Der Weg zur Dezentralisierung ist die

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1 Der Weg zur Dezentralisierung ist die
Voraussetzung für den Einsatz von Feldbussystemen !

2 Die zentrale Automatisierungslösung
Die Steuerungsebene enthielt bisher den größten Teil der geforderten Intelligenz. --> Systeme waren sehr komplex. Steuerung E/A Aktor Sensor Aktor Sensor Aktor Sensor

3 Die zentrale Automatisierungslösung intern
Die zentrale Lösung stößt in vielen Fällen heute an Grenzen: (Bsp.: 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 Programmen sowie die 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.

4 wirtschaftliche Lösung
Die technische und wirtschaftliche Lösung heißt Dezentralisierung!

5 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 Steuerung Steuerung Steuerung

6 Dezentrale Lösungen: Charakteristische Eigenschaften intern
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

7 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

8 Dezentrale Strukturen - und ihre Vorteile (2)
Übersichtlichkeit einfachere Diagnose kürzere Wartung einfache Erweiterung / Änderung geringerer Realisierungsaufwand zukunftssicher Erschließen neuer Anwendungsbereiche Schleppkabel Datenlichtschranke Schleifringe Schleifleitungen

9 intern 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.

10 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

11 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).

12 Dienste eines Feldbussystems
Netzwerkmanagement Konfiguration Leistungsmanagement Fehlermanagement

13 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.

14 Zugriffsberechtigung / Zugriffsverfahren / Übertragungstechnik
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

15 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.

16 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

17 Branchenspez. Anforderungen an Feldbusse intern
Trends im Bereich der Feldbusse 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 Bereich teils zyklisch Ausdehnung < 1km m 50m > 500m einige m km Temperaturber normal normal normal in Grad C Schutzart IP 54/65 IP IP65 Besonderheiten klein, gesichert, fest EMV-fest wenig EMV Anforderg. Ziel ist immer: Großen Bereich abzudecken und bestehende Anlagen umrüsten zu können und aufwandsarm zu erweitern. (Ersatzteilhaltung) --> Anwender bestimmt weitgehend die Richtung. Kontakt zur Industrie ist enorm wichtig.

18 Kommunikationsmodell
Bez. d. Hierarchie Typ. Gerätebez. Benutzer 5 4 3 2 1 Unternehmens- Planungrechner Unternehmensleitung leitebene Betriebsleitebene Leitrechner Betriebsleiter, Manager Prozessleit- Prozeßrechner Operator, Schichtleiter ebene Gruppenleit- Zell Controller Produktionspersonal ebene SPS, PC Einzelleit- Aktuator/Sensor Wartungspers. Inbetrieb- ebene setzer

19 Einordnung eines Feldbuses in die Automatisierungshierarchie
MAP (MMS), Ethernet ( eiinige Minuten.. bis Stunden .. Tage) Leitebene PROFIBUS-FMS (einige 100ms.. einige sec) Zellenebene PROFIBUS, Interbus-S ( ms) Feldebene Aktuator/ Sensor- Ebene AS-I, Interbus-S, CAN, PROFIBUS, Sercos ( einige 100 µs .. 1inige ms

20 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.

21 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

22 Ablauf einer Datenübertragung
Application Application Anwendung .req .ind .con .res Kommunikations- system Kommunikations- system Kommunikation Protokollebene Datenübertragung

23 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

24 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

25 Bewertung von Inbetriebsetzern aus der Automobilindustrie und dem Maschinenbau
 Reaktionszeiten Sichere Datenübertragung Verfügbarkeit des Gesamtsystems Parametrierung und Programmierung Diagnosemöglichkeiten Test- und Inbetriebnahmehilfen Offenheit des Feldbusses Zukunftssicherheit Verfügbare Komponenten unwichtig wichtig

26 Beurteilungskriterien gespiegelt am PROFIBUS-DP
Reaktionszeiten Sichere Datenübertragung Verfügbarkeit des Gesamtsystems Parametrierung und Programmierung Diagnosemöglichkeiten Test- und Inbetriebnahmehilfen Offenheit des Feldbusses Zukunftssicherheit Verfügbare Komponenten

27 Beurteilungskriterien gespiegelt am PROFIBUS-DP
Reaktionszeiten sichere Datenübertragung Verfügbarkeit des Gesamtsystems Parametrierung und Programmierung Diagnosemöglichkeiten Test- und Inbetriebnahmehilfen Offenheit des Feldbusses Zukunftssicherheit verfügbare Komponenten

