Kapitel 2 Grundlagen zur Gebäudeautomation - fh-dortmund.de · Beispiele sind Relais, Schütze,...

Prof. Dr. Bernd Aschendorf FB 3 FH Dortmund

Elektrische Gebäudesystemtechnik Grundlagen zur Bustechnik

Kapitel 2 Grundlagen zur Gebäudeautomation

Kapitel 2.1 Datenübertragungsmedien

Aufgaben der Bitübertragungsschicht

Aufgabe:Richtige Übertragungder „rohen Bits“ über den Kanal.

Schwerpunkte:• Übertragungsmedium• Leitungscodes• Übertragungsgeschwindigkeit• Übertragungsrichtung• parallele und serielle Übertragung

Anwendung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Darstellung

Anwendung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Darstellung

Übertragungsmedienoff-line Übertragung on-line Übertragung

verdrilltesLeitungspaar Koaxialkabel Lichtwellen-

leiter

asymmetrischeKupferleitung Funk

Offline-ÜbertragungsmedienGroße Datenmengen zwischen Computern werden mitmagnetischen oder optischen Medien übertragen:• große Speicherkapazität von Disketten,

Magnetbändern und CD-ROMs• damit große „Bandbreite“ des „Übertragungskanals“• Transport mit Post oder Kurierdienst,

geringe Übertragungskosten/bit

Programmversorgung von Steuerungen oft mitprogrammierten Speicherschaltkreisen (EPROMs)

entscheidende Nachteile:• geringe Übertragungsgeschwindigkeit• keine Online-Übertragung, wie sie für

die Prozeßautomatisierung erforderlich ist

Asymmetrische KupferleitungÜbertragungsmedium

Übertragungslänge cm bis wenige m

Leitungstreiber Leitungsempfänger

• Sender und Empfänger habengleiches Bezugspotential (Masse, Ground)

• Information liegt in der Signalamplitude(z.B. L ... low und H ... high)

• nur für kurze Übertragungswege geeignet, z.B.- Bussysteme in Computern- Interfacekabel für Peripheriegeräte

Symmetrische Kupferleitung

Sender Empfänger

• weiteste Verbreitung als Telefonkabel• Übertragungsrate:

< 10 Mbit/s im Meterbereich, Kbit/s im Kilometerbereich• Vorteile:

-billig-leicht zu verlegen-geringe Abmessungen-einfachste Anschlußtechnik-als Telefonnetz überall vorhanden

• Nachteile:-begrenzte Leistungsfähigkeit-Bandbreite hängt von Leitungslänge ab-störanfällig

Übertragungsmedium

mehrere Kilometer

KoaxialkabelKupferkern(Innenleiter)

• 50-Ohm-Koaxialkabelfür Basisbandübertragung(für digitale Übertragung)(bis 50 MB/s bei 1 km)

• 75-Ohm-Koaxialkabelfür Breitbandübertragung(für analoge Übertragung)(bis 150 MB/s über 100 km)

Isolierschicht(Dielektrikum)

geflochtenerAußenleiter Schutzmantel

Basis- und Breitbandübertragung

• Bandbreitebegrenzte Signale nutzendie Kanalbandbreite nicht aus

• es können auf einem Kanal mehrereFrequenzbänder dieser Bandbreiteübertragen werden

Kanal 3

Kanal 2

Kanal 1f ... Frequenzt ... Zeit

NutzbareBandbreite

Bandbreite der Übertragungskanäle 1

• eine periodische Rechteckimpulsfolge läßt sich als Summe von Sinusfunktionen darstellen

• das Signalgemisch besteht aus der Grundschwingung mit der Frequenz f=1/T und Oberschwingungen (Harmonische) mit der Frequenz des ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz

Rechtecksignal

Signal aus1 Harmonischen

Bandbreite der Übertragungskanäle 2Bitfolge fürASCII-Zeichen>>b<<

Bandbegrenzung1 Harmonische

n = 1 ... 15

n = 1 ... 2

n = 1 ... 4

n = 1 ... 8

Zeitdarstellung Spektraldarstellung

Übertragung im Telefonnetz

Beispiel: Zeichen »b« wird mit 9600 Baud im Telefonnetz übertragen

gesendetesZeichen

empfangenesZeichen

Bitratebit/s

Zeichendauerms

1. HarmonischeHz

übertragbareHarmonische

300600

240048009600

26,6713,336,67

3,331,670,830,42

37,575

300600

12002400

804020

t t fft0 t0

Lichtwellenleiter

Funktionsprinzip Brechzahlprofil

• Strahlen, die unter einem Winkel ≤ θ0

einfallen, werden durch Totalreflexion imKern des Lichtwellenleiters weitergeleitet

• Ursache ist die unterschiedliche Brechzahl des Kerns und des Mantels (siehe Brechzahlprofil)

