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AUT Seite 1SchnittStellenCenter Fürth

Der Weg zur

Dezentralisierung ist die

Voraussetzung für den

Einsatz von Feldbussystemen !


Die zentrale Automatisierungslösung

Steuerung

E/A

Aktor Sensor Aktor Sensor Aktor Sensor

Die Steuerungsebene enthielt bisher den größten Teil der

geforderten Intelligenz. --> Systeme waren sehr komplex.


Die zentrale Automatisierungslösung intern

Die zentrale Lösung stößt in vielen Fällen heute an Grenzen: (Bsp.: 4 .. 20 mA SS, Punkt zu Punkt, die analogen Signale stehen immer an (hohe Verfügbarkeit, haben aber nur geringen Informationsgehalt, ADU erfoderlich, komplette Verarbeitung im Host)

Die Realisierung von immer komplexeren Programmensowiedie Anbindung von immer mehr Peripherie wird gefordert.

Programmänderungen waren nicht mehr einfach durchführbar ...

Das ist nicht nur eine Frage der Technik, sondern immer mehr eine Frage der Wirtschaftlichkeit.

Heutige Anforderungen können damit in vielen Fällen nicht mehr gelöst werden. Neue DÜ-Strukturen waren gefordert --> auch neue Denkweisen.


Die technische und

wirtschaftliche Lösung

heißt

Dezentralisierung!


Dezentralisierung heißt

Anschluß der Peripherie vor Ort (vielfältige Austauschbarkeit von Feldgeräten, Vorverarbeitung)

Komplexe Aufgabenstellungen heißt: Verteilung der Automatisierungsaufgaben (übersichtliche , schnelle Fehlersuche, leichte Wartbarkeit)

Steuerung Steuerung

Steuerung SteuerungSteuerung

Steuerung


Anschluß der Peripherie vor Ort sehr kurze Buslaufzeiten, im Bereich < 10ms

kleine bis mittlere Datenmengen pro Busteilnehmer, < 32 Byte in vielen Fällen

geringerer Installationsaufwand

Die Intelligenz ist dort, wo sie gebraucht wird

Erschließen neuer Anwendungsbereiche

Verteilung der Automatisierungsaufgaben Buslaufzeiten im 100ms-Bereich

mittlere bis große Datenmengen, > 32 Byte

einfache Inbetriebnahme durch überschaubare Funktionalität

einfache Erweiterbarkeit

zukunftssicher

Dezentrale Lösungen: Charakteristische Eigenschaften intern


Dezentrale Strukturen - und ihre Vorteile (1)

Geringerer Verkabelungsaufwand Einsparung bei: - Kabeln, Kabelpritschen

- Montagezeit

- Planungsaufwand

Wunsch nach mehr Funktionalität Einsatz alter und neuer Technik

Mehr Aussagekraft bei Diagnosen, etc.

Kurze Wege bei kritischen Signalen höhere Sicherheit


Dezentrale Strukturen - und ihre Vorteile (2)

Übersichtlichkeit

einfachere Diagnose

kürzere Wartung

einfache Erweiterung / Änderung

geringerer Realisierungsaufwand

zukunftssicher

Erschließen neuer Anwendungsbereiche Schleppkabel

Datenlichtschranke

Schleifringe

Schleifleitungen


Diese Anforderungen können nur dezentral mit einem Bussystem bewältigt werden.

Mehrpunktfähigkeit

höhere Genauigkeit

komfortablere Parametrierungen

Kostenvergleiche zeigen: Einsparungen bis 20% durch Einsatz von Dezentraler Peripherie,allerdings Preisdruck auf Lieferant wird immer größer durch leichte Austauschbarkeit der Feldgeräte.

einheitliche Schnittstellen

einheitliches Verhalten durch Profildefinitionen.

intern


Grundlagen Bussysteme

Welche Übertragungsphysiken sind relevant ? Parallele Systeme (Centronics, ISA- / PCI-Bus,Multibus...)

Kurze Datenstrecken im Bereich einige cm bis einige Meter

Extrem kurze Übertragungszeiten gefordert

Serielle Busse (Feldbusse,TTTY, RS 232, RS 485, Telefon, ... ) Datenstrecken einige Meter bis mehrere Kilometer

schnelle Reaktionszeiten gefordert


Grundlagen Bussysteme

Ausprägungen von Bussystemen Feldbusse für kleine Datenraten mit schnellen Reaktionszeiten, zur

Erfüllung einer Automatisierungsaufgabe.

