Vorlesung Prozessautomatisierung Kommunikationssysteme für die Prozess- Automatisierung (Teil 1) 27. November 2002 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes Fachbereich Elektrotechnik Goebenstr. 40 66117 Saarbrücken Version 1.0 vom 15. August 2002 November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.1

Themen Vorlesung PATT (1) Grundlagen & Begriffe Zusammenfassung von Grundlagen und Voraussetzungen der Automatisierungstechnik / Signale / Hilfsenergie / Systembeschreibung / Linearisierung analytisch und in Kennlinien- feldern / Modellbildung / Allgemeine Automatisierungsthemen (Schutzarten, Explosions- schutz, EMV) / Systemarchitektur von Automatisierungssystemen Technische Systeme für Transportvorgänge von Stoffen Übertragungsverhalten von Transport-/Förderbändern für feste Stoffe / Übertragungs- verhalten von Transportsysteme für flüssige Stoffe / Übertragungsverhalten von Be- hältern und Mischsystemen / Beschreibung des Zeitverhaltens von Befüllungs- und Ent- Leerungsvorgängen / Stellgerätetechnik und deren Beschreibungen (Ventile) Signalaufbereichtung (Messumformer, Sensoren) Übersicht von Prozessgrößen und deren Messung / Temperatursensorik und Realisierung entsprechender Messaufgaben November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.2

Themen Vorlesung PATT (2) Hilfsmittel / Fliessbilder / R&I-Schemen Darstellung von verfahrenstechnischen Abläufen / Symbole und Kennzeichen / Program- mierungshilfsmittel / Darstellung von Funktionsplänen / Ablaufsteuerung / Automatisierungskonzeption Industrielle Kommunikation (Feldbussysteme) / Systemarchitektur von Automatisierungs- systemen / Organisation von PLT-Projekten / Normen, Vorschriften, Richtlinien / Char- genprozesse / Stellgeräte / Regler / Steuerungen Neue Methoden in der Automatisierungstechnik Fuzzy-Konzept / Fuzzy-Regelung / Einsatz von Neuronalen Netzen in der Automatisie- rungstechnik / Anwendungsbeispiele und technische Realisierungen Automatisierung mit Matlab/SIMULINK Einführung in die Entwicklungsumgebung /Anwendungen / Regelkreisauslegung / Lösen von Differentialgleichungen November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.3

Thema heute Grundlagen für die Prozessautomatisierung : „Kommunikationssysteme für die Automatisierungstechnik – Teil 1 / Grundlagen der seriellen Datenübertragung Grundlagen Grundbegriffe Verfahren zur Datenkommunikation Protokolle Übertragungsmedien Übertragungsverfahren (synchron, asynchron) Schnittstellenstandards (RS232 (V.24) / RS422 / RS485) Ergänzende Literatur November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.4

Serielle Datenübertragung (1) Übertragung digitaler Signale zwischen Geräten und Systemen serielle Datenübertragungstechnik (Computernetze, Bürokommunikation, Feldbussysteme (Prozess-, Gebäude- und Fertigungsautomation), Internet und ISDN Kennzeichen serieller Datenübertragung zeitlich nacheinander und bitweise Übertragung über eine Daten- leitung Parallele Verarbeitung digitaler Signale Erzeugung sequentieller Daten aus bitparalleler Verarbeitung in Systembausteinen (Register, Mikroprozessoren) Hohe Datenübertragungsraten Zeitaufwand für die Datenumwandlung (parallel – seriell – parallel) spielt untergeordnete Rolle Geringer Aufwand Installations-, Kostenaufwand niedrig / einfache Benutzbarkeit November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.5

Serielle Datenübertragung (2) Bitweise Datenübertragung Signalbausteine generieren Aus parallel gleichzeitig an- liegenden Daten sequentielle Daten. Sende- und Empfangsbausteine Datenwandlung (parallel – seriell) Übertragungsstrecke Sender – Medium - Empfänger Merkmale der Übertragungsstrecke Richtung, Durchsatz, Übertragungsrate Quelle: Samson November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.6

Übertragungsstrecke / Richtung Richtung der Datenübertragung (Zeitpunkt / Richtung) Simplex- oder Richtungsverkehr (z.B. Richtfunktstrecke) Datenübertragung erfolgt nur in einer Richtung Halb-Duplex- oder Wechselverkehr (z.B. Feldnetz, Fernschreibnetz) Datenübertragung – zeitlich versetzt – in beiden Richtungen möglich Voll-Duplex- oder Gegenverkehr (Telefonnetz) Datenübertragung – zeitgleich – in beiden Richtungen möglich Quelle: Samson November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.7

