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Komponenten der Automatisierung

Prof. Dr.-Ing. Th. Schmertosch 1

Komponenten der Automatisierungstechnik Ausgewählte Schwerpunkte

Ausgewählte Schwerpunkte

Schnittstellen zum Steuerungssystem

Dynamische Anforderungen

Feldbus-Systeme

Konfigurationen



Komponenten der Automatisierungstechnik Ausgewählte Schwerpunkte

Feldbus-Systeme

– ASI

– I/O – Link

– HART

– CAN

– Profibus

– Ethernet – basiert



Komponenten der Automatisierungstechnik

Feldbus-Systeme: ASI

AS-Interface

– Start 1990

– Initiative der Firmen

Balluff, Baumer, Elasta, Festo,

ifm electronic, Leuze electronic,

Pepperl+Fuchs, Sick, Siemens,

Turck, Visolux

– Alternative zur herkömmlichen Parallelverkabelung

von Sensoren und Aktoren

– Durch Determinismus und Einfachheit Beschränkung

auf die unterste Steuerungsebene

– Standardisierung in den Normen EN 50295

und IEC 62026-2



CAN DeviceNet FIP Interbus Profibus

Feldebene

Steuerungsebene: SPS, PC, IPC, ...

Master

Slave Slave Slave Slave Slave Slave Slave Slave

Aktor- / Sensorebene

AS-Interface

Slave Slave Slave Slave Slave

Komponenten der Automatisierungstechnik Feldbus-Systeme: ASI

AS-Interface




Netztopologie Keine Beschränkungen in der Struktur




Leitung und Mechanik




Geräte

– Digitale Sensoren

– Analoge Sensoren

– Aktoren




Beispiele




Einsatzgebiete

Quelle: www.as-interface.net




http://www.as-interface.net/



Komponenten der Automatisierungstechnik Feldbus-Systeme

Feldbus-Systeme

– ASI

– I/O – Link

– HART

– CAN

– Profibus




Komponenten der Automatisierungstechnik Feldbus-Systeme: IO-Link

IO-Link

– IO-Link ist seit Anfang 2010 als technisches Komitee (TC6) in der PNO verankert

– Initiative der Profibus Nutzerorganisation e.V. (PNO)

– Die IO-Link- Schnittstelle ist unabhängig von den

Feldbussystemen der PNO

– Lösung für den „letzten Meter“ der seriellen

Kopplung von intelligenten Sensoren und Aktoren

– Standardisierung in der Norm IEC 61131-9

unter der Bezeichnung Single-drop digital communication

interface for small sensors and actuators (SDCI)

Quelle: www.io-link.com




IO-Link Topologie

Quelle: IO-Link_im_Durchblick.pdf, PNO




IO-Link Prinzip

Quelle: IO-Link_im_Durchblick.pdf, PNO




IO-Link Prinzip

– SIO – Standardmodus nach dem Einschalten des Feldgerätes

– SDIC – IO-Link-Modus

Quelle: www.io-link.com/share/Downloads/IO-Link_im_Durchblick.pdf




Geräte

– IO-Link Master

nahezu alle Hersteller von Automatisierungstechnik

– Druck-Sensoren (z.B. IFM)

– Temperatur-Sensoren (z.B. IFM)

– Ventilinseln (z.B. Festo)

– Abstandssensoren (z.B. Balluff)

– ….




Beispiel Fa. Sick

Quelle: sick

Identifikationslösungen

Registration Sensors

Analysatoren und

Systeme

Vision

Sicherheitsschalter

Fluidsensorik

Motor-Feedback-

Systeme

Näherungssensoren

Encoder

sens:Control: sichere

Steuerungslösungen

Systemlösungen

Magnetische

Zylindersensoren

Lichttaster und

Lichtschranken

Optoelektronische

Schutzeinrichtungen

Mess- und

Detektionslösungen

Gasdurchflussmessung




Beispiel Fa. Balluff

1. Profibus-/PROFINET-IO-Link-Modul

2. Profibus-/PROFINET-Modul BNI

3. IO-Link-Sensorhub M12

4. IO-Link-Sensorhub M8

5. Profibus-IO-Link-Schaltwandmodul

6. IO-Link-Farbsensor

7. IO-Link Laser-Distanzsensor

8. IO-Link-Reihenpositionsschalter

9. IO-Link-RFID-System

10. IO-Link-Ventilstecker

11. IO-Link Induktiver Abstandssensor

12. Netzgerät

13. Verbindungskabel




http://www.io-link.com/de/




Feldbus-Systeme

– ASI

– I/O – Link

– HART

– CAN

– Profibus




Komponenten der Automatisierungstechnik Feldbus-Systeme: HART

HART Highway Addressable Remote Transducer

– Start 1980

– Initiative der Firma Rosemount

– Verwendung des 4/20mA Standards für von Sensoren und Aktoren

– Beschränkung auf die unterste Steuerungsebene

– HART Teil der Feldbus-Norm IEC 61158





Quelle

: V

EG

A





Quelle

: S

IEM

EN

S A

G




Wireless HART

– drahtloser Kommunikationsstandard IEEE 802.15.4 (ISM-Band)

