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PLT Basic: Instrumentierung & Kommunikation
VL PLT1
Technische Universität Dresden Professur für Prozessleittechnik
PLT Basic: Instrumentierung & Kommunikation
VL PLT1
Technische Universität Dresden Professur für Prozessleittechnik
Einordnung ins Automatisierungsmodell
23.4.2013 3
[DIN 19222]
Feldebene: Informations- gewinnung und -nutzung
Übersicht
• Elemente der Feldebene – Sensoren, Aktoren
• Anforderungen, Auswahl • Grundstruktur Messgeräte
– Messwertgeber, Messumformer • Geräteintegration
– Parametrierung und Konfiguration)
VL PLT-1 23.4.2013 4
Instrumentierung - Sensorik
23.4.2013 VL PLT-1 5
[www.abb.de] [www.siemens.de]
[www.de.endress.com
Instrumentierung - Aktorik
23.4.2013 VL PLT-1 6
[www2.emersonprocess.com] [www.samson.de] [www.ksb.com]
Begriff Instrumentierung
• alle Vorgänge in den Lebensphasen des verteilten Automatisierungssystems, die einen Umgang mit dem Feldgerät (logisch oder physisch) erfordern
• Überführung der funktionalen Anforderungen aus der Verfahrenstechnik (Mess-, Regel-, Stellfunktion) in gerätetechnische Anforderungen (Spezifikation, Auslegung)
• bestellfertige Auswahl der Mess- und Stellgeräte • Bestellung, Fertigung, Auslieferung (Überwachung, Expediting) • Inbetriebnahme und Konfiguration (Parametrierung) • Betrieb und Instandhaltung
23.4.2013 VL PLT-1 7
Instrumentierung - Aspekte
23.4.2013 VL PLT-1 8
Zusammensetzung
Auswahl
Netzwerkkonfiguration
Kanalbelegung
Betrieb und technische Betreuung
Akteur Anwendungsfestlegung
Anwendungsinbetriebnahme
<<include>>
[Wollschlaeger, 2012]
Instrumentierung - Aspekte
23.4.2013 VL PLT-1 9 [Wollschlaeger, 2012]
• Anwendungsfestlegung – Festlegung der Interaktion mit dem Prozess – Festlegung der automatisierungstechnischen Funktion
• Auswahl – Auswahl von Geräten bei der Planung – Nutzung von unterschiedlichen Kriterien
• Physikalisches Wirkprinzip, Einsatzbedingungen • Kommunikationsanschluß • Kosten, Vorzugshersteller,Service
• Schrittweise hardwaretechnische Zusammensetzung eines Feldgerätes
– Fertigung (Bauteile, Gehäuse) – Zusammenbau bzw. Kombination von Modulen – Montage, Verkabelung, Verdrahtung
Instrumentierung - Aspekte
23.4.2013 VL PLT-1 10 [Wollschlaeger, 2012]
• Netzwerkkonfiguration und Kanalbelegung – Einbindung in das Kommunikationssystem – Zuordnung der Kanäle aus Sicht der Funktionsfestlegung zu
den vom Gerät bereitgestellten Meß- und Stellgrößen • Anwendungsinbetriebnahme
– Überführung in den Betriebszustand • Programmierung, Konfigurierung, Parametrierung
• Betrieb und technische Betreuung – Diagnose des Gerätes – Wartung / Instandhaltung (Reparatur, Austausch) – Update / Upgrade – Archivierung, Dokumentation – Analyse, Führung bzw. Optimierung des Prozesses – Asset Management
TI
LI
Instrumentierung – Realisierung von Anforderungen • Sensoren: Messen von
Prozessgrößen – Druck, Temperatur – Durchfluss, Menge – Füllstand, Gewicht – Abstand, …
• Aktoren: Stellen von Energie- und Stoffströmen
– Ventil, – Motor, Pumpen
23.4.2013 VL PLT-1 11 AT-Realgerät Anforderung (VT, Konstruktion, Rohrleitung, Sicherheit)
FI
Instrumentierung - Anforderungen
• Zuverlässigkeit - Ausfallsicherheit der Instrumente muss den Betriebsanforderungen der Anlage erfüllen
• Prozessbedingungen - Instrumente müssen unter den Einsatzbedingungen (Prozess, Umwelt) funktionsfähig sein
• Kundenanforderungen - Berücksichtigung von Vorgaben bzgl. Hersteller, Kommunikationsart
• Integrierbarkeit - mögliche Integration in bestehende Strukturen
• Energieverbrauch - Minimierung bzw. Bilanzierung der Energieverbräuche (Elektro, Luft)
• Kostenbestimmung – Vergleich verschiedener Hersteller zu Minimierung der Kosten; Berücksichtigung von weiteren Kostenfaktoren (Montage, Wartung,…)
23.4.2013 VL PLT-1 12 [nach Bindel, Hofmann 2009]
Instrumentierung – Realisierung von Anforderungen
23.4.2013 VL PLT-1 13 Urbas/Doherr © 2010 CAE@PA Folie 13
Verfahrenstechnik - Stoff- und Prozessdaten - Ex-Bereiche (Sicherheit) - Sicherheitsrelevante Mess- u. Stellfunktionen
Instrumentierung - Analyse, Auslegung, Berechnung
- Gerätespezifikation - Vorauswahl
Hersteller (Katalog) - Analyse, Auswahl - Nachrechnung - Angebotserstellung
Prozessanlage
Anfrage, später evtl. Bestellung
Angebot, später evtl. Lieferung
Montage, Inbetriebnahme
Prozessführung
Anforderungen
Anpassungen (z.B. Nennweite)
Grundstruktur Messumformer
• Messwertgeber: Wandlung in elektrisches Signal oder elektrisch messbare Ersatzgröße
– Z.B. Druck Spannung, Weg Widerstand, Volumen Kapazität, Temperatur Widerstand, …