LAN zum Datenaustausch mit mehreren Feldbussen (Anlage)

WAN verteilte Datenkommunikation mit großer Komplexität und große Entfernungen (z.B. Telefonnetz, Internet..).

Mehrpunktfähige Schnittstelle ist erforderlich. Sieger ist RS 485 mit Differenzspannungsverfahren).


Dienste eines Feldbussystems

Netzwerkmanagement

Konfiguration Leistungsmanagement Fehlermanagement


Dienste eines Feldbussystems intern

Das Netzwerkmanagement enthält alle Programmteile, die zum Projektieren und Inbetriebnehmen einer Automatisierungsaufgabe notwendig sind.

Das Fehlermanagement sorgt dafür, daß alle auftretenden Fehler an den Host schnellstmöglich gesendet werden. Es dient dem Erkennen und Melden von Fehlerzuständen innerhalb einer Automatisierungsaufgabe.

Das Leistungsmanagement enthält Funktionen zum Optimieren einer Automatisierungsaufgabe hinsichtlich effizientem Datenaustausch.


Zugriffsberechtigung / Zugriffsverfahren / Übertragungstechnik

Zugriffsberechtigung

Stochastisch (statistisch)

Prioritätsgesteuert

Master / Slave ( Token Passing)

Zugriffsverfahren

CSMA /CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detect)

CSMA / CA( / Collision Avoidance)

Summenrahmenprotokoll (Schieberegister)

Übertragungstechnik

RS 485 Technik nach EIA (Electronic Industries Association

Lichtwellenleiter


Zugriffsberechtigung / Zugriffsverfahren / Übertragungstechnik

1. Master- Slave Prinzip mit Token Passing: Die Initiative des Datenverkehrs geht vom Master aus. Ein Slaveteilnehmer antwortet nur auf Anfrage. Die Buszykluszeit eines solchen Systems ist berechenbar (deterministisches Verhalten). Nur im Störungsfall wird der Buszyklus für die Übertragung von Diagnosetelegrammen verlängert. Sind mehrere Master am Bus beteiligt, teilen sie sich das Zugriffsrecht zum Bus durch Austausch eines Token zu. (PROFIBUS, AS interface). Wer im Besitz des Tokens ist, hat alleiniges Buszugriffsrecht und darf innerhalb einer spezifizierten Zeit den Datenaustausch durchführen.

2. Prioritätsgesteuerter Datenverkehr: Jeder Teilnehmer am Bus, der Daten zu senden hat, kann diese zum Zeitpunkt des Entstehens senden. (CAN-Bus). Die Zeit, wann welche Daten gesendet werden ist nicht vorhersagbar. Allerdings können Nachrichten mit hoher Priorität dann abgesetzt werden, wenn sie entstehen bzw. vorliegen (vergleiche Zündzeitpunkt im Automotor).

3. Schieberegister mit Summenrahmenprotokoll: Der Busmaster sendet in jedem Buszyklus die Ausgangsdaten an alle Slaveteilnehmer wie durch ein Schieberegister (Interbus-S) und bekommt als Antwort die Eingangsdaten der Slaveteilnehmer zurück. Die Buszykluszeit ist berechenbar und wird durch azyklische Parametertelegramme, sowie im Fehlerfall verlängert. Der Datenumfang ist bei diesem Verfahren gering, jedoch bei hoher Protokolleffizienz.


Grundlagen Feldbussysteme allgemein.

Anforderungen an ein Feldbussystem Geringer Verkabelungsaufwand

bidirektionaler Informationsfluß

An-/ Abkoppeln von Geräten ohne Auswirkung

Ausfall von Geräten ohne Funktionsbeeinträchtigung für den restlichen Bus

erdfrei und galvanisch getrennt

Zweidrahtleitung

Deterministisches Zeitverhalten

Zündschutzart "Eigensicher"

evtl. Versorgungsspannung über Bus


Branchenspez. Anforderungen an Feldbusse intern

Trends im Bereich der Feldbusse

Ziel ist immer: Großen Bereich abzudecken und bestehende Anlagen umrüsten zu können undaufwandsarm zu erweitern. (Ersatzteilhaltung)--> Anwender bestimmt weitgehend die Richtung. Kontakt zur Industrie ist enorm wichtig.

Anforderungen Anlagentechnik Automobil Fertigung Gebäude Verfahrenstechnik

Anlage binäre I/O´s SPS,NCS,Robots I/O´s bin/ana I/O´s

Reaktionszeit < 1ms < 1ms einige ms ... 1min < 50ms einige hundert ms

Meldungen teils ereignisgest/ ereignisgest. zykl. im ms Bereichteils zyklisch

Ausdehnung < 1km 10..50m 50m > 500m einige m...2..3 km

Temperaturber. -40... -30...120 normal normal normal in Grad C

Schutzart IP 54/65 IP65 IP65

Besonderheiten klein, gesichert, fest EMV-fest wenig EMV Anforderg.


