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1 Folie 5-1 Inhalt Signalübertragung Kommunikation AS-i CAN DeviceNet ControlNet Profibus Foundation Fieldbus / HSE HART FIP LON EIB / KNX ModBus Interbus Bitbus Melsecnet CC-Link SERCOS LIN Interessante Web-Seiten Folie 5-2

2 SPS Controller Speicher Programmierbare Steuerung englisch: Programmable Logic Control PLC Modulares Gerät: Chassis Netzteil (24 VDC) CPU Slots für I/O-Baugruppen jeweils 8/16/32 In- oder Outputs Status-LEDs auf Modulen DCS ähnlich SPS für Prozessleittechnik Eingänge: digital oder analog Systembus- IF (Ethernet) Input CPU Speicher Netzteil Progr. IF Output Ausgänge: digital oder analog Speicher: Programm und Daten Folie 5-3 Controller Programmier-Sprachen KOP Kontaktplan Wechselschalter FUP Funktionsplan AS Ablaufsprache Quelle: 3S Folie 5-4

3 Parallele Signalübertragung SPS Merkmale hoher Verdrahtungsaufwand lange Installationszeiten geringe Auswahl an Übertragungsmedien aufwendige Anlagenerweiterung eingeschränkte Diagnosefunktionen Folie 5-5 Serielle Signalübertragung über Bus SPS Merkmale geringerer Verdrahtungsaufwand kurze Installationszeiten große Auswahl an Übertragungsmedien einfache Anlagenerweiterung Querverkehr möglich Mehrfachnutzung durch unterschiedliche Dienste umfangreiche Diagnosefunktionen Folie 5-6

4 Datenübertragung Struktur Verkabelung Punkt-zu-Punkt Vorteil: Nachteil: Verkabelung als Bus-Struktur Vorteil: Nachteil: - geringe Wechselwirkung mit anderen Signalen - schnelle Übertragung - hohe Zuverlässigkeit - gute Echtzeit- und Determinismuseigenschaften - ein umfangreicher Kabelbaum an der SPS und ggf. ein größeres Kabelgewirr in der zu regelnden Anlage - Fehlermöglichkeit: falsches Anschließen - übersichtliche Verkabelung - geringe Fehlermöglichkeiten - Querverkehr zwischen Slaves möglich - langsame Übertragung (Delay + Delay Scew) durch seriellen Transport in Zeitmultiplex - eingeschränkte Echtzeit- und Determinismuseigenschaften - Einschränkung bei Ex-Bereich durch höhere Versorgungsleistung für Summe aller Sensoren und Aktoren über eine Leitung (2- oder 3-Draht) Folie 5-7 SPS und DCS Hersteller Automation (SPS) Rockwell Schneider Siemens Mitsubishi GE-Fanuc Yokogawa Prozessleittechnik (DCS) Foxboro ABB Honeywell Emerson (ehem. Fisher-Rosemount) Folie 5-8

5 Applikation HMI SCADA SPS LAN OUT IN SPS EOI...: Folie 5-9 Übung Denken Sie sich eine Anwendung für Smart-Home ähnlich der auf der vorigen Folie aus und skizzieren Sie sie. Welche Art der Verkabelung ist für Ihre Anwendung besser geeignet? Folie 5-10

6 HMI und EOI Human Machine Interface, auch MMI Man... genannt Hardware-Schnittstelle Visualisierung per Software für HMI mit SCADA via Ethernet EOI - Electronic Operator Interface Gerät zu Konfiguration und Überwachung einer SPS, z.b. per Touch-Screen, vergleichbar einer Fernsteuerung Folie 5-11 SCADA Supervisory Control And Data Acquisition Software zur Überwachung der Komponenten Jeder SPS-Hersteller hat SCADA-System Rockwell: RS View Siemens: WinCC... Unabhängige Anbieter: Wonderware: Intouch 2014 von Schneider Electric übernommen Imagion Iconics: Graphworx, Alarmworx Intelution Folie 5-12

7 Kommunikation Master (SPS) kommuniziert mit Slaves ruft Daten von einem bestimmten Sensor ab sendet Daten an einen bestimmten Aktor (z.b. Ventil auf/zu) Adressierung nötig, um bestimmtes Gerät anzusprechen Konfiguration der Adresse I.d.R. 32 Teilnehmer pro Bus; insgesamt Vielfaches verwaltbar Busse mit Repeater verbinden Geschwindigkeit: so schnell wie nötig, so langsam wie möglich das minimiert die Störeinflüsse Folie 5-13 Datenaustausch Polling: Master fragt Werte bei allen Slaves (Sensoren) ab. Cyclic: Master pollt in regelmäßigen Abständen, z.b. alle 5 s. Strobe: Master sendet eine Art Heartbeat an alle Slaves, erwartet jedoch kein ACK Change of State: Slave sendet Statusänderungen unaufgefordert an den Master Folie 5-14

