Ausgewählte Schwerpunkte

Transkript

1 stechnik Ausgewählte Schwerpunkte 1 Ausgewählte Schwerpunkte Schnittstellen zum Steuerungssystem Dynamische Anforderungen Feldbus-Systeme Konfigurationen

2 stechnik Ausgewählte Schwerpunkte 2 Feldbus-Systeme ASI I/O Link HART CAN Profibus Ethernet basiert

3 stechnik Feldbus-Systeme: ASI 3 AS-Interface Start 1990 Initiative der Firmen Balluff, Baumer, Elasta, Festo, ifm electronic, Leuze electronic, Pepperl+Fuchs, Sick, Siemens, Turck, Visolux Alternative zur herkömmlichen Parallelverkabelung von Sensoren und Aktoren Durch Determinismus und Einfachheit Beschränkung auf die unterste Steuerungsebene Standardisierung in den Normen EN und IEC

4 stechnik Feldbus-Systeme: ASI 4 AS-Interface CAN DeviceNet FIP Interbus Profibus Steuerungsebene: SPS, PC, IPC,... Master AS-Interface Slave Slave Slave Slave Slave Slave Slave Slave Feldebene Slave Slave Slave Slave Slave Aktor- / Sensorebene

5 stechnik Feldbus-Systeme: ASI 5 Netztopologie Keine Beschränkungen in der Struktur

6 stechnik Feldbus-Systeme: ASI 6 Leitung und Mechanik

7 stechnik Feldbus-Systeme: ASI 7 Geräte Digitale Sensoren Analoge Sensoren Aktoren

8 stechnik Feldbus-Systeme: ASI 8 Beispiele

9 stechnik Feldbus-Systeme: ASI 9 Einsatzgebiete Quelle:

10 stechnik Feldbus-Systeme: ASI 10

11 stechnik Feldbus-Systeme 11 Feldbus-Systeme ASI I/O Link HART CAN Profibus Ethernet basiert

12 stechnik Feldbus-Systeme: IO-Link 12 IO-Link IO-Link ist seit Anfang 2010 als technisches Komitee (TC6) in der PNO verankert Initiative der Profibus Nutzerorganisation e.v. (PNO) Die IO-Link- Schnittstelle ist unabhängig von den Feldbussystemen der PNO Lösung für den letzten Meter der seriellen Kopplung von intelligenten Sensoren und Aktoren Standardisierung in der Norm IEC unter der Bezeichnung Single-drop digital communication interface for small sensors and actuators (SDCI) Quelle:

13 stechnik Feldbus-Systeme: IO-Link 13 IO-Link Topologie Quelle: IO-Link_im_Durchblick.pdf, PNO

14 stechnik Feldbus-Systeme: IO-Link 14 IO-Link Prinzip Quelle: IO-Link_im_Durchblick.pdf, PNO

15 stechnik Feldbus-Systeme: IO-Link 15 IO-Link Prinzip SIO Standardmodus nach dem Einschalten des Feldgerätes SDIC IO-Link-Modus Quelle:

16 stechnik Feldbus-Systeme: IO-Link 16 Geräte IO-Link Master nahezu alle Hersteller von Automatisierungstechnik Druck-Sensoren (z.b. IFM) Temperatur-Sensoren (z.b. IFM) Ventilinseln (z.b. Festo) Abstandssensoren (z.b. Balluff).

17 stechnik Feldbus-Systeme: IO-Link 17 Beispiel Fa. Sick Lichttaster und Lichtschranken Näherungssensoren Magnetische Zylindersensoren Identifikationslösungen Mess- und Detektionslösungen Fluidsensorik Systemlösungen Analysatoren und Systeme Gasdurchflussmessung Motor-Feedback- Systeme Encoder Vision Optoelektronische Schutzeinrichtungen Sicherheitsschalter sens:control: sichere Steuerungslösungen Registration Sensors Quelle: sick