• Vorverarbeitung in Sensor (oder PLS) – Verstärken, Filtern, Linearisieren, Radizieren, Skalieren, Normieren
Einstellbare Parameter zur Anpassung an Anforderung! • Übertragen zur Leitebene (analog oder digital)
– Interoperabilität genormtes Einheitssignal
VL PLT-1
Prozess Mess- wert- geber
Vor- verarbeitung
Physikalische Größe
elektrisches Signal
genormtes Ausgangs- signal
Hilfsenergie
Messumformer
23.4.2013 14
Instrumentierung – Geräteintegration
23.4.2013 VL PLT-1 15
PA-Device Valve
PA-Device Transmitter Devices Devices PA-Device
Analyzer
SPS Master C1
Engineering/Maintenance
Master C2
Lesen und Schreiben von IO-Daten
Konfiguration Prozess-Daten Alarme
Anwenderprogramm mit Zugriff auf die Prozess-Signale durch Prozess-Abbild
Diagnose Status/Control Parametrierung
Inbetriebnahme und Anlagen-
diagnose
[PROFIBUS International]
PLT Basic: Instrumentierung & Kommunikation
VL PLT1
Technische Universität Dresden Professur für Prozessleittechnik
Einordnung ins Automatisierungsmodell
23.4.2013 17
[DIN 19222]
Übersicht
• Einführung • Analoge Prozesswertkommunikation
– Strom- und Spannungssignale – Zwischenlösung: HART-Protokoll
• Digitale Feldbusse – Grundprinzip – Synchroner & Asynchrone Kommunikation
VL PLT-1 23.4.2013 18
Einführung
• Aufgaben der Kommunikationseinrichtungen – physikalisch informationstechnische Verbindung
vieler Datenquellen mit meist einer Datensenke und umgedreht
– „Nervensystem einer technischen Anlage“
23.04.2013 VL PLT-1 19
Automatisierungs- system
Prozessleittechnik
Prozess- automatisierung
Einführung • Kommunikation in der Prozessindustrie – Aufgabe
22.04.2013 Falk Doherr - DAK Folie 20 (nach [Schwibach 2009])
Geschäftsprozesse
Anlage / Produktionsprozess
Produktionsplanung Produktionslogistik
Prozessoptimierung Instandhaltung
Sensoren / Aktoren Basisautomatisierung (PLS, SPS)
OPC
Wireless
Feldbus
konv. Verdrahtung
HART
TCP/IP Ethernet
Einführung
• Anforderungen an Kommunikationseinrichtungen – so sicher und verfügbar wie möglich und so schnell
wie nötig – Im Normalfall: unidirektionale Übertragung meist
einer Information pro Feldgeräte – Im Wartungs- bzw. Fehlerfall: bidirektional
Übertragung vieler Diagnose- und Parameterinformationen
zur Verbesserung der Verfügbarkeit wird dies immer mehr auch zum Normalfall (Erkennung der Ursachen von Ausfällen bevor sie passieren und nicht nur Detektion ihrer Auswirkungen)
23.04.2013 VL PLT-1 21
Motivation und Zielsetzung • Kommunikation in der Prozessindustrie – Anforderungen
22.04.2013 Falk Doherr - DAK Folie 22
[Enste u. Müller 2007] [Schwibach 2009]
Kommunikationssystem
Verfügbarkeit Leistungsfähigkeit
Echtzeitfähigkeit
Robustheit
Security
Safety
Redundanz
Interoperabilität
Wirtschaftlichkeit
Flexibilität
Offenheit
Handhabbarkeit
Einführung
23.04.2013 VL PLT-1 23
• Kommunikationstrukturarten
trotz bekannter und anerkannter technologischer Vorteile
der Feldbustechnologie findet Verdrängung der konv. Verdrahtung nur langsam statt (auch bei Neuanlagen)
(Kiupel, atp 5.2008) (L.O‘Brien ARC Forum 2008)
Analoge Signalübertragung • Aufbau autonomer Regelkreise
möglich (siehe Stellenplan) • Heute meist für jedes einzelne
Feldgerät eine Verbindung zum PLS-IO (siehe Verkabelung)
• Stromversorgung – mit Signalübertragung: 2-
Leiter-Anschluss – Separat: 4-Leiter-Anschluss
VL PLT-1 23.4.2013 24
Analoge Signalübertragung • Sammlung mehrerer Feldgerätesignale über Feldverteiler (Junction
Box) und Stammkabeln (Multi-Core, Home Run)
VL PLT-1 23.4.2013 25
[Berge, 2009]
Analoges Stromsignal 4..20 mA
• Normen und Richtlinien – NAMUR-Empfehlung NE 06 – DIN IEC 60381
• Informationscodierung
VL PLT-1 23.4.2013 26
Binäres Spannungssignal 0 / 24 V
• Spannungsabfall über Kupferkabel + Potentialausgleich
• Norm: IEC 60946 Unterschiedliche
Spezifikationen für Ausgang & Eingang
• Ausgang von Messgerät – 0-2V low – 16-30 V high
• Eingang – -3 – 5V low – 13-33 V high
VL PLT-1 23.4.2013 27
Bewertung analoger Signalübertragung
• Stärken – Einfache Planung, gute Abschätzung von Kosten – Hochparallel (jedes Signal eine Leitung) – Betriebsbewährt, einfache Technik
• Schwächen – Störanfällig (EMV) – Jedes Feldgerät benötigt eigenen Parametrierungszugang – Aufwändige Inbetriebsetzung durch notwendigen Abgleich der
Parameter in Feldgerät & PLS • Feldgerät Abb. Messgröße/Einheitssignal, e.g. 0-100°C 4..20 mA • PLS: Inverse Abbildung 4..20 mA 0-100°C
– Ein Signal / Messgerät für moderne Sensoren mit Störgrößenkompensation häufig zu wenig
VL PLT-1 23.4.2013 28
Problem Parametrierung
• Jedes Gerät vor Ort mit eigener Bedienschnittstelle?
