + 7 bit Meistverwendet; Automatische Vergabe möglich Group + Member 8 bit + 6 bit Folie Nr. 28

29 Anwendung von Subnet & Group Subnet Alle Nodes eines Büroflures, einer Etage etc. Räumlich zusammen gehörende Nodes Group Alle Rauchmelder im Gebäude Alle Jalousien auf einer Gebäudeseite Verteilte, aber funktional zusammen gehörende Nodes Folie Nr. 29

30 Adressierung in Zahlen 255 Subnets je Domain Zustellbezirke je Stadt 127 Nodes je Subnet (egal ob FTT oder LPT) Einwohner je Zustellbezirk Nodes 256 Groups je Domain Vereine je Stadt 64 Nodes je Group bei bestätigtem Dienst Vereinsmitglieder 15 Groups je Node Einwohner gehört max. 15 Vereinen an Folie Nr. 30

31 Wirtschaftliche Anwendung Folie Nr. 31

32 Maschine Folie Nr. 32

33 Restaurant (Systemgastronomie) Folie Nr. 33

34 Fahrzeug Folie Nr. 34

35 Gebäude Folie Nr. 35

36 Standardbüro: Funktionen Raumtemperaturregelung Frostschutz, Sollwertverst. Anwesenheitsgesteuert Fensterkontakt Licht manuell, Sollwert Lichtreg. Anwesenheitsgesteuert Zutritt Berührungslose Identifikation, Person-, Zeit- und Raumabh. Sonnenschutz Manuell und automatisch Gemeinsame Funktionen Manuelle Bedienung Anwesenheit - Klima -Licht Folie Nr. 36

37 CPS-Einsatzgebiete Agrartechnik Automatisierungstechnik Büromaschinen Bürosysteme Consumer-Elektronik Diagnose, Test und Inspektion Energietechnik Fabrikautomation Fahrzeugtechnik Förder- und Lagertechnik Gebäudeautomation Heimautomation Identifikationssysteme Lichttechnik Luftfahrt/Raumfahrt Maschinenbau Medizintechnik Prozess-Steuerung Rechner/Peripherie Restaurant-Automation Robotertechnik Sicherheitstechnik Steuerungstechnik Telekommunikation Umwelttechnik Verkehrstechnik... Folie Nr. 37

38 CPS-Einsatz Wozu brauchen wir die neuen Anwendungen? Google Glass? vernetzte Zahnbürste? Welche Vorteile bieten CPS bei etablierten Anwendungen? Folie Nr. 38

39 Beispiel Gebäude: Integration der Gewerke Heizung Lüftung Beleuchtung Klima Sanitär CPS-Vernetzung Sonnenschutz Zutrittskontrolle Hausgeräte Türen, Tore Sicherheit Folie Nr. 39

40 Integration der Gewerke Konventionell Diskrete Verkabelung Separate Bedienelemente für jedes Gewerk Anpassung an Nutzungsänderungen nur durch Umverdrahtung Folie Nr. 40

41 CPS Integration der Gewerke Gemeinsames Netzwerk Reduzierte Verkabelung Geringere Brandlast Gemeinsame Bediengeräte und gemeinsame Sensoren Einheitliche Bedienphilosophie Reduzierter Geräteaufwand Verknüpfung durch Software Flexible Anpassung Zukunftssicherheit Folie Nr. 41

42 Integration der Gewerke Konventionell CPS-Vernetzung Folie Nr. 42

43 Vorteile und Nutzen für Bauherren und Betreiber: Investitionskostenersparnis... Betriebskostenersparnis... Komfort... Einheitliche Bedienung Flexibilität bei Änderungen und Erweiterungen Vorteile (Überblick) Gebäude-Transparenz (durch Visualisierung, Fernüberwachung) Zukunftssicherheit weil Hersteller-Übergreifend Folie Nr. 43

44 Investitionskostenersparnis Konventionelle Installation Investitionskosten LONWORKS Vorteile Funktionalität Folie Nr. 44

45 Investitionskostenersparnis Investitionskosten Konventionelle Installation Wieso kann man trotz teurer Komponenten Investitionskosten sparen? Mehrfachnutzung im Netz! Sensoren (siehe Bewegungsmelder) Stromversorgung (siehe Netzteile zuhause) LONWORKS Bedieneinheiten (siehe Fernbedienungen zuhause) Vorteile Funktionalität Folie Nr. 45

46 ... Betriebskostenersparnis Zentralfunktionen, Zeitsteuerung Einzelraumregelung Konstantlichtregelung Nutzungsabhängige Heizungs-- und Beleuchtungsregelung Energiemanagement Vorteile Visualisierung Wartung und Instandhaltung Flexible Anpassung bei Änderung der Raumnutzung Folie Nr. 46

47 ... Komfort IR-Fernbedienung Zentralfunktionen Zeitprofile Fernsteuern, Alarmierung über Telefon Vorteile Internet-Anbindung usw. Folie Nr. 47

