Rechnernetze II SoSe 2018 Betriebssysteme / verteilte Systeme rolanda.dwismuellera@duni-siegena.de Tel.: 0271/740-4050, Büro: H-B 8404 Stand: 14. März 2018 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) i
Rechnernetze II SoSe 2018 10 Netze für Automatisierungssysteme Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 352
10 Netze für Automatisierungssysteme... Inhalt Einführung Typische Merkmale von Feldbussen PROFIBUS CAN Gerhard Schnell: Bussysteme in der Automatisierungs- und Prozesstechnik, Vieweg Verlag. Vorlesung Prof. Varchmin, TU Braunschweig haid.eit.h-da.de/fbs/literatur/ ikf skript duplex SS06.pdf Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 353
10.1 Einführung Hierarchieebenen in der Automatisierung Koordinationsebenen Betriebsebene Leitebene Planung Entwurf Fertigungsrechner Datenbank Führungs (System )ebene Prozeßleitrechner Zellenrechner Bürobus (WAN) Fabrikbus Prozeß / Zellenbus (Industrie LAN) Basisebenen (Basis)Steuerungsebene Sensor/Aktuator Ebene SPS, CNC, Robotersteuerung Feldbus (FAN, Field Area Network) Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 354
10.1 Einführung... Einige spezielle Anforderungen an Feldbusse Zuverlässigkeit, geringe Störempfindlichkeit Störungen durch elektrische Maschinen Einfache, kostengünstige Vernetzung günstige Verkabelung und Endgeräte Übertragung von Prozeßdaten (Sensoren/Aktoren) viele Teilnehmer, kleine Informationsmengen zyklische Datenerfassung Echtzeitanforderungen: konstante und vorhersagbare Abtastintervalle Sicherheitsanforderungen (z.b. Explosionsschutz) Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 355
10.1 Einführung... Echtzeit Information muß zu bestimmtem Zeitpunkt vorliegen Abstufungen: weiche Echtzeit: Nutzen der Information sinkt nach der Deadline stetig harte Echtzeit: Nutzen nach der Deadline ist sofort Null Spezialfall: obere und untere Schranke Relevante Parameter im Netzwerk-Bereich: Verzögerung Jitter: Variation der Ankunftszeit Determinismus des Medienzugangs Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 356
10.1 Einführung... Echtzeitklassen nach IAONA Echtzeit-Klasse 1 2 3 4 Anforderung gering mittel hoch extrem hoch typische Leit- Führungs- Steuerungs- Sensor/ Ebene ebene ebene ebene Aktor-Ebene Nutzdaten max. 500 KB 500 B 32(-200) B 20 B Verzögerung max. 5 s 500 ms 5 ms 0,5 ms Jitter max. > 1 ms 0,1-3 ms 10-400 µs 0,5-15 µs IAONA: Industrial Automation Open Networking Alliance Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 357
10.2 Typische Merkmale von Feldbussen Busstruktur geringer Verkabelungsaufwand bei hoher Teilnehmerzahl Deterministische Medienzugangskontrolle: meist zeitgesteuert zentrale Zuteilung (Master/Slave) dezentrale Zuteilung (Token-Bus bzw. -Ring, TDMA) manchmal prioritätsgesteuert (vollständige) Kollisionsvermeidung durch CSMA/CA Kurze Frames (Telegramme), oft nur wenige (8) Bytes Sehr zuverlässige Fehlererkennung Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 358
10.2 Typische Merkmale von Feldbussen... Oft verschiedene Bandbreiten, abhängig von Leitungslänge Meist geschirmte Zweidrahtleitung, teilw. auch Lichtleiter Bei Sensor/Aktor-Bussen oft Zweidrahtleitung incl. Spannungsversorgung Meist nur OSI-Schichten 1, 2 und 7 implementiert Anwendungsprotokolle realisieren häufig Zugriff auf Objektverzeichnisse Prozeßobjekte, z.b. Temperaturwerte, Schaltzustände,... Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 359
10.3 PROFIBUS Überblick Einsatz in der Fertigungsautomatisierung Drei Ausprägungen: PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Service) Schicht-7 Protokoll zum Zugriff auf Objektverzeichnisse Dienste: Verbindungsauf- und -abbau, Lesen und Schreiben von Objekten, Ereignismeldung,... PROFIBUS DP (Dezentrale Peripherie) Dienste: zyklische Datenübertragung PROFIBUS PA (Prozeßautomatisierung) speziell für Sensor/Aktornetze Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen möglich Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 360
10.3 PROFIBUS... Architektur FMS DP PA Schicht FMS Geräte profile Fieldbus Message Specification (FMS) DP Profile PA Profile DP Erweiterungen DP Grundfunktionen leer User 7 3 6 Fieldbus Data Link (FDL) IEC Interface 2 RS 485 oder Lichtleiter IEC 1158 2 1 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 361
10.3 PROFIBUS... Bitübertragungsschicht Busstruktur pro Segment max. 32 Teilnehmer, max. 3 Repeater geschirmte, verdrillte Zweidraht-Leitung Lichtwellenleiter bei FMS und DP möglich bei PA: Stromversorgung über selbe Leitung Übertragungsrate: 9600 b/s (max. 1200 m) bis 12 Mb/s (max. 100 m) Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 362
