Industrielle Kommunikation mit Feldbus und Ethernet

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1 Frithjof Klasen Volker Oestreich (Hrsg.) Industrielle Kommunikation mit Feldbus und Ethernet VDE VERLAG GMBH Berlin Offenbach

2 Geleitwort Vorwort der Herausgeber V VII 1 Der Markt für Feldbus und Industrial Ethernet 1 David Humphrey, Florian Güldner 1.1 Nutzen der Vernetzung Das 5. Element: Ethernet 4 2 Trends in der Factory Automation/Was Anwender fordern Wachstumsfaktoren Was Anwender fordern Engineeringkosten im Fokus Security-Aspekte 12 3 Internationale Normung 13 Max Felser 3.1 Geschichte der Feldbusnormen Der deutsch-französiche Feldbus-Krieg Der internationale Feldbus-Krieg Die Kompromisslösung Erweiterungen mit Ethernet Erweiterung mit drahtlosen Systemen Struktur der Feldbus-Normen Definition der Feldbusse Definition von Echtzeit-Ethernet Installationsrichtlinien Verlässlichkeit Definition der Protokoll-Familien Zusammenfassung 21 4 Feldbusse: Status und Ausblick Stabilität und Zuverlässigkeit als Erfolgsfaktor Herausforderungen für die Zukunft Qualität durch Zertifizierung 27 IX

3 5 CANopen 29 Holger Zeltwanger 5.1 Untere Kommunikationsschichten Höhere Kommunikationsschichten Geräte-und Anwendungsprofile Zusammenfassung 41 6 CC-Link 43 Steve Jones 6.1 Die CC-Link-Netzwerke Topologie und Übertragungsgeschwindigkeiten Datenübertragung bei CC-Link Die Datentypen bei CC-Link Stationstypen bei CC-Link Maximal anschließbare Anzahl von Geräten Link-Zykluszeit Wie CC-Link kommuniziert Details der Datenübertragung bei CC-Link Die Speicherorganisation bei CC-Link Version 1.1 oder Version Implementierung von CC-Link Profile CC-Link Safety Zertifizierungsprüfung 59 Literatur 59 7 CIP: DeviceNet und ControlNet 61 Viktor Schiffer 7.1 Grundlagen von CIP Objektorientierung Grundlagen der CIP-Kommunikation Verbindungen (Connections) und Nachrichtentypen Objekte Geräteprofile Konfiguration und Gerätebeschreibung Bridging und Routing Funktionale Sicherheit (CIP Safety) Konformität zu den Spezifikationen DeviceNet Kommunikationsmodell Systemkonzepte Systemanlauf > Adressierungsprinzip Unterstützte Topologien und Übertragungsraten 76

4 7.2.6 Installation Kommunikation SPS - E/A Kommunikation SPS - SPS Geräte-Konfiguration und-integration Safety-Unterstützung Profile Diagnose Tausch/Ersatz von Geräten ControlNet Kommunikationsmodell Systemkonzepte Adressierungsprinzip Unterstützte Topologien Übertragungsraten Installation Kommunikation SPS - E/A Kommunikation SPS - SPS Geräte-Konfiguration und-integration Safety-Unterstützung Profile Diagnose Tausch/Ersatz von Geräten 89 Literatur 89 8 INTERBUS 91 Martin Müller 8.1 Die Eckdaten des INTERBUS-Systems Das Ringsystem Die INTERBUS-Elemente Der INTERBUS-Fernbus Datenübertragung im INTERBUS-System Das Summenrahmenprotokoll Die Datensicherheit im INTERBUS-System Die hybride Datenübertragung INTERBUS-Protokollchips Der Master-Protokollchip IPMS Die Slave-Protokollchips INTERBUS-Diagnose Abgestuftes Diagnosekonzept Die Lichtwellenleiter-Diagnose INTERBUS-Safety Die Funktionsweise Die Anwendervorteile Fazit..' '. 105 XI

