16 Feldbusse Anforderungen an Feldbusse. Anschlusskosten < 100 DM Nachrichtenlänge < 1 kbyte

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1 16 Feldbusse 16.1 Anforderungen an Feldbusse Anschlusskosten < 100 DM Nachrichtenlänge < 1 kbyte Datenorientierte und/oder nachrichtenorientierte Kommunikation Rolf Linn Feldbusse 16-1

2 16.2 Feldbusrealisierungen CIM 50 R. Linn PROFIBUS-FMS Hersteller Nutzerorganisation Normen Topologie Teilnehmer (max.) Buszugriff Übertragungsrate und Leitungslänge Telegrammformat Datensicherung Buspegel Leitung Pepperl+Fuchs: VariNet-P Siemens: Sinec L2 Phoenix Contact: Interbus P Klöckner-Möller: Suconet P und andere PROFIBUS-Nutzerorganisation DIN , EN Linie mit kurzen Stichleitungen, Stern (LWL) ohne Repeater: 32, mit R. 127 Master/Slave + Token Passing 9,6; 19,2 oder 93,75 kbit/s: 1200 m 187,5 kbit/s: 1000 m 500 kbit/s: 400 m 1500 kbit/s: 200 m 12 Mbit/s: 100 m 1. Steuertelegramm ohne Daten 2. fest mit 8 Byte Daten 3. variabel mit 4 bis 246 Byte Daten längs- und Querparität, HD = 4 RS 485 Zweidrahtleitung verdrillt, geschirmt LWL (Plastik oder Glas) Rolf Linn Feldbusse 16-2

3 FACH HOCH SCHULE TRIER Prof.Dr. R. Linn Fachbereich ANGEWANDTE INFORMATIK CIM PROFIBUS-FMS Kommunikationsmodell Anwendung Application Layer Interface (ALI) Schicht 7 Schicht 2 Schicht 1 Fieldbus Message Specification (FMS) Lower Layer Interface (LLI) Fieldbus Data Link (FDL) Physical Layer Rolf Linn Feldbusse 16-3

4 Virtual Field Device FACH HOCH SCHULE TRIER Abstraktion des realen Gerätes Virtual Field Device (VFD) Programm Invocation Variable Domain Domain Variable List Event Prof.Dr. R. Linn Fachbereich ANGEWANDTE INFORMATIK Abbildung auf reales Gerät Sicht des Kommunikationspartners CIM PROFIBUS-DP: datenorientierte Kommunikation Rolf Linn Feldbusse 16-4

5 FACH HOCH SCHULE TRIER Prof.Dr. R. Linn Fachbereich ANGEWANDTE INFORMATIK CIM PROFIBUS-PA Hersteller Nutzerorganisation Normen Topologie Teilnehmer (max.) Buszugriff Übertragungsrate und Leitungslänge Telegrammformat Datensicherung Buspegel Leitung Sonstiges Pepperl+Fuchs Siemens und andere wie PROFIBUS-FMS DIN , Teil 4 IEC Linie ohne Repeater: 32 Slaves mit Repeater: 127 Slaves Master/Slave 31,25 kbit/s, 1900 m wie PROFIBUS-FMS CRC 0,9 V Zweidrahtleitung für Daten und Teilnehmerversorgung verdrillt, geschirmt für explosionsgefährdete Bereiche, Schutzart eigensicher Weitere Feldbusse: FIP (Flux Information Processus, Factory Information Protocol), WorldFIP EN Arbitrator-Producer-Consumer-Verfahren MPS (Manufacturing Periodical/Aperiodical Services) datenorientiert submms nachrichtenorientiert Rolf Linn Feldbusse 16-5

6 Beispiele für weitere Feldbusse: Interbus-S CAN (Controller Area Network), für Kraftfahrzeuge - CSMA/CA - objektorientierte Adressierung, objektabh ngige Priorit t Mini-MAP ASI ( Aktor-Sensor-Interface) - Telegramme mit 4-Bit-Informationsteil SERCOS interface Rolf Linn Feldbusse 16-6