8 ALLEN-BRADLEY F1 F6 F2 F7 F3 F8 F4 F9 F5 F < - < ' - ^ < > v PanelView 550 Kommunikationsmodi: Strobe Multicast-Meldungen an alle Slaves Slaves antworten mit aktuellem Eingang und Status Folie 5-15 Kommunikationsmodi: Polling Gerät sendet auf Anforderung - meist des Masters - seine Daten (aktueller Status) Quelle-Ziel-Design / Master-Slave Folie 5-16

9 ALLEN-BRADLEY F1 F6 F2 F7 F3 F8 F4 F9 F5 F < - < ' - ^ < > v PanelView 550 Kommunikationsmodi: Cyclic Geräte erzeugen Daten mit einer vom Anwender eingestellten Rate Cyclic ist effektiv weil: Daten aktualisiert mit Rate passend für Gerät und Anwendung Bandbreite kann für schnell wechselnde Geräte reserviert werden Daten abgetastet zu exakten Zeitpunkten für Determinismus alle 100 ms alle 5 ms alle 2000 ms analog I/O Folie 5-17 Kommunikation Signal-Qualität, das Timing, Übertragungsprotokoll, Topologie, Steckerbelegung sind festgelegt beim jeweiligen Feldbus Zyklen Master Befehl Anforderung Anforderung Befehl Quittung Antwort Antwort Quittung S Aktor S Sensor S Slave RS 485 Bei Profibus: Master + 31 Slaves; kann per Repeater erweitert werden S Sensor S Aktor Folie 5-18

10 Übung Diskutieren Sie die Kommunikation mit Polling, Cyclic, Strobe, Change of State. Wann wird was eingesetzt? Folie 5-19 Anwendung und Aufbau Anwendung Fertigungsautomatisierung Prozessautomatisierung Gebäudeautomatisierung Motion-Control Sensoren fühlen und messen einen Zustand Aktoren ändern einen Zustand Speicher-Programmierbare-Steuerung SPS wertet die Sensor-Signale aus und steuert/regelt entsprechend einem Programm die Aktoren. Regelkreis besteht meist aus mehreren Sensoren und Aktoren Master-Slave-Kommunikation Folie 5-20

11 Was wird geregelt? Parameter Sensor Aktor Temperatur Thermometer Heizelement, PT100 Kühlaggregat,... Druck Barometer Ventil Durchfluss Ringkolbenzähler Ventil Drehzahl Geschwindigkeit Positionierung Näherungssensor Endschalter Füllstand Spannung Strom... Folie 5-21 Praxis-Einsatz Vorteile der Bus-Struktur überwiegen die Nachteile. Dies führte zur Entwicklung der Feldbusse. Einsatz von Punkt-zu-Punkt-Struktur, wo Bus-Struktur nicht ausreichend. LEIT Kontroll schnelle Reaktion geringe Rechenleistung geringe Datenmengen Folie 5-22

12 Unterscheidung Systembus / Aktor-Sensor-Bus Systembus: Verbinden von Steuerungen Aktor-Sensor-Bus: Anbinden von Aktoren und Sensoren an Steuerung Kriterium Systembus Aktor-Sensor-Bus Ausdehnung ca m ca. 100 m Teilnehmer ca. 10 ca. 100 Abtastzeit ca. 10 ms bis 10 s ca. 1 ms bis 1 s Paketgröße 8-n*100 byte 0,5-8 byte Zugriffverfahren kontrolliert Polling Tabelle aus: Kriesel, Heimbold, Telschow: Bustechnologien für die Automatisierung Folie 5-23 Computer Integrated Manufacturing Modell Produktion- Ebene Prozess-Ebene Control-Ebene SPS CNC IPC VMEbus Ethernet Profibus-FMS Bitbus Feld-Ebene Aktor-/Sensor-Ebene Encoder Antrieb Barcodeleser Ventilinsel Sensor Bediengerät Aktor Profibus-DP Profibus-PA InterBus SERCOS DeviceNet CAN AS-Interface Folie 5-24

13 Grundlegende Merkmale von Feldbussen Topologie Teilnehmerhierarchie Buszugriffverfahren Adressierungsverfahren Übertragungsmedium Folie 5-25 Teilnehmerhierarchien Master-Slave M S1 S2 S3 S4 Multi-Master M1 M2 M3 M4 M5 Multi-Master-Multiple-Slave M1 M2 S1 S2 S3 Folie 5-26

14 Multi-Master Master 1 Slave 1 Slave 2 Slave 3 Slave 4 Slave 5 Master 2 Slave 6 Slave 7 Slave 8 Slave 9 Master 1 Master 2 Master 3 Slave 1 Slave 2 Slave 3 Slave 4 Slave 5 3 Master + max. 29 Slaves Folie 5-27 Adressierungsverfahren Teilnehmerorientiert Profibus-DP-Datenrahmen Sync 33 Bit Start 11 Bit LE 11 Bit LEr 11 Bit Start 11 Bit DA 11 Bit SA 11 Bit FC 11 Bit DATEN Bit Overhead: 132 Bit FCS 11 Bit End 11 Bit Objektorientiert CAN-Datenrahmen Start 1 Bit Identifier 11 (29) Bit RTR-Bit 1 Bit Control 6 Bit Daten 0-64 Bit CRC 15+1Bit Acknowledge 1+1 Bit Overhead: 47 Bit Frame-End 7 Bit Silence 3 Bit E/A-orientiert InterBus-S-Datenrahmen LOOP-Check 16 Bit Tln. 1 Daten Tln. 2 Daten Par. n Par. 2 Tln. 3 Daten n. Zyklus 2. Zyklus Overhead: 48 Bit + 5Bit je Byte Tln. n FCS CONTROL Daten 16 Bit 16 Bit Folie 5-28