10.3 PROFIBUS... Medienzugriffsverfahren (PROFIBUS-DP) Hybrides Verfahren: Token Passing Kombination von Master/Slave und Token-Ring Slaves senden nur auf Anfrage durch Master Master bilden logischen Token-Ring Master, der im Besitz des Tokens ist, darf kommunizieren Token-Haltezeit wird für jeden Master einzeln festgelegt max. Token-Umlaufzeit bestimmt Zykluszeit Vorteile: deterministisch, Prioritäten für Master möglich, einfache Slaves Nachteil: Komplexität, Planungsaufwand Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 363
10.3 PROFIBUS... Prinzip des Token Passing Logischer Token Ring Master 1 2 3 4 5 6 7 8 Slaves Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 364
10.3 PROFIBUS... Prinzip des Token Passing Logischer Token Ring Master 1 2 3 4 5 6 7 8 Slaves Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 364
10.3 PROFIBUS... Prinzip des Token Passing Logischer Token Ring Master 1 2 3 4 5 6 7 8 Slaves Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 364
10.3 PROFIBUS... Zyklischer Sende- und Anforderungsdienst Zur Unterstützung von Sensor/Aktor-Netzen: Sicherungsschicht bietet zyklischen Kommunikationsdienst Schicht 2 enthält Puffer für aktuelle Datenwerte Nach einmaliger Anforderung: Schicht 2 sendet regelmäßig Aufforderung an Slaves und aktualisiert Puffer mit empfangenen Daten (Polling) Anwendung liest Puffer regelmäßig aus keine Synchronisation mit der Datenübertragung! Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 365
10.4 CAN Übersicht CAN: Controller Area Network Ursprünglich für Vernetzung in Fahrzeugen entwickelt, inzwischen auch im industriellen Bereich Adressierung erfolgt nachrichtenorientiert Nachrichtentyp statt Sender-/Empfänger-Adresse Geräte reagieren auf bestimmte Nachrichtentypen Bustopologie, keine Begrenzung der Teilnehmerzahl Medium: i.d.r. verdrillte Zweidrahtleitung Übertragungsraten: 20 kb/s (max. 1000 m) bis 1 Mb/s (max. 40 m) jedes Bit füllt die Leitung vollständig aus! Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 366
10.4 CAN... Bitübertragung: rezessive und dominante Pegel Falls zwei Stationen gleichzeitig unterschiedliche Pegel an den Bus legen: dominanter Pegel (0-Bit) setzt sich durch Prinzip-Bild: Vcc R CAN Busleitung rezessiver Pegel: Vcc dominanter Pegel: 0 Station 1 Station 2 Station 3 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 367
10.4 CAN... Frameformat Start des Frames Anfrage / Antwort für ID erweiterung ACK Ende des Frames 1 11 Bit 1 1 1 4 0..8 Byte 15 1 1 1 7 > 2 Identifikator reserviert Daten Datenlänge Bitstuffing nach 5 gleichen Bits CRC (Hamming distanz=6) Inter Frame Space ACK-Bit wird mit rezessivem Pegel gesendet Empfänger setzt (während d. Übertragung) dominanten Pegel Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 368
10.4 CAN... Medienzugriffsverfahren Prioritätengesteuerte Arbitrierung CSMA/CA, vollständige Vermeidung von Kollisionen Sender erkennen, wenn Bus unbenutzt ist Bus liegt mehr als 5 Takte auf rezessivem Pegel Arbitrierung durch Mithören beim Senden des Identifikators und des Anfrage/Antwort-Bits bitweiser Vergleich von gesendeten Daten und Buspegel bei Abweichung: Senden sofort einstellen Identifikator mit der ersten 0 gewinnt Arbitrierung d.h. kleinster Identifikator hat höchste Priorität bzw. bei gleichem Identifikator: Antwort hat Priorität Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 369
10.4 CAN... Beispiel für die Busarbitrierung Station 1 Station 2 Station 2 darf senden Station 3 Bussignal Startbit Station 1 verliert Station 3 verliert Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 370
10.5 Zusammenfassung / Wiederholung Hierarchieebenen in der Automatisierung: unterschiedliche Anforderungen an Netze Feldbusse: Leitrechner, Steuerungen, Sensoren/Aktoren Zuverlässigkeit, Kosten, Echtzeitanforderungen Merkmale und Dienste der Netze werden durch Anwendungen und Einsatzumgebung bestimmt Verkabelungskosten meist Busstruktur Umgebung zuverlässige Fehlererkennung notwendig Anwendungen Schichten 3-6 fehlen Schicht 7: Objektverzeichnisse Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 371
10.5 Zusammenfassung / Wiederholung... Anwendungen Echtzeitfähigkeit Übertragungsdauer und Jitter berenzt typisch: zyklische Übertragung mit fester Zykluszeit Medienzugriffssteuerung (MAC): meist deterministisch (z.b. PROFIBUS) Master/Slave, Token-Ring nichtdeterministisch: CSMA/CA mit Prioritäten (CAN) kleinste ID gewinnt Voraussetzung: Bitzeit > RTT Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/13) 372