Prozessrechner - TUHH

Automation und Prozessrechentechnik
Sommersemester 2011
Datenverbindungen, Bussysteme
Vorlesung „Automation und Prozessrechentechnik“, Kapitel „Datenverbindungen“
Prof. Dr.-Ing. G. Ackermann, TUHH, 2011
Prozessrechner
Selbstüberwachung
Prozess-rechner
speziell
Prozessrechner
binäre I/O
(Kontakte, Relais usw.)
auch im Büro
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D A D A
analoge I/O
(Messwerte, Stellgrößen)
zu und von
anderen
Rechnern
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Beispiel für eine verteilte Automation
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dezentrale Rechner in einem Schaltschrank
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Motive und technische Voraussetzungen
Kosten:
A) zentraler Rechner, jeder Sensor über Kabel mit dem zentralen Rechner verbunden
B) viele kleine Rechner, die lokal die Messwerte „einsammeln“ und vorverarbeiten,
dann über einen Datenbus an eine Zentrale leiten
Heute ist B) billiger. Außerdem ist B) modularer, also flexibler an die Anforderungen
und den Umfang einer Anlage anzupassen.
Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit:
A) Bei Ausfall des zentralen Rechners ist eine große Anzahl von Automatisierungsfunktionen
nicht verfügbar. Handbetrieb möglich??
B) Ein Ausfall beeinträchtigt nur einen Teil aller Funktionen. Handbetrieb eher möglich.
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Beispiel für eine verteilte Automation
Bussystem redundant
mehrere Bildschirme
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Basissystem
mit eigenem Bus
Automatisierungsfunktionen aufgeteilt
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Basissystem
mit mehreren
Bedientableaus
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Bussystem: Prinzip
• mehrere parallele Leitungen (meist zwei + ggf. Ausgleichs/Erdleitung),
• an die alle Teilnehmer parallel angeschlossen sind
• und nach definierten Regeln untereinander (binäre) Daten austauschen.
Prinzip:
Nur einer darf senden, alle dürfen hören.
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Bussystem: Prinzip
Das Regelwerk für ein Bussystem wird Protokoll genannt. Es enthält Regeln z. B. zu:
• Leitungsart, Spannungen und Ströme, was ist „0“ und was ist „1“.
• Wie wird eine Reihe von Bits übertragen, was passiert bei Übertragungsstörungen?
• Wie wird die Bedeutung der Daten definiert?
•......
• Wie wird geregelt, wann wer senden darf?
• Was passiert, wenn ein Teilnehmer ein- oder ausgeschaltet wird?
•.....
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Es ist also sehr viel festzulegen,
das muss geordnet werden.
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Idee der Schichten 1
A schreibt einen Brief an B
Sprache, Terminologie,....
Zeichensatz (Lateinisch, Sütterlin, Brailleschrift)
gibt ihn zur Post erhält ihn von der Post
Müssen sich A und B darum kümmern, oder
auch nur wissen, wie die Post den Briefumschlag befördert?
(Bahn, Lkw,...)? Nur die zugesicherte Leistung ist wichtig:
„Kommt am nächsten Tag an, wenn....“
Muss (oder darf) die Post wissen, was sich in dem Briefumschlag
befindet?
Nur die spezifizierten Beförderungsbedingungen müssen
eingehalten sein!
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Idee der Schichten 2
A schreibt einen Brief an B
Sprache, Terminologie,....
Zeichensatz (Lateinisch, Sütterlin, Brailleschrift)
stellt Dienst zu Verfügung
Die Post kann ihre Beförderungsarten ändern, ohne dass das
der Nutzer des Dienstes merkt, sofern der Dienst erbracht wird.
Sendendes Postamt Empfangendes Postamt
diverse Verabredungen zu Terminen, Lademöglichkeiten
Bundesbahn, Fluggesellschaften.....
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Schichten-Modell
Die verschiedenen „Regeln“ innerhalb eines Protokolls werden in Schichten eingeteilt
Sender
Methode 1, um ein
Byte zu übertragen
Methode 1, um ein
Bit zu übertragen
Methode 2, um ein
Bit zu übertragen
Diese Methode 1 kann durch
Methode 2 ersetzt werden,
ohne dass die übergeordneten
Schichten davon beeinflusst sind!
