Gerhard Schnell (Hrsg.) Bussysteme in der Automatisierungsund Prozesstechnik

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1 Als weltweit agierender Anbieter von Automatisierungskomponenten "steuert" Pepperl+Fuchs weiter auf Erfolgskurs. Mit Uber 7000 Produkten fur die Prozessund Fabrikautomation tragen wir dazu bei, Signale sicher zu empfangen und neue Impulse zu setzen. Gerne beantworten wir Ihre Fragen. Pepperl+Fuchs GmbH Konigsberger Allee Mannheim Te l. : 0621/776-0 Fall: 0621/ in fo@de.pepperl fuchs.com fuchs.com m PEPPERL+FUCHS

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

3 Aus dem Programm Automatisierungstechnik Regelungstechnik fur Ingenieure von M. Reuter Regelungstechnik I-III von H. Unbehauen Steuerungstechnik mit SPS von G. Wellenreuther und D. Zastrow Steuerungstechnik im Maschinenbau von W. Thrun und M. Stern Automatisierungstechnik Aufgaben von S. Zakharian Bussysteme in der Automatisierungsund Prozesstechnik von G. Schnell (Hrsg.) Neuronale Netze fur Ingenieure von S. Zakharian, P. Ladewig-Riebler und S. Thoer Handhabungstechnik von J. Bartenschlager, H. Hebel und G. Schmidt Steuern - Regeln - Automatisieren von W. Kaspers, H.-J. Kiifner, B. Heinrich und W. Vogt ProzeBlenkung Lehrbuch und Hypermediale Aufgabensammlung von R. Langmann vieweg "

4 Gerhard Schnell (Hrsg.) Bussysteme in der Automatisierungsund Prozesstechnik Grundlagen und Systeme der industriellen Kommunikation Mit 226 Abbildungen 4., vollstandig iiberarbeitete und erweiterte Auflage ~ vleweg

5 Verzeichnis der Autoren Dr. rer. nat. Michael Lupik, Dip\. Ing. Roland Bent, Dip\. Ing. Manfred Brill, Prof. Dr. Ing. Hirg Bottcher, Dip\. Ing. Sven Achatz, Dip\. Ing. Thomas Umbrunner, Dip\. Ing. Martina Bruland, Dip\'-Phys. Marc Goosens, Dr. Ing. Thilo Heimbold, Dip\. Ing. Michael Kessler, Dip\. Ing. Thomas Klatt, Prof. Dr. habi\' Werner Kriesel, Dip\. Ing. Wolfgang Grote, Prof. Dr. Andreas Pech, Dip\. Ing. Alexander Stamm, Dip\. Ing. Martin Buchwitz, Dr. A. Schimmele, Dip\. Ing. Andreas Schmitz, Prof. Dr. Ing. Gerhard Schnell, Dr. Ing. Raimund Sommer, Dip\. Ing. Norbert Heinlein Pepperl+Fuchs, Mannheim PHOENIX CONTACT, Blomberg Schneider Automation, Seligenstadt b-plus, Deggendorf b-plus, Deggendorf b-plus, Deggendorf C. A. Weidmiiller, Detmold EIB Association, Briissel Hochschule fur Technik, Wirtschaft, Kultur, Leipzig Pepperl+Fuchs, Mannheim P+F Kolleg, Mannheim Hochschule fur Technik, Wirtschaft, Kultur, Leipzig Fachhochschule Frankfurt am Main Fachhochschule Frankfurt am Main Fraunhofer IPA, Stuttgart Zetter AG, Ludwigsburg Stahl, Kiinzelsau Pepperl+Fuchs, Mannheim Fachhochschule Frankfurt am Main Siemens, Karlsruhe Fachhochschule Frankfurt am Main 1. Auflage , iiberarbeitete und verbesserte Auflage , vollstandig iiberarbeitete und erweiterte Auflage , vollstandig iiberarbeitete und erweiterte Auflage, Oktober 2000 Aile Rechte vorbehaiten Springer Fachmedien Wiesbaden, 2000 Urspriinglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, BraunschweiglWiesbaden Das Werk einschlieblich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschiitzt. Jede Verwertung auberhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulassig und stratbar. Das gilt insbesondere flir Vervieifaitigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Technische Redaktion: Hartmut Kiihn von Burgsdorff Konzeption und Layout des Umschlags: Ulrike Weigel, Gedruckt auf saurefreiem Papier ISBN ISBN (ebook) DOI /