48 Bausteine einer CPS-Technologie Zusammenarbeit der Anwendungen Schicht 7- Standard Netz- (System-) Design Einheitliche Sprache Protokoll- Standard Einheitliche Hardware Chips Anwendung Protokoll Transceiver Node- Design Folie Nr. 48

49 Bausteine der LONWORKS-Technologie Zusammenarbeit der Anwendungen LonMark LON- Builder Einheitliche Sprache LonTalk - Protokoll Einheitliche Hardware Neuron - Chips Transceiver Node- Builder Folie Nr. 49

50 Echelon Technologiegeber Technologiegeber Echelon Firmensitz Palo Alto, Californien, USA Gründer Mike Markkula (Intel, Apple), 1986 Web-Site Vertretungen ca. 200 Mitarbeiter weltweit: USA, China, Frankreich, Deutschland, Italien, Japan, Niederlande, Schweden, Entwicklung 250 Millionen US-$, 2000 Mannjahre, 67 angemeldete Patente Historie 1986 Beginn der Entwicklungsarbeit 1990 Vorstellung des Neuron-Chips Mio. Neurons verkauft 2014 Internet of Things (IzoT ): IPv6, WiFi, 4-Core-ARM-Chips, Linux, C++, C, Python, 128 Bit Security, Folie Nr. 50

51 Schicht-7- Kommunikation & Software Folie Nr. 51

52 Bedeutung der Netzwerkvariablen (NV) Datenaustausch zu anderen Knoten Logische Schnittstelle des Knotens zum Netzwerk Herstellen der Gerätebeziehungen über sog. BINDEN von Ein- und Ausgangs-NV (am PC) Äußeres Erscheinungsbild eines LON Knotens am PC Folie Nr. 52

53 Sensor Aktor nvoxxx 3.Ergebnisse senden über Netzwerkvariablen (NV) LON nvixxx 1.Meldungen empfangen über Netzwerkvariablen 2. Aufbereiten 2. Verarbeiten 1.Messen / überwachen 3.Aktion(en) ausführen Folie Nr. 53

54 Kommunikation über Netzwerkvariablen (NV) Taster-Knoten (Sensor) Leuchten-Knoten (Aktor) nvoschalter nvilampe Folie Nr. 54

55 Anwendungsprogramm Taster-Knoten Taster-Knoten (Sensor) nvoschalter Taste oben? ja Variable nvoschalter := 1 Taste unten? ja Variable nvoschalter := 0 Folie Nr. 55

56 Anwendungsprogramm Leuchten-Knoten Leuchten-Knoten (Aktor) nvilampe Variable nvilampe = 1? ja Leuchtenrelais ein nein Leuchtenrelais aus Folie Nr. 56

57 Binding und Inbetriebnahme PC mit LON- Inbetriebnahme-Tool Nach der Konfiguration der Knoten über das Netzwerk mittels PC und Inbetriebnahme-Tool... Taster-Knoten (Sensor) Leuchten-Knoten (Aktor) nvoschalter Übertragung nvilampe... sendet der Taster-Knoten jede Änderung seiner Ausgangs-NV automatisch an die Eingangs-NV des Leuchten-Knotens Folie Nr. 57

58 Binding: Herstellen der Kommunikationsbeziehungen zwischen den Netzwerkknoten Taster- Knoten 1 Leuchten- Knoten Ventilator- Knoten Taster-Knoten 2 (mit Status-LED) Folie Nr. 58

59 Regeln für Netzwerkvariablen Ausgangsvariablen können nur auf Eingangsvariablen gebunden werden Nur Variablen desselben Typs können verbunden werden nvoschalter Typ: SNVT_switch nvoschalter Typ: SNVT_switch nvilampe Typ: SNVT_switch nvimaxhell Typ: SNVT_lux Zulässige Verbindung Unzulässige Verbindung! Mehrfach-Bindungen sind möglich 1-zu-N Verbindungen, Beispiel: Ein Taster-Knoten steuert zwei Leuchten-Knoten N-zu-1 Verbindungen, Beispiel: Zwei Taster-Knoten steuern einen Leuchtenaktor Folie Nr. 59

60 Verbindungen und Angelpunkte Angelpunkt einer 1-zu-N-Verbindung Angelpunkt einer N-zu-1-Verbindung Folie Nr. 60

61 Namensgebung von Netzwerkvariablen Vorsilbe Klartext Englisch Klartext Deutsch Speicherort nvi nvo nci nro network variable input network variable output network variable config input network variable rom Netzwerkvariable (Eingang) Netzwerkvariable (Ausgang) Netzwerkvariable für Konfigurationsdaten (Eingang) wie nvo Arbeitsspeicher des Neuron (RAM, flüchtig) EEPROM des Neuron (nichtflüchtig) Programm-Speicher (ROM) Folie Nr. 61