18 stechnik Feldbus-Systeme: IO-Link 18 Beispiel Fa. Balluff 1. Profibus-/PROFINET-IO-Link-Modul 2. Profibus-/PROFINET-Modul BNI 3. IO-Link-Sensorhub M12 4. IO-Link-Sensorhub M8 5. Profibus-IO-Link-Schaltwandmodul 6. IO-Link-Farbsensor 7. IO-Link Laser-Distanzsensor 8. IO-Link-Reihenpositionsschalter 9. IO-Link-RFID-System 10. IO-Link-Ventilstecker 11. IO-Link Induktiver Abstandssensor 12. Netzgerät 13. Verbindungskabel

19 stechnik Feldbus-Systeme: IO-Link 19

20 stechnik Feldbus-Systeme 20 Feldbus-Systeme ASI I/O Link HART CAN Profibus Ethernet basiert

21 stechnik Feldbus-Systeme: HART 21 HART Highway Addressable Remote Transducer Start 1980 Initiative der Firma Rosemount Verwendung des 4/20mA Standards für von Sensoren und Aktoren Beschränkung auf die unterste Steuerungsebene HART Teil der Feldbus-Norm IEC 61158

22 Quelle: VEGA stechnik Feldbus-Systeme: HART 22 HART Highway Addressable Remote Transducer

23 Quelle: SIEMENS AG stechnik Feldbus-Systeme: HART 23 HART Highway Addressable Remote Transducer

24 stechnik Feldbus-Systeme: HART 24 Wireless HART drahtloser Kommunikationsstandard IEEE (ISM-Band) HART-7-Spezifikation normiert in der IEC 62591:2010

25 stechnik Feldbus-Systeme: HART 25 Geräte

26 stechnik Feldbus-Systeme: HART 26

27 stechnik Feldbus-Systeme 27 Feldbus-Systeme ASI I/O Link HART CAN Profibus Ethernet basiert

28 stechnik Feldbus-Systeme: CAN 28 CAN-Bus Controller Area Network 1983 von Bosch für die Vernetzung von Steuergeräten in Automobilen entwickelt und 1987 zusammen mit Intel vorgestellt. Ziel: Um die Kabelbäume (bis zu 2 km pro Fahrzeug) zu reduzieren und dadurch Gewicht zu sparen CAN in Automation (CiA) ist eine Internationale Anwender- und Herstellervereinigung, zur Verbreitung und Standardisierung von CAN in der Automatisierung asynchrones, serielles Feldbussystem Standardisierung in der Norm ISO Es existieren zahlreiche höhere Protokolle z.b. CANopen, DeviceNet, SafetyBUS, CANaerospace, EnergyBus

29 stechnik Feldbus-Systeme: CAN 29 CAN Topologie Linienstruktur Stichleitungen in eingeschränktem Umfang Quelle:Wikipedia

30 stechnik Feldbus-Systeme: CAN 30 CANopen auf CAN basierendes Kommunikationsprotokoll Seit 1995 von der CiA gepflegt und als Europäische Norm EN standardisiert CANopen deckt im OSI-Modell die Anwendungschicht (Schicht 7) ab und nutzt CAN als Schicht-2-Transportmedium Kommunikationsobjekte Servicedatenobjekte (SDO) zur Parametrierung von Objektverzeichniseinträgen Prozessdatenobjekte (PDO) zum Transport von Echtzeitdaten Netzwerkmanagement-Objekte (NMT) zur Steuerung des Zustandsautomaten des CANopen-Geräts und zur Überwachung der Knoten weitere Objekte wie Synchronisationsobjekt (SYNC), Zeitstempel und Fehler- Nachrichten (EMCY) Quelle: CiA

31 stechnik Feldbus-Systeme: CAN 31 Geräteprofile definieren die Funktionalität und den Aufbau des Objektverzeichnisses für die jeweiligen Geräte Ziel: Unabhängigkeit von den Geräteherstellern Beispiele CiA 401 CiA 402 CiA 404 CiA 406 CiA 408 CiA 410 Ein-/Ausgabe-Module elektrische Antriebe Sensoren und Regler Lineare und rotierende Geber (Encoder) hydraulische Ventile und Antriebe Neigungssensoren Quelle: CiA