– HART-7-Spezifikation normiert in der IEC 62591:2010




Geräte




http://www.hartcomm.org/




Feldbus-Systeme

– ASI

– I/O – Link

– HART

– CAN

– Profibus




Komponenten der Automatisierungstechnik Feldbus-Systeme: CAN

CAN-Bus Controller Area Network

– 1983 von Bosch für die Vernetzung von Steuergeräten in Automobilen entwickelt und

1987 zusammen mit Intel vorgestellt.

Ziel: Um die Kabelbäume (bis zu 2 km pro Fahrzeug) zu reduzieren und dadurch

Gewicht zu sparen

– CAN in Automation (CiA) ist eine Internationale Anwender- und Herstellervereinigung,

zur Verbreitung und Standardisierung von CAN in der Automatisierung

– asynchrones, serielles Feldbussystem

– Standardisierung in der Norm ISO 11898

– Es existieren zahlreiche höhere Protokolle

z.B. CANopen, DeviceNet, SafetyBUS, CANaerospace, EnergyBus …




CAN – Topologie

– Linienstruktur

– Stichleitungen in eingeschränktem Umfang

Quelle:Wikipedia




CANopen

– auf CAN basierendes Kommunikationsprotokoll

– Seit 1995 von der CiA gepflegt und als Europäische Norm EN 50325-4

standardisiert

– CANopen deckt im OSI-Modell die Anwendungschicht (Schicht 7) ab

und nutzt CAN als Schicht-2-Transportmedium

– Kommunikationsobjekte

Servicedatenobjekte (SDO) zur Parametrierung von Objektverzeichniseinträgen

Prozessdatenobjekte (PDO) zum Transport von Echtzeitdaten

Netzwerkmanagement-Objekte (NMT) zur Steuerung des Zustandsautomaten des

CANopen-Geräts und zur Überwachung der Knoten

weitere Objekte wie Synchronisationsobjekt (SYNC), Zeitstempel und Fehler-

Nachrichten (EMCY)

Quelle: CiA




Geräteprofile

– definieren die Funktionalität und den Aufbau des Objektverzeichnisses für die

jeweiligen Geräte

– Ziel: Unabhängigkeit von den Geräteherstellern

– Beispiele

CiA 401 Ein-/Ausgabe-Module

CiA 402 elektrische Antriebe

CiA 404 Sensoren und Regler

CiA 406 Lineare und rotierende Geber (Encoder)

CiA 408 hydraulische Ventile und Antriebe

CiA 410 Neigungssensoren

Quelle: CiA




Electronic Datasheets

– elektronische Datenblätter, sogenannte EDS-Dateien

– Eine EDS Datei beschreibt standardisierten Textformat enthält

Parameter der Objekte der Objektverzeichnisse sowie physikalische

Parameter wie z. B. die unterstützten Baudraten. Beispiel:

– Ziel: Unabhängigkeit von den Geräteherstellern

– Auszug aus einer EDS-Datei




Einsatzgebiete

– Verschiedene, vor allem sicherheitsrelevanten Bereichen

– Automobilindustrie

Vernetzung unterschiedlicher Steuergeräte, Sensoreinheiten und sowie

Multimediaeinheiten

– Automatisierungstechnik

Intelligente Sensoren meist via CANopen

– Medizintechnik

– Flugzeugtechnik

– Raumfahrttechnik

– Schienenfahrzeuge




http://www.can-cia.org/




Feldbus-Systeme

– ASI

– I/O – Link

– HART

– CAN

– Profibus




Komponenten der Automatisierungstechnik Feldbus-Systeme: Profibus

Profibus

– PROFIBUS (Process Field Bus) ist ein Standard für die Feldbus-Kommunikation in der

Automatisierungstechnik und wurde anfangs (1989) vom BMBF gefördert.