15 InterBus Buszykluszeit T Ü = (13 x (6 + n) + 1,5 x m) x 0,002ms + 0,2ms n - Anzahl der Nutzdatenbyte, m - Anzahl der installierten Fernbusteilnehmer 8 Buszykluszeit /ms Anzahl der Slaves 10 (160 E/As) 20 (320 E/As) 30 (640 E/As) Folie 5-29 PROFIBUS-DP Buszykluszeit Buszykluszeit /ms 500 kbit/s 1,5 Mbit/s 2 12 Mbit/s Anzahl der Slaves 10 (160 E/As) 20 (320 E/As) 30 (640 E/As) Folie 5-30

16 Feldbusse Überblick Inform n Ethernet Industrial Ethernet Automat n FF-HSE Control ControlNet Profibus-FMS Enhanced Profibus-DP und Profibus PA Device Foundation Fieldbus-H1 InterBus Profibus-DP LonWorks DevNet CAN SDS Sensor Loop ASI HART Folie 5-31 Trends im Feldbus-Bereich Zuwachszahlen: einstellig bis rückläufig AS-i Richtung AS-i Safety ControlNet verdrängt durch EtherNet/IP DeviceNet nicht überall ersetzbar, da EtherNet/IP kein Fast-Boot kennt InterBus stark rückläufig Profibus langsam in Neuinstallationen durch PROFINET ersetzt Folie 5-32

17 AS-Interface Kurzcharakteristik Hintergrund Gemeinschaftsentwicklung mehrerer Hersteller (vorwiegend Sensorhersteller) Hierarchie Single Master - Multiple Slave Topologie Linie (Bus), Baum Übertragungsrate 167 kbit/s Medien 2-Draht-Leitung 1,5 mm 2 für Daten und Energie (24 V, max. 8 A) in Vampir-Technik Steckverbinder M12 Netzausdehnung 100 m insgesamt (inkl. Stichleitungen), mit Repeater (max. 2) 300 m Buszugriffverfahren Polling zyklisch alle Slaves (von Adr. 1 aufwärts), dann Nachricht der Mgmt-Phase Folie 5-33 AS-i Anzahl Busteilnehmer 1 Master, 31 Slaves (124 E/As) 1 Master, 62 Slaves (A/B) ab V2.1 Zykluszeit < 5 ms, abh. von Slave-Zahl < 10 ms bei V2.1, abh. von Slave-Zahl Adressierungsart teilnehmerorientiert Nachrichtenlänge (5) Bit 4 bit pro Slave für je einen Ein- oder Ausgang Error-Mechanismen Paritätsbit, Hamming-Distanz: 2 Typische Anwendung unterste Feldebene (Sensor/Aktor- Anbindung) Folie 5-34

18 AS-Interface Netz Master Netzgerät aktiv Modul passiv Modul aktiv Modul AS-I passiv Modul AS-I Folie 5-35 AS-Interface Arbeitsweise Master zyklisches Polling Slave Masteraufruf: 14 bit Slaveantwort: 7 bit St S B A4 A3 A2 A1 A0 I4 I3 I2 I1 I0 PB EB ST I3 I2 I1 I0 PB EB St = Startbit (0), SB = Steuerbit, A4-A0 = Slaveadresse, I4-I0 = Information, PB = Paritybit, EB = Endbit (1) Telegrammlänge je Datenzyklus ca. 150 µs Folie 5-36

19 CAN Kurzcharakteristik Hintergrund: von Bosch und Intel entwickelt, ursprünglich als Bus für Autos Standard für Layer 1 und 2 in ISO auf CAN aufgesetzt L7-Protokolle CAL, DeviceNet, SDS; mit CAN-Profilen kombiniert Hierarchie Multi Master Topologie Linie mit Stichleitungen Übertragungsrate 10 / 20 / 50 / 125 / 250 / 500 / kbit/s Netzausdehnung 100 m bei 500 kbit/s, bis 500 m bei 125 kbit/s Buszugriffverfahren CSMA/CA Anzahl Busteilnehmer 32, 64, 110, bis 128 abh. vom Bus-Treiber Adressierungsart objektorientiert Nachrichtenlänge byte Error-Mechanismen CRC, Bitlevel-Überwachung, Hamming-Distance: 6 Typische Anwendung Automatisierungstechnik Folie 5-37 CAN-basierende Systeme CAN Controller Area Network CAL CANopen (CiA) DeviceNet (Allen-Bradley) SDS (Honeywell) J1939 (SAE) NMEA herstellerspezifisch Folie 5-38

