4 Kommunikationssysteme

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1 Kapitel 4: Kommunikationssysteme 4 Kommunikationssysteme Lernziele: Wissen, was man unter Feldbussystemen versteht Die unterschiedlichen Bus-Zugriffsverfahren erklären können Grundlegende Eigenschaften bedeutender Kommunikations- bzw. Feldbussysteme kennen Verstehen, was das Besondere an der PROFIBUS-Kommunikation ist Die wichtigsten Eigenschaften von CAN kennen Verstehen, was die Spezifika verschiedener Industrial Ethernet Standards sind Drahtlose Kommunikationssysteme kennen 2015, IAS Universität Stuttgart 188

2 4 Kommunikationssysteme 4.1 Kommunikation in der Automatisierungstechnik 4.2 Bedeutende Kommunikations- bzw. Feldbussysteme 4.3 Industrial Ethernet 4.4 Drahtlose Kommunikation 2015, IAS Universität Stuttgart 189

3 4.1 Kommunikationssysteme in der Automatisierungstechnik Motivation für die Einführung von Kommunikations- bzw. Feldbussystemen Konventionelle Verbindungstechnik: Direktverdrahtung: 1 Leitung pro Bauelement sehr aufwändig unflexibel bei Änderungen und Erweiterungen Einsatz serieller Bussysteme für Kommunikation zwischen den Sensoren/Aktoren und dem Automatisierungs-Computersystem zur Senkung der Projektierungs- und Installationskosten Anwendungsbereiche: Gebäudeautomatisierung Produktionsautomatisierung Kfz-Elektronik (Steuerung + Überwachung) Anlagenautomatisierung 2015, IAS Universität Stuttgart 190

4 4.1 Kommunikationssysteme in der Automatisierungstechnik Anforderungen an Kommunikations- und Feldbus-Systeme in der Automatisierung Man unterscheidet zwischen allgemeinen Anforderungen wie Zuverlässige Kommunikation unter allen Umgebungsbedingungen, Einfache Handhabung durch Instandhaltungspersonal, Einfache und robuste Anschlusstechnik, Eigensicherheit in explosionsgefährdeten Bereichen, und anwendungsbezogenen Anforderungen wie Anzahl der Ein-/Ausgangssignale, Komplexität, Granularität, Anlagenausdehnung, Echtzeitanforderungen. 2015, IAS Universität Stuttgart 191

5 4.1 Kommunikationssysteme in der Automatisierungstechnik Terminologie Feldbereich: Jener Teil des Automatisierungssystems welcher in räumlicher Nähe oder direkter Verbindung zum technischen Prozess steht Feldgeräte: Mess-, Schalt- und Stellgeräte, Regeleinrichtungen und Bediengeräte, die direkt mit dem technischen Prozess in Interaktion treten Feldbussysteme: Serielle Datenkommunikationssysteme für den Datenaustausch im Feldbereich. Hier besonders Anforderungen an die Sicherheit der Datenübertragung: Datenintegrität, EMV-Resistenz 2015, IAS Universität Stuttgart 192

6 4.1 Kommunikationssysteme in der Automatisierungstechnik Klassifizierung von Feldbuskonzepten Vernetzung von dezentralen, im Feld untergebrachten AT- Computern Vernetzung von E/A-Knoten Vernetzung von Sensoren-/Aktoren mit Busschnittstelle Zentraler Computerbereich Feldbus- Schnittstelle "Feldbus" Automati- sierungs- Computer Automati- sierungs- Computer E/A- Knoten Feldbus E/A- Knoten Feldbus (Aktor/Sensor- Bus) Feldbereich Sensor/ Aktor- Schnittstelle 2015, IAS Universität Stuttgart 193

7 4.1 Kommunikationssysteme in der Automatisierungstechnik Grundstrukturen der Kommunikation a) Stern- Struktur DAE DAE DAE c) Netzstruktur ZAE DAE ZAE DAE DAE DAE DAE DAE DAE b) Ringstruktur DAE ZAE DAE d) Busstruktur ZAE (Datensammelleitung) DAE DAE DAE DAE DAE DAE ZAE = zentrale Automatisierungseinheit DAE = dezentrale Automatisierungseinheit 2015, IAS Universität Stuttgart 194

8 4.1 Kommunikationssysteme in der Automatisierungstechnik Eigenschaften Stern-Struktur Ausfall der Zentraleinheit bedeutet Ausfall der Kommunikation Ring-Struktur Jede Einheit kann nur an direkte Nachbarn übertragen Netz-Struktur Parallele Informationsübertragung, kurze Reaktionszeit, viele Schnittstellen, hohe Verkabelungskosten Bus-Struktur Nur jeweils ein Teilnehmer kann senden, gleichzeitige Informationsaufnahme von allen Teilnehmern 2015, IAS Universität Stuttgart 195