Ziel: Realisierung und Verbreitung eines bitseriellen Feldbusses, wofür die Normung

der Feldgeräteschnittstelle die Grundvoraussetzung darstellt

– 1989 Gründung der Profibus Nutzerorganisation e.V. (PNO) in Deutschland

ab 1992 Gründung regionaler Profibus Organisationen

1995 Zusammenschluss aller 27 RPAs zum Profibus & Profinet International (PI)

– asynchrones, serielles Feldbussystem

– 1991/1993 Standardisierung in der Norm in DIN 19245

1996 Überführung in die EN 50170

seit 1999 in der IEC 61158/IEC 61784




PROFIBUS DP (Dezentrale Peripherie)

– zur Ansteuerung von Sensoren und Aktoren

durch eine zentrale Steuerung in der Fertigungstechnik.

– Technische Daten:

Datenrate: bis zu 12 Mbit/s

Anschluss: verdrillte Zweidrahtleitungen und/oder

Lichtwellenleiter

– Für Antriebsgeräte wird das Profil PROFIdrive verwendet




PROFIBUS PA (Prozess-Automation)

– zur Kommunikation zwischen Mess- und Prozessgeräten, Aktoren und

Prozessleitsystem bzw. SPS/DCS in der Prozess- und Verfahrenstechnik

– PROFIBUS PA ist eine PROFIBUS-Variante mit für die Prozessautomation

geeignetem Physical Layer (Übertragungsschicht)

– Topologie:

Über PROFIBUS DP-Koppler werden Segmente (PA-Segmente) mit

Feldgeräten angeschlossen

– Technische Daten:

Datenrate: 31,25 kbit/s

Anschluss: zweiadrige Busleitung für Kommunikationund Energieversorgung

der Teilnehmer (MBP Übertragungstechnik).




PROFIBUS PA (Prozess-Automation)

– Besonderheiten:

– digitale Alternative zur klassischen analogen Verbindung

– durch Leistungsbegrenzung für explosionsgefährdete Bereiche geeignet

– die niedrige Datenübertragungsrate bewirkt hohe Immunität gegen

elektromagnetische Interferenzen sorgt und ermöglicht lange Kabelwege

– im Geräteprofil “PA Devices“ (PA-Profil sind die wichtigsten Funktionen

der Feldgeräte herstellerübergreifend standardisiert




PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification)

– für den Einsatz in komplexen Maschinen und Anlagen

– wurde von DP abgelöst und ist heute nicht mehr Bestandteil der

Internationalen Feldbusnorm




PROFIBUS Applikationsprofile

– Geräteprofile (Device Profiles)

z.B. Roboter, Antriebe (PROFIdrive), Prozessgeräte, Encoder, Pumpen

– Branchenprofile (Industry Profiles)

z.B. Labortechnik oder Schienenfahrzeuge

– Integrationsprofile (Integration Profiles)

zur Integration von Subsystemen wie z.B. HART- oder IO-Link-Systeme

– PROFIsafe

für die Kommunikation sicherheitsgerichteter Geräte mit Sicherheits-

steuerungen bis SIL3

für PROFIBUS und PROFINET in der Norm IEC 61784-3




Profibus DP – Topologie

– Linienstruktur

– Stichleitungen in eingeschränktem Umfang

Quelle: Google




Profibus DP – Topologie

Quelle: Siemens AG




Profibus PA – Topologie

Quelle: Prifibus Foundation




http://www.profibus.com




Feldbus-Systeme

– ASI

– I/O – Link

– HART

– CAN

– Profibus




Komponenten der Automatisierungstechnik Feldbus-Systeme: Ethernet basiert

Warum Ethernet auf der Feldbusebene?

– Bussysysteme auf Basis RS485 sind unzureichend für moderne Anwendungen

• Geringe Bandbreite

• Eingeschränkte Wahl der Topologie

– Ethernet ist eine sichere Investition

• Hohe Performance, gesteigerte Produktivität

• Herstellerunabhängig

• Bewährte Technologie

– Standardisierung in der Norm IEEE802.3

– Es existieren zahlreiche höhere Protokolle

Quelle: Source IMS Research 2013




Welcher Ethernet-Feldbus ist der richtige?