32 stechnik Feldbus-Systeme: CAN 32 Electronic Datasheets elektronische Datenblätter, sogenannte EDS-Dateien Eine EDS Datei beschreibt standardisierten Textformat enthält Parameter der Objekte der Objektverzeichnisse sowie physikalische Parameter wie z. B. die unterstützten Baudraten. Beispiel: Ziel: Unabhängigkeit von den Geräteherstellern Auszug aus einer EDS-Datei

33 stechnik Feldbus-Systeme: CAN 33 Einsatzgebiete Verschiedene, vor allem sicherheitsrelevanten Bereichen Automobilindustrie Vernetzung unterschiedlicher Steuergeräte, Sensoreinheiten und sowie Multimediaeinheiten Automatisierungstechnik Intelligente Sensoren meist via CANopen Medizintechnik Flugzeugtechnik Raumfahrttechnik Schienenfahrzeuge

34 stechnik Feldbus-Systeme: CAN 34

35 stechnik Feldbus-Systeme 35 Feldbus-Systeme ASI I/O Link HART CAN Profibus Ethernet basiert

36 stechnik Feldbus-Systeme: Profibus 36 Profibus PROFIBUS (Process Field Bus) ist ein Standard für die Feldbus-Kommunikation in der Automatisierungstechnik und wurde anfangs (1989) vom BMBF gefördert. Ziel: Realisierung und Verbreitung eines bitseriellen Feldbusses, wofür die Normung der Feldgeräteschnittstelle die Grundvoraussetzung darstellt 1989 Gründung der Profibus Nutzerorganisation e.v. (PNO) in Deutschland ab 1992 Gründung regionaler Profibus Organisationen 1995 Zusammenschluss aller 27 RPAs zum Profibus & Profinet International (PI) asynchrones, serielles Feldbussystem 1991/1993 Standardisierung in der Norm in DIN Überführung in die EN seit 1999 in der IEC 61158/IEC 61784

37 stechnik Feldbus-Systeme: Profibus 37 PROFIBUS DP (Dezentrale Peripherie) zur Ansteuerung von Sensoren und Aktoren durch eine zentrale Steuerung in der Fertigungstechnik. Technische Daten: Datenrate: Anschluss: Lichtwellenleiter bis zu 12 Mbit/s verdrillte Zweidrahtleitungen und/oder Für Antriebsgeräte wird das Profil PROFIdrive verwendet

38 stechnik Feldbus-Systeme: Profibus 38 PROFIBUS PA (Prozess-Automation) zur Kommunikation zwischen Mess- und Prozessgeräten, Aktoren und Prozessleitsystem bzw. SPS/DCS in der Prozess- und Verfahrenstechnik PROFIBUS PA ist eine PROFIBUS-Variante mit für die Prozessautomation geeignetem Physical Layer (Übertragungsschicht) Topologie: Über PROFIBUS DP-Koppler werden Segmente (PA-Segmente) mit Feldgeräten angeschlossen Technische Daten: Datenrate: 31,25 kbit/s Anschluss: zweiadrige Busleitung für Kommunikationund Energieversorgung der Teilnehmer (MBP Übertragungstechnik).