9 4.1 Kommunikationssysteme in der Automatisierungstechnik Parallele Busse bis 20 m Adressen, Daten und Steuersignale werden parallel übertragen Leitungsbündel mit aufwendigen Verbindungen (Klemmtechnik) Schwierigkeiten bei hohen Übertragungsraten bei unterschiedlichen Kabellängen (z.b. Quetschung) aufgrund Laufzeitunterschieden Serielle Busse Bits einer Nachricht zeitlich nacheinander niedrigere Leitungskosten Erhöhung der Zuverlässigkeit Flexibilität bezüglich Leitungsprotokollen 20 m bis 15 km 2015, IAS Universität Stuttgart 196

10 4.1 Kommunikationssysteme in der Automatisierungstechnik Buszugriffsverfahren - Übersicht Bussysteme lassen sich nach ihrem Zugriffskonzept klassifizieren. Nur bei den deterministischen Verfahren kann die max. Antwortzeit garantiert werden. Bei nicht-deterministischen Verfahren ist die Antwortzeit nur statistisch beschreibbar. Buszugriffsverfahren = Regeln für das Senden von Nachrichten Buszugriffsverfahren Kontrolliert (deterministisch) zufällig (nicht deterministisch) Zentrale Buszuteilung dezentrale Buszuteilung CSMA (Carrier Sense Multiple Access) Master/Slave Tokenring, TDMA CD CA Ethernet CAN 2015, IAS Universität Stuttgart 197

11 4.1 Kommunikationssysteme in der Automatisierungstechnik Verfahren: Kontrollierter Buszugriff Master-Slave Der Master fragt alle Slaves periodisch ab, ob sie senden wollen oder empfangen können (sog. Polling) Master Vorteile: Einfache Organisation Sichergestellte Maximalzeit Nachteile: Maximale Latenzzeit proportional zur Anzahl der Busteilnehmer Slave 1 Slave 2... Slave n die Slaves dürfen nur auf Anfrage des Masters Nachrichten übermitteln bei Ausfall des Masters keine Kommunikationsbeziehung mehr möglich Beispiele: AS-Interface, Bitbus, Profibus 2015, IAS Universität Stuttgart 198

12 4.1 Kommunikationssysteme in der Automatisierungstechnik Verfahren: Kontrollierter Buszugriff Token-Passing Token wird von einer Station zur benachbarten Station in logischer Ringtopologie weitergeleitet B A Möchte Teilnehmer A Daten an Teilnehmer C übermitteln, wartet er bis das Token ihn passiert und hängt ihm, sofern es frei ist, das Datenpaket an und adressiert es an Teilnehmer C. C Vorteile + gutes, vorhersagbares Echtzeitverhalten + sehr gute Hochlasttauglichkeit Nachteile - lange Verzögerungszeiten im Fehlerfall - Überwachung der Tokenweitergabe - Reinitialisierung nach Tokenverlust Beispiel: Profibus 2015, IAS Universität Stuttgart 199

13 4.1 Kommunikationssysteme in der Automatisierungstechnik TDMA-Verfahren (1) Time Division Multiple Access Jeder Teilnehmer innerhalb einer Periode (TDMA-Zyklus) bekommt einen oder mehrere Zeitschlitze bestimmter Länge Prinzip des verteilten Schieberegisters Master-Schieberegister mit m * n Bit Takt Register in Teilnehmer 1 Register in Teilnehmer 2 Register in Teilnehmer n 2015, IAS Universität Stuttgart 200

14 4.1 Kommunikationssysteme in der Automatisierungstechnik TDMA- Verfahren (2) Vorteile kurze, konstante Zykluszeit geringer Protokoll Overhead Nachteile zeitliche Synchronisierung der Teilnehmer notwendig ungeeignet für autonome Teilnehmer wenig flexibel, keine dynamische Anpassung Beispiel: INTERBUS-S, FlexRay 2015, IAS Universität Stuttgart 201

15 4.1 Kommunikationssysteme in der Automatisierungstechnik Zugriffssteuerung Verfahren : Zufälliger Buszugriff CSMA Carrier Sense Multiple Access Prinzip des Telefons: Sendewille Carrier Sense (Leitung frei)? Ja Senden Nein Multiple Access (Warte, um später zu versuchen) Es wird bei Sendewille zuvor festgestellt, ob die Leitung frei ist, dann wird gesendet. Sonst wird gewartet und später versucht. Problematik Zeitverhalten, insbesondere für Automatisierungsanwendungen zufälliger Zugriff (d.h. nicht deterministisch), jeder kann beliebig zugreifen, es ist nicht sichergestellt, dass ein Sende-recht in bestimmter Zeit erteilt wird im Prinzip nicht echtzeitfähig Ausnahmen: a) zeitlich geringe Busbelastung (<10%) b) zeitunkritische Übertragungen 2015, IAS Universität Stuttgart 202