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ISO-OSI-Referenzmodell 1
Schicht 3
Schicht 2
Schicht 1
Wie wird Block von
Bits übertragen?
Wie wird physikalisch
ein Bit übertragen?
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Empfänger
Methode 1, um ein
Byte zu übertragen
Methode 1, um ein
Bit zu übertragen
Das Referenzmodell ist eine Art Gliederung für die Spezifikation
von Datenübertragungs-Protokollen, 7 Schichten sind definiert.
Interface 3/4
Interface 2/3
Interface 1/2
Schicht 3 Protokoll
Schicht 2 Protokoll
Schicht 1 Protokoll
physikalisches Medium
Methode 2, um ein
Bit zu übertragen
Schicht 3
Schicht 2
Schicht 1
Es sind nicht immer Aufgaben auf allen Ebenen zu erfüllen,
deshalb sind bei vielen Protokollen einzelne Schichten nicht vorhanden.
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ISO-OSI-Referenzmodell 2
7: Application Layer, Verarbeitungsschicht (Anwendungsschicht, Anwenderebene): File-
Transfer, E-mail, Virtual Terminal (Remote login), Directory usw.
6: Presentation Layer, Darstellungsschicht (Datendarstellungsschicht, Datenbereitstellungsebene):
Standardisierte Datenstrukturen (u. a. Kodierung, Kompression)
5: Session Layer, Kommunikationsschicht (Kommunikationssteuerungsschicht, Steuerung
logischer Verbindungen, Sitzungsebene): Hilft Zusammenbrüche der Sitzung und
ähnliche Probleme zu beheben
4: Transport Layer Transportschicht (Ende-zu-Ende-Kontrolle, Transport-Kontrolle): Stellt
höheren Schichten zuverlässige Ende-zu-Ende-Verbindungen (zwischen Sender und
Empfänger) zur Verfügung
3: Network Layer, Vermittlungsschicht (Paketebene, Netzwerkebene): Routing der
Datenpakete
2: Data Link Layer, Sicherungsschicht (Verbindungssicherungsschicht, Verbindungsebene,
Prozedurebene): Aufteilung des Bitstromes in Einheiten (Pakete) und Austausch dieser
Einheiten unter Anwendung eines Protokolls
1: Physical Layer, Bitübertragungsschicht (physikalische Ebene): Übertragung des
Bitstromes über einen Kommunikationskanal. Standardisierung der Netzwerk-Leitungen
und -Anschlüsse sowie ihrer physikalischen Eigenschaften.
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Internet-Protokollstack als Beispiel
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Einige Feldbussysteme
FILBUS BITBUS WorldFIP PROFIBUS-DP CAN
typ. Geschwindigk. 375 Kbit/s 375 Kbit/s 1 Mbit/s 500 Kbit/s bis 1 Mbit/s
max. Anzahl Knoten
mit Verstärker
250 250 256 127
ohne Verstärker 32 32 64 32 30
max. Entfernung
mit Verstärker
13,2 km 13,2 km >10 km
ohne Verstärker 1,2 km 1,2 km 2 km
100 m 12 Mb/s
1,2 km 94 Kb/s
40m 1Mb/s
1km 20 Kb/s
Zugriffsverteilung Master/Slave Master/Slave Bus Arbiter Token passing CSMA
Kabeltyp Twisted pair Twisted pair Twisted pair Twisted pair Twisted pair
Header
Datengröße
Vorteile
Hauptanwendungen
1 bis 256
Byte
Ereignisgesteuerte
I/0 Software
in Modulen
Fernabfrage
I/0 Datenerfassung
1 bis 13 oder 52
Byte
Sehr verbreitet
Knoten
programmierbar
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Zur Signalausbreitung
Busabschluss!