Übertragungsstrecke / Verbindungsart Runkt-zu-Punkt Verbindung (Zweipunkt-Verbindung) Getrennte Ausführung Empfangs- und Sendeleitung (kann) Empfangsleitung (Empfänger) <-> Sendeleitung (Senders) Quelle: Samson November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.8

Übertragungsstrecke / Verbindungsart Verbindungsart über Kommunikationsnetze Übertragungsmedium ist Sende- und auch Empfangsleitung Geräteanschluss über Stichleitung Kommunikation erfordert Steuerdaten (Datenprotokoll) mit Angabe der Nutzdaten, Quelle und Ziel für die Datenübertragung Quelle: Samson November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.9

Übertragungsstrecke / Übertragungsgeschwindigkeit Übertragungsgeschwindigkeit (Datenmenge pro Zeiteinheit) BPS, kBit/s, Mbit/s Übertragung bitweise Bitübertragungsrate 100kBit/s Übertragungsfrequenz 50 kHz (Abtasttheorem) Erhöhung der Bit-Rate Zusammenfassung mehrere Bitwerte, die dann seriell aber gemein- sam in einem Paket übertragen werden. Leitungsfähigkeit einer Kommunikationsverbindung + Übertragungsgeschwindigkeit + Wartezeit, bis Leitung für die Übertragung freigegeben ist + Anzahl der Daten, die als Steuerdaten zusätzlich zu den Nutz- daten übertragen werden müssen (Geräteadresse, Steuerinformationen, etc.) November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.10

Übertragungsstrecke / Übertragungsgeschwindigkeit Quelle: Samson November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.11

Übertragungsstrecke / Übertragungsmedium Für die serielle Datenübertragung stehen verschiedene Medien zur Verfügung (elektrisch, optisch, per Funk). Kriterien zur Medienauswahl: Kosten und Aufwand Installation Sicherheitsaspekte Maximale Datenrate Topologie Entfernung / Lage der Teilnehmer Ziele: Gute Signalqualität Geringe Störempfindlichkeit Quelle: Samson November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.12

Übertragungsstrecke / Übertragungsmedium Kein Medium hat ideale Übertragungseigenschafte Auswirkungen/Einfluss auf das Signalverhalten (Form, Verlauf, Störung) Merkmale leitungsgebundener Übertragungsmedien Quelle: Samson November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.13

Übertragungsstrecke / Übertragungsmedium Aufbau elektrischer Leitungssysteme Verdrillte Zweidraht- leitung (Twisted Pair) Durch Verdrillung Reduzierung von Stör- einflüssen auf die Datenübertragung Verbreitung aller Kabelsysteme Übertragungsstrecke / Übertragungsmedium November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.14 Quelle: Fachkunde Informationstechnik, Europa Fachbuch

Elektrische Leitungen Datenübertragung über elektrische Leitungen führt zur Signalbeein- flussung. Ersatzschaltungen für Leitungen lassen sich aus R, L und C- Bauelementen aufbauen. Leitung führt zu Dämpfung und Signalverzer- rung: Widerstände verändern den statischen Signalpegel Induktivitäten und Kapazitäten verändern die Flankensteilheit Leitungsauswahl muss gute Übertragung sicherstellen: Leitungswiderstand ausreichende Signalamplitude Kabelinduktivität und –kapazität ausrei- chende Flankenform November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.15

Elektrische Leitungen Für geeignete Datenübertragung ist die mögliche Datenrate und Anzahl der angeschlossenen Teilnehmer vom Kabeltyp abhängig. Beispiel: Leitungslänge abhängig von der Datenrate (RS 485) November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.16

Elektrische Leitungen Weitere Einfluss der Leitungen liegen in Reflexionen von Signalen an den Leitungsenden. Installation von elektrischen Leitungen erfordert besondere Beobachtung: Wechsel der Kabelarten Verzweigung Geräteanschluss Offene Leitungsenden Reduzierung / Vermeidung von Reflexionen bedarf Einsatz von Abschluss- widerständen. Widerstände bilden somit die elektrischen Eigenschaften der Leitung nach. Kenngröße ist der Wellenwiderstand der Leitung November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.17

Abschlusswiderstände November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.18