Mantel (n2)Kern (n2)

90°-α)θ0

Typen von Lichtwellenleitern

Multimode-faser mitStufenprofil

Multimode-faser mitGradienten-profil

Mono-mode-faser

Eingangs-impuls

Ausgangs-impuls

Dichter

Vorteile der Lichtwellenleiter• unempfindlich gegenüber elektrischen

und magnetischen Störungen– kein Blitzschutz erforderlich– kein Nebensprechen

• produzieren selbst keine Störstrahlen– stören keine anderen Systeme– hohe Abhörsicherheit

• mechanische Eigenschaften– geringes Gewicht– kleine Abmessungen

(2000 Fasern haben 85 mm Durchmesser)• hohe Übertragungsrate

– Multimodenfasern (Stufenindex)– Gradientenindex-Fasern– Monomodenfasern

• geringe Dämpfung– verstärkerfreie Übertragungslänge > 100 km

20 MHz x km500 - 1800 MHz x km< 20000 MHz x km

Parallele Datenübertragung

Acht Datenleitungenund Steuerleitungen

zu sendendesByte

zu empfangendesByte

Steuersignale

Treiber Empfänger

Serielle Datenübertragung

eine Leitung

Parallel-Serien-Wandler(Sendeschieberegister)

Serien-Parallel-Wandler(Empfangsschieberegister)

zu sendendesByte

zu empfangendesByte

Übertragungsrichtung

Sender Sender

Empf. Empf.Empf.

Empf.Sender

Sender

Sender Empf.

Betriebsarten

Simplex Duplex Halbduplex

• Übertragung nurin eine Richtung

• Kommunikation mitVerteilungscharakter:z.B. Rundfunk,Fernsehen

• Kommunikationspartnerhaben Sende- undEmpfangseinrichtung

• getrennte Übertragungs-kanäle (z.B. Vierdraht-leitung oder zweiFrequenzbänder)

• Sender und Empfängersind umschaltbar

• Übertragungskanalist bidirektional

• Übertragung erfolgtimmer wechselseitig

Protokolle der Bitübertragung

V.24 V.24

Übertragungskanal(Telefonnetz, Breitbandkanal, Funkkanal)

Modem:Modulator / Demodulator

Anwendung

Darstellung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Anwendung

Darstellung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Analoge Übertragung mit ModemModulationsarten

Amplitudenmodulation

Frequenzmodulation

Phasenmodulation

0 1 0 11

Abbildung 6: Trägersignal

Trägersignal

Amplitudenmodulation

Amplitude Shift Keying (ASK)

Frequenzmodulation (FM)

Frequency Shift Keying (FSK)

Protokolle in der Bitübertragungsschicht

Protokoll enthält Festlegungen zu:• mechanischen Eigenschaften• elektrischen Eigenschaften• funktionellen Eigenschaften• verfahrenstechnischen Eigenschaften

Computer DTE(Data Terminal Equipment)

Modem DCE(Data Circuit-Terminating Equipment)

Standard-schnittstelle

Modemz.B. Telefonleitung

RS 232-CV.24RS 449RS 423-ARS 422-A

RS-232-C (1)• RS 232-C: dritte Überarbeitung der Norm der

Electronic Industries Association• V.24: CCITT-Empfehlung dieser Norm

• mechanische Spezifikation:-25-poliger Steckverbinder-Abmaße und Numerierung

• elektrische Spezifikation:-Spannung < -3V Low (1)

>+3V High (0)-Signalhub +/- 15V-Übertragungsrate < 20 kbit/s-Kabellänge bis 15 Meter

1 10 0

verbotenerBereich

RS-232-C (2)

Protective Ground (1)Transmit (2)Receive (3)Request to Send (4)Clear to Send (5)Data Set Ready (6)Common Return (7)Carrier Detect (8)Data Terminal Ready (20)

Computer(DTE)

Modem(DCE)

• funktionale Spezifikation:- Welche Schaltungen sind mit den 25 Pinsverbunden und wie arbeiten sie?

- Die 9 wichtigsten Anschlüsse:

• verfahrenstechnische Spezifikation:- Protokoll für die Folge der erlaubten Ereignisse

Nullmodem

RS 232 C / V.24

GroundTransmitReceiveRequest to SendClear to SendData Terminal ReadyData Set Ready

SignalerdeSendedaten

EmpfangsdatenSender einsch.

SendebereitBetriebsbereitBetriebsbereit

Carrierdetected

Signalerkannt

RS 449

• mechanische Festlegungen• funktionelle Festlegungen• verfahrenstechnische Festlegungen

RS 449

• asymmetrische Übertragung(analog RS-232-C)

• 20 kbit/s• 15 Meter

RS 423 A

• symmetrische Übertragung• 2 Mbit/s• 60 Meter

RS 422 A

RS 485 (1)...Linienbus

Endgerät Endgerät Endgerät Endgerät

Sonderfälle...