16 4.1 Kommunikationssysteme in der Automatisierungstechnik CSMA/CD-Verfahren (Collision Detection) Erkennung von Kollisionen durch Datenabgleich Sendewiederholung nach teilnehmerspezifischer Wartezeit Vorteile niedrige Busbelastung kurze Latenzzeit im Niederlastbereich Nachteile im Hochlastbereich lange Wartezeiten Beispiel: Ethernet 2015, IAS Universität Stuttgart 203

17 4.1 Kommunikationssysteme in der Automatisierungstechnik CSMA/CA-Verfahren (Collision Avoidance) Vermeidung von Kollisionen durch Prioritätsregeln Prioritätsregeln Adress-Arbitrierung Teilnehmer mit niedrigster/ höchster Adresse setzt sich bei gleichzeitigem Sendeversuch durch. Beispiel: CAN Zeitspanne-Zuordnung Nach Beendigung einer Sendung teilnehmerspezifische Wartezeitspanne 2015, IAS Universität Stuttgart 204

18 4.1 Kommunikationssysteme in der Automatisierungstechnik Frage zu Kapitel 4.1 Es gibt eine Reihe unterschiedlicher Strukturen für ein Kommunikationssystem. Welchen der folgenden Aussagen würden Sie zustimmen? Antwort Eine Busstruktur verursacht den geringsten Verkabelungsaufwand f Eine Busstruktur ist schneller als eine Netzstruktur Eine Netzstruktur kann eine größerer Datenmenge parallel übertragen als eine Busstruktur f Eine Busstruktur hat kürzere Reaktionszeiten als eine Netzstruktur f Eine Netzstruktur ist einfacher zu erweitern als eine Sternstruktur f Eine Busstruktur eignet sich nur für dezentrale Systeme 2015, IAS Universität Stuttgart 205

19 4.1 Kommunikationssysteme in der Automatisierungstechnik f Frage zu Kapitel 4.1 Welche der folgenden Aussagen zum Thema deterministischer / zufälliger Buszugriff stimmen Sie zu? Antwort Beim deterministischen Buszugriff existiert ein festgelegtes Verfahren für den Zugriff eines Teilnehmers. Beim zufälligen Buszugriff kann jeder Teilnehmer zu jedem Zeitpunkt schreibend auf den Bus zugreifen. Es können beim deterministischen Buszugriff Aussagen zum Antwortverhalten gemacht werden. f Der deterministische Buszugriff ermöglicht schnellere Antwortzeiten. f f Das Token-Passing-Verfahren gehört zu den Verfahren mit zufälligem Buszugriff. Bei Verfahren mit zufälligem Buszugriff bedeutet ein gleichzeitiger Schreibzugriff mehrerer Teilnehmer immer die Zerstörung der Nachricht. 2015, IAS Universität Stuttgart 206

20 4 Kommunikationssysteme 4.1 Kommunikation in der Automatisierungstechnik 4.2 Bedeutende Kommunikations- bzw. Feldbussysteme 4.3 Industrial Ethernet 4.4 Drahtlose Kommunikation 2015, IAS Universität Stuttgart 207

21 4.2 Bedeutende Kommunikations- bzw. Feldbussysteme Kommunikationssysteme Es existieren Kommunikationssystemen die für einfache Anforderungen alternativ zu Feldbussen der Automatisierung eingesetzt werden. UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) realisiert eine digitale serielle Schnittstelle weit verbreitet in Mikrocontrollers und Chipsätzen Beispiel: RS232 Standard (definiert zusätzlich Pegel und Stecker) Startbit, 5 bis 9 Datenbits, Optionales Parity Bit, Stopp-Bit Bitraten üblich bis 500K Bit/s USB Serielles Bussystem mit sehr hohen Datenraten (9,7 GBit / s bei USB 3.1) Anschluss mehrere Geräte über Verteiler (engl. Hubs) in Baumstrukturen Zentraler Master mit theoretisch bis zu 127 Slaves 2015, IAS Universität Stuttgart 208