1 Bit
20 m
intelligente I/0
Module Prozesssteuerung
1 bis 128 Byte 250 Byte 8 Byte
Verteilte
Datenbasis,
sehr
deterministisch
v 0,7c 200m/ s
Prozess- und
Maschinensteuerung
in
Echtzeit
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Sehr verbreitet,
leistungsfähiges
Signalisierungs-
Verfahren
Datenaustausch
zwischen SPS,
Fabriken
Beispiel: 10 MBit/s, also 1 Bit ist 20 m lang. Es befinden sich somit immer
mehrere Bits hintereinander auf dem Weg vom Sender zum Empfänger.
Max. Länge ist deshalb oft abhängig von Datenrate.
kostengünstig,
für Kurzmitteilungen
geeignet
Sensoren und
Stellglieder,
Kfz-Bereich
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Zum Busabschluss 1
Wegen Induktivität und Kapazität des
Kabels bedeuten Strom und Spannung
Energie
1 2
W Li 2
1 2
W Cu 2
Die räumliche Bewegung eines Bits
ist somit die Bewegung von
Energie (= Leistung).
An einem offenen Kabelende ist i = 0, also P = 0.
Das Energie-Paket wird reflektiert.
(Bei einem Kurzschluss ist u = 0).
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Zum Busabschluss 2
Durch die Reflektion ist die Spannung
am Empfänger die Überlagerung
des Original-Signals und des reflektierten
Signals.
Also: Signal unbrauchbar! von S gesendet
Abhilfe: Die Leitung muss mit einem Widerstand
abgeschlossen werden, der genau zu der
Leitung passt und die ankommende Energie
absorbiert:
Wellenwiderstand
(Der Wellenwiderstand hat nichts mit dem
ohmschen Widerstand der Leitung zu tun!)
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von E gelesen
' '
Z L C
P=u• i P=u• i
Z = 50 ... 120
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Asynchrone serielle Datenübertragung (UART)
Basis für viele Feldbussysteme (z. B. auch Profibus),
aber auch Punkt-zu-Punkt-Verbindungen (z. B. COM-Port am PC)
verschiedene Bit-Definitionen gebräuchlich, z. B.:
Standard RS232 (nur für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen)
Empfänger
Sender
Sender
Empfänger
U
Standard RS485 (für Bussysteme)
Sender
Empfänger
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U
„0“: + 3 V < U < + 15 V
„1“: - 15 V < U < - 3 V
• elektrisch symmetrisch
• Tristate
• Bitdefinition durch U, I
Asynchrone serielle Datenübertragung (UART) 1
Asynchron: „Es gibt kein gemeinsames Taktsignal“. Übertragung byteorientiert
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a) Start mit einer „0“-“1“-Flanke
b) Datenbits (Start LSB)
c) Prüfbit (Parity) ggf.
d) Abschluss mit „0“
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e) frühester Beginn des nächsten
Startbits
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Asynchrone serielle Datenübertragung (UART) 2
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Zwischen Sender und Empfänger muss
vereinbart sein:
• Datenrate bit/s (entspricht Baudrate)
• LSB zuerst
• Anzahl Datenbits (meist 8)
• Prüfbit: Gerade oder ungerade
Parität (Gesamte Anzahl der „1“)
• Anzahl Stoppbits (meist 1)
Der Empfänger startet mit der erkannten „0“-“1“-Flanke einen Taktgeber mit
der vereinbarten Bitrate.
Bei erstmaligem Einschalten eines Gerätes oder nach Störungen könnte eine
„0“-“1“-Flanke innerhalb der Daten fälschlicherweise als Start erkannt werden.
Meisten passen dann aber Parity und Endebit nicht.
Profibus 1
Profibus:
Feldbus, 1989 von einem Firmenkonsortium definiert,
genormt in DIN 19245, IEC 61158 und IEC 61784.
Zweidrahtleitung (+ Ausgleichsleitung), RS485
Teilnehmer 1 Teilnehmer 2 Teilnehmer n
Grundsatz: Es darf zu jeder Zeit nur ein Teilnehmer senden, alle dürfen hören.
aktiver Teilnehmer: senden „ungefragt“
passive Teilnehmer: senden nur „gefragt“
Einfachster Fall: Es gibt einen Master am Bus, der der aktive Teilnehmer ist
(Master/Slave-Verfahren).