– Zeitaufwändig – Unkomfortabel – Fehleranfällig – Teuer
• Anwenderwünsche – Ein Bediengerät für alle! – Konfiguration aus dem PLS heraus! – Übertragung mehrerer PV!
VL PLT-1
mmHG
23.4.2013 29
HART-Protokoll (1/3)
• HART: Highway Adressable Remote Transducer – Digitaler Datenaustausch zwischen Feldgerät und einem Master
durch Überlagerung des analogen Stromsignals mit digitaler Kommunikation
• Signalübermittlung: Überlagerung des Stromsignals mit einem Frequenzsignal
– Frequenzschiebeverfahren (Frequency Shift Keying, FSK nach Bell 203
– 2400Hz=0, 1200Hz=1
VL PLT-1 23.4.2013 30
HART-Protokoll (2/3)
• Protokoll: Master-Slave mit max 2 Master – 500-800ms / Transaktion – Universelle Kommandos (Universal Commands, Alle Geräte)
• Identifikation des Geräts (38-bit unique identifier) • Auslesen von max. 4 Messwerten incl. phys. Einheit • Schreiben Messstellenkennzeichen, Geräteadresse, etc.
– Allgemeine Kommandos (Common Practice Commands, Viele Geräte) • Setzen von allgemeinen Parametern wie Integrationszeit, Nullpunkt,
Spanne, Einheiten – Gerätespezifische Kommandos (Device Specific Commands)
• Nicht standardisierte, geräteabhängige Kommandos
VL PLT-1 23.4.2013 31
HART-Protokoll (3/3)
VL PLT-1
preamble start address command bytecount [status] data data checksum
1 1..5 5..20 (xFF) 1 1 [2]
(slave response) 0..25
(recommended) 1
Master
Indication
Slave
Request
Confirmation
Response
time-out
Hart frame format (character-oriented):
23.4.2013 32
HART commands summary
Universal Commands Common Practice Commands Device-Specific Commands (example)
• Read manufacturer and device type
• Read primary variable (PV) and units
• Read current output and percent of range
• Read up to four predefined dynamic variables
• Read or write eight-character tag, 16-character descriptor, date
• Read or write 32-character message
• Read device range values, units, and damping time constant
• Read or write final assembly number
• Write polling address
• Read selection of up to four dynamic variables
• Write damping time constant • Write device range values • Calibrate (set zero, set span) • Set fixed output current • Perform self-test • Perform master reset • Trim PV zero • Write PV unit • Trim DAC zero and gain • Write transfer function (square
root/linear) • Write sensor serial number • Read or write dynamic variable
assignments
• Read or write low-flow cut-off • Start, stop, or clear totalizer • Read or write density calibration
factor • Choose PV (mass, flow, or
density) • Read or write materials or
construction information • Trim sensor calibration • PID enable • Write PID setpoint • Valve characterization • Valve setpoint • Travel limits • User units • Local display information
VL PLT-1 23.4.2013 33
Point-to-point vs. multidrop
VL PLT-1 [www.hartcomm.org]
point-to-point multidrop
universal hand-help terminal
23.4.2013 34
Bewertung analoge Signalübertragung + HART
• Stärken – Einfache Planung, gute Abschätzung von Kosten – Hochparallel (jedes Signal eine Leitung) – Betriebsbewährt, einfache Technik – Einheitliche Parametrierung der Feldgeräte – Günstig: Wegen Mgmt. von Fertigungstiefe: Auf Sensorseite
keine/kaum Mehrkosten durch HART • Schwächen
– Störanfällig (EMV) – Für komplexe Inbetriebnahmen deutlich zu langsam (1-2
Kommandos / Sekunde) – Mehrere PV/Feldgerät, mehrere zentral verwaltete Feldgeräte:
Verzicht auf analoge Übertragung von PV – ( Aufrüstung von EA-Baugruppen auf PLS-Seite )
VL PLT-1 23.4.2013 35
Digitale Feldbusse
Übersicht Inhalte
• Allgemeine Grundlagen – Hardware und Signale
• Topologien, Übertragung binärer Signale – Kommunikationsmodelle
• ISO/OSI-Referenzmodell – Bitübertragungsschicht – Sicherungsschicht
• Medienzugriffskontrolle • Datensicherung
• Feldbusse für die Automatisierungstechnik – CAN, CANopen, profibus, Ethernet
23.4.2013 VL PLT-1 37
Literaturhinweise
• Schnell, G., & Wiedemann, B. (2006) Bussysteme in der Automatisierungs- und Prozesstechnik, 6. Auflage. Wiesbaden: Vieweg
• Kriesel, Heimbold, Telschow (1999) Bustechnologien für die Automation. • Weigemann, J. & Kilian, K. (2002)(Hrsg.) Dezentralisieren mit Profibus-
DP/DPV1 • Dietrich, D. & Bangemann, Th. (2006) Profibus PA.
Instrumentierungstechnologie für die Verfahrenstechnik • Verhappen, I. & Pereira, A. (2002) Foundation-Fieldbus: A Pocket Guide • EN 60870 Fernwirkeinrichtungen und –systeme
– Teil 5: Telegramme – Teil 6: Internationale Protokolle (IEC 870-6)
• EN 61158 Digitale Datenkommunikation in der Leittechnik – Feldbus für industrielle Leitsystem
• EN 61784 Digitale Datenkommunikationen in der Leittechnik - • NE 105 Anforderungen an die Integration von Feldbusgeräten in
Engineering-Tools für Feldgeräte
23.4.2013 VL PLT-1 38
Grundlagen
• Geometrische Anordnung und Grundstrukturen – Zweipunktverbindung, Linienstruktur,
Baumstruktur, Ringstruktur, Sternstruktur • Kommunikationsmodelle
– ISO/OSI-Referenzmodell
23.4.2013 VL PLT-1 39
Netzwerk
• Automatisierung setzt Kommunikation zwischen verschiedenen spezialisierten Geräten zur – Informationsgewinnung (e.g. Sensor)
– Informationsverarbeitung (e.g. Regler)
– Informationsnutzung (e.g. Aktor)
voraus.