7 16.3 Realtime-Ethernet Rolf Linn Wozu Realtime-Ethernet? PI 16-7 Nur noch ein Kommunikationssystem in der Fabrik gleiches Know-how anwendbar Nutzung preiswerter und leistungsfähiger Standardkomponenten: Bridges, Ethernet Controller, Protocol Stacks vereinfachte Beschaffung / Ersatzteilhaltung Verwendung bestehender Kabel Vertikale Integration : Einfache Kopplung der Feldgeräte mit der übergeordneten Datenverarbeitung Nutzung web-basierter Technologien Höhere Performance als konventionelle Feldbusse Probleme: Determiniertes Zeitverhalten Synchronisierte Aktionen verschiedener Geräte (z.b. Antriebe) Effizienter und häufiger Austausch sehr kleiner Datenblöcke Feldbusse 16-7

8 Topologie in Büro und Fertigung PI 16-8 Quelle: Felser Büro: Feste Installation mit wechselnden Anschlüssen zu Geräten Stern- und Baumstrukturen Fertigung: Spezifische Verkabelung mit individueller Netzstruktur Stern- Ring- und Linienstrukturen Feldbusse 16-8

9 Unterschiedliche Anforderungen an Netze PI 16-9 Büro Feste Installation im Gebäude Verlegung unter doppeltem Boden oder in Kabelkanälen Wechselnde Verbindungen am Arbeitsplatz Vorgefertigte Anschlusskabel Baumstrukturen Große Datenpakete (z.b. Bilder) Mittlere Verfügbarkeit Gemäßigte Temperaturen (0 bis 50 C) Keine Feuchtigkeit Praktisch keine Vibrationen Geringe elektromagnetische Störungen Geringe Gefahr mechanischer Beschädigung Praktisch keine Gefahr durch Chemikalien Fertigung Systemabhängige Verkabelung Systemabhängige Kabelführung Anschlüsse werden selten geändert Kabelkonfektionierung vor Ort Oft Linien- und (redundante) Ringstrukturen Kleine Datenpakete (z.b. Messwerte) Sehr hohe Verfügbarkeit Extreme Temperaturen (-20 bis +70 C) Eventuell Feuchtigkeit (IP65) Vibrierende Maschinen Hohe elektromagnetische Störungen Gefahr mechanischer Beschädigung Ölhaltige oder aggressive Atmosphäre Feldbusse 16-9

10 Echtzeitanforderungen von Anwendungen PI Feldbusse 16-10

11 Klassifizierung von Echtzeitanforderungen (QoS) PI Quelle: Jasperneite 1. Steuerung durch Menschen, Prozessüberwachung. Mit Standardsystemen mit TCP/IP Kommunikationskanal ohne große Probleme realisierbar. 2. Prozesssteuerung, Werkzeugmaschinensteuerung, SPS oder PCbasierte Steuerung. Deterministisch. Leistungsfähige Rechner für TCP/IP Protokoll erforderlich, oder vereinfachter Protokollstack auf billiger Hardware. 3. Steuerung von Bewegungen (motion control). Taktsynchron. Ethernet mit minimal 100 Mbit/s und Modifikation von Hardware. Feldbusse 16-11

12 Zeitschlitzverfahren (TDMA) PI Quelle: Jasperneite TDMA: Time Division Multiple Access Feldbusse 16-12

13 Zeitsynchronisation PI Entkopplung zwischen Datenübertragung und Ausführung: Abläufe basieren auf zeitlichen Kriterien, z.b. Bewegung starten zum Zeitpunkt t 1 IEEE 1588 (Precision Clock Synchronization Protocol) Quelle: Jasperneite Master/Slave-Verfahren Abgleich der lokalen Uhren über Synchronisationstelegramme Synchronität < 1 us mit Zusatzhardware. Von allen Uhren im Netzwerk wird die beste als Master-Clock ausgewählt. Implementierungsvorschlag für Ethernet, aber nicht darauf beschränkt. Feldbusse 16-13