... ...

bidirektionalePunkt-zu-Punkt-Verbindung

unidirektionaleVerbindung fürRingtopologie

Übertragungsmedium

RS 485 (2)Induzierte Störspannung

Erdpotentialdifferenz Ug

Gleichspannungkeine BeschädigungÜberspannungsimpulseSenderSenderspannungNull- / Eins-DifferenzStrombegrenzungEmpfängerMindestempfindlichkeitEmpfindlichkeitsbereich

- 17V bis + 17V- 10V bis + 10V- 25V bis + 25V

1,5V bis 5V / 54 Ohm> 2V< 2500 mA

+ 0,3V- 7V bis +12 V

Elektrische Daten:

• Kundenanlagen: - Beleuchtungssteuerung (domestic-powerlines) - Jalousie- und Markisensteuerung

- Energiemanagement - Einzelraumtemperaturregelung - Anwesenheitssimulation - Komfortfunktionen (Lichtszenen, Zentralfkt., ...)

Breite, existierende Infrastruktur

Zusatzfunktionen / Mehrwertdienste ohne neue Verkabelung

Powerline als Kommunikationskanal

57,510

12,515

17,520

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Zeit (ms)

1 0 1 1

50 Hz Netz-wechselspannung

Powerline-Kommunikation: Das Grundprinzip

Ze it (ms )

Stromkabel

• öffentliches Verteilnetz: - Lastmanagement / Tarifumschaltung (public powerlines) - Zählerfernablesung

- Internet-Zugang (?) - Telekommunikationsdienste (??)

Bindeglied zwischen Energieversorger und Kundenanlage

Bustechnik mit Powerline

Sensoren Aktoren

Stromversorgungsleitung 230V

PowerlinePowerline TechnikTechnik

Kapitel 2.2 Sensoren

Ein Sensor ist ein Bus-Teilnehmer, der eine physikalische Größe aufnimmt, in eine elektrische Größe umwandelt, diese digitalisiert, in ein Telegramm einfügt und dieses Telegramm auf den Bus sendet.

Beispiele sind Taster, Schalter, elektronische Schaltkreise mit angeschlossenen Fühlern, etc. .

SensorenWegDruckTemperaturLichtStromSpannung

WegDruckTemperaturLichtStromSpannung

Sensor

analoges Signal

analoge Standard-schnittstelle(z.B. 0...20mA

4…20 mA0...10V)

digitales Signal(seriell oder parallel)

ADU ... Analog- /Digital-Umsetzer Automatisierungsgerät

Signal-an-

passung

Signal-an-

passung

Sensor: induktiver NäherungsschalterMetallscheibe

Magnetfelder

Ferritkern

Elektronikim Gehäuse

Näherungs-bereich

+ - Signalausgang „0“ + - Signalausgang „1“

Symbol

Bauformen von Sensoren industrieller Anwendung

Wetterstation:• Temperatur• Helligkeit• Feuchte• Sonnenstellung• Strahlungsstärke• Regen

Kapitel 2.3 Aktoren

Ein Aktor ist ein Teilnehmer, der Telegramme empfangen, verarbeiten und in anwendungsbezogene Aktionen umsetzen kann.

Beispiele sind Relais, Schütze, Binärausgänge, etc

MotorenVentileRelaisSignal-geber...

Aktoren

analoges Signal

analoge Standard-schnittstelle(z.B. 0...20mA

0...10V)

digitales Signal(seriell oder parallel)

DAU ... Digital- /Analog-UmsetzerAutomatisierungsgerät

AktorDAU

Signal-an-

passung

Signal-an-

passung

Kapitel 2.4 Klassische Steuerungstechnik

Steuerungsebene klassische Technik: Relaissteuerung

Tasten- und Anzeigefeld Tasten- und Anzeigefeld

Relaissteuerung (Schaltschrank) Relaissteuerung (Schaltschrank)

Näherungs-sensor

SchützAnlagen-verdrahtung

Schütz

Schalter

Schritt-motor

Thermo-element

Näherungs-sensor

Einführung Bild 1.16

Steuerungsebene Beispiel: Relaissteuerung

BK1=(B1+K2) S1

K2=K1 K3TK3T=K2

nach 10 min Impulsdiagramm

Die Steuerung wird durch Schalterund Relais (Schütze) realisiert.

Der Steueralgorithmus, der im Zeit-diagramm dargestellt ist, wird durchSchütze, Hilfsschütze und Schützeeiner Zeitfunktion (z.B. Anzugsverzögerung)sowie deren Verdrahtung realisiert.

