Rechnernetze II. SoSe Betriebssysteme / verteilte Systeme Tel.: 0271/ , Büro: H-B 8404

Transkript

1 Rechnernetze II SoSe 2018 Betriebssysteme / verteilte Systeme rolanda.dwismuellera@duni-siegena.de Tel.: 0271/ , Büro: H-B 8404 Stand: 14. März 2018 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) i

2 Rechnernetze II SoSe Netze für Automatisierungssysteme Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 352

3 10 Netze für Automatisierungssysteme... Inhalt Einführung Typische Merkmale von Feldbussen PROFIBUS CAN Gerhard Schnell: Bussysteme in der Automatisierungs- und Prozesstechnik, Vieweg Verlag. Vorlesung Prof. Varchmin, TU Braunschweig haid.eit.h-da.de/fbs/literatur/ ikf skript duplex SS06.pdf Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 353

4 10.1 Einführung Hierarchieebenen in der Automatisierung Koordinationsebenen Betriebsebene Leitebene Planung Entwurf Fertigungsrechner Datenbank Führungs (System )ebene Prozeßleitrechner Zellenrechner Bürobus (WAN) Fabrikbus Prozeß / Zellenbus (Industrie LAN) Basisebenen (Basis)Steuerungsebene Sensor/Aktuator Ebene SPS, CNC, Robotersteuerung Feldbus (FAN, Field Area Network) Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 354

5 10.1 Einführung... Einige spezielle Anforderungen an Feldbusse Zuverlässigkeit, geringe Störempfindlichkeit Störungen durch elektrische Maschinen Einfache, kostengünstige Vernetzung günstige Verkabelung und Endgeräte Übertragung von Prozeßdaten (Sensoren/Aktoren) viele Teilnehmer, kleine Informationsmengen zyklische Datenerfassung Echtzeitanforderungen: konstante und vorhersagbare Abtastintervalle Sicherheitsanforderungen (z.b. Explosionsschutz) Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 355

6 10.1 Einführung... Echtzeit Information muß zu bestimmtem Zeitpunkt vorliegen Abstufungen: weiche Echtzeit: Nutzen der Information sinkt nach der Deadline stetig harte Echtzeit: Nutzen nach der Deadline ist sofort Null Spezialfall: obere und untere Schranke Relevante Parameter im Netzwerk-Bereich: Verzögerung Jitter: Variation der Ankunftszeit Determinismus des Medienzugangs Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 356

7 10.1 Einführung... Echtzeitklassen nach IAONA Echtzeit-Klasse Anforderung gering mittel hoch extrem hoch typische Leit- Führungs- Steuerungs- Sensor/ Ebene ebene ebene ebene Aktor-Ebene Nutzdaten max. 500 KB 500 B 32(-200) B 20 B Verzögerung max. 5 s 500 ms 5 ms 0,5 ms Jitter max. > 1 ms 0,1-3 ms µs 0,5-15 µs IAONA: Industrial Automation Open Networking Alliance Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 357

8 10.2 Typische Merkmale von Feldbussen Busstruktur geringer Verkabelungsaufwand bei hoher Teilnehmerzahl Deterministische Medienzugangskontrolle: meist zeitgesteuert zentrale Zuteilung (Master/Slave) dezentrale Zuteilung (Token-Bus bzw. -Ring, TDMA) manchmal prioritätsgesteuert (vollständige) Kollisionsvermeidung durch CSMA/CA Kurze Frames (Telegramme), oft nur wenige (8) Bytes Sehr zuverlässige Fehlererkennung Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 358

9 10.2 Typische Merkmale von Feldbussen... Oft verschiedene Bandbreiten, abhängig von Leitungslänge Meist geschirmte Zweidrahtleitung, teilw. auch Lichtleiter 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,... Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 359

10 10.3 PROFIBUS Überblick Einsatz in der Fertigungsautomatisierung Drei Ausprägungen: PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Service) Schicht-7 Protokoll zum Zugriff auf Objektverzeichnisse Dienste: Verbindungsauf- und -abbau, Lesen und Schreiben von Objekten, Ereignismeldung,... PROFIBUS DP (Dezentrale Peripherie) Dienste: zyklische Datenübertragung PROFIBUS PA (Prozeßautomatisierung) speziell für Sensor/Aktornetze Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen möglich Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 360

11 10.3 PROFIBUS... Architektur FMS DP PA Schicht FMS Geräte profile Fieldbus Message Specification (FMS) DP Profile PA Profile DP Erweiterungen DP Grundfunktionen leer User Fieldbus Data Link (FDL) IEC Interface 2 RS 485 oder Lichtleiter IEC Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 361