5 9 PROFIBUS 107 Klaus-Peter Lindner 9.1 Überblick: PROFIBUS als System-Baukasten" Übertragungstechnik RS Optische Übertragung MBP Trouble Shooting Kommunikation Leistungsstufe DP-V Leistungsstufe DP-Vl Leistungsstufe DP-V Adressierung mit Slot und Index Allgemeine Applikationsprofile PROFIsafe Redundancy Spezifische Applikationsprofile PROFIdrive Fluid Power Ident Systems PROFIBUS PA Gerätemanagement PROFIBUS-Implementierung Qualitätssicherung und Zertifizierung Prüfverfahren 125 Literatur Vergleich der Feldbussysteme Industrial Ethernet: Status und Ausblick Echtzeitverhalten Verbindung von Office-Welt und Steuerungstechnik Verkabelungstechnik Ausblick CC-LinklE 133 Steve Jones 12.1 Die CC-Link-Netzwerke Die Topologie von CC-Link IE Field Stationstypen im CC-Link IE Field-Netzwerk ' Link-Zykluszeit 136 XII

6 12.3 Datentypen bei CC-Link IE Field und Speicherzuweisung Wie CC-Link mit externen Geräten kommuniziert Der Speicherabgleich beim CC-Link IE Field-Netzwerk Die Kommunikation im CC-Link IE Field-Netzwerk Zyklische Übertragung Transiente Übertragung Token passing Steuerung der Übertragung Format der Datenrahmen bei CC-Link IE Field Geräte mit einer Übertragungsrate kleiner als 1 GBit/s Implementierung des CC-Link IE Field-Netzwerks Profile Prüfung der CC-Link-Konformität Zusammenfassung EtherCAT 151 Oliver Fels 13.1 Technologieeigenschaften Bearbeitung im Durchlauf Performance Migration vom Feldbus zu EtherCAT Flexible Topologie und Redundanz Einfache Diagnose und Konfiguration Einsatz von Standard-Komponenten Das EtherCAT-Device-Protokoll Zyklische Kommunikation (Prozessdaten) Azyklische Kommunikation Synchronisation über verteilte Uhren Funktionale Sicherheit EtherCAT für die Fabrikvernetzung Implementierungsaspekte Master-Implementierung Slave-Implementierung Monitor-Tools EtherCAT Technology Group 167 Literatur EtherNet/IP 171 Viktor Schiffer 14.1 Kommunikationsmodell Systemkonzepte Adressierungsprinzip Unterstützte Topologien Übertragungsraten Installation 175 XIII

7 14.7 Kommunikation SPS - E/A Kommunikation SPS - SPS Geräte-Integration Safety-Unterstützung Profile Diagnose Tausch/Ersatz von Geräten Feldbus-Integration Integration in Unternehmensnetze Security 179 Literatur Modbus-TCP 181 Thomas Hammermeister 15.1 Client-/Server-Architektur Modbus als Ethernet-basierter Feldbus Protokoll-Basics Datentransfer über Modbus/TCP in der Praxis Fazit 185 Literatur POWERLINK 187 Stefan Schönegger 16.1 Datenaustausch bei POWERLINK Warum Standard-Ethernet keine harte Echtzeit erreicht Der POWERLINK-Stack Der POWERLINK-Mechanismus Funktionale Merkmale von POWERLINK Netzwerkaufbau mit POWERLINK: Topologie Eindeutige Adressierung jedes Teilnehmers Hot Plugging Querverkehr Redundante Netzwerke Diagnose : POWERLINK = CANopen over Ethernet Safety und Security Busunabhängigkeit So funktioniert opensafety Mechanismen zur Fehlererkennung und -Vermeidung Aufbau des opensafety-frames Das opensafety-netzwerk Security...! Technische Umsetzung von Master und Slaves ' Lösungen für den POWERLINK-Master Lösungen für den POWERLINK-Slave 200 XIV

8 16.5 POWERLINK als Open Source Zertifizierung von POWERLINK-Geräten PROFINET 203 Jörg Freitag 17.1 PROFINET im Überblick PROFINET Highlights PROFINET IO-Geräteklassen Adressierung bei PROFINET IO PROFINET IO Grundlagen Gerätemodell Real-Time-Kommunikation Datenverkehr Netzwerk-Diagnose bei PROFINET Anlagen-Engineering und GSD Systemhochlauf Nachbarschaftserkennung Fast Start Up IRT-Kommunikation bei PROFINET IO IRT-Steuerung IRT-Intervalle PROFINET IO-Controller und-device Conformance Classes (CC) Applikationsprofile für PROFINET IO Train Applications PROFIenergy Integration von Feldbus-Systemen Netzwerkinstallation PROFINET-Verkabelung Steckverbinder für Daten Steckverbinder für Power Netzkomponenten Redundanz Industrial Wireless PROFINET IO-Zertifizierung 222 Literatur SERCOS 225 Peter Lutz 18.1 SERCOS I und II Topologie Übertraguhgsverfahren, Synchronisation und Protokollstruktur Normierte Daten \4 Implementierung 230 XV