Die Steuerung wird in Schaltschränkenangeordnet und verdrahtet.

Schaltung (Kontaktplan)einer Lüftersteuerung.

B1 K2 K1 K2

K1 K2 K3T

S1 K3T

11 12 1413

10 min

Hilfsschütz Motorschütz

Typischer Schaltschrank in Relaistechnik

Kapitel 2.5 SpeicherprogrammierbareSteuerung (SPS)

Speicherprogrammierbare Steuerungen

Näherungs-sensor

SchützAnlagen-verdrahtung

Schütz

Schalter

Schritt-motor

Thermo-element

Näherungs-sensor

Architektur der SPS

Anwender-programm:

U E0UN E1O M2= A1U A1UN T3= M2U M2L KT 600.2SE T3

Ein-/Ausgabe-baugruppen

Standard-schnittstelle

Strom-versorgung

SpeicherProzeßabbildCPU Organisations-

programm

Sensoren und Aktoren

Typischer Schaltschrank mit SPS

Kapitel 2.6 ISO/OSI-Schichtenmodell

Warum Standards?

Kommunikationsstandard - ISO-Schichtenmodell

Die Nachricht

?Philosoph:I like rabbits

Philosoph

?? ??Aha!

Der Übertragungskanal

Philosoph:I like rabbits Philosoph

Techniker Techniker

Übertragungskanal

Die Übersetzung

Philosoph:I like rabbits

Übersetzer:Ich mag Kaninchen

Techniker:...K wie Konrad -A wie Anton -N wie Nordpol...

Philosoph

Übersetzerin:Ik hou van konijnen

Techniker:Ich mag Kaninchen

Übertragungskanal

Ein SchichtenmodellAnwender des Kommunikationssystems

Übersetzer

Techniker

Übertragungskanal

OSI-Referenzmodell

Open Systems Interconnection(Kommunikation offener Systeme)

entwickelt vonInternational Standardization Organization (ISO)

ISO - OSI - Referenzmodell

7-Schichtenmodell

7-Schichten-ModellAnwendung

Darstellung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

DarstellungSchicht n

Dienstanforderungen

DarstellungSchicht n-1

Dienstanforderungen

Übertragungsweg im 7-Schichten-Modell

Anwendung

Darstellung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Anwendung

Darstellung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Sender Empfänger

Übertragungskanal

Protokolle

Übertragungsprotokoll

Sicherungsprotokoll

Vermittlungsprotokoll

Transportprotokoll

Sitzungsprotokoll

Darstellungsprotokoll

Anwendungsprotokoll Anwendung

Darstellung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Anwendung

Darstellung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Datenpakete im OSI - Modell

Anwendung

Darstellung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Anwendung

Darstellung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

1 rohe Bits

DatenH S

Übergang zwischen verschiedenen Kommunikationssystemen

Anwendung

Darstellung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Anwendung

Darstellung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Vermittlung Vermittlung

Sicherung Sicherung

Bitübertragung Bitübertragung

Transportprotokoll

Sitzungsprotokoll

Darstellungsprotokoll

Anwendungsprotokoll

Beispiele für Teilnetze im OSI-ModellAnwendung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Darstellung

Anwendung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Darstellung

Brücke

1Ethernet Token-Bus

Anwendung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Darstellung

Router

Anwendung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Darstellung

Token-Bus X.25

Anwendung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Darstellung

Anwendung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Darstellung

RegeneratorRepeater

1Bitübertragung

Signalübertragung

Bitübertragungsschicht (Physical layer)Anwendung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Darstellung

Anwendung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Darstellung

Aufgabe:Richtige Übertragungder rohen Bits über den Kanal.

Schwerpunkte:• Welches Übertragungsmedium?• Welche Signalpegel für 0 und 1?• Welche Übertragungsgeschwindigkeit?• Wird in beiden Richtungen

gleichzeitig übertragen?• Wie wird die Verbindung hergestellt

und wie wird sie abgebrochen?• Wieviele Anschlüsse (Pins) hat der

Verbindungsstecker und wofür werdendiese verwendet?

Sicherungsschicht (Data link layer)

Signalübertragung

Anwendung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Darstellung

Anwendung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Darstellung

Aufgabe:Richtige Übertragungder rohen Bits über den Kanal.

Schwerpunkte:• Welches Übertragungsmedium?• Welche Signalpegel für 0 und 1?• Welche Übertragungsgeschwindigkeit?• Wird in beiden Richtungen

gleichzeitig übertragen?• Wie wird die Verbindung hergestellt

und wie wird sie abgebrochen?• Wieviele Pins (Anschlüsse) hat die

Verbindung und wofür werdendiese verwendet?

Datensicherung

Aufgabe:Datensicherung durch Coderedundanz und Quittungsmechanismen bei erkannten Fehlern.