– Entscheidungskriteritum: Technologischen Anforderungen

Beispiel

Zykluszeit praktisch: ab 200µs theoretisch: begrenzt durch Physik

Jitter <100ns

Paketgröße >64 Byte, <1500Byte

Topologie Linie, Stern, Baum, Ring

Asynchrone Bandbreite Byte pro Zyklus bei gegebener Maximum Transfer Unit

Gigabit Readyness Protokoll funktionsfähig auf Gigabit Physik

Redundanz Ringredundanz, Kabelredundanz, Masterredundanz

Kompatibilität Zum Beispiel zu OPC/UA oder CANopen

Störunempfindlichkeit Offene Kontaktpunkte wie zum Beispiel Schleifringe

Profilunterstützung DS40x

Quelle: EPSG 2014


Prof. Dr.-Ing. Th. Schmertosch 49 Komponenten der Automatisierungstechnik

Ethernet-basierter Feldbus


– Entscheidungskriteritum: mechanische und elektrische Konstruktion

Beispiel

Räumliche Verteilung Entfernung der Komponenten, Kabelaufwand,

Übertragungsgeschwindigkeit (can, RS485)

Physikalische Verbindung Kupfer (4 Draht / 2 Draht), LWL, Wifi, ...

Steckersystem RJ45, M12, …

Baugröße Stecker, Schnittstelle

Standardisierung und Richtlinien IEC, IEEE, …

Infrastrukturkomponenten Standard oder proprietäre Komponenten für

Kabel, HUB, Switch





– Entscheidungskriteritum: Wirtschaftlichkeit

Beispiel

Businessmodell

Beschaffungs- und Herstellungskosten

Zugang zur Technologie

Engineeringaufwand

Inbetriebnahmeaufwand

Wartungsaufwand

Diagnose und Fernwartung

Herstellerunabhängigkeit

Quelle: EPSG 2014





– Entscheidungskriteritum: Arbeitsweise

– Vergleichbar sind nur Systeme mit annähernd gleichem Zeitverhalten

• EtherCAT

• SERCOS III,

• POWERLINK

• PROFINET IRT

• EtherNet/IP

– Grundsätzliche Arbeitsweise

• Ein Master kontrolliert das Zeitgeschehen (EtherCAT, SERCOS III, POWERLINK)

• Synchronisierte Switches steuern die Kommunikation (PROFINET IRT)

• Per CIP Sync wird nach IEEE 1588 eine Zeitinformation im Netz verteilt (EtherNet/IP)




Ethernet-Feldbus - Technologie

– Standard Ethernet ist unberechenbar

– Kollisionen oder Switche erzeugen ein nicht-deterministisches Verhalten





– Standard Ethernet ist nicht deterministisch

• Geeignet für Büroanwendungen

• Nicht für zeitkritische Anwendungen gedacht

– Real-time Ethernet wird benötigt für

• Kritische Prozesse, Controller und Sensor Systeme





– Standard Ethernet ist nicht deterministisch

– Wege zur Echtzeitfähigkeit

• Standard Ethernet mit dedizierten Protokollen

• Dedizierte Hardware

Quelle: EPSG 2014





– Zwei unterschiedliche Ansätze

• Single Frame

PROFINET, EtherNet/IP, POWERLINK

• Summation Frame

SERCOS III, EtherCAT





– Echtzeitfähigkeit basierend auf IEEE802.3

• Single Frame

Polling Mechanismus

Netzwerk synchronisiert auf den SoC

Quelle: EPSG 2014





– Echtzeitfähigkeit auf dedizierter Hardware

• Summation Frame

Ein Frame für alle Informationen (Synchron / Asynchron)

Netzwerk wird beim Hochlauf synchronisiert

Quelle: EPSG 2014




Ethernet-Feldbus - Systemvergleich

– Anforderung: Freie Wahl der Topologie

• 100% freie Wahl der Topologie: Linie, Stern, Baum, Ring

• Keine Einschränkungen bei Systemerweiterungen

Single Frame Effizient und unabhängig von der Topologie, generiert allerdings einen geringen Overhead

Keine spezielle Hardware notwendig

Summation Frame Effizient bei Linienverdrahtung aber limitiert in anderen Topologien

Spezielle Hardware notwendig

Quelle: EPSG 2014





– Anforderung: Gesamtperformance

steht in starker Abhängigkeit zu

Anzahl an zu übertragenden Bytes

Topologie

Settings

Quelle: EPSG 2014





– Anforderung: Elektromagnetische Verträglichkeit

Single Frame Prinzip ist sehr robust auch bei einer hohen Anzahl an Stationen

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0 0 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5

Av

era

ge n

um

ber

of

lost

bit

s p

er

cycle

Summenrahmen (z.B. EtherCAT) Einzeltelegramme (z.B. POWERLINK,

PROFINET)





– Downlaod: http://www.ethernet-POWERLINK.org/

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