5

4

3

2

1

Kommunikationsmodell

Unternehmens- Planungrechner Unternehmensleitungleitebene

Betriebsleitebene Leitrechner Betriebsleiter, Manager

Prozessleit- Prozeßrechner Operator, Schichtleiterebene

Gruppenleit- Zell Controller Produktionspersonalebene SPS, PC

Einzelleit- Aktuator/Sensor Wartungspers. Inbetrieb-ebene setzer

Bez. d. Hierarchie Typ. Gerätebez. Benutzer


Einordnung eines Feldbuses in die Automatisierungshierarchie

Leitebene

Zellenebene

Feldebene

Aktuator/Sensor-Ebene

MAP (MMS), Ethernet( eiinige Minuten.. bis Stunden .. Tage)

PROFIBUS-FMS(einige 100ms.. einige sec)

PROFIBUS, Interbus-S(1 .. 10 ms)

AS-I, Interbus-S, CAN, PROFIBUS, Sercos( einige 100 µs .. 1inige ms


Feldbusse im ISO 7498 / OSI Modell

User Anwendung

Layer 7 Application Anwendung

Layer 6 Presentation Datendarstellung

Layer 5 Session Komm. steuerung

Layer 4 Transport Transport

Layer 3 Network Vermittlung

Layer 2 Data Link Verbindungssicherung

Layer 1 Physical Bitübertragung

Feldbusse haben die Aufgabe, den Informationsfluß zwischen Sensor / Aktuator Ebene und Prozeßleitsystem sicherzustellen.


ISO / OSI Modell intern

Unabhängigkeit von Hard-/ Software, Offenheit, Vergleich der einzelnen Systeme

7 Schichten, die nur SS zu den benachbarten Schichten haben, einheitliche Sprachregelungen, jede Schicht "manipuliert" die Daten

Feldbusse haben nur den Minimalausbau wegen Echtzeit.

L1:Art des Signals, Art des Kabels (twisted pair ), Stecker mit Anschlußbelegung, Kodierung

L2:Data Link Layer:fehlerfreie Übertragung, Zugriffsmechanismen, Strategie bei BusKollisionen, Datenformat,Adressierung, Kontrollbits

L7: Kommunikationsfunktionen für das AW-Programm und aw.spez. Protokolle


Ablauf einer Datenübertragung

Application Application

Kommunikations-system

Kommunikations-system

.req

.con

.ind

.res

Protokollebene

Datenübertragung

Kommunikation

Anwendung


Anforderungen in der Automatisierungstechnik

Wunsch nach mehr Funktionalität (Nutzen der Digitaltechnik, Sensoren, Aktuatoren, Parametrierbarkeit)

Lösen von immer komplexeren Aufgaben müssen überschaubar sein

Kürzere Reaktionszeiten

Verarbeitung von immer mehr Ein-Ausgängen

Mehr Informationsgehalt, höhere Genauigkeit

Reduzierung der Gesamtkosten einer Anlage bei Inbetriebnahme

bei der Planung

bei der Wartung

Unterschiedliche Anforderungen erfordern unterschiedliche Feldbusse


Auswahl eines Feldbusses: Beurteilungskriterien

Reaktionszeiten

Sichere Datenübertragung

Verfügbarkeit des Gesamtsystems

Parametrierung und Programmierung

Diagnosemöglichkeiten

Test- und Inbetriebnahmehilfen

Offenheit des Feldbusses

Zukunftssicherheit

Verfügbare Komponenten

Aufbau von Feldbussystemen


Bewertung von Inbetriebsetzern aus der Automobilindustrie und dem Maschinenbau

Reaktionszeiten







Zukunftssicherheit


unwichtig wichtig

0 5 10


Beurteilungskriterien gespiegelt am PROFIBUS-DP

Reaktionszeiten Sichere Datenübertragung






Zukunftssicherheit



Beurteilungskriterien gespiegelt am PROFIBUS-DP

Reaktionszeiten

sichere Datenübertragung Verfügbarkeit des Gesamtsystems





Zukunftssicherheit

verfügbare Komponenten


Sichere DatenübertragungWas passiert bei einer EMV-Störung?