6 v Vorwort Es kann kein Zweifel dartiber bestehen, dab Bussysteme im allgemeinen und speziell in der Automatisierungstechnik ein aktuelles Thema sind, mit dem sich jeder dort Tatige und Verantwortliche beschaftigen mob. Dabei ergibt sich zwangslaufig eine Fiille von Fragen, die wir mit diesem Lehrbuch hoffen, ausfuhrlich und erscmpfend beantworten zu kannen. Der Leser mage sich anhand des Inhaltsverzeichnisses eine Ubersicht uber das Gebotene verschaffen. Das Buch stammt aus der Feder verschiedener Autoren, was den Vorteil bietet, dab fur jedes Teilgebiet Experten zu Worte kommen. Der Herausgeber hofft, dab der Leser daraus resultierende gelegentliche Uberschneidungen toleriert oder sogar begriibt, da das Buch vermutlich oft im "Seiteneinstieg" gelesen wird und dab er die verschiedenen Darstellungsstile als anregend empfindet. Den Autoren dankt der Herausgeber ffir ihre neben der taglichen Arbeit erbrachte Zusatzleistung und die Geduld, mit der sie den der homogenen Darstellung dienenden Anderungswiinschen nachgekommen sind. Manches wurde auch bewubt stehen gelassen, wie z.b. der Begriff,,Aktuator", obwohl dieser wartlich ubersetzte Zungenbrecher zu seinem Gegenstiick Sensor viel schlechter pabt wie das Wort,,Aktor". SchlieBlich ist es dem Herausgeber eine angenehme Pflicht, den nachfolgenden Personen seinen Dank auszusprechen: Der Geschaftsleitung des Hauses Pepperl + Fuchs, deren Herm Dip!. Ing. D. Bihl, Dip!. Kaufmann M. Fuchs und C. Michael fur die generelle Unterstiitzung des Buches, Herm Dip!. Ing. W. Dose, GeschaftsfUhrer der P+F Kolleg GmbH, fur die Unterstutzung durch seine Organisation bei der ZusammenfUhrung von Texten und Bildern, Frau L. Gaumert fur ebendiese Arbeit, Herm E. Klementz yom Verlag Vieweg fur die langjahrige und erfolgreiche Zusammenarbeit, Frau H. Schnell, der auch bei diesem Buch die Geduld nicht ausgegangen ist. Mage das Buch in Industrie und Hochschule allen Lesern eine ergiebig und zuverlassig sprudelnde Informationsquelle sein. Vorwort zur 3. Auflage Diese AufIage wurde nicht nur aktualisiert, wie dies die Dynamik der industriellen Kommunikation erfordert, sondern auch urn einige Beitrage erweitert. Auch wurde an manchen Stellen nochmals an der Darstellung gefeilt. So legt der Herausgeber die dritte AufIage der Fachwelt vor in der Hoffnung, es mage sich auch weiterhin als nutzliche und zuverlassige Informationsquelle im Bereich der Grundlagen und Anwendungen erweisen. Den Fachautoren aus der Industrie dankt der Herausgeber fur ihre neben der Tagesarbeit

7 VI Vorwort erbrachte schriftstellerische Zusatzarbeit und Lektorat und Herstellung fur die Muhe und Sorgfalt bei der Realisierung der vielen Anderungswiinsche. 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 fur ihre Mitarbeit, die sie neben ihrer beruflichen Arbeit erbrachten, allen Lesern, die mir Zustimmung und Vorschlage zukommen liessen, fur diese und Herrn H. KUhn von Burgsdorff yom Verlag fur seine Geduld und Sorgfalt, mit der er aile Korrekturen, Erweiterungen und Anderungen integriert hat. Frankfurt am Main, im Oktober 2000 Prof. Dr. G. Schnell

8 VII Inhaltsverzeichnis 1 Technische Grundlagen Netzwerktopologien Zweipunktverbindungen Zweipunktverbindungen mit Multiplexer Bus-Struktur Baumstruktur Ringstruktur Stemstruktur Kommunikationsmodelle Das ISOIOSI-Referenzmodell Allgemeines Die physikalische Schicht oder Bittibertragungsschicht Die Sicherungsschicht Die Netzwerkschicht Die Transportschicht Die Sitzungsschicht Die Darstellungsschicht Die Anwendungsschicht Dienste fur die Kommunikation zwischen den Schichten Beispiel: Ablauf einer Kommunikation im OSI-Modell Das TCPIIP-Protokoll Buszugriffsverfahren MasterISlave-Verfahren Token-Prinzip Token-Passing CSMA CSMAlCA Busarbitration Datensicherung Einleitung Fehlerarten Einige grundlegende Beziehungen Bitfehlerrate Wiederholung einer Ubertragung Restfehlerrate Hamrning-Distanz... 32

9 vrn Inhaltsverzeichnis Telegrammiibertragungseffizienz Einige Strategien der Fehlererkennung Paritiitsbit Blocksicherung CRC Datenintegritiitsklassen Telegrammformate Telegramm mit Paritiitsbit Telegramm mit CRC Telegrammformate Das HDLC-Protokoll UART PROFIBUS-Norm EN Teil HART-Protokoll Token-Telegramm Binare Informationsdarstellung NRZ, RZ Bipolar-Kodierung, HDBn-Kodierung NRZI AFP Manchester-II-Kodierung FSK, ASK, PSK Obertragungsstandards RS 232-, V.24-Schnittstelle RS 422-Schnittstelle RS 485-Schnittstelle ma-stromschleife a.5 IEC , FISCO-Modell Leitungen und Obertragungsarten Obersicht iiber die Leitungsarten Paralleldrahtleitung Koaxialleitung Lichtwellenleiter (LWL) Obertragungsarten Basisbandiibertragun$ Triigerfrequenziibertragung Breitbandiibertragung Verbindung von Netzen Repeater Bridges Router Gateways Feldbusankopplung an Host-Systeme... 86