39 stechnik Feldbus-Systeme: Profibus 39 PROFIBUS PA (Prozess-Automation) Besonderheiten: digitale Alternative zur klassischen analogen Verbindung durch Leistungsbegrenzung für explosionsgefährdete Bereiche geeignet die niedrige Datenübertragungsrate bewirkt hohe Immunität gegen elektromagnetische Interferenzen sorgt und ermöglicht lange Kabelwege im Geräteprofil PA Devices (PA-Profil sind die wichtigsten Funktionen der Feldgeräte herstellerübergreifend standardisiert

40 stechnik Feldbus-Systeme: Profibus 40 PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification) für den Einsatz in komplexen Maschinen und Anlagen wurde von DP abgelöst und ist heute nicht mehr Bestandteil der Internationalen Feldbusnorm

41 stechnik Feldbus-Systeme: Profibus 41 PROFIBUS Applikationsprofile Geräteprofile (Device Profiles) z.b. Roboter, Antriebe (PROFIdrive), Prozessgeräte, Encoder, Pumpen Branchenprofile (Industry Profiles) z.b. Labortechnik oder Schienenfahrzeuge Integrationsprofile (Integration Profiles) zur Integration von Subsystemen wie z.b. HART- oder IO-Link-Systeme PROFIsafe für die Kommunikation sicherheitsgerichteter Geräte mit Sicherheitssteuerungen bis SIL3 für PROFIBUS und PROFINET in der Norm IEC

42 stechnik Feldbus-Systeme: Profibus 42 Profibus DP Topologie Linienstruktur Stichleitungen in eingeschränktem Umfang Quelle: Google

43 stechnik Feldbus-Systeme: Profibus 43 Profibus DP Topologie Quelle: Siemens AG

44 stechnik Feldbus-Systeme: Profibus 44 Profibus PA Topologie Quelle: Prifibus Foundation

45 stechnik Feldbus-Systeme: Profibus 45

46 stechnik Feldbus-Systeme 46 Feldbus-Systeme ASI I/O Link HART CAN Profibus Ethernet basiert

47 stechnik Feldbus-Systeme: Ethernet basiert 47 Warum Ethernet auf der Feldbusebene? Bussysysteme auf Basis RS485 sind unzureichend für moderne Anwendungen Geringe Bandbreite Eingeschränkte Wahl der Topologie Ethernet ist eine sichere Investition Hohe Performance, gesteigerte Produktivität Herstellerunabhängig Bewährte Technologie Standardisierung in der Norm IEEE802.3 Es existieren zahlreiche höhere Protokolle Quelle: Source IMS Research 2013

48 stechnik Feldbus-Systeme: Ethernet basiert 48 Welcher Ethernet-Feldbus ist der richtige? Entscheidungskriteritum: Technologischen Anforderungen Beispiel Zykluszeit Jitter Paketgröße Topologie praktisch: ab 200µs theoretisch: begrenzt durch Physik <100ns >64 Byte, <1500Byte Linie, Stern, Baum, Ring Asynchrone Bandbreite Byte pro Zyklus bei gegebener Maximum Transfer Unit Gigabit Readyness Redundanz Kompatibilität Störunempfindlichkeit Profilunterstützung Protokoll funktionsfähig auf Gigabit Physik Ringredundanz, Kabelredundanz, Masterredundanz Zum Beispiel zu OPC/UA oder CANopen Offene Kontaktpunkte wie zum Beispiel Schleifringe DS40x Quelle: EPSG 2014

49 stechnik Ethernet-basierter Feldbus 49 Welcher Ethernet-Feldbus ist der richtige? Entscheidungskriteritum: mechanische und elektrische Konstruktion Räumliche Verteilung Beispiel Entfernung der Komponenten, Kabelaufwand, Übertragungsgeschwindigkeit (can, RS485) Physikalische Verbindung Kupfer (4 Draht / 2 Draht), LWL, Wifi,... Steckersystem Baugröße Standardisierung und Richtlinien Infrastrukturkomponenten RJ45, M12, Stecker, Schnittstelle IEC, IEEE, Standard oder proprietäre Komponenten für Kabel, HUB, Switch

50 stechnik Feldbus-Systeme: Ethernet basiert 50 Welcher Ethernet-Feldbus ist der richtige? Entscheidungskriteritum: Wirtschaftlichkeit Beispiel Businessmodell Beschaffungs- und Herstellungskosten Zugang zur Technologie Engineeringaufwand Inbetriebnahmeaufwand Wartungsaufwand Diagnose und Fernwartung Herstellerunabhängigkeit Quelle: EPSG 2014

