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Feldbus & Netzwerk
Technologie
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• Motivation
• Grundlegende Merkmale von Bussystemen
• Feldbussysteme
• PROFIBUS DP
• Ethernet
• AS-Interface
• INTERBUS
• CANopen
Feldbustechnologie
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Motivation
Was ist ein Feldbus?
- Eine Datenverbindung (Bus) über ein Datenkabel (Buskabel)
von einer SPS zu unterschiedlichen Komponenten.
- Vergleichbar mit Peripherie (Maus, Tastatur…), die über ein
serielles Kabel an einen PC angeschlossen wird.
- Realisiert über in die SPS integrierte Schnittstellen oder
steckbare Schnittstellenkarten (Master).
Feldbus
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Motivation
Warum Feldbussysteme?
- Schnelle und einfache Installation
- Erweiterte Diagnosemöglichkeiten
- Einfache Fehlerbehebung
- Schnellere Neukonfiguration
- Mehr Flexibilität
- Weniger Verkabelungsaufwand
- Reduzierte Kosten
Konventionell Feldbus
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Welcher Feldbus?
AS-I
Inte
rbu
s
IB-S Loop
PB- DP
CAN LON
Systemarchitektur
Automatisierungs- ebene
Leitebene
Verschiedene Feldbusse für unterschiedliche Applikationen
Die unterschiedlichen Bussysteme können anhand
ihrer Komplexität unterschieden werden.
Unterschiedliche
Applikationen
verlangen angepasste
Lösungen.
Eth
ern
et
Pro
fin
et
Feldebene
?
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Grundlegende Merkmale von Bussystemen
Buszugriffsverfahren
Adressierung
Übertragungsmedium
Topologie
Teilnehmerhierarchie
Grundlegende
Merkmale von
Bussystemen
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Buszugriff / Polling
Slaves
Master Master greifen auf Slaves zu.
• Die Master sind die zentralen Steuereinheiten und haben den
aktiven Buszugriff.
• Die Master geben die Ein-/Ausgabedaten den Slaves.
• garantierte Buszugriffszeiten
(Deterministischer Prozess)
• einfaches Protokoll
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Buszugriff / Token Passing - Bus
Token
Physikalische Busstruktur
Token Passing - Logischer Ring
• Die Station mit dem Token hat das Buszugriffsrecht.
• Jede Station kann Steuerfunktionen haben.
• garantierte Buszugriffszeiten
(deterministischer Prozess)
• einfache Realisierung
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Buszugriff / Summenrahmenprotokoll
• Der Master ist die zentrale Steuereinheit und hat den aktiven
Buszugriff.
• Der Master gibt alle Daten in einem Summenrahmenprotokoll an
alle Slaves.
• garantierte Buszugriffszeiten (deterministischer Prozess)
• sehr effiziente Busauslastung
MASTER SLAVE 1 SLAVE 2
SLAVE 4 SLAVE 3
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Grundlegende Merkmale von
Bussystemen
Buszugriffsverfahren
Adressierung
Übertragungsmedium
Topologie
Teilnehmerhierarchie
Grundlegende
Merkmale von
Bussystemen
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Teilnehmer Adressierung
1 ......
Teilnehmer orientiert (Physikalische Adressierung)
Die Daten werden mit Hilfe der
Stationsadressen verarbeitet.
2 3 n
Nachricht = Stationsadresse + Daten
Station 1 Station 2 Station 3 Station n
3 10110111...101011
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Logische Adressierung
Logische Adressierung
......
Nachricht = Objekt Nr. + Daten
6 10110111 .. 101011
Station 1
Objekt 11
Objekt 32
Station 2
Objekt 1
Objekt 6
Station n
Objekt X
Objekt Y
Die Daten werden direkt an festgelegte
Objekte adressiert.
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Grundlegende Merkmale von
Bussystemen
Buszugriffsverfahren
Adressierung
Übertragungsmedium
Topologie
Teilnehmerhierarchie
Grundlegende
Merkmale von
Bussystemen
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Energieversorgungsleitung
+ 24VDC
Netzleitung
+ 115/230VAC
Lichtwellenleiter
Verdrillte Zweidrahtleitung
Funk Koaxial-Kabel
Übertragungsmedien
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Grundlegende Merkmale von
Bussystemen
Buszugriffsverfahren
Adressierung
Übertragungsmedium
Topologie
Teilnehmerhierarchie
Grundlegende
Merkmale von
Bussystemen
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BUS (Linie)
PROFIBUS
Ring
INTERBUS
Baum
ASI, LON
Stern
Ethernet
Topologie
Frei
LON
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Vorteile:
• keine Unterbrechung bei
Stationsausfall
Nachteile:
• Das gesamte System ist von
dem Sternpunkt abhängig.
• Installationsaufwand
Topologie Stern
Steuerung
Slaves
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Topologie Ring
Vorteile:
• einfache Erweiterbarkeit
• geringer Verkabelungsaufwand
• sichere Übertragung
Nachteile:
• Ausfallrisiko
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Topologie Bus
Vorteile:
• einfache Erweiterung
• einfache Verdrahtung
• kein Systemausfall bei
Stationsausfall
Nachteile:
• Adressierung notwendig
• aufwendiger Datenaustausch
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Vorteile:
• einfache Erweiterbarkeit
• einfache Verdrahtung
• flexible Installation
Nachteile:
• Adressierung notwendig
• Bei Ausfall einer Station können
weitere Stationen ausfallen.