Schwerpunkte:• Erzeugung von Datenrahmen (Frame).• Markierung der Datenrahmen.• Fehlererkennende Codierung.• Fehlerkorrigierende Codierung.• Wiederholung von Datenrahmen

bei Fehlern.• Quittierung der richtigen Übertragung.• Steuerung des Datenflusses.

Sicherung

Bitübertragung

Sicherung

Bitübertragung

Aufgaben der Sicherungsschicht (Data link layer)

Anwendung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Darstellung

Anwendung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Darstellung

Datensicherung

• Einteilung des Bitstromesin Datenrahmen

• Überprüfung der richtigenÜbertragung einzelner Rahmen

• Quittierung der richtigenRahmenübertragung

• Steuerung des Datenflussesim Netz

• Zugriffssteuerung auf den Kanal

Vermittlungsschicht (Network layer)

Datensicherung

Aufgabe:Datensicherung durch Coderedundanz und Quittungsmechanismen bei erkannten Fehlern.

Schwerpunkte:• Erzeugung von Datenrahmen (Frame).• Markierung der Datenrahmen.• Fehlererkennende Codierung.• Fehlerkorrigierende Codierung.• Wiederholung von Datenrahmen

bei Fehlern.• Quittierung der richtigen Übertragung.• Steuerung des Datenflusses.

Anwendung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Darstellung

Anwendung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Darstellung

Wegsuche

Aufgabe:Auswahl der Wege vom Ursprungs-zum Bestimmungsort.

Schwerpunkte:• Abhängigkeit von Netztopologie.• Punkt-zu-Punkt-Kanäle.• Rundsendekanäle.• Adressierung.• Koordinierung der zu

übertragenden Datenpakete.• Abrechnungsfunktionen für

die Inanspruchnahme derÜbertragungskanäle.

Sicherung Sicherung

Vermittlung Vermittlung

Transportschicht (Transport layer)

Wegsuche

Aufgabe:Auswahl der Wege vom Ursprungs-zum Bestimmungsort.

Schwerpunkte:• Abhängigkeit von Netztopologie.• Punkt-zu-Punkt-Kanäle.• Rundsendekanäle.• Adressierung.• Koordinierung der zu

übertragenden Datenpakete.• Abrechnungsfunktionen für

die Inanspruchnahme derÜbertragungskanäle.

Anwendung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Darstellung

Anwendung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Darstellung

Kombinieren vonDatenpaketen

Aufgabe:Datenaufbereitung für dieVermittlungsschicht.

Schwerpunkte:• Zerlegung der Daten in kleinere

Übertragungseinheiten und derenZusammensetzung auf derEmpfangsseite.

• Übertragung großer Datenmengenüber mehrerer Netzverbindungen.

• Zusammenlegung mehrere Transport-verbindungen auf einer Netz-verbindung.

• Aufbau und Abbau derNetzverbindung.

Transport

Vermittlung

Transport

Vermittlung

Sitzungsschicht (Session layer)

Kombinieren vonDatenpaketen

Aufgabe:Datenaufbereitung für dieVermittlungsschicht.

Schwerpunkte:• Zerlegung der Daten in kleinere

Übertragungseinheiten und derenZusammensetzung auf derEmpfangsseite.

• Übertragung großer Datenmengenüber mehrerer Netzverbindungen.

• Zusammenlegung mehrere Transport-verbindungen auf einer Netz-verbindung.

• Aufbau und Abbau derNetzverbindung.

Anwendung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Darstellung

Anwendung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Darstellung

Sitzung

Aufgabe:Stellt gehobenere Dienste fürdie Datenkommunikation bereit.

Schwerpunkte:• Verschaffen des Zugangs zu

einem anderen Rechnersystem.• Steuerung der Richtung beider

Kommunikationsteilnehmer.• Einbau von Synchronisations-

und Wiederanlaufpunkten beilangen Übertragungen.

Sitzung Sitzung

Transport Transport

Darstellungsschicht (Presentation layer)

Sitzung

Aufgabe:Stellt gehobenere Dienste fürdie Datenkommunikation bereit.

Schwerpunkte:• Verschaffen des Zugangs zu

einem anderen Rechnersystem.• Steuerung der Richtung beider

Kommunikationsteilnehmer.• Einbau von Synchronisations-

und Wiederanlaufpunkten beilangen Übertragungen.

Anwendung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Darstellung

Anwendung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Darstellung

Aufgabe:Umwandlung der Datenstruktur.

Schwerpunkte:• Konvertierung von Zeichensätzen.• Konvertierung verschiedener

Zahlendarstellungen.• Konvertierung von Steuerzeichen-

folgen für Terminals.• Datenkompression zur Reduzierung

der zu übertragenden Datenmenge.• Kryptographie für Vertraulichkeit

und Authentizität.

