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    Scientific Toolbox : Data Acquisition

    Template: ”Vorlesungsbegleitendes Skript, PDV1, Technische Fachhochschule Berlin vom 19.4.06”

    Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft Heinz Junkes (junkes@fhi-berlin.mpg.de)

    In 2006 I prepared this script for my course PDV (Prozessdatenverarbeitung) at the Technical University of Applied Sciences (now named Beuth Hochschule für Technik Berlin), I didn’t pursued this topic for longer.

    For my first IMPRS course I made an update and translation of some existing chapters into Eng- lish. Unfortunately I had no time to revise everything again, and therefore some inconsistencies in the script may be found. Please consider it as a first draft. This version is on progress and I am grateful for all comments and suggestions.

    1

  • Inhaltsverzeichnis

    1 PDV 1 Themenübersicht 5

    2 Was heißt Prozessautomatisierung 7 2.1 Definition einiger Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

    2.1.1 Technischer Prozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.2 Prozessautomatisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.3 Ziele der Automatisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.1.4 Grenzen der Automatisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.1.5 Prozessleittechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.1.6 Prozessinformatik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.1.7 Echtzeitsystem (Realzeitsystem) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.1.8 Automatisierungsrechner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.1.9 Automatisierungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.1.10 Rechnereinsatzarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

    2.2 Automatisierung technischer Produkte und technischer Anlagen . . . . . . . . . 24 2.2.1 Arten von Automatisierungssystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

    3 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 29 3.1 Automatisierungs-Computer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

    3.1.1 Speicherprogrammierbare Steuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.1.2 Mikrocontroller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.1.3 Industrie-Rechnersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.1.4 Single board computer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.1.5 VMEbus/cPCI/ATCA systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.1.6 Board- vs. Box-based Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.1.7 Tradeoffs and considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.1.8 Prozessleitsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

    3.2 Automatisierungs-Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.3 Automatisierungs-Hierarchie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.4 Verteilte Automatisierungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.5 Automatisierungsstrukturen mit Redundanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

    3.5.1 Hardware-Redundanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.5.2 Software-Diversität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

    4 Prozessperipherie 59 4.1 Schnittstellen zwischen dem technischen Prozess und dem Prozessrechnersystem 59

    4.1.1 Arten von Schnittstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.1.2 ASi – Beispiel für einen Sensor-/Aktor-Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

    4.2 Sensors and Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.3 Representing the process data in computer systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.4 In-/Output of analog signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

    4.4.1 Analog-Digital-Converters (ADC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.4.2 Digital-Analog-Wandler (DAC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

    4.5 Ein-/Ausgabe von binären und digitalen Signalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.6 Feldbussysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

    4.6.1 Eigenschaften und Einsatzgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

    3

  • Inhaltsverzeichnis

    4.6.2 Schnittstelle von Anwendungen und Kommunikationssystem . . . . . . . 83 4.6.3 Die PROFIBUS-Familie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 4.6.4 CAN-Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.6.5 LON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.6.6 Interbus-S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.6.7 ASI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.6.8 Weitere Feldbusse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

    4.7 Other (more or less popular) communication interfaces . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.7.1 Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.7.2 Serial Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.7.3 Wireless . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

    5 Echtzeitprogrammierung 103 5.1 Merkmale von Realzeitsystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 5.2 Synchrone Programmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

    5.2.1 Vorgehensweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.2.2 Vorteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.2.3 Nachteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

    5.3 Asynchrone Programmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.3.1 Das Modell der ”Quasiparallelität” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.3.2 Das Modell der ”Parallelität” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

    6 Echtzeitbetriebssysteme 109 6.1 VxWorks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 6.2 RTEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

    7 Programmiersprachen für die Prozessautomatisierung 111 7.1 Definition einiger Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

    7.1.1 Klassifizierung anhand des Programmiermodells . . . . . . . . . . . . . . 111 7.1.2 Program language C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

    8 Data aquisiton software/frameworks 115 8.1 LABView and MATLAB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

    8.1.1 Critism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 8.2 ROOT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 8.3 TANGO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 8.4 EPICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

    8.4.1 EPICS Getting started . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 8.5 Control System Studio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

    9 Anhang 193 9.1 Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

    4

  • 1 PDV 1 Themenübersicht

    In dem Kapitel ”Was heißt Prozessautomatisierung” wird als erstes erläutert, was man un- ter einem Realzeitsystem versteht und welche Bedeutung der Automatiserungsgrad hat. Es werden unterschiedliche Rechner-Einsatzarten aufgezeigt und die Unterscheidung zwischen Produktautomatisierung und Anlagenautomatisierung vorgenommen. Die Bestandteile eines Automatisierungssystems werden vorgestellt und dabei die unterschiedlichen Ebenen und ihre Anforderungen aufgezeigt. Danach werden einzelne Vorgänge klassifiziert und Darstellungs- arten für Automatisierungssysteme besprochen.

    In dem Kapitel ”Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen ” werden die unterschiedli- chen Automatisierungscomputer vorgestellt und die besondere Arbeitsweise einer Speicherpro- grammierbaren Steuerung (SPS) dargestellt. Es wird zwischen zentralen und dezentralen Struk- turen unterschieden. Es werden Kombinationen von Automatisierungsstrukturen, Automatisie- rungshierarchien und deren Anforderungen aufgezeigt. Dezentrale Automatisierungssysteme und die Grundstrukturen der Kommunikation werden untersucht. Es wird zwischen offenem und einem geschlossenem Kommunikationssystem unterschieden. Der Begriff der Redundanz wird mit den verschiedenen Arten von Hardware-Redundanz vorgestellt und die Bedeutung von (Software-) Diversität erläutert.

    Das Kapitel ”Prozessperipherie ” behandelt die Schnittstellen in einem Automatisierungssys- tem. Stellt Sensoren und Aktoren vor und und wie diese aufgebaut werden. Die Datendarstel- lung in Automatisierungscomputern wird besprochen und wie eine Analog-Digital-Umsetzung und Digital-Analog-Umsetzung durchgeführt werden kann. Unterschiedliche Umsetzer-Real- isierungsformen werden aufgezeigt, sowie die Realisierungsmöglichkeiten digitaler Ein- und Ausgabe von Prozesssignalen. Feldbussysteme werden mit ihren untersch