20 CAN Nachrichtenübermittlung A 3 1 B 1, 3 C 1, 3 D 1 3 Akzeptanz- Filter 1 Akzeptanz- Filter Akzeptanz- Filter Akzeptanz- Filter Nachrichtenspeicher + Modulfunktion Nachrichtenspeicher + Modulfunktion Nachrichtenspeicher + Modulfunktion Nachrichtenspeicher + Modulfunktion anfordernder Teilnehmer antwortender Teilnehmer Folie 5-39 DeviceNet Kurzcharakteristik Hintergrund von Allan Bradley entwickelt Standard keiner; von A.B. offengelegt Hierarchie Multi Master - Multiple Slave (typisch 1 Master) Topologie Linie mit Stichleitungen Übertragungsrate bis 500 kbit/s Netzausdehnung 100 m bei 500 kbit/s, bis 500 m bei 125 kbit/s Buszugriffsverfahren CSMA/NBA (non-destructive bit-wise arbitration) Anzahl Busteilnehmer max. 64 Adressierungsart teilnehmer- und objektorientiert Nachrichtenlänge byte Daten Error-Mechanismen CRC, Bitlevel-Überwachung, Hamming- Distanz: 6 Typische Anwendung Automatisierungstechnik Folie 5-40

21 DeviceNet Gerätetypen Terminator Trunk Line Tap Tap Tap Terminator Scanner 24V PS Drop Line Server Server Server Server Server Folie 5-41 DeviceNet Master/Slave-Verbindungen I/O Bit-Strobe Master I/O Poll Master Slave Slave Slave Slave Slave Slave Slave Slave I/O Change of State Master Slave Slave Slave Slave Folie 5-42

22 ControlNet Hintergrund: Control-Netz für Automation-Anwendungen mit hohem Durchsatz (im Vergleich mit DeviceNet) Systembus Topologie: Linien, Baum, Stern; mit Koax und LWL Redundanz möglich Übertragungsrate: max. 5 Mbit/s Ausdehnung: 6 Segmente via 5 Repeater in Linie, 48 Segm. insge m Koax bei 2 TN, 250 m bei 48 TN 3000 m LWL Anzahl Teilnehmer: 48, mit Repeater 99 Buszugriffverfahren: CSMA/CA Nachrichtenlänge: Byte Folie 5-43 ControlNet Deterministisches Netz mit stabilen reproduzierbaren Übertragungsintervallen, ideal für Anwendungen, die eine Vorhersagbarkeit (Kalkulierbarkeit) und Reproduzierbarkeit des Datentransfers brauchen Datentransfer für I/O-Daten, SPS Locking-Signale, Peer-to-Peer-Messages, Online-Programmierung Error-Mechanismen: CRC Folie 5-44

23 PROFIBUS-Varianten Profibus Profibus-DP DP - Dezentrale Peripherie (DIN E T1 + T3) Profibus-FMS FMS - Fieldbus Message Specification (DIN E T1 + T2) Profibus-PA PA - Process Automation (DIN E T4) Prozessautomatisierung Fertigungsautomatisierung Allgemeine Automatisierung Folie 5-45 PROFIBUS Protokollvarianten Profibus-FMS Profibus-DP Profibus-PA Anwendungsprozess Anwendungsprozess Anwendungsprozess DIN Application-Layer (7) mit FMS Teil 2 Schicht 3 bis 6 sind nicht ausgeprägt Data-Link Layer (2) DIN Physical-Layer (1) Teil 1 DIN DP-Profile DP-Grundfunktionen Teil 3 Schicht 3 bis 7 sind nicht ausgeprägt Data-Link Layer (2) Subset DIN Physical-Layer (1) Teil 1 PA-Profile DP-Grundfunktionen Schicht 3 bis 7 sind nicht ausgeprägt Data-Link Layer (2) DIN Physical-Layer (1) Teil 4 Übertragungsmedium Systemkoppler Folie 5-46

24 PROFIBUS-DP Kurzcharakteristik Hintergrund ursprünglich von Siemens als SINEC L2-DP für den Sensor/Aktor-Bereich entwickelt Standard EN Hierarchie Multi Master - Multiple Slave (üblich 1 Master) Topologie Linie (Stichleitungen nur bis 1,5 Mbit/s erlaubt) Übertragungsrate bis 12 Mbit/s (üblich bis 1,5 Mbit/s) Netzausdehnung 100 m bei 12 Mbit/s, 4*400 m bei 1,5 Mbit/s 4800 m bei 94 kbit/s (mit 3 Repeater) Buszugriffverfahren Polling in Kombination mit Token-Passing Anzahl Busteilnehmer RS 485: 32, mit Repeater bis 122 Adressierungsart teilnehmerorientiert Nachrichtenlänge byte (üblich sind byte) Fehler-Mechanismen CRC, Hamming-Distanz: 4 Typische Anwendung Sensor/Aktor-Anbindung an die SPS Folie 5-47 PROFIBUS-DP Arbeitsweise DP- Master Kl.1 DP- Master Kl.2 DP-Slave DP-Slave DP-Slave Folie 5-48