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Profibus 2
Zweidrahtleitung (+ Ausgleichsleitung), RS485
Teilnehmer 1 Teilnehmer 2 Teilnehmer n
Jeder Teilnehmer hat eine feste Adresse in seinem Speicher.
Der Master sendet an einen Slave (z. B. einen Sensor), von dem er Daten
abfragen möchte, eine Anforderung.
Der Slave antwortet darauf mit den gewünschten Daten.
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Profibus: Beispiel für ein Telegramm
SYN: mindestens 33 Bit Ruhe
SD3: Startbyte 3, (3 = Formatnr. des nachfolgenden Teils)
DA: Zieladresse (Destination)
SA: Absenderadresse (Source)
FC: Kontrollbyte
DATA_UNIT: Datenfeld, feste Länge 8 Byte (L = 11 Byte)
FCS: Prüfbyte (entsprechend Parity)
ED: Endebyte
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Profibus: Zum Zeitverhalten
Jeder Teilnehmer sieht sich die Adresse DA an. Nur der angesprochene
Teilnehmer antwortet.
Zeitverhalten:
• Anfrage des Masters
• Slave bereitet Antwort auf
• Slave sendet Antwort
• oder Abbruch wegen
Zeitüberschreitung
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einige Zuteilungsverfahren
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bei n-Teilnehmern wird dies
n-fach wiederholt.
Somit ist die maximale Verzögerung
z. B. für eine Alarmmeldung eines
Slaves gegeben.
Master/Slave: Ein fester Master koordiniert alles. Bei Ausfall des Masters ist
keine Kommunikation mehr möglich. Sehr übersichtliches und robustes Verfahren.
Token passing: Es wird eine „Spielmarke“ zwischen den Teilnehmern herumgereicht.
Der Inhaber der Spielmarke ist der aktuelle Master. Es kann eine maximal
zulässige Zeit festgelegt werden, für die ein Teilnehmer den Token halten darf.
Bei Ausfall des aktuellen Masters: Generierung eines neuen Token.
Collision detection: (z. B. Ethernet) Jeder darf senden, wenn er sieht, dass es keine
Aktivität auf dem Bus gibt. Jeder liest seine gesendete Nachricht mit und erkennt,
wenn bei gleichzeitigem Senden eine Verfälschung eingetreten ist. Dann
Wiederholung nach einer Zeit, die. z. B. durch einen Zufallsgenerator bestimmt ist.
Collision avoidance: (z. B. CAN) Im Unterschied zu Collision detection gibt es ein
dominantes Zeichen, z. B. „0“. Ein paralleler Sendeversuch wird nur von
demjenigen erkannt, der zuerst eine „1“ senden möchte, dieser verzichtet dann.
Das (dominante) Telegramm bleibt unverfälscht.
Zeitmultiplexverfahren: (z. B. TTP) Jeder Teilnehmer hat einen bestimmtes
Zeitfenster; Uhren werden dazu genau synchonisiert.
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Lichtwellenleiter: Arten
übliche Werte:
Kern: 50 m Durchmesser
Mantel: 125 m Durchmesser
Wellenlänge: 660, 850, 1300, 1550 nm (Infrarot)
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Lichtwellenleiter: Bandbreite
Problem bei Multimodefasern:
Die einzelnen Wege sind unterschiedlich lang.
Folge:
Kurze Impulse fließen ineinander.
gesendet
nach etwas Länge
nach großer Länge
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übliche Werte:
Kern: 9 m Durchm.
Frequenz • Länge ist Kenngröße
20 MHz km 1 GHz km >10 GHz km
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Lichtwellenleiter: „Bussystem“
Zur Übertragung von Daten wird je Richtung eine Faser eingesetzt.
Eine physikalische Busstruktur gibt es nicht.
Logisch wird ein Bus so realisiert, dass jeder Teilnehmer die empfangenen Signale
mit seinem Sender weiterleitet.
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