Zeichenkonvertierung

Sitzung

Darstellung

Sitzung

Darstellung

Anwendungsschicht (Application layer)Aufgabe:Bereitstellung von Diensten fürEndanwender.

Schwerpunkte:• Dateiübertragung und

Verzeichnisverwaltung(Löschen, Umbenennen usw.)

• Nachrichtenübertragungsdienste(z.B. elektronische Post)

• Auftragsüberwachungund -verwaltung.

Anwendung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Darstellung

Anwendung

Sitzung

Transport

Vermittlung

Sicherung

Bitübertragung

Darstellung

In der Anwendungsschichtwird das eigentliche Zieldes Systems erfüllt.

Kapitel 2.7 Netzwerktopologien

• Netzwerktopologie: Verbindungsstruktur zwischenden Kommunikationspartnern

• Punkt - zu - Punkt - elementareVerbindung: Verbindungsstruktur

Netzwerktopologien

• Für die Verbindung vieler Kommunikationspartner gibt es eineReihe typischer Netzwerktopologien.

• Große Netze sind aus Teilnetzen zusammengesetzt, die unter-schiedliche Topologien aufweisen können.

• Die Topologie entscheidet über Aufwand und Effizienz desKommunikationssystems.

Vollständiger Graph

N=3V=3

N=4V=6

• Anzahl der Verbindungen V =• Keine Wegsuche (Routing)• Großer Aufwand• Hinzufügen eines neuen Knotens

beeinflußt alle anderen

N(N-1)2

N=5V=10

N=6V=15

Vermaschtes Netz

• Keine systematische Verbindungzwischen den Netzknoten.

• Verbindung abhängig von territorialenund betriebsbedingten Besonderheiten.

• Klassische Form der Weitverkehrsnetze.

Baumstruktur

Wurzel

Teilnehmermit einembidirektionalenZugang

• Im Sternnetz existiert eine Zentralstation.• Bei N Knoten sind N Verbindungen erforderlich.• Jede Kommunikation zwischen zwei Teilnehmern

läuft über zwei Verbindungen.• Änderungen im Netzwerk sind einfach, solange

der zentrale Knoten noch freie Anschlüsse hat.

Passiver Bus

Teilnehmermit wechselweisebidirektionalemZugang

SenderEmpfänger

• Zu einem Zeitpunkt: ein Sender, alle anderen Knoten sind Empfänger.• Die Empfängerknoten sind passiv angeschaltet.• Eine Routingfunktion ist nicht erforderlich, da alle

Knoten die Information empfangen.• Beschränkungen entstehen für die Zahl der Teilnehmer

und die Buslänge.• Verwaltung des Datenverkehrs wegen Zugriffskonflikten.

Teilnehmer mitunidirektionalemEin- und Ausgang

• Ring: Kette von gerichtetenPunkt-zu-Punkt Verbindungen.

• Keine Routing-Funktion.• Jeder Knoten regeneriert das Signal.• Maßnahmen bei Ausfall eines Knotens: Bypass.• Organisation des Datenflusses notwendig.

Physische und logische Struktur

• physischer Ring• logische Zweipunkt-

verbindung

• physischer Bus• logischer Ring

Linienstruktur Sternstruktur

Aktor Sensor

Ringstruktur Baumstruktur

Kapitel 2.8 Buszugriffsverfahren

NetztypenStrukturen mit

Punkt-zu-Punkt-Verbindung

• Für die Kommunikation zweier Partner wird immer eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung aufgebaut

• Sie haben damit einen ungeteilten Übertragungskanal

Ringstruktur Busstruktur

• Alle Teilnehmer teilen sich einen einzigen Kommunikationskanal

Untergliederung der Sicherungsschicht

LLC-Teilschicht(Logical Link Control, Logische Verbindungssteuerung)

MAC-Teilschicht(Media Access Control, Medien-Zugriffs-Steuerung)

Multi-Master- und Single-Master-Systeme

S S S SS

Single-Master-System Multi-Master-System

Master ist ein aktiver Kommunikationsteilnehmer,der die Busherrschaft besitzt und• eine Kommunikation einleitet• die Kommunikation steuert• bei den Slaves als Empfänger be-

stimmte Reaktionen hervorruft

Slave ist ein passiver Kommunikationsteilnehmer,• der aufgefordert wird Daten zu empfangen

oder zu senden

IEEE802.4Token-Bus

IEEE802.5Token-Ring

Zugriffsverfahren, Zugriffssteuerung auf gemeinsames Übertragungsmedium

IEEE 802.1 (HILI)

IEEE 802.2 (LLC)

IEEE802.3CSMA/CD

MAC MAC MAC

CSMA/CD - Verfahren (1): Zugriffsverfahren

Station sendebereit

Kanal abhören

Daten sendenKanal abhören

JAM-Signal senden

Warten nachBackoff-Strategie

Kanal frei?