28 Sichere Datenübertragung Was passiert bei einer EMV-Störung?
Gesicherte Einzeltelegramme für jeden Busteilnehmer Erkennen des Ausfalls eines Teilnehmers Telegrammwiederholungen Slave PROFIBUS-DP Master Start 1 Check 2 3 4

29 Sichere Datenübertragung Was 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.

30 Beurteilungskriterien
Reaktionszeiten Sichere Datenübertragung Verfügbarkeit des Gesamtsystems Parametrierung und Programmierung Diagnosemöglichkeiten Test- und Inbetriebnahmehilfen Offenheit des Feldbusses Zukunftssicherheit Verfügbare Komponenten

31 Verfügbarkeit des Gesamtsystems
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

32 Beurteilungskriterien
Reaktionszeiten Sichere Datenübertragung Verfügbarkeit des Gesamtsystems Parametrierung und Programmierung Diagnosemöglichkeiten Test- und Inbetriebnahmehilfen Offenheit des Feldbusses Zukunftssicherheit Verfügbare Komponenten

33 Projektierung Projektiertool SPS oder PC

34 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

35 Beurteilungskriterien
Reaktionszeiten Sichere Datenübertragung Verfügbarkeit des Gesamtsystems Parametrierung und Programmierung Diagnosemöglichkeiten Test- und Inbetriebnahmehilfen Offenheit des Feldbusses Zukunftssicherheit Verfügbare Komponenten

36 Diagnosemöglichkeiten
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

37 Diagnosemöglichkeiten
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.

38 Diagnosemöglichkeiten
Struktur der Diagnosedaten Informationsgehalt Überblick Dia- gnose- Übersicht "Parametrierung und Ansprechbarkeit" Stationsdiagnose Baugruppendiagnose E-/A-Diagnose Detail

39 Beurteilungskriterien
Reaktionszeiten Sichere Datenübertragung Verfügbarkeit des Gesamtsystems Parametrierung und Programmierung Diagnosemöglichkeiten Test- und Inbetriebnahmehilfen Offenheit des Feldbusses Zukunftssicherheit Verfügbare Komponenten

40 Test / Inbetriebnahme Direkt vor Ort Online über den Bus
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

41 Beurteilungskriterien
Reaktionszeiten Sichere Datenübertragung Verfügbarkeit des Gesamtsystems Parametrierung und Programmierung Diagnosemöglichkeiten Test- und Inbetriebnahmehilfen Offenheit des Feldbusses Zukunftssicherheit Verfügbare Komponenten

42 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

43 Beurteilungskriterien
Reaktionszeiten sichere Datenübertragung Verfügbarkeit des Gesamtsystems Parametrierung und Programmierung Diagnosemöglichkeiten Test- und Inbetriebnahmehilfen Offenheit für Feldbusse Zukunftssicherheit verfügbare Komponenten

44 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

45 Beurteilungskriterien
Reaktionszeiten sichere Datenübertragung Verfügbarkeit des Gesamtsystems Parametrierung und Programmierung Diagnosemöglichkeiten Test- und Inbetriebnahmehilfen Offenheit des Feldbusses Zukunftssicherheit verfügbare Komponenten

46 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 ?

47 Kommunikationsbeziehungen
5 4 3 2 1 Kompexität der Anlage horizontale vertikale Kommunikationsverbindungen

48 Übertragungsmedien für serielle Busse
Geschirmte paarig verdrillte Leitung Geschirmte verdrillte Viererleitung Koaxial- Triaxialkabel Lichtwellenleiter

49 Netztopologien Stationen Busabschluß Bus ( Linie ) Unterstationen
TS TS TS TS TS Busabschluß Bus ( Linie ) Unterstationen Zentralstationen Stern

50 Netztopologien Ringstruktur TS TS TS TS TS Baumstruktur Frequenz-
umsetzer f1 f2 Verstärker

51 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)

52 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.

53 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

54 Weitere Feldbusse DIN Meßbus nach DIN 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.

55 PROFIBUS-DP Buslaufzeiten bei 1,5 MBaud
Zykluszeit in ms Anzahl Slaves Bytes pro Slave

56 PROFIBUS-DP Buslaufzeiten bei 12 MBaud
Zykluszeit in ms Anzahl Slaves Bytes pro Slave