10 Inhaltsverzeichnis IX Grundlagen SPS-Ankopplung Feldbusfunktionen auf Kommunikations-Baugruppen Software-Schnittstelle Einheitliche Programmierung mit IEC PC-Ankopplung Hardware-Aspekte Techniken des Anwenderzugriffs Controller-Ankopplung Ankopplung an hohere Netze tiber Gateways Host-Zugriffe unter MMS B uszykluszeiten Netzwerkhierarchien in der Fabrik- und Prozefiautomatisierung Ubersicht und Spezifik der Kommunikation in der Automatisierung Managementebene ProzeBleitebene ETHERNET ftir den Industrieeinsatz Aufgaben von TCPIIP sowie Echtzeitfahigkeit Anwendungsschicht ALII API ETHERNET-Anwendung in der Feldbustechnologie Feldebene (Feldgerat - SPS) Anforderungen an einen Feldbus auf der Systemebene SchluBfolgerungen Stand und Entwicklungstendenzen Datentibertragung mit Lichtwellenleitem Feldbussystem in Doppelringstruktur Sensor-Aktor-Ebene Anforderungen im Sensor-Aktor-Bereich IndustrielOsungen ftir Sensor-Aktor-Bussysteme: Feldbusnormung Intemationale Normungsarbeit IEC-Feldbus Europaische Normungsarbeit Beispiele ausgefiihrter Bussysteme Sensor/Aktor-Busse AS-Interface - AktuatorlSensor-Interface Das EIB-System ftir die Heim- und Gebaudeelektronik Feldbusse Der Bitbus

11 x Inhaltsverzeichnis PROFIBUS Das PROFIBUS-Konzept Schicht 1 - Ubertragungstechnik Schicht 2 - Datentibertragungsschicht PROFIBUS-FMS PROFIBUS-DP PROFIBUS Konfiguration PROFIBUS Profile PROFIBUS PA - Feldbus fur die Prozessautomation Das PROFISafe-Profil Anwendung von PROFIBUS als Remote I/O in der Prozessautomation Interbus JetWeb Neue Struktur der Steuerungstechnik: Verteilte Intelligenz JetWeb ist verteilte Intelligenz Ethernet erlaubt, das Netz als virtuellen Datenserver zu betreiben Ethernet im Uberblick Switched Ethernet Ethernet als Systembus JetWeb nutzt TCP/IP und UDP/IP Definition der JetWeb-Komrnunikation tiber Ethernet IDA - mehr als der Layer 7... ~ Industrielle Komrnunikation von Schneider Automation Serieller Feldbus (SFB) Modbus Plus Modbus TCP/IP MMS tiber Ethernet (MMSE) SIMATIC NET - Industrielle Komrnunikation von Siemens Industrial Ethernet - Das Netz fur Produktion und Buro PROFIBUS - der Feld- und Zellenbus bei SIMATIC NET AS-Interface - der Aktor-Sensor-Bus bei SIMATIC NET LON WorldFIP Physikalische Ebene Ubertragungsschicht Telegramrnaufbau Anwendungsschicht P-NET CAN Foundation Fieldbus

12 Inhaltsverzeichnis XI 5 Weitverkehrsnetze ISDN DATEX-L DATEX-P TEMEX InstaUationsbeispiele aus der Bus-Praxis Die Verbindung von Feldgeraten tiber PROFIBUS und OPC mit Anwendersoftware Kurze Einftihrung in OPC Die Aufgabe: PROFIBUS an Visualisierungs-Software Konfiguration des PROFIBUS Konfiguration des OPC-Servers SCADA-Projekt und OPC-Konfiguration Prozesssteuerung tiber das Intemet-Netzwerk Das Problem Erstellung der LabView-Applikation Intemetanbindung Die Konfiguration des HTTP-Servers Konfiguration ASIIInterbus-Gateway an Interbus Aufbau der Bus-Systeme Konfiguration des AS-I Kommunikation des AS-I1Interbus-Gateway mit dem Interbus Interbustelegramm des Gateways Nutzdaten des Gateways Funktion und Bedeutung von Steuer- und Statuswort Die Software-Verkntipfung 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 DatenbHitter AS-I (AktuatorISensor-Interface) EIB (European Installation Bus) Bitbus PROFIBUS PROFIBUS-FMS PROFIBUS-DP

13 XII Inhaltsverzeichnis PROFIBUS-PA Interbus SUCOnet-K Schneider Automation Bussysteme SFB (Systemfeldbus) Modbus Plus... ; MMSE (Manufacturing Message Specification on Ethernet) SIMATICNET AS-Interface PROFIBUS Industrial Ethernet LON (Local Operating Network) Flux Information Processus (FIP) P-Net CAN (ControllerArea Network) Foundation Field Bus ARCNET Gigabit Ethernet ATM (Asynchronous Transfer Mode) Eigensichere Feldbusse PROFIBUS PA ICS MUX (RS 485) PROFIBUS (DP) Ex-i Sachwortverzeichnis