22 4.2 Bedeutende Kommunikations- bzw. Feldbussysteme I²C (Inter-Integrated Circuit) Inter IC Bus) / auch TWI (Two Wire Interface) Von Philips entwickelt 2 Busleitungen erforderlich: serielle Datenleitung (SDA), serielle Taktleitung (SCL). Master gibt Takt vor (anpassbar), kein Taktgeber im Slave erforderlich Übertragungsraten Bidirektional: 100 kbit/s bis 3,4 Mbit/s Unidirektional: 5 Mbit/s Ablauf der Kommunikation Geräteinterne Kommunikation Master an Slave Slave an Master Senden S Slave Address 0 A Daten A Daten A P Empfangen S Slave Address 1 A Daten A Daten A P Start 7 Bit R/W 8 Bit ACK NACK Stopp 2015, IAS Universität Stuttgart 209

23 4.2 Bedeutende Kommunikations- bzw. Feldbussysteme IO-Link / SDCI (Single-drop digital communication interface for small sensors and actuators) Anschluss mehrerer Geräte über Verteiler (Baumstruktur) Standardisierte elektrische Anschlussdaten und digitales Kommunikationsprotokoll kostengünstiges 3 adriger Leiter; bis 20m Kommunikationssystem für die Nach IEC genormt Automatisierung Master / Slave Zugriffsverfahren Feldbus Industrial Ethernet IO-Link Master 8 Anschlüsse IO-Link Sensorhub max.16 Sensoren / Aktoren pro Hub Max. 128 Sensoren /Aktoren pro Master 2015, IAS Universität Stuttgart 210

24 System management Physical Layer (PL) Data Link Layer (DL) System management Application layer (AL) 4.2 Bedeutende Kommunikations- bzw. Feldbussysteme Übersicht der IO-Link Kommunikation Master - Anwendungen Lesen auf Anfrage Schreiben Events Input zyklisch Output DL Port DL Port DL Port Azyklische Kommunikation Kommunikationskanal Zyklische Kommunikation Lesen Schreiben Events Input zyklisch Output auf Anfrage Feldgerät (Sensor oder Aktor) 2015, IAS Universität Stuttgart 211

25 4.2 Bedeutende Kommunikations- bzw. Feldbussysteme Feldbussysteme Beispiele Hersteller und Haupteinsatzgebiet AS-Interface 11 Aktor-/Sensorhersteller, Einfache Schnittstelle binärer Feldgeräte PROFIBUS (Process Field Bus) Verbundprojekt Feldbus europäischer Feldbusstandard Industrial Ethernet Ethernet-Erweiterungen für den Einsatz in der Automatisierungstechnik LIN kostengünstige Kommunikation in Kraftfahrzeugen (heute nach ISO 17987) CAN BOSCH Haupteinsatzgebiet im Kfz FlexRay FlexRay-Konsortium Kraftfahrzeug 2015, IAS Universität Stuttgart 212

26 4.2 Bedeutende Kommunikations- bzw. Feldbussysteme Vielzahl von Feldbussystemen in der Fertigungsautomatisierung Quelle: HMS Industrial Networks (Schätzung Stand 2014) 2015, IAS Universität Stuttgart 213

27 4.2 Bedeutende Kommunikations- bzw. Feldbussysteme Aktor-Sensor-Bussystem: Anforderungen Sensoren/Aktoren verschiedener Hersteller anschließbar Kurze Systemreaktionszeit Geringe Anschlusskosten Geringes Bauvolumen Einfache Handhabung bei Verkabelung und Inbetriebnahme Beispiel: Aktor-Sensor Interface (AS i) Ausrichtung auf Sensor-Aktor-Ebene Geringe Datenmenge pro Teilnehmer Kurze Reaktionszeiten Ersatz der parallelen Verkabelung von binären Aktoren/Sensoren Signale und Spannungsversorgung über die gleiche Leitung 2015, IAS Universität Stuttgart 214

28 4.2 Bedeutende Kommunikations- bzw. Feldbussysteme AS i - Prinzipaufbau 1 Masterknoten Kosten für Masterchip ca. 10 Variante 1: In Steuerung integrierter Knoten Variante 2: Separates Aufschaltmodul (z.b. für SPS) Überwacht Buskommunikation Slaveknoten Kosten für Slavechip ca. 5 Variante 1: Sensoren/Aktoren mit integriertem AS i - Slavechip Variante 2: Separates Aufschaltmodul AS i - Masterknoten Netzgerät Steuerung AS i - Masterchip AS i - Leitung Gemeinsame Leitung für Signale und Versorgung AS i -Slavechip Modulschaltung S/ A S/ A S/ A S/ A AS i -Slavechip Sensor/Aktuator AS i - SlaveKnoten 2015, IAS Universität Stuttgart 215