• Netzwerk: Verknüpfung mehrerer Geräte derart, dass über die entstehenden Verbindungen Information übertragen werden kann.
23.4.2013 VL PLT-1 40
Netzwerktopologie
• Geometrische Anordnung – Physikalische Verbindungen zwischen den
Teilnehmern
• Logische Anordnung – Kommunikationsverbindung
– Häufig unabhängig von Geometrie
23.4.2013 VL PLT-1 41
Zweipunktverbindung
• Beispiele
– PC: Modem, Drucker, Tastatur
– AT: NAMUR Einheitssignal (+ HART)
• Verbindung von n Teilnehmer mit Zweipunktverbindungen vermaschtes Netz
– Schnittstellen: n * (n-1)
– Verbindungen: n!/(2!(n-2)!)
– Kosten: hoch
– Ausfall: 1 Teilnehmer/1Kanal
– Diagnose: Einfach
23.4.2013 VL PLT-1
2n
42
Zweipunktverbindung mit Multiplexer
• Mehr als 2 Teilnehmer auf einer Zweipunktverbindung
– Gegenseitige Signalbeeinflussung
• Lösung: Multiplexverfahren
– Zeitmultiplexverfahren • Basisbandübertragung 0 – Grenzfrequenz
• Simplex, Halbduplexbetrieb
• Beispiel AT: HART-Multiplexer
23.4.2013 VL PLT-1
1 aus 4 a0 a1
d0 d1 d2 d3
1 aus 4 a0 a1
d0 d1 d2 d3
Synchronisation notwendig
Multiplexer Demultiplexer
43
Zweipunktverbindung mit Multiplexer
• Frequenzmultiplexverfahren – Übertragungskanal wird in mehrere, voneinander
unabhängige Frequenzbänder mit definierter Bandbreite aufgeteilt
– Biddirektionale Übertragung möglich (Vollduplex) • Modulationsarten
– Amplitude – Frequenz – Phase
• Baugruppen zur Modulation i.A. teurer als MUX/DEMUX Einsatz vorwiegend in Weitverkehrsnetzen (WAN)
23.4.2013 VL PLT-1 44
Bus-Strukur (Linienstruktur)
• Alle Teilnehmer kommunizieren über eine gemeinsame Leitung
– Anbindung an Buskabel über kurze Stichleitung (Dropkabel)
– Vorteil: weniger Kabel, weniger Schnittstellen
– Nachteil: Regeln zur Festlegung des Zugriffsrechts notwendig Buszugriffsverfahren
23.4.2013 VL PLT-1 45
Begrenzung der Teilnehmer an einer Bus-Strukur • Forderung nach beliebigem
Datenverkehr: – Alle Teilnehmer hören mit
Belastung des Senders steigt mit wachsender Teilnehmerzahl, da parallel geschaltet.
• Busleitungslänge ggü. Wellenlänge nicht mehr klein (l > λmax / 10)
– Wellenwiderstände an Leitungsenden um Reflexionen zu vermeiden
– Weitere Belastung des Senders
23.4.2013 VL PLT-1 46
Begrenzung der Länge des Buskabels
• Buskabel ~ RC-Glied • Rl,Cl = f(Leitungslänge) • Spannungssprung durch
Sender – exponentieller Verlauf von
ULast – Zeitkonstante = f(Ri, Rl,
Cl, RLast) – fmax << 1/∆t
Verknüpfung von maximaler Leitungslänge und maximaler Übertragungsrate
23.4.2013 VL PLT-1
RiUg
Rl
ClUL RLast
47
23.4.2013 VL PLT-1
Baumstruktur
• Weiterentwicklung der Linienstruktur
– Begrenzungen wie bei Linienstruktur
– Vergrößerung der Werte durch Repeater (bidirektional arbeitende Verstärker)
– Größere Leitungslänge • Potentialunterschiede
Galvanische Trennung der Teilnehmer (i.d.R im Eingang)
• EMV differentielles Signal + verdrillte Leitungen
Repeater
48
23.4.2013 VL PLT-1
Ringstruktur
• Mehrere Zweipunktverbindungen realisieren einen Ring – Information wird von
Teilnehmer zu Teilnehmer gereicht
– Zu einem Zeitpunkt darf nur ein Teilnehmer senden Buszugriffsverfahren notwendig
– Jeder Teilnehmer wirkt als Repeater große Ausdehnungen bei hohen Datenraten möglich
• Ausfall Teilnehmer/Strecke Ausfall Netz – Redundanz + Übertragung in
beide Richtungen
49
• Verbindung einer Zentralstation mit Teilnehmern • Sternkoppler (Hub)
– Weiterleiten von Signalen – Aktiv/passiv
• Intelligente Zentralstation – Steuerung der Kommunikation
• Kommunikation erfolgt immer über Zentralstation Ausfall Hub = Ausfall Netz
23.4.2013 VL PLT-1
Sternstruktur
50
Grundstruktur nach NE074
23.4.2013 VL PLT-1 51
OS ES
PS
AP AP AP
FD FD
FD FD
FD
FD
FD
FD
FD
FD
FD
FD
H2 bus optionallyredundant
H1 bus segments
CC C
FD = Field deviceOS = Operator StationPS = Process Control StationES = Engineering StationAP = Auxiliary power
PCS = Process control systemH1 = Bus segments in hazardous environmentH2 = Field bus, fastC = Segment couplers
PCS Bus
PS
Grundstruktur – Beispiel PROFIBUS DP & PA
52
FV
FG
FG FG
FG FG FG
FG FG
FG FG
FG FG
FG FG FG
H2 H1
H2 H1
H2 H1
H2 H1
H2 H1
H2 H1
PCS (DCS) SIS
H2 Master
H2 Master
FV FV
FV
FV FV
FV
FV FV
FG FG
FG FG
FG
FG FG FG
FG
FG FG
FG FG
FG
Grundstruktur – Beispiel Foundation Fieldbus
53 23.4.2013 VL PLT-1
[Fieldbus Foundation]
Trend
23.4.2013 VL PLT-1 54
[http://www.feldbusse.de]
ISO/OSI-Referenzmodell
ISO/OSI-Referenzmodell
• Seit 70er: ISO Arbeitsgruppe Standardisierung von Rechnerkommunikation
– 1983 ISO-Norm 7498 „Basic Reference Model for Open Systems Interconnection (OSI)“
– als X.200 von CCITT übernommen • Abstrakte Beschreibung der Kommunikation von
Partnerprozessen – Abstraktion der Kommunikation in sieben Ebenen (Schichten)
mit festgelegten Teilaufgaben und Funktionen – Jeder Kommunikationspartern enthält alle sieben Schichten – Die Schichten kommunizieren über genau definierte
Schnittstellen Austausch von Schichten möglich
23.4.2013 VL PLT-1 56
Schichten des ISO/OSI-Referenzmodells
23.4.2013 VL PLT-1
Elektrische und mechanische Eigenschaften der Leitung Physikalische Schicht (Physical Layer)
1
Datenformate für die Übertragung und Zugriffsart zum Netz. Datenverbindungs-schicht (Data Link Layer)
2
Transportiert Daten von der Quelle zum Ziel und legt die Wege der Daten im Netz fest
Netzwerkschicht (Network Layer)
3
Stellt fehlerfreie logische Kanäle für den Datentransport bereit Transportschicht (Transport Layer)
4
Auf- und Abbau einer Sitzung (logische Kanäle des Transportsystems)
Sitzungsschicht (Session Layer)
5
Legt Anwenderdatenstrukturen fest und konvertiert die Daten (Formatierung, Verschlüsselung, Zeichensatz)
Darstellungsschicht (Presentation Layer)
6
Stellt den Netzwerkdienst für die Programme des Endanwenders bereit (Datenübertragung, e-mail)
Anwendungsschicht (Application Layer)
7
Erläuterung Bezeichnung Nr.
57
Physikalische Schicht (Bitübertragungsschicht)
• Elektrische und mechanische Eigenschaften der Übertragung
– Art der Codierung – Spannungspegel – Zeitdauer / Bit – Art der Übertragungsleitung – Endsystemkopplung (Stecker) – Zuordnung der Anschlüsse (Pinbelegung) –
23.4.2013 VL PLT-1 58
Sicherungsschicht
• Sicherer Transport der Daten von einer Station zur anderen
– Organisation des Zugriffs auf das Medium – Datensicherung während der physikalischen
Übertragung: Daten werden so „verpackt“, dass Übertragungsfehler erkannt werden können • Einteilung des Stroms in Rahmen (Data Frames) mit
maximaler Länge an Nutzdaten • Rahmen enthält Rohdaten + Zusatzinformationen
aus Sicherungsschicht, z.B. Prüfsumme, Anfangs- und Endeinformation
23.4.2013 VL PLT-1 59
Netzwerkschicht
• Betrachtung des gesamten Netzwerks – Transport der Daten von Quelle bis Ziel, ggf. über
Zwischenstationen – Routing (festlegen des Weges der Daten im Netz) – Packen und Auspacken von Paketen für Schicht 2
• Verbindungsorientierte Dienste – Virtueller Kanal zwischen Ziel und Quelle – Aufbau, Austausch, Abbau Telefonprinzip
• Verbindungslose Dienste – Daten werden mit Zieladresse ins Netz
gegeben Postkartenprinzip 23.4.2013 VL PLT-1 60
Transportschicht
• Kommunikation zwischen Prozessen – Namensgebung für die Rechner (Hosts) – Adressierung der Teilnehmer – Auf/Abbau von Transportverbindungen – Fehlerbehandlung, Flusskontrolle – Multiplexing von Datenströmen auf einem Kanal – Synchronisation der Hosts – Wiederherstellen einer Verbindung bei Fehlern im
darunter liegenden Netzwerk – Internetworking
23.4.2013 VL PLT-1 61
Kommunikation zwischen den Schichten
• Jede Schicht bietet der darüberliegenden ihre Dienste an: – Schicht N: service provider – Schicht N+1: service user
• Dienste sind an ausgezeichneten Zugangspunkten verfügbar: service access points
• Dienstprimitive – Anforderung request – Anzeige/Indikation indication – Antwort response – Bestätigung confirmation
23.4.2013 VL PLT-1 62
Beispiel Verbindungsaufbau
• Verbindungsaufbau connect
23.4.2013 VL PLT-1
connect.request
connect.indication
connect.response
connect.confirmation
63
Kommunikation im OSI-Modell
23.4.2013 VL PLT-1
Programm
Anwendungs- schicht
Sicherungs- schicht
Physikalische Schicht
Programm
Anwendungs- schicht
Sicherungs- schicht
Physikalische Schicht
Leitsystem Feldgerät
Datenleitung
64
Physikalische Schicht / Bitübertragungsschicht
Kommunikation im OSI-Modell
23.4.2013 VL PLT-1
Programm
Anwendungs- schicht
Sicherungs- schicht
Physikalische Schicht
Programm
Anwendungs- schicht
Sicherungs- schicht
Physikalische Schicht
Leitsystem Feldgerät
Datenleitung
66
Bitübertragung beim Feldbus
• Viele verschiedene Möglichkeiten und Kombinationen, Gemeinsamkeiten:
– digital data transmission; – no separate clock transmission; – either half-duplex communication (bi-directional but in
only one direction at a time) or fullduplex communication
• ( EN 61158-2: 413 Seiten) • Binäre Informationsdarstellung • Übertragunsgsstandards: EIA 485, MBP • Übertragungsarten
23.4.2013 VL PLT-1 67
Generisches Modell
23.4.2013 VL PLT-1 68
Sicherungsschicht – Zugriffskontrolle und Datensicherung
Kommunikation im OSI-Modell
23.4.2013 VL PLT-1
Programm
Anwendungs- schicht
Sicherungs- schicht
Physikalische Schicht
Programm
Anwendungs- schicht
Sicherungs- schicht
Physikalische Schicht
Leitsystem Feldgerät
Datenleitung
70
Buszugriffsverfahren
• Engl. Media Access Control (MAC)
• zu einem Zeitpunkt darf nur ein Sender auf das gemeinsame Medium zugreifen
• Kontrolliert (deterministisch) – Zentrale Bussteuerung : Master/Slave
– Dezentrale Zuteilung: Tokenbus, Tokenring
• Zufällig (Carrier Sense Multiple Access) • Collision Detection (Ethernet)
• Collision Avoidance (CAN)
23.4.2013 VL PLT-1 71
Kontrollierte Buszugriffsverfahren
• Kontrollierte Buszuteilung – Sender wird vor Sendebeginn eindeutig bestimmt
• Vergabearten – Zentral von einer „Leit“station – Dezentral durch mehrere Steuerienheiten
• Echtzeitfähige Kommunikation – Definition: Maximale Zeitdauer bis Daten
übertragen sind ist berechenbar. – Voraussetzung: Zeitraum oder Datenlänge für
einen Kommunikationszyklus ist begrenzt.
23.4.2013 VL PLT-1 72
Master / Slave - Verfahren
• 1 Master (Bussteuerienheit) • n Slaves (passiv) • Kommunikationsablauf:
– Master stellt Verbindung zu Slave her, Slave antwortet unmittelbar
• Zyklische Abfrage – Master führt Prozessabbild durch zyklische Abfrage
aller Slaves (Polling) – Priorisierung einzelner Slaves durch mehrfache
Abfrage innerhalb eines Zyklus
23.4.2013 VL PLT-1 73
Eigenschaften Master/Slave
• Busanschaltung von Slaves extrem einfach – geringe Kosten
• Ausfall Master – Ausfall jeder Kommunikation
• Worst-Case für Datenaustausch zwischen zwei Slaves
– Maximale Reaktionszeit = 2 * Buszykluszeit + 2 * SPS-Zykluszeit
• BUS@AT: AS-Interface, Profibus DP Monomastersystem
23.4.2013 VL PLT-1 74
Maximale Reaktionszeit
• 2 * Buszyklus + 2 * PLS-Zyklus
23.4.2013 VL PLT-1
PLS
Prozessabbild Master
Slave 1 Slave 2
Zyklische Abfrage
75
Token-Prinzip
• Alle Teilnehmer können Bussteuerung übernehmen
• Berechtigung zum Buszugriff wird über spezielles Zeichen/Nachricht genau einem Teilnehmer zugeteilt
• Token wird nach Datenübertragung an nächsten Teilnehmer weiter gereicht
• Zeitdauer des Token-Besitzes deterministisch beschränkt echtzeitfähig
23.4.2013 VL PLT-1 76
Token-Bus
• Token-Bus: (IEEE 802.4) – Physikalisch Linienstruktur, logisch Ring – Token wird über spezifische Nachricht weiter
geleitet
23.4.2013 VL PLT-1 77
Eigenschaften Token-Bus
• Priorisierungsmöglichkeiten: – Mehrfachzuteilung innerhalb eines Zyklus – Unterschiedliche maximale Datenmengen
• Überwachungsfunktionen – Kein/Mehrere Token: Token erzeugen/löschen – Initialisierung – Entfernung von Stationen aus dem logischen Ring – Aufnahme hinzugekommener Stationen
23.4.2013 VL PLT-1 78
Token-Passing
• Kombination aus Token-Bus und Master/Slave
23.4.2013 VL PLT-1 79
Zufällige Verfahren - CSMA
• CSMA – Carrier Sense – Sendewilliger Teilnehmer horcht Bus ab
und sendet wenn frei – Multiple Access – Wenn belegt versucht Teilnehmer zu
einem späteren Zeitpunkt wieder zu senden • Zufälliges Verfahren
– Sendezeitpunkt nicht bekannt – Unbelegtheit des Busses kann nicht garantiert werden – Maximale Übertragungszeit kann nicht bestimmt werden nicht echtzeitfähig
23.4.2013 VL PLT-1 80
Verhalten nach Belegterkennung
• Ethernet – Zurückziehen und zufällige Zeit warten – Falls Bus erneut belegt, wieder zurückziehen und
länger warten • IEEE 802.3:
– Senden sofort nach frei werden des Busses • Was passiert wenn zwei gleichzeitig senden?
– Nachricht wird zerstört – Kollisionserkennung durch Abhören des Busses
und Vergleich mit der eigenen Nachricht!
23.4.2013 VL PLT-1 81
Sicherungsschicht: Datensicherung
Störung der Datenübertragung
• Störquellen – Elektromagnetische Einstreuungen – Rauschen – Potentialdifferenzen – Alterung der Bauteile
• Digitale Übertragung – Störung = (ungewollte) Bitinvertierung
23.4.2013 VL PLT-1 83
Maßnahmen gegen Störungen
• Technische Vorkehrungen um WS einer Störung zu verringern
– geschirmte Kabel – Glasfaser – potentialfreie Übertragung
• Überwachung der Nachricht auf Fehler – Fehler erkennen – Gegenmaßnahmen treffen
• DIN EN 60870 Fernwirkeinrichtungen und -systeme - Teil 5: Übertragungsprotokolle; Hauptabschnitt 1: Telegrammformate (IEC 60870-5-1:1990)
23.4.2013 VL PLT-1 84
Fehlerarten
• Betrachtung transparenter Codes – Alle Bitkombinationen erlaubt Aus Bitkombination
kann nicht auf Fehler geschlossen werden
• Fehlerarten – Erkennbare und korrigierbare Fehler
– Erkennbare und nicht korrigierbare Fehler
– Nicht erkennbare Fehler
• Fehlerkorrektur – Relativ selten, häufig Wiederholung der Übertragung
23.4.2013 VL PLT-1 85
Bitfehlerrate p
• Maß für Störempfindlichkeit des Übertragungskanals
• Worst Case: p = 0.5 – p=1: jedes Bit invertiert Nachricht bleibt vollständig
erhalten • realisierbar mit üblichem technischem Aufwand:
– p = 10-4 ca. 1 von 10.000 Bits ist invertiert – Entspricht ca. einem Fehler / Schreibmaschinenseite !!!
23.4.2013 VL PLT-1
Bits gesendeter AnzahlBitser fehlerhaft Anzahlp =
86
Fehlerkorrektur durch Wiederholung
• ARQ: Error Detection with Automatic Request Repeat
– Keine Änderung der Bitfehlerrate, aber – Wahrscheinlichkeit p* der Störung an der selben
Stelle: • p* = pa
mit • p – Bitfehlerrate • a – Anzahl Übertragungen
( wenn Fehler an gleicher Stelle stat. unabhängig )
23.4.2013 VL PLT-1 87
Fehlererkennung
• Grundprinzip: – Redundante Information, nur ausgewählte
Kombinationen sind erlaubt Nichtransparente Codes, Übertragung von Prüfbits
– Gemeinsame Berechnungsvorschrift für Prüfbit(s) bei Sender und Empfänger
– Telegramm: Informationsbits + Prüfbits (+ Synchronisationsbits)
• Zielkonflikt – Restfehlerrate: Wieviele (Mehrfach)Fehler bleiben
unerkannt? – Telegrammübertragungseffizienz: Wieviel
Redundanz war dafür notwendig?
23.4.2013 VL PLT-1 88
Restfehlerrate R
• Aussage über die unerkannten Fehler nach Anwendung einer Fehlererkennungsstrategie
• Maß für Datenintegrität (Unversehrtheit der Daten) • Achtung! Betrachtungseinheiten sind jetzt Codes
(Telegramme), nicht mehr das einzelne Bit wie bei der Bitfehlerrate
23.4.2013 VL PLT-1
tionenBitkombinamöglicher Anzahlinationener Bitkombfehlerhaftr unerkannte AnzahlR =
89
Mittlere Zeit zwischen zwei Fehlern T
mit – R – Restfehlerrate – N – Telegrammlänge in Bit – v – Übertragungsgeschwindigkeit in Bit/s
• Beispiel aus DINEN60870 – n=100, v=1200Baud
23.4.2013 VL PLT-1
RvnT⋅
=
R T Anwendung1.00E-05 1 Tag Zyklisches Auffrischen von Daten1.00E-09 26 Jahre Ereignisgesteuerte Übertragung1.00E-13 260T Jahre Fernsteuerung
90
Hamming-Distanz d
• Maß für die Störfestigkeit eines Codes – d = e + 1 – e: Anzahl der sicher erkennbaren Fehler
• Beispiel – Durch das Bilden eines Paritybits ist ein Fehler sicher
erkennbar d = 2 – Minimalanforderung an Datenübertragung!
• Feldbusse: – d >= 4
• Hohe Sicherheitsbedürfnisse: – d=6
23.4.2013 VL PLT-1 91
Zusammenhang mit p und R
• Restfehlerrate R ist Funktion der Bitfehlerrate p • Hamming-Distanz lässt sich aus R(p) und p
berechnen:
• Beispiel: – Sei R(10-3)=10-4, R(10-4)=10-6 d = 2
23.4.2013 VL PLT-1
2121
21 pp,p lgp lg
)R(p lg)R(p lgd >−−
=
92
Telegrammübertragungs-effizienz
• Effizienz = Nutzen / Aufwand
• k: Anzahl Informationsbits / Telegramm • q: WS des Empfangs unverfälschter Bits (1-p) • n: Gesamtzahl ALLER Bits / Telegramm incl.
Synchronisations- und Fehlerprüfbits
23.4.2013 VL PLT-1
nqk
Bitser übertragen GesamtzahlnsbitsInformatio efehlerfreiE
n⋅=
=
93
Beispiele für q=1-10-3
• UART-Telegramm – 1 Startbit, 8 Datenbits, 1 Parität, 1 Stopbit – k=8, n=11 – E = 72%
• Telegramm mit – 8 Startbit, 8 Datenbits, 8 CRC – k=8, n=24 – E = 32%
23.4.2013 VL PLT-1 94
Strategien der Fehlererkennung
• Senden zusätzlicher - aus den Informationsbits abgeleiteter - Information
• Paritätsbit – Gerade/Ungerade Quersumme der Informationsbits
• Blocksicherung – Gerade/Ungerade Quersumme der „Spalten“ mehrerer
Codes • Cyclic Redundancy Check
– Rest der Division der als Zahl aufgefassten Informationsbits durch ein m-stelliges CRC-Polynom
23.4.2013 VL PLT-1 95
Genormte Telegrammformate
23.4.2013 VL PLT-1 96
Paritätsbit
• Algorithmus – Sender:
• Bilde die Quersumme über alle Informationsbits • Wenn Quersumme ungerade füge ein Paritätsbis P=1 ansonsten
P=0 hinzu – Empfänger:
• Bilde Quersumme über Informationsbits und Paritybit • Wenn Quersumme ungerade Fehler in der Datenübertragung
• Hamming-Distanz – Eine gerade Anzahl (2,4, …) an Fehlern wird nicht erkannt – 3,5, … Fehler werden erkannt, können aber nicht von einem
Fehler unterschieden werden – Sicher erkannt wird e = 1 Fehler d = 2
23.4.2013 VL PLT-1 97
Blocksicherung
• Senden von einzelnen Zeichen mit Paritätsbit („Zeilen“) • Senden eines Zeichens mit den Spaltenparitäten der
Zeichen eines Blocks
• Sicher erkannt werden e=3 Fehler d=4
23.4.2013 VL PLT-1
0 1 1 1 0 1 0 0 P
0 1 1 0 0 0 1 1 7
1 1 0 0 1 1 0 0 6
1 1 1 1 0 0 1 1 5
1 1 0 0 1 1 0 0 4
1 1 0 0 1 0 0 1 3
0 1 0 0 0 1 1 1 2
0 1 1 0 1 0 1 0 1
P 7 6 5 4 3 2 1
0 1 1 1 0 1 0 0 P
0 1 1 0 0 0 1 1 7
1 1 0 0 1 1 0 0 6
1 1 1 1 0 0 1 1 5
1 1 0 1 1 1 0 0 4
1 1 0 0 1 0 0 1 3
0 1 0 0 0 1 1 1 2
0 1 1 0 1 0 1 0 1
P 7 6 5 4 3 2 1
Fehl
erfr
eies
Te
legr
amm
Fehl
er in
4.Z
eile
, 5
.Spa
lte
98
Cyclic Redundancy Code (CRC)
• Algorithmus – Sender
• Die Sequenz der Informationsbits wird (unabhängig von Länge und Bedeutung) als Zahl I aufgefasst.
• Die Zahl I* wird durch eine feste Zahl G (das Generatorpolynom) geteilt.
• Der Rest R wird an die zu übertragende Information angehängt, gesendet wird also IR
– Empfänger • Die empfangene Zahl IR wird durch das gleiche Generatorpolynom
G geteilt • Bei fehlerfreier Übertragung ist R=0
• I* wird aus I dadurch gewonnen, dass r Nullen an I angehängt werden. R entspricht dem Rang des Generatorpolynoms (=Anzahl Stellen Generatorpolynom-1)
23.4.2013 VL PLT-1 99
Beispiel
• Nachricht I: 110101
• Generatorpolynom: 1011
Divisor I*: 110101000
– I*/G = Q + R/G
– 110101000/1011 = 1111011+111/1011
• Sende I*+R: 110101111
• Empfänger
– (I*+R)/G = Q‘+R‘/G
– 110101111 / 1011 = 1111011, R‘ = 0
• R`=0 Fehlerfreie Übertragung
23.4.2013 VL PLT-1 100
Polynomarithmetik Modula 2
• Zahlen werden als Polynome betrachtet
– Übertrag zwischen Koeffizienten nicht definiert, neue Regeln für den Umgang mit Betragsüberlauf notwendig
• Polynomarithmetik mod 2:
– 0-0=0, 0-1=1, 1-0=1, 1-1=0 bzw.
– 0+0=0, 0+1=1, 1+0=1, 1+1=0 – XOR Verknüpfung
• Achtung: Größer/Kleiner Relation funktioniert nicht mehr
– 1001 = 1010 + 0011 und
– 1001 = 1010 - 0011
• Für die schrittweise Division ist Entscheidung notwendig ob Dividend <= Divisor:
– Schwache Definition: a >= b wenn die Position des höchsten 1bits von a >= der Position des höchsten 1bits von b, d.h. • 1000 >= 1111, gleichzeitig aber auch 1111 >= 1000
23.4.2013 VL PLT-1 101
Beispiel CRC-Berechnung
• Nachricht I: 110101
• Generatorpolynom: 1011
23.4.2013 VL PLT-1
+ Fehlerfreie Übertragung
1 1 0 1 0 1 0 0 0 : 1 0 1 1 = 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 : 1 0 1 1 = 1 1 1 1 0 11 0 1 1 1 0 1 1
1 1 0 0 1 1 0 01 0 1 1 1 0 1 1
1 1 1 1 1 1 1 11 0 1 1 1 0 1 1
1 0 0 0 1 0 0 11 0 1 1 1 0 1 1
0 1 1 0 0 1 0 10 0 0 0 0 0 0 0
1 1 0 0 1 0 1 11 0 1 1 1 0 1 1
1 1 1 0 0 0
102
Hamming-Distanz von CRC
• Hamming-Distanz ist abhängig von – Länge des Polynoms – Mathematischen Eigenschaften (Zykluslänge) – der Länge der Information
• Daten aus EN ISO 60870-5-1:
23.4.2013 VL PLT-1
304 94 26 FT3 6 (für i<8) 10 011 101 101 100
110 235 546
FT2 4 11 100 101 345
i = 4 i = 3 i = 2 binär oktal
Anzahl nichterkennbarer
Fehler bei 6 Fehlerbits Format HD d Polynomform
103
23.4.2013 VL PLT-1
Datenintegritätsklassen
• Restfehlerrate R über Bitfehler-wahrscheinlichkeit p
• Doppeltlogarithmischer Maßstab
• Die Steigung der Kurven entspricht für p<10-4 der Hamming-Distanz des Codes
104
23.4.2013 VL PLT-1
Telegramm mit Paritätsbit
• (11,8)-Code, Formatklasse FT1.1, d=2 – 1 Startbit 0 – 8 Informationsbits – 1 Gerades Paritätsbit – 1 Stopbit 1
• Anzahl unerkannt bleibender Fehlermuster – Mit m=9, e=2,4,6,8 – A2=36,A4=126,A6=84,A8=9
• Restfehlerrate • Effizienz: E=72%
=
em
Ae
( ) 2
e
emee qqpAR(p) ⋅⋅⋅= ∑ −
105
23.4.2013 VL PLT-1
Telegramm mit CRC
• (8i+8,8i)-Code, i=1..15, Formatklasse FT2, d=4 – i*8 Informationsbits – G=x7+x6+x5+x2+x0
– Erweiterung mit gerader parität – Invertierung der Prüfbits
• Anzahl unerkannt bleibender Fehlermuster für i=15 – e= 4,6,8,..,128
• Näherung für verkürzte
Codes • Effizienz:
– i=1 (16,8)-Code: 32% – i=7 (64,56)-Code: 72%
≅
+
= −
en
1281A
e/264
127e
128128
1A
en,
2/
e128, )1( e
( )∑ −⋅⋅=e
emee qpAR(p)
106
23.4.2013 VL PLT-1
FT1.1 FT2,i=7 FT2,i=1
107
23.4.2013 VL PLT-1 108
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