25 PROFIBUS-PA Kurzcharakteristik Hintergrund für den Einsatz in der Verfahrenstechnik entwickelt zum Anschluss von I/Os im Ex-Bereich Standard DIN Teil 4 Topologie Linie, Baum Übertragungstechnik nach IEC ; 2-Draht-Ltg. für Energie u. Daten Übertragungsrate 31,25 kbit/s Netzausdehnung abhängig vom Einsatzgebiet und Leitungsquerschnitt (max m) Buszugriffverfahren Polling Anzahl Busteilnehmer nicht Ex: max. 32 EEx ia/ib IIC: ca. 8 Adressierungsart teilnehmerorientiert Nachrichtenlänge byte (üblich sind byte) Typische Anwendung Anbindung von Sensoren und Aktoren im explosionsgefährdeten Bereich Folie 5-49 PROFIBUS-DP/PA Systemkonfiguration Leitwarte Feld Ex PA-Slave PA-Slave DP- Master RS485 I I IEC Segmentkoppler Feldverteiler I I DP-Slave DP-Slave 230 V PA-Slave PA-Slave Folie 5-50

26 Fieldbus Foundation Foundation Fieldbus FF Hierarchie Topologie Übertragungstechnik Übertragungsrate Netzausdehnung Buszugriffsverfahren Anzahl Busteilnehmer Fehler-Mechanismen: Typische Anwendung: Multimaster Linie, oft redundant - 2-Draht-Bus, Hilfsenergie über Bus, Eigensicherheit möglich (Pendant zur Stromschleife); PHY gem. IEC ; - HSE: TP, LWL, Funk 31,25 kbit/s, (1,0 Mbit/s, 2,5 Mbit/s) HSE (Fast-Ethernet) - bis 100 Mbit/s 1,9 km (H1) Token-Passing; (zyklisch und) azyklisch, CSMA/CA, Multi- und Broadcasting 240 pro Segment; 2 16 pro System HD=4; 16-bit-CRC Prozessleittechnik Folie 5-51 Fieldbus Foundation: HSE und H1 Feldbus H1 mit High Speed Ethernet HSE in Kombination Foundation Fieldbus FF-H1 HSE eigensicherer Feldbus Dienste und Objektmodell von Profibus FMS übernommen Einsatz in Prozessleittechnik eigensicherer Betrieb mit 4-8 Geräten, nicht eigensicherer Betrieb mit bis zu 32 Geräten möglich in der Praxis wegen Bandbreite meist mit weniger Geräten Datenrate: 31,25 kbit/s gleiche Dienste und Objektmodell wie bei H1 Folie 5-52

27 Fieldbus Foundation: HSE und H1 Linking-Device zwischen H1 und HSE bindet mehrere H1 an HSE an Bridge-Funktion zwischen den H1 Gateway-Funktion zwischen H1 und HSE Zeit-Synchronisation zwischen HSE (SNTP) und H1 Redundanz durch doppelte Ausführung von HSE und der Linking- Devices Anschluss von Profibus-DP und -PA per Gateway an HSE Ctrl. HSE H1 H1H1H1 LD H1 H1H1H1 LD Folie 5-53 FIP Hierarchie Topologie Übertragungstechnik Übertragungsrate Netzausdehnung Buszugriffsverfahren Anzahl Busteilnehmer Adressierungsart: Nachrichtenlänge Fehler-Mechanismen: Typische Anwendung Producer-Consumer Linie, oft redundant 2-Draht-Bus (TP), Hilfsenergie über Bus oder separat; für Ex-Bereich im Voltage-Mode mit 31,25 kbit/s 31,25 kbit/s, 1,0 Mbit/s, 2,5 Mbit/s; 5 Mbit/s nur per LWL max m bei 31,25 kbit/s und 4 Repeatern deterministisch mit delegated Token; zyklisches und azyklisches Zeitfenster 256; 32 pro Segment objektorientiert byte HD=4; CRC Folie 5-54

28 Modbus Modnet Kommunikationssystem für die Automation bestehend aus mehreren Protokollen 3 Leistungsklassen Klasse 1 in Objektnähe: Modnet1/M+ Low-Cost-Bus, Modbus Plus Klasse 2 für Systemkommunikation: Modnet1/P, Modnet1/IS, Modnet1/SFB Modnet1/P: Systemfeldbus nach Profibus-Standard Modnet1/IS: System- und Sensor-Aktor-Bus nach Interbus-Stand. Modnet1/SFB: Systemfeldbus nach Bitbus-Standard Klasse 3 für Backbone-Kommunikation: Modnet3/MMSE Kommunikationssystem für übergeordnete Schichten gemäß Ethernet und MAP (MMS on Ethernet) Folie 5-55 Modbus RTU und ASCII Modbus RTU und ASCII über beliebige Medien typisch EIA 485, V.24; aber auch LWL und Radio Niedrige Datenraten: 2,4 38,4 kbit/s Distanzen je nach Datenrate und Medium: el. max m Max. 247 TN Modbus RTU Single-Master Max. 256 Oktett Modbus ASCII 8 bit 8 bit n*8 bit 2*8 bit Start Adresse Befehl Daten Check Ende RTU: Start und Ende mit Wartezeit symbolisiert ASCII: Start und Ende mit 8-Bit-Feld, sonst gleich wie RTU Folie 5-56