29 4.2 Bedeutende Kommunikations- bzw. Feldbussysteme PROFIBUS Feldbusfamilie: PROFIBUS DP PROFIBUS FMS PROFIBUS PA (Dezentrale Peripherie) (Field Message Specification) (Prozess-Automatisierung) Unterscheidung von Master- und Slave-Teilnehmern Master-Teilnehmer (aktive Teilnehmer) Sendung von Nachrichten ohne Aufforderung bei Tokenbesitz Token-Passing-Verfahren für aktive Teilnehmer Slave-Teilnehmer (passive Teilnehmer) kein Tokenbesitz möglich Quittierung von Nachrichten auf Anfrage Nachrichtenübermittlung Master-Slave-Verfahren zwischen aktiven und passiven Teilnehmern 2015, IAS Universität Stuttgart 216

30 4.2 Bedeutende Kommunikations- bzw. Feldbussysteme Hybrides Zugriffsverfahren beim PROFIBUS aktive Busteilnehmer (Master-Geräte) 2 Master-Slave Kommunikation SPS 1 3 SPS Profibus logischer Tokenring M M V Messwert- Sensor Sensor Antrieb Aktor Sensor Antrieb geber passive Busteilnehmer (Slave-Geräte) 2015, IAS Universität Stuttgart 217

31 4.2 Bedeutende Kommunikations- bzw. Feldbussysteme Interbus-S Zielsetzung: Zyklisch anfallende Daten im Sensor-Aktor-Bereich ohne großen Overhead zu übertragen. Topologie: aktiver Ring Master-Slave-Verfahren, feste Telegramm-Länge, deterministischer Ring Übertragungsrate: 500 kbit/s max E/A-Punkte Buslänge: bis zu 400 m (zwischen zwei benachbarten Feldbus-Teilnehmern) Gesamtlänge: 13 km Physikalische Adressierung: Zuweisung der Daten zu den einzelnen Teilnehmern nicht über die Vergabe einer Busadresse, sondern automatisch über die physikalische Lage der Teilnehmer im System. 2015, IAS Universität Stuttgart 218

32 4.2 Bedeutende Kommunikations- bzw. Feldbussysteme Beispiel einer Interbus-Anordnung 2015, IAS Universität Stuttgart 219

33 4.2 Bedeutende Kommunikations- bzw. Feldbussysteme Prinzip des Schieberegisters Der Interbus ist ein geschlossener Schieberegisterring. Die Informationen fließen nur in eine Richtung. Die Informationen werden nacheinander durch den gesamten Ring geschoben. Protokoll Im Senderegister liegen die Daten für die Teilnehmer bereit (TN1, TN2 und TN3). Am Anfang der Datenkette steht das Loopback, am Ende das FCS und Control. [Quelle: Interbus ONLINE-Seminar, , IAS Universität Stuttgart 220

34 4.2 Bedeutende Kommunikations- bzw. Feldbussysteme Local Interconnect Network (LIN) bis 40 m Kostengünstiges Feldbussystem / genormt nach ISO Master / Slaver Buszugriffsverfahren sehr weit verbreitet Übertragungsraten bis zu 20 kbit/s Wenig Mechanismen zum Erkennen von Übertragungsfehler Plug & Play Funktionalität für autom. Konfiguration der Slaves CAN / LIN Gateway Master Funktion Slave Funktion CAN - BUS Slave Funktion Anwendungsgebiet Fahrzeuge: Nicht sicherheitskritische Sensoren und Aktoren (Tür, Sitze, Schiebedach, Klimaanlage) Steuergeräte am LIN-BUS Slave Funktion LIN-BUS 2015, IAS Universität Stuttgart 221

35 4.2 Bedeutende Kommunikations- bzw. Feldbussysteme CAN (Controller Area Network) von Bosch/Intel für den Einsatz im Automobilbereich entwickelt Airbag ABS Motormanagement Klimaanlage Weitere Anwendungsfelder: Gebäudeleittechnik Aufzugsteuerung Überwachung Alarmanlagen Klima Industrie-Automatisierung Fertigungstechnik Werkzeugmaschinen 2015, IAS Universität Stuttgart 222

36 4.2 Bedeutende Kommunikations- bzw. Feldbussysteme Eigenschaften des CAN Nachrichtenorientierte Adressierung Auf einem Knoten können mehrere Objekte liegen, Objekt wird adressiert, nicht der Knoten. Multimaster-Buszugriffstechnik Busvergabe nach Prioritäten bei Zugriffskonflikt durch nichtzerstörende, bitweise Arbitrierung nach dem CSMA/CA-Verfahren Kurze Botschaftslänge (0...8 Byte) Übertragungsraten bis 1 Mbit/s (bei max. 40 m Buslänge) Verschiedene Fehlererkennungsmechanismen Selbsttest durch Fehlerzähler Verursacht ein Knoten zu viele Fehler, so koppelt er sich schrittweise vom Bus ab. 2015, IAS Universität Stuttgart 223