51 stechnik Feldbus-Systeme: Ethernet basiert 51 Welcher Ethernet-Feldbus ist der richtige? Entscheidungskriteritum: Arbeitsweise Vergleichbar sind nur Systeme mit annähernd gleichem Zeitverhalten EtherCAT SERCOS III, POWERLINK PROFINET IRT EtherNet/IP Grundsätzliche Arbeitsweise Ein Master kontrolliert das Zeitgeschehen (EtherCAT, SERCOS III, POWERLINK) Synchronisierte Switches steuern die Kommunikation (PROFINET IRT) Per CIP Sync wird nach IEEE 1588 eine Zeitinformation im Netz verteilt (EtherNet/IP)

52 stechnik Feldbus-Systeme: Ethernet basiert 52 Ethernet-Feldbus - Technologie Standard Ethernet ist unberechenbar Kollisionen oder Switche erzeugen ein nicht-deterministisches Verhalten

53 stechnik Feldbus-Systeme: Ethernet basiert 53 Ethernet-Feldbus - Technologie Standard Ethernet ist nicht deterministisch Geeignet für Büroanwendungen Nicht für zeitkritische Anwendungen gedacht Real-time Ethernet wird benötigt für Kritische Prozesse, Controller und Sensor Systeme

54 stechnik Feldbus-Systeme: Ethernet basiert 54 Ethernet-Feldbus - Technologie Standard Ethernet ist nicht deterministisch Wege zur Echtzeitfähigkeit Standard Ethernet mit dedizierten Protokollen Dedizierte Hardware Quelle: EPSG 2014

55 stechnik Feldbus-Systeme: Ethernet basiert 55 Ethernet-Feldbus - Technologie Zwei unterschiedliche Ansätze Single Frame PROFINET, EtherNet/IP, POWERLINK Summation Frame SERCOS III, EtherCAT

56 stechnik Feldbus-Systeme: Ethernet basiert 56 Ethernet-Feldbus - Technologie Echtzeitfähigkeit basierend auf IEEE802.3 Single Frame Polling Mechanismus Netzwerk synchronisiert auf den SoC Quelle: EPSG 2014

57 stechnik Feldbus-Systeme: Ethernet basiert 57 Ethernet-Feldbus - Technologie Echtzeitfähigkeit auf dedizierter Hardware Summation Frame Ein Frame für alle Informationen (Synchron / Asynchron) Netzwerk wird beim Hochlauf synchronisiert Quelle: EPSG 2014

58 stechnik Feldbus-Systeme: Ethernet basiert 58 Ethernet-Feldbus - Systemvergleich Anforderung: Freie Wahl der Topologie 100% freie Wahl der Topologie: Linie, Stern, Baum, Ring Keine Einschränkungen bei Systemerweiterungen Single Frame Effizient und unabhängig von der Topologie, generiert allerdings einen geringen Overhead Keine spezielle Hardware notwendig Summation Frame Effizient bei Linienverdrahtung aber limitiert in anderen Topologien Spezielle Hardware notwendig Quelle: EPSG 2014

59 stechnik Feldbus-Systeme: Ethernet basiert 59 Ethernet-Feldbus - Systemvergleich Anforderung: Gesamtperformance steht in starker Abhängigkeit zu Anzahl an zu übertragenden Bytes Topologie Settings Quelle: EPSG 2014

60 Average number of lost bits per cycle stechnik Feldbus-Systeme: Ethernet basiert 60 Ethernet-Feldbus - Systemvergleich Anforderung: Elektromagnetische Verträglichkeit Single Frame Prinzip ist sehr robust auch bei einer hohen Anzahl an Stationen Summenrahmen (z.b. EtherCAT) Einzeltelegramme (z.b. POWERLINK, PROFINET)

61 stechnik Feldbus-Systeme: Ethernet basiert 61 Ethernet-Feldbus - Systemvergleich Downlaod: