Gerhard Schnell (Hrsg.) Bernhard Wiedemann (Hrsg.) Bussysteme in der Automatisierungsund Prozesstechnik

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2 Gerhard Schnell (Hrsg.) Bernhard Wiedemann (Hrsg.) Bussysteme in der Automatisierungsund Prozesstechnik

3 Gerhard Schnell (Hrsg.) Bernhard Wiedemann (Hrsg.) Bussysteme in der Automatisierungsund Prozesstechnik Grundlagen, Systeme und Trends der industriellen Kommunikation Mit 252 Abbildungen 6., überarbeitete und aktualisierte Auflage Vieweg Praxiswissen

4 Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. Verzeichnis der Autoren Dr. rer. nat. Michael Lupik, Dipl. Ing. Roland Bent, Dipl. Ing. Manfred Brill, Prof. Dr. Ing. Jörg Böttcher, Dipl. Ing. Sven Achatz, Dipl. Ing. Thomas Limbrunner, Dipl.-Phys. Marc Goosens, Dr. Ing. Thilo Heimbold, Dipl. Ing. Michael Kessler, Dipl. Ing. Thomas Klatt, Prof. Dr. habil. Werner Kriesel, Dipl. Ing. Wolfgang Grote, Prof. Dr. Andreas Pech, Dipl. Ing. Alexander Stamm, Dipl. Ing. Martin Buchwitz, Dr. A. Schimmele, Prof. Dr. Ing. Gerhard Schnell, Dr. Ing. Raimund Sommer, Dipl. Ing. Norbert Heinlein Prof. Dr. Ing. Jürgen Beuschel, Dipl. Ing. Reinhard Simon, Dipl. Ing. Anton Meindl, Dr. Ing. Hans Endl, Dipl. Ing. Bernhard Wiedemann Pepperl+Fuchs, Mannheim PHOENIX CONTACT, Blomberg Schneider Automation, Seligenstadt b-plus, Deggendorf b-plus, Deggendorf b-plus, Deggendorf EIB Association, Brüssel Hochschule für Technik, Wirtschaft, Kultur, Leipzig Pepperl+Fuchs, Mannheim P+F Kolleg, Mannheim Hochschule für Technik, Wirtschaft, Kultur, Leipzig Fachhochschule Frankfurt am Main Fachhochschule Frankfurt am Main Fraunhofer IPA, Stuttgart Jetter AG, Ludwigsburg Stahl, Künzelsau Fachhochschule Frankfurt am Main Siemens, Karlsruhe Fachhochschule Frankfurt am Main Fachhochschule für Technik und Wirtschaft, Berlin Rockwell Automation, Haan-Gruiten B&R-Industrie-Elektronik, Eggelsberg (A) Softing, Haar bei München Fa. Bihl + Wiedemann GmbH, Mannheim 1. Auflage , überarbeitete und verbesserte Auflage , vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage , vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage , überarbeitete und erweiterte Auflage Januar , überarbeitete und aktualisierte Auflage Februar 2006 Alle Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlag GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2006 Lektorat: Reinhard Dapper Der Vieweg Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, Technische Redaktion: Hartmut Kühn von Burgsdorff Druck und buchbinderische Verarbeitung: MercedesDruck, Berlin Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN

5 V Vorwort Es kann kein Zweifel darüber bestehen, daß Bussysteme im allgemeinen und speziell in der Automatisierungstechnik ein aktuelles Thema sind, mit dem sich jeder dort Tätige und Verantwortliche beschäftigen muß. Dabei ergibt sich zwangsläufig eine Fülle von Fragen, die wir mit diesem Lehrbuch hoffen, ausführlich und erschöpfend beantworten zu können. Der Leser möge sich anhand des Inhaltsverzeichnisses eine Übersicht über das Gebotene verschaffen. Das Buch stammt aus der Feder verschiedener Autoren, was den Vorteil bietet, daß für jedes Teilgebiet Experten zu Worte kommen. Der Herausgeber hofft, daß der Leser daraus resultierende gelegentliche Überschneidungen toleriert oder sogar begrüßt, da das Buch vermutlich oft im Seiteneinstieg gelesen wird und daß er die verschiedenen Darstellungsstile als anregend empfindet. Den Autoren dankt der Herausgeber für ihre neben der täglichen Arbeit erbrachte Zusatzleistung und die Geduld, mit der sie den der homogenen Darstellung dienenden Änderungswünschen nachgekommen sind. Manches wurde auch bewußt stehen gelassen, wie z.b. der Begriff Aktuator, obwohl dieser wörtlich übersetzte Zungenbrecher zu seinem Gegenstück Sensor viel schlechter paßt wie das Wort Aktor. Schließlich ist es dem Herausgeber eine angenehme Pflicht, den nachfolgenden Personen seinen Dank auszusprechen: Der Geschäftsleitung des Hauses Pepperl + Fuchs, deren Herrn Dipl. Ing. D. Bihl, Dipl. Kaufmann M. Fuchs und C. Michael für die generelle Unterstützung des Buches, Herrn Dipl. Ing. W. Dose, Geschäftsführer der P+F Kolleg GmbH, für die Unterstützung durch seine Organisation bei der Zusammenführung von Texten und Bildern, Frau L. Gaumert für ebendiese Arbeit, Herrn E. Klementz vom Verlag Vieweg für die langjährige und erfolgreiche Zusammenarbeit, Frau H. Schnell, der auch bei diesem Buch die Geduld nicht ausgegangen ist. Möge das Buch in Industrie und Hochschule allen Lesern eine ergiebig und zuverlässig sprudelnde Informationsquelle sein. Vorwort zur 3. Auflage Diese Auflage wurde nicht nur aktualisiert, wie dies die Dynamik der industriellen Kommunikation erfordert, sondern auch um einige Beiträge erweitert. Auch wurde an manchen Stellen nochmals an der Darstellung gefeilt. So legt der Herausgeber die dritte Auflage der Fachwelt vor in der Hoffnung, es möge sich auch weiterhin als nützliche und zuverlässige Informationsquelle im Bereich der Grundlagen und Anwendungen erweisen. Den Fachautoren aus der Industrie dankt der Herausgeber für ihre neben der Tagesarbeit

6 VI Vorwort erbrachte schriftstellerische Zusatzarbeit und Lektorat und Herstellung für die Mühe und Sorgfalt bei der Realisierung der vielen Änderungswünsche. Frankfurt am Main, im Oktober 1998 Prof. Dr. G. Schnell Vorwort zur 4. Auflage Reges Leserinteresse und fortdauernder Wandel in der industriellen Kommunikationstechnik erforderten in relativ kurzer Zeit die vorliegende, aktualisierte 4. Auflage. Verschiedene Kapitel wurden vollkommen neu gefasst (z.b. AS-I, Profibus, Normen, Foundation Field Bus), neue Kapitel kamen hinzu (z.b. FISCO, JetWeb, Anwendungsbeispiele). Ich danke allen Koautoren für ihre Mitarbeit, die sie neben ihrer beruflichen Arbeit erbrachten, allen Lesern, die mir Zustimmung und Vorschläge zukommen liessen, für diese und Herrn H. Kühn von Burgsdorff vom Verlag für seine Geduld und Sorgfalt, mit der er alle Korrekturen, Erweiterungen und Änderungen integriert hat. Frankfurt am Main, im Oktober 2000 Prof. Dr. G. Schnell Vorwort zur 5. Auflage Die rege Nachfrage der Leser und auch der nicht enden wollende Wandel in der industriellen Kommunikationstechnik erforderten diese 5. Auflage. Das Buch wurde aktualisiert in den Kapiteln LON (völlig neu verfasst), Schneider Automation Bussysteme (völlig neu verfasst) und JetWeb (ersetzt durch IDA: Ethernet, Web und verteilte Intelligenz). Neu hinzu kamen die Abschnitte über Rockwell-Bussysteme, Ethernet in der Automatisierung und Echtzeit-Ethernet. Erfreulicherweise haben sich wieder Fachleute der vordersten Front zur Mitarbeit bereit erklärt, wofür ihnen der Herausgeber an dieser Stelle seinen grossen Dank ausspricht. Dass daraus sich manchmal die doppelte Behandlung eines Aspektes ergibt, möge der Leser als nützliche Redundanz tolerieren. Dank gebührt auch Herrn Kühn von Burgsdorff im Vieweg Verlag, der mit großer Geduld wieder ein im Layout ansprechendes Buch geschaffen hat. Frankfurt am Main, im Herbst 2002 Prof. Dr. Ing. Gerhard Schnell Vorwort zur 6. Auflage Diese 6. Auflage wurde auf Wunsch vieler Leser um ein Kapitel PC-Busse (USB und Firewire) ergänzt. Daneben wurden einige Aktualisierungen von Herrn Dipl. Ing. B. Wiedemann vorgenommen, der, mitten im aktuellen Bus-Geschäft stehend, sich dankenswerterweise bereit gefunden hat, ab dieser Auflage als Mitherausgeber zu fungieren. Allen Lesern, die mitgeholfen haben, durch Eliminierung der letzten Druckfehler und sonstige Verbesserungsvorschläge dieses Buch noch informativer zu machen, sei herzlich gedankt. Stuttgart, im Herbst 2005 Prof. Dr. Ing. Gerhard Schnell

7 VII Inhaltsverzeichnis 1 Technische Grundlagen Netzwerktopologien Zweipunktverbindungen Zweipunktverbindungen mit Multiplexer Bus-Struktur Baumstruktur Ringstruktur Sternstruktur Kommunikationsmodelle Das ISO/OSI-Referenzmodell Allgemeines Die physikalische Schicht oder Bitübertragungsschicht Die Sicherungsschicht Die Netzwerkschicht Die Transportschicht Die Sitzungsschicht Die Darstellungsschicht Die Anwendungsschicht Dienste für die Kommunikation zwischen den Schichten Beispiel: Ablauf einer Kommunikation im OSI-Modell Das TCP/IP-Protokoll Buszugriffsverfahren Master/Slave-Verfahren Token-Prinzip Token-Passing CSMA CSMA/CA Busarbitration Datensicherung Einleitung Fehlerarten Einige grundlegende Beziehungen Bitfehlerrate Wiederholung einer Übertragung Restfehlerrate Hamming-Distanz Telegrammübertragungseffizienz Einige Strategien der Fehlererkennung Paritätsbit... 34

8 VIII Inhaltsverzeichnis Blocksicherung CRC Datenintegritätsklassen Telegrammformate Telegramm mit Paritätsbit Telegramm mit CRC Telegrammformate Das HDLC-Protokoll UART PROFIBUS-Norm EN Teil HART-Protokoll Token-Telegramm Binäre Informationsdarstellung NRZ, RZ Bipolar-Kodierung, HDB n -Kodierung NRZI AFP Manchester-II-Kodierung FSK, ASK, PSK Übertragungsstandards RS 232-, V.24-Schnittstelle RS 422-Schnittstelle RS 485-Schnittstelle ma-stromschleife IEC , FISCO-Modell Leitungen und Übertragungsarten Übersicht über die Leitungsarten Paralleldrahtleitung Koaxialleitung Lichtwellenleiter (LWL) Übertragungsarten Basisbandübertragung Trägerfrequenzübertragung Breitbandübertragung Verbindung von Netzen Repeater Bridges Router Gateways Feldbusankopplung an Host-Systeme Grundlagen SPS-Ankopplung Feldbusfunktionen auf Kommunikations-Baugruppen Software-Schnittstelle Einheitliche Programmierung mit IEC PC-Ankopplung... 89

9 Inhaltsverzeichnis IX Hardware-Aspekte Techniken des Anwenderzugriffs Controller-Ankopplung Ankopplung an höhere Netze über Gateways Host-Zugriffe unter MMS Buszykluszeiten Deterministische Bussysteme Nichtdeterministische Bussysteme Netzwerkhierarchien in der Fabrik- und Prozessautomatisierung Übersicht und Spezifik der Kommunikation in der Automatisierung Managementebene Prozessleitebene ETHERNET für den Industrieeinsatz Aufgaben von TCP/IP sowie Echtzeitfähigkeit Anwendungsschicht ALI/ API ETHERNET-Anwendung in der Feldbustechnologie Feldebene (Feldgerät SPS) Anforderungen an einen Feldbus auf der Systemebene Schlussfolgerungen Stand und Entwicklungstendenzen Datenübertragung mit Lichtwellenleitern Feldbussystem in Doppelringstruktur Sensor-Aktor-Ebene Anforderungen im Sensor-Aktor-Bereich Industrielösungen für Sensor-Aktor-Bussysteme: Feldbusnormung Internationale Normungsarbeit IEC-Feldbus Europäische Normungsarbeit Beispiele ausgeführter Bussysteme Sensor/Aktor-Busse AS-Interface Aktuator/Sensor-Interface Das EIB-System für die Heim- und Gebäudeelektronik Feldbusse Der Bitbus PROFIBUS Das PROFIBUS-Konzept Schicht 1 Übertragungstechnik Schicht 2 Datenübertragungsschicht PROFIBUS-FMS PROFIBUS-DP PROFIBUS Konfiguration PROFIBUS Profile

10 X Inhaltsverzeichnis PROFIBUS PA Feldbus für die Prozessautomation Das PROFISafe-Profil Anwendung von PROFIBUS als Remote I/O in der Prozessautomation Interbus IDA: Ethernet, Web und verteilte Intelligenz IDA-Architektur das Objektmodell Das IDA-Kommunikationsmodell Kommunikation in Echtzeit Safety Integrated IDA und Modbus TCP/IP Web-Technologien bei IDA Industrielle Kommunikation von Schneider Electric Serieller Feldbus (SFB) Modbus Plus Transparent Ready SIMATIC NET Industrielle Kommunikation von Siemens Industrial Ethernet Das Netz für Produktion und Büro PROFIBUS der Feld- und Zellenbus bei SIMATIC NET AS-Interface der Aktor-Sensor-Bus bei SIMATIC NET LON LON-Gerät LonWorks-Protokoll Funktionsprofile für LON-Geräte LON-übergreifende Kommunikation Netzwerk-Management und Tools WorldFIP Physikalische Ebene Übertragungsschicht Telegrammaufbau Anwendungsschicht P-NET CAN Foundation Fieldbus CIP-basierende Industrienetzwerke DeviceNet ControlNet Industrial Ethernet Industrial Ethernet was ist das eigentlich? Grundlegende Informationen zu Ethernet Ethernet im Vergleich zu modernen Feldbussystemen Die wichtigsten Realisierungen FOUNDATION Fieldbus High Speed Ethernet PROFInet Ethernet/IP Ein hartes Echtzeit-Ethernet: Powerlink

11 Inhaltsverzeichnis XI 4.4 Peripheriebusse am PC Vergleich USB Firewire USB Weitverkehrsnetze ISDN DATEX-L DATEX-P TEMEX Installationsbeispiele aus der Bus-Praxis Verbindung von Feldgeräten über PROFIBUS und OPC mit Anwendersoftware Kurze Einführung in OPC Die Aufgabe: PROFIBUS an Visualisierungssoftware Konfiguration des PROFIBUS Konfiguration des OPC-Servers SCADA-Projekt und OPC-Konfiguration Prozesssteuerung über das Internet-Netzwerk Das Problem Erstellung der LabView-Applikation Internetanbindung Die Konfiguration des HTTP-Servers Konfiguration ASI/Interbus-Gateway an Interbus Aufbau der Bus-Systeme Konfiguration des AS-I Kommunikation des AS-I/Interbus-Gateway mit dem Interbus Interbustelegramm des Gateways Nutzdaten des Gateways Funktion und Bedeutung von Steuer- und Statuswort Die sw-verknüpfung Interbus/AS-I Konfiguration der Modicon SPS Variablendeklaration Kommunikationsablauf Die Verbindung einer SPS mit dem PROFIBUS DP S7-Projekt Konfiguration der S7-Station Kommunikation zwischen CPU und CP Programmbeispiel Datenblätter AS-I (Aktuator/Sensor-Interface) EIB (European Installation Bus) Bitbus PROFIBUS PROFIBUS-FMS

12 XII Inhaltsverzeichnis PROFIBUS-DP PROFIBUS-PA Interbus Schneider Automation Bussysteme SFB (Systemfeldbus) Modbus Plus Transparent Ready SIMATIC NET AS-Interface PROFIBUS Industrial Ethernet LON (Local Operating Network) Flux Information Processus (FIP) P-Net CAN (Controller Area Network) Foundation Field Bus ARCNET Gigabit Ethernet ATM (Asynchronous Transfer Mode) Eigensichere Feldbusse PROFIBUS PA (siehe 7.4.2) ICS MUX (RS 485) PROFIBUS (DP) Ex-i Rockwell Automation Bussysteme DeviceNet ControlNet EtherNet/IP Sachwortverzeichnis

13 1 1 Technische Grundlagen 1.1 Netzwerktopologien Um beliebige Prozesse effektiver gestalten zu können, ist es notwendig, dass die Einheiten, die den Prozess überwachen bzw. steuern, untereinander Informationen austauschen. Dabei ist es unerheblich, ob es sich bei den Überwachungseinrichtungen um technische Geräte wie z.b. Rechner oder SPS-Geräte oder um Menschen handelt. Verknüpft man Rechner, SPS-Geräte etc. derart miteinander, dass über die entstehenden Verbindungsleitungen Informationen übertragen werden können, entsteht ein Netzwerk. Unter dem Begriff Netzwerktopologie versteht man zum einen die geometrische Anordnung der Teilnehmer im Netzwerk und zum anderen die logische Anordnung der Teilnehmer, unabhängig von der Geometrie. Im folgenden soll auf die unterschiedlichen geometrischen Anordnungsmöglichkeiten eingegangen werden Zweipunktverbindungen Die einfachste Möglichkeit, Daten auszutauschen besteht darin, genau zwei Kommunikationspartner über eine Leitung miteinander zu verbinden, wie z.b. bei einer Gegensprechanlage, einem Modem oder der Verbindung zwischen PC und Drucker. Die notwendige Steuerung eines Kommunikationsprozesses ist einfach über Steuer-, Melde- und Taktleitungen zu realisieren (Handshake-Betrieb). Werden mehrere Teilnehmer mit Zweipunktverbindungen verknüpft, entsteht ein vermaschtes Netz nach Bild 1.1. Bild 1.1 Prozesskommunikation/Vermaschtes Netz Bei dieser Topologie besteht zwischen zwei kommunizierenden Teilnehmern eine Zweipunktverbindung. Dabei werden bei n Teilnehmern (n 1) Schnittstellen pro Teilnehmer und n Verbindungsleitungen benötigt. Daraus resultiert, dass die Kosten einer 2 solchen Topologie sehr hoch sind.

14 2 1 Technische Grundlagen Im Falle eines Fehlers würde entweder nur ein Teilnehmer oder nur ein Kommunikationskanal ausfallen, und die Diagnose wäre sehr einfach Zweipunktverbindungen mit Multiplexer Soll eine Zweipunktverbindung von mehr als zwei Teilnehmern benutzt werden, müssen Maßnahmen getroffen werden, die eine gegenseitige Signalbeeinflussung und damit eine Zerstörung der Signale verhindern. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, stellt das Zeitmultiplex-Verfahren, eine andere Möglichkeit das Frequenzmultiplexverfahren dar. Wird das Zeitmultiplex-Verfahren angewendet, spricht man von einer Basisbandübertragung, da hier das unmodulierte Signal im Frequenzband von 0 Hz bis zur Grenzfrequenz des Trägermediums zur Verfügung steht. Bei Verwendung des Frequenzmultiplex-Verfahrens wird ein moduliertes Signal mit einer definierten Bandbreite übertragen. Das Prinzip des Zeitmultiplexverfahrens ist in Bild 1.2 dargestellt. Bild 1.2 Prinzipielle Funktionsweise eines a) Multiplexers, b) Demultiplexers Im Multiplexer (MUX) werden mit Hilfe der Steuersignale a 0 und a 1 die Daten d 0... d 3 nacheinander auf die Übertragungsleitung y geschaltet. Damit wird jedem der vier Teilnehmer ein Zeitschlitz zugeteilt, in dem er seine Übertragung vornehmen kann. Der Demultiplexer (DEMUX) sorgt mit Hilfe der selbsterzeugten Steuersignale a 0 und a 1 dafür, dass die seriell empfangenen Daten wieder auf die Datenleitungen d 0... d 3 geschaltet werden. Um dies problemlos realisieren zu können, müssen beide 1- aus 4-Decoder synchron laufen. Dies wird dadurch erreicht, dass zu Beginn jeder Übertragungsperiode ein Synchronisationssignal über die Datenleitung gesendet wird. In der oben gewählten Darstellung ist die Anordnung nur für den sog. Simplexbetrieb geeignet. Darunter versteht man die Nachrichtenübertragung ausschließlich in eine Richtung. Der Multiplexer und der Demultiplexer unterscheiden sich vom Funktionsprinzip her nicht. Um einen bidirektionalen Datenaustausch zu ermöglichen benötigt man nur eine

15 1.1 Netzwerktopologien 3 MUX/DEMUX Einrichtung, bei der zwischen kommender und gehender unterscheiden kann. Eine solche Einrichtung ist dann Halbduplex-fähig, dass heißt, dass Daten nacheinander in beide Richtungen übertragen werden können. In der industriellen Praxis wird das Multiplexverfahren sehr häufig in Verbindung mit dem HART-Protokoll (siehe Kap ) in Form von sog. HART-Multiplexern eingesetzt. Diese sorgen dafür, dass eine Punkt-zu-Punkt Verbindung zwischen einer Anzeige und Bedienkomponente und einem HART-fähigen Feldgerät hergestellt wird. Über Hart-Multiplexer können bis zu 7936 Verbindungsmöglichkeiten verwaltet werden. Beim Frequenzmultiplex-Verfahren wird der Übertragungskanal in voneinander unabhängige Frequenzbänder mit definierter Bandbreite eingeteilt. Damit besteht die Möglichkeit, mehrere Signale gleichzeitig bidirektional zu übertragen. Diese Vorgehensweise eignet sich zur Vollduplex-Übertragung. Als Modulationsarten eignen sich Amplituden-, Frequenz- und Phasenmodulation. Der Vorteil liegt in der optimalen Nutzung des Übertragungsmediums. Da die zur Modulation benötigten Baugruppen relativ teuer sind, findet diese Breitbandübertragung ihre Anwendung hauptsächlich in sog. Weitverkehrsnetzen (Wide Area Networks, WAN) Bus-Struktur Bei der Bus-Struktur, auch Linienstruktur genannt, kommunizieren alle Teilnehmer über eine gemeinsame Leitung (Bild 1.3). Bild 1.3 Linienstruktur Die Anbindung der Teilnehmer an das Buskabel geschieht über kurze Stichleitungen (Dropkabel). Dadurch wird der Kabelaufwand, verglichen mit dem vermaschten Netz, erheblich reduziert. Jeder Teilnehmer benötigt hier nur noch eine Schnittstelle, um mit einem beliebigen, an den Bus angeschlossenen Teilnehmer kommunizieren zu können. Hier entsteht allerdings das Problem, dass immer nur ein Teilnehmer zu einem bestimmten Zeitpunkt senden darf. Damit werden Regeln notwendig, die das Zugriffsrecht auf den Bus festlegen, sog. Buszugriffsverfahren. Bei Verwendung der Bus-Struktur treten folgende Probleme auf.