29 Modbus Plus Merkmale Hintergrund Von AEG-Modicon (nun Schneider Electric) als low-cost Feldbus entwickelt Hierarchie Multi Master Topologie Linie, Baum; 2-Draht verdrillt mit RS-485 Übertragungsrate 1 Mbit/s Ausdehnung je Netz 450 m pro Section, max m mit 3 Rep. Buszugriffverfahren Token Passing Anzahl Busteilnehmer 32 pro Section, 64 pro Netz Adressierungsart Teilnehmerorientiert Nachrichtenlänge bis zu 128 byte (inklusive Overhead) Error-Mechanismen CRC, Hamming-Distanz: 4 Typische Anwendung Verbindung von Steuerungen und Feldgeräten Folie 5-57 Modbus Plus, Modbus TCP/IP Architektur Modbus Application Layer 5 Modbus auf TCP 4 TCP 3 IP 2 1 Modbus+/HDLC PHY-Layer Master / Slave RS 232 oder RS 485 Ethernet-II/802.3 Ethernet-PHY andere andere Modbus/TCP verpackt ein Modbus-Paket in ein TCP-Paket, Prüfsumme wird von Modbus verworfen Folie 5-58

30 Modbus-Plus-Netz Section 1 Node 1 Node 2 Node 3 Node 31 Repeater Section 3 Repeater Section 2 Repeater Node Node Node Section 4 Bridge Node Node Node 64 neues Netz Folie 5-59 Modbus Plus Message-Frame Präambel 1 Byte Opening Flag 1 Byte Broadcast Address 1 Byte Medium AccessControl / Logical Link Control Byte Frame Check Sequence 2 Byte Closing Flag 1 Byte Message frame Destination Address 1 Byte Source Address 1 Byte MAC Function 1 Byte Length 2 Byte Logical Link Control Byte MAC level Master Output Path 1 Byte Router Counter 1 Byte Transaction Sequence 1 Byte Routing Path 5 Byte Daten Byte LLC level Modbus message (Response) Slave Address 1 Byte Function Code 1 Byte Byte Counter 1 Byte Daten High 1 Byte Daten Low 1 Byte... Daten Low 1 Byte Folie 5-60

31 Modbus Message Beispiel: Abfrage (query) und normale Antwort (response) Query Header Slave Address Function Code Starting Address Hi Starting Address Lo Number of Registers Hi Number of Registers Lo Error Check Trailer Response Header Slave Address Function Code Byte Counter Data High Data Low Data High... Error Check Trailer Folie 5-61 Interbus Hintergrund: Systembus und für Sensoren und Aktoren Hierarchie: Single-Master Topologie: logischer Ring, physik. Linie/Baum Übertragungsrate: 500 kbit/s Ausdehnung: 13 km mit Kupfer, 100 km mit LWL Buszugriff: Summenrahmen; zyklisches Polling Anzahl Teilnehmer: bis zu 512 Adressierungsart: gemäß Anordnung im Ring Nachrichtenlänge: 16 bit Blöcke im Summenrahmen Error-Mechanismen: 32 bit CRC Typische Anwendung: Fertigungsautomatisierung Folie 5-62

32 Interbus Busmaster Slave max. 1,5 m Lokalbus Buskoppler Slave Slave Slave Slave max. 13 km Slave Slave Fernbus max. 10 m Slave Slave Buskoppler max. 400 m Lokalbus Slave Slave Slave Folie 5-63 HART Highway Addressable Remote Protocol Hintergrund Protokoll zur Kommunikation zwischen Leitsystem und Messumformer Standard Industriestandard, z.z. V6.0 Topologie Linie, Baum Übertragungstechnik kompatibel zu Stromschnittstellen 4-20 ma parallel analog und digitale Übertr. möglich. Hochfrequenzsignal 1.200/2.200 Hz wird dem Stromsignal ma überlagert, zum Austausch von Konf.daten, z.b. zum Umparametrieren des Messumformers im Betrieb Übertragungsrate 1,2 kbit/s; 19,2 kbit/s Netzausdehnung 3 km Punkt-zu-Punkt, einige 100 m bei Baum Buszugriffverfahren Polling Nachrichtenlänge byte Typische Anwendung Übermittlung von Mess-, Stell- und Gerätedaten; auch im Ex-Bereich Folie 5-64