12 10.3 PROFIBUS... Bitübertragungsschicht Busstruktur pro Segment max. 32 Teilnehmer, max. 3 Repeater geschirmte, verdrillte Zweidraht-Leitung Lichtwellenleiter bei FMS und DP möglich bei PA: Stromversorgung über selbe Leitung Übertragungsrate: 9600 b/s (max m) bis 12 Mb/s (max. 100 m) Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 362

13 10.3 PROFIBUS... Medienzugriffsverfahren (PROFIBUS-DP) Hybrides Verfahren: Token Passing Kombination von Master/Slave und Token-Ring Slaves senden nur auf Anfrage durch Master Master bilden logischen Token-Ring Master, der im Besitz des Tokens ist, darf kommunizieren Token-Haltezeit wird für jeden Master einzeln festgelegt max. Token-Umlaufzeit bestimmt Zykluszeit Vorteile: deterministisch, Prioritäten für Master möglich, einfache Slaves Nachteil: Komplexität, Planungsaufwand Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 363

14 10.3 PROFIBUS... Prinzip des Token Passing Logischer Token Ring Master Slaves Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 364

15 10.3 PROFIBUS... Prinzip des Token Passing Logischer Token Ring Master Slaves Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 364

16 10.3 PROFIBUS... Prinzip des Token Passing Logischer Token Ring Master Slaves Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 364

17 10.3 PROFIBUS... Zyklischer Sende- und Anforderungsdienst Zur Unterstützung von Sensor/Aktor-Netzen: Sicherungsschicht bietet zyklischen Kommunikationsdienst Schicht 2 enthält Puffer für aktuelle Datenwerte Nach einmaliger Anforderung: Schicht 2 sendet regelmäßig Aufforderung an Slaves und aktualisiert Puffer mit empfangenen Daten (Polling) Anwendung liest Puffer regelmäßig aus keine Synchronisation mit der Datenübertragung! Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 365

18 10.4 CAN Übersicht CAN: Controller Area Network Ursprünglich für 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! Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 366

19 10.4 CAN... Bitübertragung: rezessive und dominante Pegel Falls zwei Stationen gleichzeitig unterschiedliche Pegel an den Bus legen: dominanter Pegel (0-Bit) setzt sich durch Prinzip-Bild: Vcc R CAN Busleitung rezessiver Pegel: Vcc dominanter Pegel: 0 Station 1 Station 2 Station 3 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 367

20 10.4 CAN... Frameformat Start des Frames Anfrage / Antwort für ID erweiterung ACK Ende des Frames 1 11 Bit Byte > 2 Identifikator reserviert Daten Datenlänge Bitstuffing nach 5 gleichen Bits CRC (Hamming distanz=6) Inter Frame Space ACK-Bit wird mit rezessivem Pegel gesendet Empfänger setzt (während d. Übertragung) dominanten Pegel Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 368

21 10.4 CAN... Medienzugriffsverfahren 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 d.h. kleinster Identifikator hat höchste Priorität bzw. bei gleichem Identifikator: Antwort hat Priorität Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 369

22 10.4 CAN... Beispiel für die Busarbitrierung Station 1 Station 2 Station 2 darf senden Station 3 Bussignal Startbit Station 1 verliert Station 3 verliert Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 370

23 10.5 Zusammenfassung / Wiederholung Hierarchieebenen in der Automatisierung: unterschiedliche Anforderungen an Netze Feldbusse: Leitrechner, Steuerungen, Sensoren/Aktoren Zuverlässigkeit, Kosten, Echtzeitanforderungen Merkmale und Dienste der Netze werden durch Anwendungen und Einsatzumgebung bestimmt Verkabelungskosten meist Busstruktur Umgebung zuverlässige Fehlererkennung notwendig Anwendungen Schichten 3-6 fehlen Schicht 7: Objektverzeichnisse Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 371

24 10.5 Zusammenfassung / Wiederholung... Anwendungen Echtzeitfähigkeit Übertragungsdauer und Jitter berenzt typisch: zyklische Übertragung mit fester Zykluszeit Medienzugriffssteuerung (MAC): meist deterministisch (z.b. PROFIBUS) Master/Slave, Token-Ring nichtdeterministisch: CSMA/CA mit Prioritäten (CAN) kleinste ID gewinnt Voraussetzung: Bitzeit > RTT Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 372