9 18.2 SERCOS III Topologie und Installation Übertragungsverfahren Telegrammstruktur Direkter Querverkehr und Steuerungsquerkommunikation (C2C) Synchronisation CIP Safety on SERCOS SERCOS III-Geräteprofile Implementierung von SERCOS III Zusammenfassung Vergleich der Ethernet-Systeme 243 Frithjof Klasen 19.1 Leistungsparameter Anforderungen Lösungskonzepte Kategorie A: TCP/IP-basierte Lösungen Kategorie B: Ethernet-MAC Kategorie C: Ethernet mit modifiziertem Buszugriffverfahren und Timing Auswahlkriterien Ausblick 251 Literatur Wireless: Status und Ausblick 253 Lutz Rauchhaupt 20.1 Wireless, Funk oder WLAN Anforderungen und Bedingungen von Wireless Mobilfunksysteme Wireless Local Area Networks (WLAN) Bluetooth WirelessHART Wireless Sensor/Actor Network for Factory Automation Andere Funklösungen Ausblick 263 Literatur Netze koppeln und verbinden Kopplung autonomer Anlagenteile mit eigener SPS Kopplung untergeordneter Anlagenteile ohne eigene SPS Auswahl und Einsatzkriterien 269 XVI

10 22 Security für Ethernet-Systeme 271 Frithjof Klasen 22.1 Industrial Ethernet beeinflusst Security-Lösungen Herausforderungen Organisatorische Herausforderungen Unterschiede zur Business-IT Echtzeitanforderungen Begrenzte Ressourcen Mensch-Maschine-Interaktion Security-Ziele Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit Netzwerkinfrastrukturkomponenten Risiken und Sicherheitsanforderungen (Safety) Technische Herausforderungen Eigenschaften und Schwachstellen Lösungsansätze Schutzziele Bedrohungen und Risikoanalyse Security - ein Gemeinschaftsprojekt Die Lösung: Personen, Prozesse, Technologien 278 Literatur Geräteintegration mit FDI 281 Daniel Großmann, Alexander Kaiser 23.1 Aktuelle Situation bei der Geräteintegration Die Lösung: Field Device Integration Vorteile von EDDL Vorteile von FDT Device Package - Repräsentant eines Gerätes Catalog (notwendig) EDD-Device Definition - DEF (notwendig, basierend auf EDDL) EDD-User Interface Description - UID (notwendig, basierend auf EDDL) EDD-Business Logic - BL (notwendig, basierend auf EDDL und FDT) User Interface Plug-in-UIP (optional, basierend auf FDT) Attachments (notwendig, optional - protokollabhängig) Die Basisarchitektur Systemarchitekturen Topologien Mit Harmonisierung zum Ziel FDI aus Endanwendersicht Eine Lösung Investitionssicherheit / Robustheit Interoperabilität 292 XVII

11 Einheitlichkeit Versionshandling Zusammenfassung 293 Literatur Implementierungsaspekte: Make or Buy? 295 Volker Oestreich 24.1 Marktsituation Implementierungsvarianten Eigenentwicklung der Kommunikations-Schnittstellen Eigenentwicklung mit externer Unterstützung Einsatz fertiger Kommunikationsmodule Entscheidungstransparenz mit Software-Unterstützung Eingabemasken Auswertung Projektergebnisrechnung am Beispiel einer Klebe-Steuerung Zusammenfassung 303 Literatur Flexible Schnittstellen-Realisierung Entwicklungsplanung Beratung Implementierung Entwicklungsumgebung Hardware-/Softwaredesign Zertifizierung Technologiepflege Eigenentwicklung oder Entwicklungspartnerschaft Realisierungsmöglichkeiten Eigenentwicklung der Kommunikationsschnittstellen Kundenspezifische Lösungen Einsatz fertiger Kommunikationsmodule Externer Busanschluss mit einem Protokollkonverter 310 Organisationen 312 Autoren 317 Sachwörterverzeichnis 325 XVIII