33 Bitbus Pflege: BITBUS EUROPEAN USERS GROUP e.v. BEUG Topologie: Linie; Repeater Medien: 120 Ohm TP mit Erdungsdraht und Schirm Steckverbinder: Sub-D-9 SDLC-Paket mit byte netto Datenlänge Datenrate: 62,5 kbit/s, 375 kbit/s, 1,5 Mbit/s bei >1 Repeater nur 62,5 kbit/s Zugriffzeiten: 3 ms... 4 ms Distanzen: 300 m/segment (375 kbit/s), m/segment (62,5 kbit/s), mit neueren Repeatern auch weiter Fehler-Sicherung: 16 bit CRC, Adressprüfung Teilnehmer: 28 pro Segment mit Repeater, 250 (1+249) insges. Folie 5-65 DIN-Messbus Hintergrund entwickelt für industrielle Mess- und Prüftechnik geeignet für eichpflichtige Messeinrichtungen Standard DIN Teil 2 Hierarchie Multi Master Topologie Linie (Bus), Stichleitungen (Baum - und Stern) Medien 4-Draht-Leitung mit getrenntem Sende- und Empfangspfad FDX Übertragungsrate 600 bit/s, über 9,6 kbit/s (Pflicht) bis 1,25 Mbit/s Netzausdehnung EIA 485 : m bei 78 kbit/s, (30 m bei 1,25 MBit/s) Buszugriffverfahren predictive p - persistant CSMA/CD Anzahl Teilnehmer EIA485 : 32, max logisch adressierbar verteilt auf 255 Subnetze mit je 127 TN Folie 5-66

34 MELSECNET Systembus auf Steuerungsebene zykl. Senden von Daten per Broadcast (Producer-Consumer) Topologie: Redundanter Ring Floating-Master Distanzen: 30 km LWL-Ring oder 500 m Koax-Ring (75 Ω) Datenrate: 10 Mbit/s Folie 5-67 CC-Link Aktor-Sensor-Bus Topologie: Linie Geschwindigkeit: 156 kbit/s, 622 kbit/s, 2,5 Mbit/s, 5 Mbit/s, 10 Mbit/s Distanzen: Segment m (156 kbit/s) Folie 5-68

35 SERCOS SErial Realtime COmmunication System Standard: IEC/EN Einsatz: Motion-Control Medium: LWL (POF) Punkt-zu-Punkt-Ringstruktur Datenrate: 2 und 4 Mbit/s Teilnehmer: 254 Distanz: max. 40 m (POF) Folie 5-69 LON Kurzcharakteristik Hintergrund von Echelon für Einsatz in Systemen mit dezentraler Intelligenz entwickelt alle 7 Schichten ausgeprägt Hierarchie Multi Master Topologie Linie (Bus), Baum - und Stern Übertragungsrate von 600 bit/s bis 1,25 Mbit/s Netzausdehnung RS 485 : m bei 78 kbit/s, 30 m bei 1,25 MBit/s Buszugriffsverfahren predictive p - persistant CSMA/CD Anzahl Busteilnehmer RS485 : 32, max logisch adressierbar verteilt auf 255 Subnetze mit je 127 Teilnehmern Adressierungsart teilnehmerorientiert Nachrichtenlänge byte (üblich byte) Error-Mechanismen CRC, Hamming-Distanz: 6 Typische Anwendung Gebäudeautomation Folie 5-70

36 LON LON (Local Operating Network) ist ein dezentrales, intelligentes Netz, bei dem die einzelnen Komponenten über unterschiedliche Medien miteinander verbunden sind. Die einzelnen Nodes sind so konzipiert, dass sie weitgehend unabhängig voneinander unterschiedliche Programme abarbeiten können. Neuron-Chip ist die zentrale Einheit jedes LON-Knotens. Er beinhaltet 3 Prozessoren für die Abarbeitung des Anwendungsprogramms und die Bearbeitung des Kommunikationsprotokolls Betriebssystem/Kommunikationsprotokoll: LONTalk, im Neuron-Chip integriert Der LONBuilder ist das Entwicklungssystem mit intergriertem Projektierungs- und Diagnosewerkzeug für LON-Komponenten Der Begriff LONWorks beschreibt sämtliche zu LON gehörigen Technologien Folie 5-71 LON Netz Optionaler PC Host LON Adapter Optionales Installations Tool LON Adapter Knoten Knoten Knoten Router Router TP RS485 (39 kbit/s) TP (1,25 MBit/s) TP Twisted Pair RF Radio Frequency Knoten Knoten Router Knoten Knoten TP Transf. (78 kbit/s) RF (9,6 kbit/s) Folie 5-72

37 KNX (ehem. EIB Europäischer Installations Bus) Hintergrund Hierarchie Topologie Übertragungsrate Netzausdehnung Buszugriffverfahren Anzahl Busteilnehmer Adressierungsart Nachrichtenlänge Error-Mechanismen Typische Anwendung Preis basiert auf EIB, EHS und BatiBus Multi Master Linie (Bus), Baum - und Stern 9,6 kbd 1000 m für Linie, max. 700 m zwischen 2 TN CSMA/CA 256 an einer Linie, 15 Linien, 16 Bereiche teilnehmerorientiert 7 23 byte Parity, Blocksicherung (Quer-Parit.), Handshake Gebäudeautomation, vorwiegend kleine und mittlere Gebäude (Steuerung von Beleuchtung, Jalousien, Heizung/Klima/Lüftungsanlagen, Überwachungs- und Meldeanlagen, Lastmgmt) vergleichsweise teuer, ähnlich LON Folie 5-73 BACnet Hintergrund: Gebäudebus mit Schwerpunkt Heizung, Lüftung, Klima BACnet Application Layer Hierarchie BACnet Network Layer Topologie TCP/IP ISO MS / TP Dial-up Übertragungsrate PtP LonTalk Ethernet EIA 485 RS 232 Netzausdehnung Buszugriffverfahren: abh. von L2-Technik Anzahl Busteilnehmer Adressierungsart Nachrichtenlänge Folie 5-74