Topologie Baum
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Topologie Frei
Vorteile:
• einfache Erweiterbarkeit
• einfache Verdrahtung
• flexible Installation
Nachteile:
• Übersichtlichkeit
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Grundlegende Merkmale von
Bussystemen
Buszugriffsverfahren
Adressierung
Übertragungsmedium
Topologie
Teilnehmerhierarchie
Grundlegende
Merkmale von
Bussystemen
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Hierarchie
Multi - Master - System
Master - Slave - System
M M M M M
P P A P P
P P P P A
M M M M M
M S S S S
A P P P P
M .. Master
S .. Slave
A .. aktiv
P .. passiv
Multi-Master-System: Mehrere Stationen haben aktiven Buszugriff und können Steuerungsfunktionen haben.
Master-Slave-System: Nur ein Master hat den aktiven Buszugriff und die Steuerungsfunktion.
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Feldbus Systeme
Station 1 Station 2 Station 31 Station 32
INTERBUS
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PROFIBUS
Token
Slaves
Masters
Standardisiertes Protokoll
Interoperabilität mit Modulen verschiedener Hersteller
PROFIBUS ist ein Master-Slave und Master-Master System.
PROFIBUS gibt es in 4 Varianten: DP, FMS, Profinet und PA.
DP - hohe mögliche Übertragungsgeschwindigkeit
FMS/Profinet - geeignet für die Master-Master-Kommunikation
PA - eigensichere Variante für die Prozessautomation
Kurze Reaktionszeiten und hohe Sicherheit
Geeignet für schnelle Steuerungsaufgaben
PROFIBUS-DP Master für die meisten Steuerungen
Wiederverwendung vorhandenen Wissens
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PROFIBUS
Hierarchie Multi-Master / Master-Slave Buszugriff Token-Passing, Polling Topologie Bus, Baum (mit Repeater) Anzahl Busteilnehmer 32 ohne Repeater 122 mit 3 Repeater
Netzausdehnung 1,2 km @ 93.75 kBit/s 200 m @ 12 MBit/s Übertragungsgeschw. Bis zu 12 MBit/s Übertragungsmedium TP, LWL, IR Reaktionszeit bei 1,5 MBit/s > 1,5 ms
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Ethernet
Unterschiedliche „Standards“
• PROFINET
• Ethernet/IP
• EtherCAT
• …
Ethernet ist ein Master-Slave und Master-Master System.
Kurze Reaktionszeiten möglich
Geeignet für schnelle Steuerungsaufgaben
HMI
Ethernet switch
„Einfacher“ Zugriff mit dem „PC“ bis auf den „Sensor“ möglich.
„Einfache“ Vernetzung von Steuerungen möglich.
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Ethernet
Hierarchie Multi-Master / Master-Slave Buszugriff CSMA / CD Topologie Stern, Baum (mit Repeater) Anzahl Busteilnehmer nahezu unbegrenzt
Netzausdehnung 100 m Übertragungsgeschw. Bis zu 1 GBit/s Übertragungsmedium TP, LWL, WLAN Reaktionszeit 1 ms möglich
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AS-Interface (ActorSensor-Interface) AS-Interface ist ein Master-Slave-System.
Standardisiertes Protokoll
Interoperabilität mit Modulen verschiedener Hersteller
Schnelle Reaktionszeiten und hohe Sicherheit
Geeignet für schnelle Steuerungsaufgaben
Freie Struktur (meistens Linie)
Adresseinstellung per Software
Energie und Daten über 1 Leitung
Geringer Installationsaufwand
ASi-Master für die meisten Steuerungen
Wiederverwendung vorhandenen Wissens
Master
Steuerung
Slave
Slave
Slave
Slave Slave
Slave
Slave
Slave
Slave
Slave
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AS-Interface
Hierarchie Master-Slave Buszugriff Polling Topologie Freie Topologie Anzahl Busteilnehmer 31/62
Netzausdehnung 100 m (mit Repeater 300 m) Maximale Zykluszeit 5/10 ms Übertragungsmedium 2x1,5 mm2 (8A)
Durchdringungsdorne
Verpolsichere Flachleitung
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INTERBUS
Standardisiertes Protokoll
Interoperabilität mit Modulen verschiedener Hersteller
Schnelle Reaktionszeiten und hohe Sicherheit
Geeignet für schnelle Steuerungsaufgaben
Ringstruktur (Schieberegister)
Selbstkonfiguration, keine Adresseinstellung per Schalter
INTERBUS ist ein Master-Slave System.
INTERBUS
INTERBUS-Master für die meisten Steuerungen
Wiederverwendung vorhandenen Wissens
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INTERBUS
Hierarchie Master-Slave Buszugriff Keiner - Schieberegister Topologie Ring (Bus), Baum Anzahl Busteilnehmer 256
Netzausdehnung Fernbus 12.8 km Übertragungsgeschw. 500 kBit/s / 2 Mbit/s Übertragungsmedium TP, LWL, IR (Infrarot)
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CAN
Standardisiertes Protokoll
(CANopen, DeviceNet)
Interoperabilität mit Modulen verschiedener Hersteller
Lokale Steuerungsfähigkeit
Verteilung der Steuerungsfunktionen
CAN ist ein Steuerungsnetzwerk
Es wird keine zentrale Steuerung benötigt.
CAN
Dezentrale intelligente Steuereinheiten
Kommunikations- und Steuerungsfunktionen auf einem Chip
Schnelle Reaktion und hohe Sicherheit
Geeignet für sehr schnelle Steuerungsaufgaben
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35
CAN
Hierarchie Multi-Master Buszugriff CSMA/CA Topologie Bus, Stern Anzahl Netzknoten 30 ohne Repeater 2032 Full, Basic 2ˆ29 Extended
Netzausdehnung 1 km bei 50kBit/s 40 m bei 1 MBit/s Übertragungsrate bis zu 1MBit/s Übertragungsmedium TP