Gesicherte Einzeltelegramme für jeden Busteilnehmer

Erkennen des Ausfalls eines Teilnehmers

Telegrammwiederholungen

Slave Slave Slave

PROFIBUS-DP

Slave

Master

Start 1 Check Start 2 Check Start 3 Check Start 4 Check

Start 1 Check


Sichere DatenübertragungWas passiert bei einer EMV-Störung?

Erkennen der Störung Hamming-Distanz als Kriterium anwenden (HD=4, d. h. 3 gleichzeitig

auftretende Fehler im Telegramm werden sicher erkannt).

Schnelle Fehlerbehebung Ein gestörtes Telegramm muß wiederholt werden.

Keine Beeinflussung anderer Busteilnehmer Durch speziell gesicherte Einzeltelegramme

Für besonders gefährdete Bereiche ist der Einsatz von Glas- oder Plastiklichtwellenleiter (LWL) möglich.


Beurteilungskriterien

Reaktionszeiten


Verfügbarkeit des Gesamtsystems Parametrierung und Programmierung




Zukunftssicherheit




Zu- und Abstecken einer Station

im Fehlerfall, d.h. Austausch einer Station

oder

im Betrieb, z.B. mobile Fahrzeuge, die sich am Bus an- und abkoppeln

soll ohne Beeinträchtigung des laufenden Busverkehrs möglich sein.

Voraussetzung z.B. für die Verfahrens- und Fördertechnik



Reaktionszeiten



Parametrierung und Programmierung Diagnosemöglichkeiten



Zukunftssicherheit



Projektierung

Projektiertool

SPS oder PCSPS oder PC


Projektierung intern

Menügeführte Software mit unmittelbarer Überprüfung jeder Eingabe

Kein Kommunikationswissen erforderlich

Denken in Ein- und Ausgängen

Vermeidet Fehleingaben

Vereinfacht die Eingabe auch für Ungeübte

Führt zur Kosteneinsparung durch Zeitgewinn



Reaktionszeiten




Diagnosemöglichkeiten Test- und Inbetriebnahmehilfen


Zukunftssicherheit




Diagnoseübersicht Informationen (1 Bit), ob ein Busteilnehmer Diagnosedaten besitzt

Parametrierung und Ansprechbarkeit Informationen (1 Bit), ob ein Busteilnehmer parametriert und

ansprechbar ist Stationsdiagnose

Globale Informationen über einen Busteilnehmer,z.B. Lastspannungsausfall

Baugruppendiagnose bei modularen Busteilnehmern Informationen, ob eine von mehreren Baugruppen gestört ist,

z.B. dritte Baugruppe in Station 17 ausgefallen E/A-Diagnose

Diagnose eines einzelnen Ein- oder Ausgangs,z.B. Kurzschluß auf dem vierten Ausgang in Station 23



Der Anwender erkennt am Programmierplatz

- welcher Busteilnehmer- welche Baugruppe- welcher E/A-Punkt

ausgefallen ist.

Sämtliche Diagnosedaten sind in der SPS auswertbar Hochpriore und niederpriore Fehler / Warnungen werden

unterschieden.



Struktur der Diagnosedaten Informationsgehalt

Überblick

Detail

Baugruppendiagnose

Stationsdiagnose

"Parametrierungund Ansprechbarkeit"

E-/A-Diagnose

Dia-gnose-

Übersicht



Reaktionszeiten





Test- und Inbetriebnahmehilfen Offenheit des Feldbusses

Zukunftssicherheit



Test / Inbetriebnahme

Direkt vor Ort Vorinbetriebnahme einer Station mit einem Handheld-Gerät

Lesen der Eingänge Steuern der Ausgänge Lesen der Diagnose

Online über den Bus Status/Steuern-Funktion Programmieren

Die Verkabelung des Bussystems ist unabhängig von der Adressierung der Station in der Projektierung

Das spart Zeit bei der Verlegung des Kabels Das spart Geld bei evtl. Änderungen/Erweiterungen



Reaktionszeiten






Offenheit des Feldbusses Zukunftssicherheit



Offenheit

Nationale - internationale Norm

Informationen über das Bussystem steht jedermann offen

Herstellerunabhängigkeit

Nachweis der Einhaltung der Norm durch Zertifikate

Heutige Investitionen sind zukunftssicher

Anzahl verfügbarer Geräte, damit Austauschbarkeit

Verfügbarkeit von nationalen und internationalen Dachverbänden

Unterstützungsleistungen



Reaktionszeiten

sichere Datenübertragung





Offenheit für Feldbusse

Zukunftssicherheit verfügbare Komponenten


Für die Anforderungen der Zukunft

Intelligentere Feldgeräte müssen vernetzt werden

Größere Datenmengen pro Feldgerät gefordert

Kürzere Reaktionszeiten

Steigerung der Übertragungsraten und Komfort eines Bussystems

Plug and play Logik



Reaktionszeiten

sichere Datenübertragung






Zukunftssicherheit

verfügbare Komponenten



Können alle Anforderungen abgedeckt werden ? Preisvergleich Funktionalität der Komponenten Können alle Feldbereichanforderungen abgedeckt werden ? Wie weit verbreitet ist das entsprechende Feldbussystem ?