37 4.2 Bedeutende Kommunikations- bzw. Feldbussysteme CAN für elektromagnetisch stark gestörte Umgebungen Störungserkennungsmechanismen Bit stuffing und destuffing nach 5 Bits gleichen Logikzustands ein Bit des entgegengesetzten Logikzustands, stuffing durch den Sender destuffing durch den Empfänger 15 BIT CRC (Cyclic Redundancy Check) zyklischer Binärcode mit 64 Nachrichtenstellen 15 Kontrollstellen Hammingdistanz d = 6 Restfehlerwahrscheinlichkeit Buspegelüberprüfung simultanes Zurücklesen Botschaftsrahmensicherung Prüfung des Rahmens auf Richtigkeit P RE = 4.7 x Ethernet P RE = , IAS Universität Stuttgart 224

38 4.2 Bedeutende Kommunikations- bzw. Feldbussysteme Datenrahmen Interframe Space Data-Frame > Bytes > 3 End of Frame ACK Delimiter ACK Slot ACK-Field Start of Frame Identifier RTR Bit Data Field Control Field Arbitrations Field CRC Delimiter CRC Sequence CRC-Field Video: Automatisierte Pyrotechnik-Show 2015, IAS Universität Stuttgart 225

39 4.2 Bedeutende Kommunikations- bzw. Feldbussysteme Zeitgesteuerte Bussysteme Zeitsteuerung = Aktionen werden durch das Fortschreiten der Zeit ausgelöst Vorteile der Zeitsteuerung Determinismus: Sicherheitseigenschaften einfacher nachprüfbar Synchronisierung der Applikationen auf verschiedenen Knoten Kopplung von Redundanzen zur Realisierung von Fehlertoleranz Verteilung einer geschlossenen Wirkungskette zur Realisierung von verteilten Regelungsanwendungen Einsatz in sicherheitskritischen Bereichen, z.b. x-by-wire Nachteile der Zeitsteuerung Unflexibel bzgl. unvorhergesehener Ereignisse Unflexibel bzgl. nachträglichen Erweiterungen und Veränderungen des Systems 2015, IAS Universität Stuttgart 226

40 4.2 Bedeutende Kommunikations- bzw. Feldbussysteme Aufbau einer zeitgesteuerten Architektur Redundante Einheit Knoten AC KC Knoten AC KC Redundante Einheit Knoten AC KC Knoten AC KC AC: Applikationscontroller KC: Kommunikationscontroller verteiltes System (Cluster): Menge von Knoten, die über ein Bussystem kommunizieren statische Hardware-Redundanz: zwei oder mehrere Knoten nehmen dieselbe Aufgabe wahr Bildung von redundanten Einheiten Bussystem ebenfalls redundant ausgelegt 2015, IAS Universität Stuttgart 227

41 4.2 Bedeutende Kommunikations- bzw. Feldbussysteme Eigenschaften des zeitgesteuerten Kommunikationssystems Synchronität: Beispiele: TTP: FlexRay: Alle Busteilnehmer beziehen sich auf eine globale Uhr Zeitschlitzverfahren: Jeder Busteilnehmer hat zu einem bestimmten vorher festgelegten Zeitintervall Zugriff auf den Bus Statisches Nachrichtenscheduling: Die Sendezeitschlitze (Nachrichtenfahrplan) werden vor der Laufzeit statisch festgelegt Integriertes Netzwerkmanagement: Erkennen eines Knotenausfalls, Integration von Knoten Redundanzmanagement: Jeder beliebige Einfachfehler wird toleriert TU Wien, TTTech FlexRay-Consortium (BMW, Daimler, Bosch, Motorola, Philips) 2015, IAS Universität Stuttgart 228

42 4.2 Bedeutende Kommunikations- bzw. Feldbussysteme Nachrichtenfahrplan Beispiel: Nachrichtenfahrplan für TTP TDMA-Runde 0 TDMA-Runde 1 TDMA-Runde 2 TDMA-Runde 3 FSU6 N I N N FSU5 N I N N FSU4 N I N N FSU3 N I N N FSU2 N I N N FSU1 N T Slot TDMA-Runde (T TDMA = 2ms) I N N Zeit kompletter Cluster-Zyklus (T Cluster = 8ms) Legende: N Normal-Frame I Initialization-Frame Nachteil: Unflexibilität bzgl. unvorhergesehener Ereignisse Ansätze wie z.b. FlexRay: Integration zusätzlicher Nachrichtenframes für dynamische Inhalte 2015, IAS Universität Stuttgart 229

43 4.2 Bedeutende Kommunikations- bzw. Feldbussysteme FlexRay Entwicklung durch Konsortium aus Daimler, BMW, Motorola, Philips für sicherheits- und zeitkritische Anwendungen im Automobil ESP Fahrassistenzsysteme Eigenschaften: Übertragungsrate bis 10 MBit/s Multi-Master-Struktur Redundanz des Kommunikationskanals 24 Bit CRC (Cyclic Redundancy Check) 2015, IAS Universität Stuttgart 230

44 4.2 Bedeutende Kommunikations- bzw. Feldbussysteme FlexRay - Kommunikationszyklus Definierte Zykluszeit T Unterteilung jedes Zykluses in statisches und dynamisches Segment fester Nachrichtenfahrplan für statisches Segment jedes FlexRay-Zykluses anhand Zuordnung von Busteilnehmer/Nachricht zu Slotnummer kollisionsfreier, dynamischer Buszugriff im dynamischen Segment nach festen Prioritäten Priorität durch Zuordnung von Minislot zu Busteilnehmer festgelegt FlexRay Zyklus 0 FlexRay Zyklus 1 FlexRay Zyklus 2 FlexRay Zyklus 3 FlexRay Zyklus 62 FlexRay Zyklus 63 FlexRay Zyklus 0 Zyklus t/t n statisches Segment Slot dynamisches Segment Minislot 2015, IAS Universität Stuttgart 231

45 4.2 Bedeutende Kommunikations- bzw. Feldbussysteme Frage zu Kapitel 4.2 Welche der folgenden Aussagen zum Profibus stimmen Sie zu? f Antwort Der Profibus ist ein Bussystem mit hybrider Kommunikation. Der Profibus nutzt zwischen aktiven Busteilnehmern ein zeitgesteuertes Busprotokoll. Der Profibus nutzt ausschließlich deterministische Buszugriffs-Verfahren. f Der Profibus muss eine Ringtopologie aufweisen. f Die Übertragungsrate beim Profibus ist unabhängig von der Ausdehnung des Bussystems 2015, IAS Universität Stuttgart 232

46 4 Kommunikationssysteme 4.1 Kommunikation in der Automatisierungstechnik 4.2 Bedeutende Kommunikations- bzw. Feldbussysteme 4.3 Industrial Ethernet 4.4 Drahtlose Kommunikation 2015, IAS Universität Stuttgart 233

47 4.3 Industrial Ethernet Vernetzung mit Ethernet Durchgängiger Einsatz des Kommunikationssystems von strategischer bis operative Ebene in Produkt- und Anlagenautomatiserung direkter Zugriff auf alle Daten geringerer Administrationsaufwand Strategische Ebene Dispositive Ebene Taktische Ebene Operative Ebene technischer Prozess Anforderungen an Kommunikationssystem: hohe Übertragungsrate Echtzeitfähigkeit Zuverlässigkeit Robustheit gegenüber elektrostatischen, mechanischen, physikalischen und chemischen Einflüssen 2015, IAS Universität Stuttgart 234

48 4.3 Industrial Ethernet Industrial Ethernet für die Anlagenautomatisierung: Zielsetzung: Einsatz von Ethernet (IEEE 802.3) auf der Feldebene Herausforderungen: lange Latenzzeiten durch Netzwerktopologie nicht deterministischer Buszugriff geringe mechanische Robustheit Protokollerweiterungen angepasste Topologien angepasste Hardware / Verkabelung 2015, IAS Universität Stuttgart 235

49 4.3 Industrial Ethernet Industrial Ethernet - Topologie zur Reduktion der Latenzzeiten: Einführung von Automatisierungszellen Innerhalb einer Zelle: Echtzeitbetrieb Zellübergreifend: kein Echtzeitbetrieb Prinzip der Mikrosegmentierung Ermöglichung einer Linientopologie innerhalb Automatisierungszellen kein Echtzeitverhalten Gateway Gateway AT-Computer AT-Computer AT-Computer AT-Computer AT-Zelle mit Sterntopologie AT-Computer AT-Zelle AT-Computer AT-Zelle AT-Zelle mit Linientopologie 2015, IAS Universität Stuttgart 236

50 4.3 Industrial Ethernet Industrial Ethernet - Protokollanpassungen (1/2): Möglichkeit 1: Einführung eines isochronen Sendebereichs: mit Master-Slave-Verfahren: Ablauf: 1. Master sendet Synchronisation 2. Master fordert Slaves auf, hochpriore Nachrichten zu senden 3. Master gibt einem Slave das Recht, asynchrone, niederpriore Daten zu senden Beispiel: Powerlink mit synchronen Uhren (Zeitschlitzverfahren): isochrone Phase: TDMA: zeitgesteuerte Kommunikation mit Nachrichtenfahrplan asynchrone Phase: CSMA/CD Beispiel: Profinet IRT 2015, IAS Universität Stuttgart 237

51 4.3 Industrial Ethernet Industrial Ethernet Protokollanpassungen (2/2): Möglichkeit 2: Implizite Adressierung von echtzeitkritischen Prozessdaten innerhalb eines Ethernetframes Beispiel: EtherCAT Ethernet Header HDR 1 HDR HDR Data 1 Data 2 Data n 2 n CRC Telegramm 1 Telegramm 2 Telegramm n Hardwaregestützte Verarbeitung der Daten ohne Pufferung spezieller Hardwaretreiber in jedem Gerät nötig Synchrone Uhren in einzelnen Geräten nötig 2015, IAS Universität Stuttgart 238

52 4.3 Industrial Ethernet Frage zu Kapitel 4.3 Welche Eigenschaften von Ethernet nach dem Standard IEEE sind für den Einsatz in der Automatisierungstechnik primär nachteilhaft? Antwort Günstige, kleine Steckverbindungen Das spezifizierte Buszugriffsverfahren CSMA-CD Große Freiheitsgrade bei der Gestaltung der Netzwerktopologie f Die maximal möglichen Übertragungsraten 2015, IAS Universität Stuttgart 239

53 4 Kommunikationssysteme 4.1 Kommunikation in der Automatisierungstechnik 4.2 Bedeutende Kommunikations- bzw. Feldbussysteme 4.3 Industrial Ethernet 4.4 Drahtlose Kommunikation 2015, IAS Universität Stuttgart 240

54 usinenouvelle.com fml.mw.tum.de yitran.com chip-.de 4.4 Drahtlose Kommunikation Beispiele für drahtlose Kommunikation 2015, IAS Universität Stuttgart 241

55 4.4 Drahtlose Kommunikation Bluetooth Industriestandard (IEEE ) Verbindungslose und verbindungsbehaftete Übertragungen Punkt - zu - Punkt Übertragungen, Ad-hoc-Netze oder Pico-Netze. Übertragungsraten: Bluetooth 2.0: 2,1 Mbit/s Sicherheit: jeder Adapter hat eine eigene, einmalige ID und Verschlüsselung der Übertragung sowie Frequenz-Hopping mögliche Interferenzen zwischen Bluetooth und anderen, im 2,4- Gigahertz-Bereich arbeitenden Funktechniken Reichweite: Klasse 1: > 100m Klasse 2: > 10m Klasse 3: > 1m 2015, IAS Universität Stuttgart 242

56 IEEE ZigBee 4.4 Drahtlose Kommunikation ZigBee Baut auf Industriestandard (IEEE IEEE ) auf Ist ein Framework Anwendungsgebiet Hausautomatisierung Waschmaschine (Miele) Kaffeemaschine Anlagensteuerung Sicherheitsmechanismen Authentifizierungscode Pakete nicht abfangbar (Counter) APL (Anwendung) SEC (Security) NWK (Vermittlung) MAC (Sicherung) Reichweite: 10m - 100m PHY (Bitübertragung) 2015, IAS Universität Stuttgart 243

57 4.4 Drahtlose Kommunikation Near Field Communication Reichweite: < 10 cm Es handelt sich dabei um die Zusammenführung der beiden proprietären RFID-Systeme MIFARE (ISO/IEC Typ A) und FeliCa. Übertragungsrate: 424 kbit/s Die NFC-Architektur gliedert sich in drei Betriebsarten: Peer-to-Peer-Modus, Reader/Writer-Modus Card-Emulation-Modus Verschlüsselung und Authentifizierungsverfahren Anwendungsgebiete: Bargeldlose Zahlung kleinerer Beträge: Apple Pay, Google Wallet Studentenausweis / Zutrittskontrollen / DB Touch and Travel 2015, IAS Universität Stuttgart 244

58 Kapitel 4: Kommunikationssysteme Vorbereitungsfragen zu Kapitel 4 Frage 1: Bussysteme (SS 2004) Beim Aktor/Sensor Interface (ASi), erfolgt die Nutzdatenübertragung und die Stromversorgung über die gleiche Leitung. Welche Voraussetzung muss dazu erfüllt sein? Was passiert, wenn diese Voraussetzung nicht erfüllt ist? Frage 2: Buszugriff (SS 2004) Beim Entwurf eines Automatisierungssystems stehen als Buszugriffsverfahren zwei Möglichkeiten zur Auswahl: Das Token-Passing-Verfahren und das CSMA/CA-Verfahren. Eine wichtige Anforderung an das System ist die Vermeidung von Verzögerungszeiten auf Grund von Fehlern in einzelnen Busteilnehmern. Erläutern Sie, wie sich die beiden Verfahren jeweils auf diese Anforderung an das Automatisierungssystem auswirken. 2015, IAS Universität Stuttgart 245