38 Gebäudeautomation Marktumfrage TNS-EMNID mit building&automation 2002 und 2007: Welche Bussysteme setzen Sie ein oder würden Sie künftig einsetzen? Ethernet mit TCP/IP 48,5 % EIB/KNX 55,9 % LON 14,9 % Profibus 7,6 % LCN 4,7 % Bacnet 4,2 % andere < 1,8 % Summe >100 % wg. Mehrfachnennung Folie 5-75 LIN Local Interconnect Network Bus für Autos - ergänzt CAN Datenrate: geringer als CAN 2,4 kbd, 9,6 kbd, 19,2 kbd Durchsatz: 19,6 kbit/s Medium: 1 Draht (Chassis als Bezug) Anwendung: Regensensor, Zentralverriegelung, el. Fensterheber, Spiegel-/Sitzverstellung, Kühlmitteldruck, Druck in Tank, Reifendrucküberwachung High Low 0 0,4 0,6 *U max U max U Folie 5-76

39 FlexRay Topologie: Stern, Linie; optional redundant Datenrate: bis zu 10 Mbit/s Zugriffverfahren: Zeitschlitz für Determinismus 2. Kanal für Redundanz wg. Sicherheitsanwendungen Anwendung: Sicherheitsgerichtete Anwendungen im Auto (Fahrwerksregelung, Steer-by-Wire) Folie 5-77 Automobilbus MOST Topologie: Ring mit Master-Takt MOST 25 ( ca. 25 Mbit/s) Medium: Steckverbinder: Wellenlänge: MOST 50 ( ca. 50 Mbit/s) Medium: MOST 150 Typische Anwendung: Multimedia im Auto Temperaturbereich von C reicht nicht immer aus: +95 C nötig POF von Hamatsu, Avago, Fibercom nm Kupfer Bild: Folie 5-78

40 Automobil-Busse in der Anwendung Motor ABS Getriebe Bk 1 Bk 2 Antrieb/Fahrwerk Flexray: sicherheitskritische Anwendungen CAN High-speed Kombi Gateway TV-Tuner Navi Komfort CAN Low-speed MOST: Multimedia Tür Tür CD-Player Telefon Dach Sitz Sitz Klima Computer LIN: Ethernet wird ab 2013 MOST ersetzen Sensor/Aktor Sensor Sensor Sensor Quelle: Vector Folie 5-79 D/E-Lexikon SPS Speicher Programmierbare Steuerung Schalter Sensor Näherungs- Ventil PLC Programmable Logic Control Switch Sensor Proximity- Valve EOI Electronic Operator Interface Antrieb Drive DNA - Distributed InterNet Applica. Contact SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition Durchsatz Throughput Folie 5-80

41 Abkürzungen DCS Distributed Control System DNA Distributed InterNet Application EOI Electronic Operator Interface FAN Field Area Network HD Hamming-Distanz HMI Human Machine Interface, s. MMI IPC Industrie-PC LLC Logical Link Control: OSI-Schicht 2b MAC Media Access Control: OSI-Schicht 2a MMI Man Machine Interface PLC Programmable Logical Control, s. SPS SCADA Supervisory Control And Data Acquisition SPS Speicher-Programmierbare Steuerung Folie 5-81 Standards EN Teil 1: P-Net Teil 2: Profibus Teil 3: FIP Teil?: H1 EN SERCOS EN :2012 BACnet EN LON IEC Industrial communication networks Fieldbus specifications Part 1: Overview Part 2: Physical layer specification (RS 485, ) H1 + HSE IEC Communication Profile Families CPF IEEE 1118 Bitbus ISO/IEC KNX ISO/IEC Home electronic systems HES architecture batterieloser Funk (Enocean) ISO CAN Layer 1 u. 2 DIN E Interbus Folie 5-82

42 Interessante Web-Adressen Allgemeine Adressen rund um den Feldbus Folie 5-83 Interessante Web-Adressen (A-C) ARCNET AS-Interface BITBUS CAN Menü Education Folie 5-84

43 Interessante Web-Adressen (D-E) DeviceNet/ Open DeviceNet Vendors Association (ODVA) DIN-Messbus ebus ETHERNET wwwhost.ots.utexas.edu/ethernet FOUNDATION Fieldbus Folie 5-85 Interessante Web-Adressen (F-L) HART INTERBUS KNX / EIB LCN Local Control Network LON Folie 5-86

44 Interessante Web-Adressen (M-P) Maritime Information Technology Standard (MiTS) M-Bus Modnet, Modbus Plus P-NET PROFIBUS bzw. /en Folie 5-87 Interessante Web-Adressen (S-W) SERCOS Serial Multiplexed Control Bus (Seriplex) SINEC/SIMATIC NET Smart Distributed System (SDS) WorldFIP Folie 5-88