Binäre Informationsdarstellung Serielle Datenübertragung dient zur Übertragung binärer Informationen Positive Logik: Null <-> Low Eins <-> High Negative Logik: Eins <-> Low Null <-> High Zustände High und Low bestimmen auf dem Übertragungsmedium die Formatierung der Daten. Ausgewertet werden: Amplitudenwerte Flanken (Pegeländerungen) Phasenbeziehung Frequenzen Weitere Eigenschaften der Formatierung Synchrone Datenübertragung (Taktrate des Senders) November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.19

Randbedingungen der Datenübertragung NRZ- und RZ- Formatierung Nicht selbsttaktende Formatierung Nicht mittelwert freie Formatierung November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.20

Manchestercodierung Bitinformation ist in der Phasenlage des Signals erkennbar. Steigende Flanke: High-zustand Fallende Flanke: Low-zustand Mittelwertfreie Ausführung (-5, +5 V) November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.21

Amplituden- und FSK-Codierung FSK = frequency shift keying Pegelunabhängiges Verfahren Hohe Störsicherheit Medium muss Frequenzen übertragen können Einsatz zur Parametrierung von Sensoren/Aktoren November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.22

Übertragungsverfahren der seriellen Kommunikation Digitale Datenübertragung: November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.23

Übertragungsverfahren der seriellen Kommunikation Synchrone Datenübertragung: Daten werden synchron über eine von beiden Stationen genutztes Taktsignal koordiniert (z.B taktflankengesteuert). Taktsignal wird separat zu übertragen. November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.24

Übertragungsverfahren der seriellen Kommunikation Asynchrone Datenübertragung: Bei synchroner Datenübertragung muss der Takt sehr genau über- tragen werden. Geringste Schwankungen führen zur Störung. Synchronisierung erfolgt mit dem Übertragen spezieller Start-/ Stopp-Bits. Mit Startbit werden die Empfangsdaten synchronisiert. Reihenfolge der Daten / Daten werden übernommen, wenn Parität und Stopp-Bit den Formatvorgaben entspricht. Bei jedem Empfang neue Synchronisation. November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.25

Übertragungsverfahren der seriellen Kommunikation Kommunikationssteuerung: Regelt den Ablauf der Kommunikation (z.B. Bereitschaft zur Kommu- nikation per Software oder zusätzliche Steuerleitungen). Bereitschaftsfreigabe muss vor Datenübertragung vorliegen. Handshake mit bidirektionaler Kommunikation Software-Handshake mit Sonderzeichen XON/XOFF Hardware-Handshake mit Steuerleitungen November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.26

Übertragungsverfahren der seriellen Kommunikation Kommunikationssteuerung: RTS (Sendeteil einschalten) = 1 zeigt an, dass der Empfänger zur Datenaufnahme bereit ist. Bei RTS = 0 wird die Datenübertragung unterbrochen. November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.27

Zweidrahtkommunikation Einfache Kommunikationsverfahren minimieren den Instrumentierungs- aufwand (z.B Zweidrahtkommunikation): Mit asynchrone Übertragung durch Start- und Stopp Bits, oder Mit synchroner Übertragung, wenn die Takt- und Nutzdaten auf einer Leitung übertragen werden. Kommunikationsablauf muss festgelegt sein (wann sendet wer?), oder Kommunikationsablauf mit geeigneten Kommandos für Handshake Schnittstellen Spezifikation November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.28

Fehlererkennung Mass für Fehlererkennbarkeit Hamming-Distanz. Paritätsverfahren liefert HD = 2 Blockübertragung liefert höhere Erkennbarkeit von Fehlern November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.29

Fehlererkennung Datenübertragung ist nie störungsfrei. Einzelne Bitinformationen können fehlerbehaftet sein. Bei Fehlererkennung Übertragung wiederholen Gängiges Verfahren für Korrektur Paritätskennung Es ist nur ein Bit-Fehler erkennbar. November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.30

Übertragungsstandards November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.31

RS232 November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.32

RS232 Begrenzte Übertragungs- Strecken ( 15 m) Erdunsymmetrisches Signal / Ausgleichs- ströme November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.33

Rechnerschnittstellen V.24/RS232C 9 oder 25-poliger D-SUB- Stecker November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.34

Datenübertragung November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.35

RS422 November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.36

RS422 November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.37

RS485 November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.38

RS485 November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.39

RS485 November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.40

Feldbusspezifikation November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.41

Feldbusspezifikation November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.42

Feldbusspezifikation November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.43