Kollision

• CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Accesswith Collision Detection

CSMA/CD - Verfahren (2): Kollision

Station A

Station B

Station C

Station D

A sendebereit

B sendet

C sendebereit

A sendet

C sendet

Kollision

C sendet

A sendet

zufälligeWartezeit

CSMA/CD - Verfahren (3): Backoff-Strategie

Station A

Station B

Station C

Station D

zufälligeWartezeit(Backoff-Strategie)

A sendebereit

B sendet

C sendebereit

A sendet

C sendet

zufällige Wartezeiten vermeiden Kollision

Token-Bus

Multi-Master-System• Token: Sendeberechtigung• physischer Bus• logischer Ring der Busmaster

Single-Master-System

Token-RingToken, d.h. Sendeberechtigung kreist im Ring

Summenrahmenverfahren

Kopf Datenvon S1

Datennach S2

Datennach S3

Datenvon S4

Datenvon S5 S

Single-Master-System

• Master sendet zyklisch einen Rahmen.• Jeder Slave hat eine feste Position im Rahmen,

aus der er Daten entnimmt oder in die er Daten hineingibt.• Eine Kopfinformation markiert Rahmenbeginn

und enthält Steueranweisungen.• Master empfängt den Rahmen wieder und prüft

über Prüfsumme S die richtige Übertragung.

Kapitel 2.9 Bussysteme

. GrundlagenDefinition :

Ein Bus ist ein Sammelleitsystem zwischen Funktionseinheiten, über das ein Austausch von

Daten, z.B zum Steuern, Melden und Parametrieren stattfindet.

konventionelle Installation

Businstallation

Betrachtung folgender Unterpunkte

• Grundlagen

• Topologie

• Übertragungsverfahren

• Kosten- & Nutzenrechnung

• Software Tools

Bussysteme im Überblick• Funkbussysteme 433 MHz, 868 MHz, etc.

• PHC - PEHA House Control

• EIB - Twisted Pair

• EIB - Powernet

• LCN - Local Control Network

• LON - Local Operating Network

• Döpke – Dupline

• WAGO, Beckhoff, Siemens, Phoenix-SPS

• und viele andere

Bei automatisch arbeitenden Systemen zum

· Schalten,· Steuern,· Regeln,· Anzeigen,· Protokollieren,· Überwachen

und Informieren

können durch programmierbare Installationssystemedie Anforderungen an Flexibilität, Sicherheit, Komfortund Wirtschaftlichkeit erfüllt werden.

Feldbussysteme in der Industrieanwendung

Aktoren /Sensoren

Steuerung

Zellen-steuerung

Leit-stand

Prozeßbus

Sensor-/Aktorbus

Kommunikationsnetze:Lokale Netze:EthernetTokenringTokenbusMAPTOP

Feldbus:BITBUSPROFIBUSDIN-MeßbusSERCOSCANLONINTERBUS

Kommunikationspyramide

Lokale Achsen-

funktionen

Mietbereichs-funktionen

Gebäude-Allgemein-bereichs-funktionen

Liegenschaft- Allgemeinbereichs-

funktionenBeschattung Wetterstationen

Zeitfunktionen

AufbereitungenAuswertungen

VisualisierungBedienung

Störmeldung

Schnittstelle zur Automatisierungsebene

Schnittstelle zur Leitebene

Leitebene

Automatisierungs-ebene

Feldbus

Konven-tionelleElektro-installation

Stromversorgung

Verkabelung

Geräte

Netzwerk

Kommunikationstechnik

Offene KommunikationHerstellerspezifische NetzeCSI ... Closed SystemInterconnection

Standard NetzeOSI ... Open SystemInterconnection

Vorteile: • Optimiert für bestimmteAnwendungsfälle

• International genormt• Herstellerunabhängige Systeme• großer Leistungsumfang

Nachteile: • Inkompatibel zu anderenHerstellern

• EingeschränkteProduktionspalette

• Nicht alle Systeme habensich durchgesetzt

• Höherer anfänglicher Aufwandwegen Standardisierung

Beispiele: • IBM-Ring, Decnet• Sinec L1

• Ethernet, MAP, TOP, LON• BITBUS, PROFIBUS• INTERBUS

Anwendung: • Vernetzung speziellerSysteme

• Zukünftige Systeme, an denenviele Hersteller teilhaben

BITBUSZellen-rechner

Gate-way

Positions-steuerung

Repeater Repeater

E/AE/A

Gate-way

SPS IPC

IntelligentesBedien-TerminalEin-/Ausgabe

Slaves

Sensor/Aktor-Bus

Master

CNC-Maschine

Haupteigenschaften:Topologie: Linienbus an beiden Enden abgeschlossenBuslänge: 300 m bei 375 kbit/s oder 1200 m bei 62,5 kbit/s