14 Mögliche Strukturen für Realtime-Ethernet PI Nicht-Realtime Oberhalb TCP/IP Oberhalb Ethernet Modifiziertes Ethernet Nicht-Realtime Protokoll TCP / UDP / IP Realtime Protokoll TCP / UDP / IP Realtime Protokoll Realtime Protokoll Ethernet Ethernet Ethernet Modifiziertes Ethernet Feldbusse 16-14

15 Ethernet als Feldbus PI Quelle: Felser Feldbusse 16-15

16 Beispiele für Realtime-Ethernet PI Oberhalb TCP/IP Oberhalb Ethernet Modifiziertes Ethernet ModBus/TCP EtherNet/IP P-Net Vnet/IP ETHERNET Powerlink TCnet EPA PROFInet CBA SERCOS III EtherCAT PROFInet IO Schneider Electric, Modbus-IDA Rockwell, ODVA Dänische Normung Yokogawa Bernecker + Rainer (B&R), EPSG Toshiba Chinesischer Vorschlag Siemens, ; PROFIBUS International IGS e.v. Beckhoff, ETG Siemens, ; PROFIBUS International EtherNet/IP: Ethernet / Industrial Protocol ODVA: Open DeviceNet Vendor Association EPSG: Powerlink Standardisation Group EPA: Ethernet for Plant Automation SERCOS: SEriell Real time COmmunication System Interface IGS: Interessengemeinschaft SERCOS ETG: EtherCat Technology Group Feldbusse 16-16

17 EtherNet/IP PI CIP: Common Industrial Protocol (1994 DeviceNet) Keine Kollisionen in full-duplex switched Ethernet Zur Reduzierung von nicht-deterministischen Verzögerungen in den Switches wird ein VLAN (Virtual bridged Local Area Network) tag (IEEE 802.3) mit höchster Priorität für Realtimeverkehr benutzt. In der CIPsync Erweiteruung werden die Uhren der Geräte mit dem IEEE 1588 Protokoll synchronisiert. Feldbusse 16-17

18 Switch PI Quelle: Loeser, Haertig Zur Reduzierung von nicht-deterministischen Verzögerungen in den Switches kann ein VLAN (Virtual bridged Local Area Network) tag (IEEE 802.3) mit höchster Priorität für Realtimeverkehr benutzt werden. Feldbusse 16-18

19 Topologie von EtherNet/IP PI Feldbusse 16-19

20 ETHERNET Powerlink (1) PI Quelle: B&R Master-Slave scheduling system on a shared Ethernet segment called Slot Communication Network Management (SCNM) Jeder Service ist ein Standard Ethernetpaket (64 Byte) CN senden Broadcast => Querkommunikation Feldbusse 16-20

21 ETHERNET Powerlink (2) PI Quelle: B&R Feldbusse 16-21

22 EtherCAT PI Beispiel für Topologie: Feldbusse 16-22

23 EtherCAT-Slave PI Verarbeitung der Ethernetrahmen on the fly. Feldbusse 16-23

24 Prozessdaten in EtherCAT-Telegrammen PI Geringer Overhead durch implizite Adressierung Feldbusse 16-24

25 SERCOS-III PI Topologien: Quelle: IGS e.v. Feldbusse 16-25

26 SERCOS III: Zyklische und nichtzyklische Kommunikation PI Quelle: IGS e.v. Feldbusse 16-26

27 The international fieldbus IEC PI Lösungen mit jeweils unterschiedlichen Profilen! Die Protokolle sollen 2007 als IEC-Standard (IEC und IEC 61748) verfügbar sein. Quelle: Felser Feldbusse 16-27

28 Profile PI Quelle: Felser Feldbusse 16-28