Können Speziallösungen einfach entwickelt werden ?

Können damit Systemlösungen realisiert werden ?


5

4

3

2

1 horizontale vertikale

Kommunikationsverbindungen

Kom

pexi

tät

der

Anl

age

Kommunikationsbeziehungen


Übertragungsmedien für serielle Busse

Geschirmte paarig verdrillte Leitung

Geschirmte verdrillte Viererleitung

Koaxial- Triaxialkabel

Lichtwellenleiter


Netztopologien

Bus ( Linie )

TS TS TS TS TSStationen

Busabschluß

Stern

Unterstationen

Zentralstationen


Netztopologien

RingstrukturTS TS

TS TS TS

Frequenz-umsetzer

f1

f2

Verstärker

Baumstruktur


Der IEC 625 Bus

Haupteinsatz: lokale Meßnetze, Digi. multimeter , Oszilloskope, progr. Strom-/ und Spannungsquellen.

Übertragungsform: byteseriell und bitparallel (16 Leitungen, 8 Daten, 3 Steuerleitungen, 5 allg. Interface Steuerung)

3 Dienste verfügbar (Senden, Empfangen, Steuerung des Busses

Wirkungsweise: Nur ein Rechner kann zu einem Zeitpunkt tätig sein

Ein Sender, mehrere Empfänger möglich

Alle Geräte werden zur entsprechenden Zeit in den jeweiligen Zustand geschaltet.

Negative true logic (log 0 = Pegel 1, TTL Pegel)


Der P-Net Bus gemäß EN 50 170 Volume 1

1984 von dän. Firma PROCESS DATA entwickelt.

Haupteinsatz:.Vernetzung von Bussegmenten

Übertragungsform: bitseriell

Wirkungsweise:

Multi Master System, mehrere Multi Master können zu einem Netz verbunden werden.

Ein Bussegment besteht aus einem Ring an dem die Teilnehmer parallel angeschlossen sind.

Master Slave Prinzip mit Datenaustausch in beiden Richtungen pro Aufruf.

Broadcast möglich

Master haben 2 SS, für Datenaustausch mit Segment und Kopplung mit anderen Segmenten.

Buszyklus ist deterministisch und mit virtuellem Token Passing koordiniert. Buszugriff bei Zähler =0.


Der Bitbus

Der Bitbus:1984 von Intel entwickelt

Haupteinsatz:.Fertigungstechnik

Übertragungsform: bitseriell

Wirkungsweise:

Monomaster System

Nur eine Hierarchieebene wird jeweils vom BS untersützt

Mehrere Hierarchieebenen werden unterstützt


Weitere Feldbusse

DIN Meßbus nach DIN 66 349 für die Vernetzung von Meß- und Prüfgeräten. Empfohlen für eichpflichtige Geräte mit Datenschnittstelle im Asynchronbetrieb.Reiner Mono M/S Bus. Geschirmtes vieradriges Kabel mit galvanischer Trennung der Teilnehmer. Vollduplexfähig.

SERCOS: für die schnelle DÜ bei numerischen Steuerungen und Antrieben für LWL- Anschluß im Ring.

FIP-Bus: Flux Information Processus. Multimaster mit Bus Arbiter, in Frankreich und Italien verbreitet. Buszugriff nach delegated Token Prinzip vom Bus Arbiter gesteuert,

FAIS:Factory Automation Interconnection System, 1987 mit ca, 30 japanischen Firmen entwickelt.Token Passing, Koaxkabel und LWL einsetzbar.


PROFIBUS-DPBuslaufzeiten bei 1,5 MBaud

15

913

1721

25291 102030

0

5

10

15

20

25

Zykluszeitin ms

Bytes pro Slave

AnzahlSlaves


PROFIBUS-DPBuslaufzeiten bei 12 MBaud

15

913

1721

25291 10 20 30

0

5

10

15

20

25

Zykluszeitin ms

Bytes pro Slave

AnzahlSlaves

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