Verdreifachung durch 2 RepeaterTeilnehmer: 1 Master, bis 84 Slaves bei 375 kbit/s,

bis 250 Slaves bei 62,5 kbit/s

Medium: Verdrillte ZweidrahtleitungLichtwellenleiter, Infrarotlicht, Funk

Buszugriff: Master / Slave mit zyklischer AbtastungAnwendung: Verbindung intelligenter Teilnehmer

Leitungs-abschluß

Profibus /FMS

Haupteigenschaften:Topologie: Linienbus an beiden

Enden abgeschlossenBuslänge: 1200 mÜbertragungsrate: max. 5000 kbit/sTeilnehmer: max. 32

Medium: verdrillte ZweidrahtleitungBuszugriff: Multimaster mit Tokenpassing

bzw. Master/SlaveAnwendung: durchgehend vom Sensor-/ Aktorbus

bis in die Leitebene

Zellenrechner CNC

Zellenrechner CNC Zellenrechner

Leitebene(Master)

Steuerungs-ebene(Master)

Sensor- /Aktor-ebene(Slaves)

M M...

DIN-Meßbus

Haupteigenschaften:Topologie: Linienbus an beiden Enden abgeschl.Buslänge: 500 m je Bussegment, Stichleitung 5 m

mit ungesteuerten Repeaternbeliebige Verlängerung

Übertragungsrate: 110 bit/s bis 1 Mbit/s

Teilnehmer: 31, kaskadierbar auf max. 4096Medium: Vierdrahtleitung (Hin- und Rückkanal)Buszugriff: Master / SlaveAnwendung: Industrielle Meß- und Prüftechnik,

Betriebsdatenerfassung, CAQ

freieDosen

Leitrechner(Master) Terminal

Barcode-leser

Maschinen-datenerfassung

Prüfdaten-erfassung

Maschinen-datenerfassung

CAN (Controller area network)

Haupteigenschaften:Topologie: Linienbus mit Leitungsabschluß (LA)Medium: verdrillte ZweidrahtleitungBuslänge: 40 m bis 1 kmÜbertragungsrate: max. 1Mbit/s (Buslänge von 40 m),

50 kbit/s (Buslänge bis 1 km)

Teilnehmer: max. 200 CAN-Knoten, an die jeweils mehrere Sensoren / Aktorenanschließbar sind

Buszugriff: Multimaster / CSMA/CAAnwendung: Vernetzung intelligenter Einheiten und

der Sensoren und Aktoren

CAN-Controller

... ...

Neuron NeuronNeuron

NeuronNeuron

Neuron

LON (Local operating network)

Haupteigenschaften:Topologie: LinienbusMedium: Stromleitung, Funk, ZweidrahtleitungBuslänge: bis 1300 m bei ZweidrahtleitungÜbertragungsrate: 9,6 kbit/s (Stromleitung), 4,9 kbit/s (Funk),

78 kbit/s oder 1,25 Mbit/sVerdrillte Zweidrahtleitung)

Teilnehmer: 64 an einem Teilbus, max. 32385Buszugriff: CSMA/CAAnwendung: Steuerung der Gebäudetechnik,

Kraftfahrzeuge, Industrie

Stromleitung Router Funk Router

Beleuchtung SchalterKlima-anlage

Motor fürRolladen

verdrillteZweidrahtleitung

ISP-Feldbus

Haupteigenschaften:Topologie: LinienbusBuslänge: 600 m

(Schätzung für 1,5 Mbit/s)Übertragungsrate: 1,5 Mbit/s

Medium: Zweileitertechnik mitintegrierter Busspeisung

Buszugriff: Multimaster mit TokenpassingAnwendung: durchgehend vom Sensor-/

Aktorbus bis in die Leitebene

Zellenrechner

SPS IPC SPS

Leitebene(Master)

Steuerungs-ebene(Master)

Sensor- /Aktor-ebene(Slaves)

INTERBUS

Haupteigenschaften:Topologie: RingMedium: verdrillte Zweidrahtleitung,

Lichtwellenleiter (LWL)Buslänge: 13 km, 400 m / BussegmentÜbertragungsrate: max. 2Mbit/s (typ 500kbit/s)

Teilnehmer: max. 256 (je Teilnehmer viele Sensorenund Aktoren anschließbar)

Buszugriff: Single-Master / Slave, SummenrahmenAnwendung: Vernetzung der Sensoren und Aktoren

SPS / IPC(Master)

Busklemme(Slave)

E / A (Slave)

S ...SS S

A ...AA A

E / A (Slave)

Bus-segment S ... Sensoren

A ... Aktoren

max. 8TN

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