Vorlesung Prozessautomatisierung Kommunikationssysteme fr die Prozess Automatisierung Teil

Vorlesung Prozessautomatisierung Kommunikationssysteme für die Prozess. Automatisierung (Teil 1) 8. Januar 2003 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes Fachbereich Elektrotechnik Goebenstr. 40 66117 Saarbrücken Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 1 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Themen Vorlesung PATT (1) Grundlagen & Begriffe Zusammenfassung von Grundlagen und Voraussetzungen der Automatisierungstechnik / Signale / Hilfsenergie / Systembeschreibung / Linearisierung analytisch und in Kennlinienfeldern / Modellbildung / Allgemeine Automatisierungsthemen (Schutzarten, Explosionsschutz, EMV) / Systemarchitektur von Automatisierungssystemen Technische Systeme für Transportvorgänge von Stoffen Übertragungsverhalten von Transport-/Förderbändern für feste Stoffe / Übertragungsverhalten von Transportsysteme für flüssige Stoffe / Übertragungsverhalten von Behältern und Mischsystemen / Beschreibung des Zeitverhaltens von Befüllungs- und Ent. Leerungsvorgängen / Stellgerätetechnik und deren Beschreibungen (Ventile) Signalaufbereichtung (Messumformer, Sensoren) Übersicht von Prozessgrößen und deren Messung / Temperatursensorik und Realisierung entsprechender Messaufgaben Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 2 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Themen Vorlesung PATT (2) Hilfsmittel / Fliessbilder / R&I-Schemen Darstellung von verfahrenstechnischen Abläufen / Symbole und Kennzeichen / Programmierungshilfsmittel / Darstellung von Funktionsplänen / Ablaufsteuerung / Automatisierungskonzeption Industrielle Kommunikation (Feldbussysteme) / Systemarchitektur von Automatisierungssystemen / Organisation von PLT-Projekten / Normen, Vorschriften, Richtlinien / Chargenprozesse / Stellgeräte / Regler / Steuerungen Neue Methoden in der Automatisierungstechnik Fuzzy-Konzept / Fuzzy-Regelung / Einsatz von Neuronalen Netzen in der Automatisierungstechnik / Anwendungsbeispiele und technische Realisierungen Automatisierung mit Matlab/SIMULINK Einführung in die Entwicklungsumgebung /Anwendungen / Regelkreisauslegung / Lösen von Differentialgleichungen Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 3 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Thema heute Grundlagen für die Prozessautomatisierung : „Kommunikationssysteme für die Automatisierungstechnik – Teil 1 / Grundlagen der seriellen Datenübertragung Grundlagen • Grundbegriffe • Verfahren zur Datenkommunikation • Protokolle • Übertragungsmedien • Übertragungsverfahren (synchron, asynchron) • Schnittstellenstandards (RS 232 (V. 24) / RS 422 / RS 485) • Ergänzende Literatur Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 4 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Serielle Datenübertragung (1) Übertragung digitaler Signale zwischen Geräten und Systemen • serielle Datenübertragungstechnik (Computernetze, Bürokommunikation, Feldbussysteme (Prozess-, Gebäude- und Fertigungsautomation), Internet und ISDN • Kennzeichen serieller Datenübertragung zeitlich nacheinander und bitweise Übertragung über eine Datenleitung • Parallele Verarbeitung digitaler Signale Erzeugung sequentieller Daten aus bitparalleler Verarbeitung in Systembausteinen (Register, Mikroprozessoren) • Hohe Datenübertragungsraten Zeitaufwand für die Datenumwandlung (parallel – seriell – parallel) spielt untergeordnete Rolle • Geringer Aufwand Installations-, Kostenaufwand niedrig / einfache Benutzbarkeit Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 5 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Serielle Datenübertragung (2) Bitweise Datenübertragung Signalbausteine generieren Aus parallel gleichzeitig anliegenden Daten sequentielle Daten. Sende- und Empfangsbausteine • Datenwandlung (parallel – seriell) Übertragungsstrecke Sender – Medium – Empfänger (2 Teilnehmer/mehrere Teilnehmer) • Merkmale der Übertragungsstrecke • Richtung, Durchsatz, Übertragungsrate Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 6 Quelle: Samson Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Übertragungsstrecke / Richtung der Datenübertragung (Zeitpunkt / Richtung) • Simplexoder Richtungsverkehr (z. B. Richtfunktstrecke) Datenübertragung erfolgt nur in einer Richtung • Halb-Duplex- oder Wechselverkehr (z. B. Feldnetz, Fernschreibnetz) Datenübertragung – zeitlich versetzt – in beiden Richtungen möglich • Voll-Duplexoder Gegenverkehr (Telefonnetz) Datenübertragung – zeitgleich – in beiden Richtungen möglich Quelle: Samson Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 7 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Übertragungsstrecke / Verbindungsart • Runkt-zu-Punkt Verbindung (Zweipunkt-Verbindung) Getrennte Ausführung Empfangs- und Sendeleitung (kann) Empfangsleitung (Empfänger) <-> Sendeleitung (Senders) Quelle: Samson Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 8 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Übertragungsstrecke / Verbindungsart über Kommunikationsnetze • Übertragungsmedium ist Sende- und auch Empfangsleitung • Geräteanschluss über Stichleitung • Kommunikation erfordert Steuerdaten (Datenprotokoll) mit Angabe der Nutzdaten, Quelle und Ziel für die Datenübertragung Quelle: Samson Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 9 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Übertragungsstrecke / Übertragungsgeschwindigkeit • Übertragungsgeschwindigkeit (Datenmenge pro Zeiteinheit) BPS, k. Bit/s, Mbit/s • Übertragung bitweise • Erhöhung der Bit-Rate Zusammenfassung mehrere Bitwerte, die dann seriell aber gemeinsam in einem Paket übertragen werden. • Leitungsfähigkeit einer Kommunikationsverbindung + Übertragungsgeschwindigkeit eit, + + Anzahl der Daten, die als Steuerdaten zusätzlich zu den Nutzdaten übertragen werden müssen (Geräteadresse, Steuerinformationen, etc. ) Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 10 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Übertragungsstrecke / Übertragungsgeschwindigkeit Quelle: Samson Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 11 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Übertragungsstrecke / Übertragungsmedium Für die serielle Datenübertragung stehen verschiedene Medien zur Verfügung (elektrisch, optisch, per Funk). Kriterien zur Medienauswahl: • Kosten Installation • Sicherheitsaspekte • Maximale Datenrate • Topologie Entfernung der Teilnehmer Ziele: • Gute Signalqualität • Geringe Januar 2003 / Prozessautomatisierung und Aufwand / Lage Störempfindlichkeit Quelle: Samson Blatt 10. 12 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Übertragungsstrecke / Übertragungsmedium Kein Medium hat ideale Übertragungseigenschaften (Dämpfung, Laufzeitabhängigkeit optische Medien) Konsequenz: Auswirkungen/Einfluss auf das Signalverhalten (Form, Verlauf, Störung) Merkmale leitungsgebundener Übertragungsmedien Optische Übertragung Vorlesung Kunz Termin 22. / 29. 01. 2003 Quelle: Samson Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 13 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Übertragungsmedium: • Aufbau elektrischer Leitungssysteme Übertragungsstrecke / Übertragungsmedium • Verdrillte Zweidrahtleitung (Twisted Pair) Durch Verdrillung Reduzierung von Störeinflüssen auf die Datenübertragung • Verbreitung Kabelsysteme Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 14 aller Dr. -Ing. Benedikt Faupel Quelle: Fachkunde Prof. Informationstechnik, Europa Fachbuch

Elektrische Leitungen Datenübertragung über elektrische Leitungen führt zur Signalbeeinflussung. Ersatzschaltungen für Leitungen lassen sich aus R, L und CBauelementen aufbauen. Leitung führt zu Dämpfung und Signalverzerrung: • Widerstände verändern den statischen Signalpegel • Induktivitäten und Kapazitäten verändern die Flankensteilheit Leitungsauswahl muss gute Übertragung sicherstellen: • Leitungswiderstand ausreichende Signalamplitude • Kabelinduktivität und –kapazität ausreichende Flankenform Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 15 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Elektrische Leitungen Für geeignete Datenübertragung ist die mögliche Datenrate und Anzahl der angeschlossenen Teilnehmer vom Kabeltyp abhängig. Beispiel: Leitungslänge abhängig von der Datenrate (RS 485) Leitungswiderstand: C/L-Anteile: Januar 2003 / Prozessautomatisierung Ausreichende Signalamplitude beim Empfänger Verzerrungen dürfen Inhalt der Information nicht verfälschen. Einfluss korrespondiert mit Übertragungsfrequenz. Blatt 10. 16 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Elektrische Leitungen Weitere Einfluss der Leitungen liegen in Reflexionen von Signalen an den Leitungsenden. Installation von elektrischen Leitungen erfordert besondere Beobachtung: • Wechsel der Kabelarten • Verzweigung • Geräteanschluss • Offene Leitungsenden Ausbreitungsgeschwindigkeit in Leitungen ist begrenzt. Reduzierung / Vermeidung von Reflexionen bedarf Einsatz von Abschlusswiderständen. Widerstände bilden somit die elektrischen Eigenschaften der Leitung nach. Kenngröße ist der Wellenwiderstand der Leitung Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 17 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Abschlusswiderstände Typische Abschlusswiderstände: • Twisted-Pair: 100 bis 150 Ohm • Koax: 50 Ohm Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 18 Optische Leiter (Kunz) Drahtlose Übertragung (Literatur) Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Binäre Informationsdarstellung Serielle Datenübertragung dient zur Übertragung binärer Informationen • Positive Logik: Null <-> Low Eins <-> High • Negative Logik: Eins <-> Low Null <-> High Zustände High und Low bestimmen auf dem Übertragungsmedium die Formatierung der Daten. Ausgewertet werden: • Amplitudenwerte • Flanken (Pegeländerungen) • Phasenbeziehung • Frequenzen Weitere Eigenschaften der Formatierung • Synchrone Datenübertragung (Taktrate des Senders) Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 19 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Randbedingungen der Datenübertragung NRZ- und RZ- Formatierung Nicht mittelwert freie Formatierung Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 20 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Manchestercodierung Bitinformation ist in der Phasenlage des Signals erkennbar. • Steigende Flanke: High-zustand • Fallende Flanke: Low-zustand • Mittelwertfreie Ausführung (-5, +5 V) Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 21 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Amplituden- und FSK-Codierung Kommunikation mit HART-Protokoll (Literatur) FSK = frequency shift keying • Pegelunabhängiges Verfahren • Hohe Störsicherheit • Medium muss Frequenzen übertragen können • Einsatz zur Parametrierung von Sensoren/Aktoren Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 22 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Übertragungsverfahren der seriellen Kommunikation Digitale Datenübertragung: Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 23 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Übertragungsverfahren der seriellen Kommunikation Synchrone Datenübertragung: • Daten werden synchron über eine von beiden Stationen genutztes Taktsignal koordiniert (z. B taktflankengesteuert). • Taktsignal wird separat übertragen. Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 24 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Übertragungsverfahren der seriellen Kommunikation Asynchrone Datenübertragung: • Bei synchroner Datenübertragung muss der Takt sehr genau übertragen werden. Geringste Schwankungen führen zur Störung. • Synchronisierung erfolgt mit dem Übertragen spezieller Start-/ Stopp-Bits. Mit Startbit werden die Empfangsdaten synchronisiert. • Reihenfolge der Daten / Daten werden übernommen, wenn Parität und Stopp-Bit den Formatvorgaben entspricht. • Bei jedem Empfang neue Synchronisation. Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 25 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Übertragungsverfahren der seriellen Kommunikationssteuerung: • Regelt den Ablauf der Kommunikation (z. B. Bereitschaft zur Kommunikation per Software oder zusätzliche Steuerleitungen). • Bereitschaftsfreigabe muss vor Datenübertragung vorliegen. • Handshake mit bidirektionaler Kommunikation • Software-Handshake mit Sonderzeichen XON/XOFF • Hardware-Handshake mit Steuerleitungen Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 26 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Übertragungsverfahren der seriellen Kommunikationssteuerung: • RTS (Sendeteil einschalten) = 1 zeigt an, dass der Empfänger zur Datenaufnahme bereit ist. Bei RTS = 0 wird die Datenübertragung unterbrochen. Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 27 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Zweidrahtkommunikation Einfache Kommunikationsverfahren minimieren den Instrumentierungsaufwand (z. B Zweidrahtkommunikation): • Mit asynchroner Übertragung durch Start- und Stopp Bits, oder • Mit synchroner Übertragung, wenn die Takt- und Nutzdaten auf einer Leitung übertragen werden. • Kommunikationsablauf muss festgelegt sein (wann sendet wer? ), oder • Kommunikationsablauf mit geeigneten Kommandos für Handshake Schnittstellen Spezifikation Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 28 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Fehlererkennung • Mass für Fehlererkennbarkeit Hamming-Distanz. • Paritätsverfahren liefert HD = 2 • Blockübertragung liefert höhere Erkennbarkeit von Fehlern Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 29 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Fehlererkennung • Datenübertragung ist nie störungsfrei. • Einzelne Bitinformationen können fehlerbehaftet sein. • Bei Fehlererkennung Übertragung wiederholen • Gängiges Verfahren für Korrektur Paritätskennung • Es ist nur ein Bit-Fehler erkennbar. Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 30 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Übertragungsstandards Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 31 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Übertragungsstandards Quelle: Technische FH Berlin, Linnemann Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 32 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

RS 232 Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 33 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

RS 232 Begrenzte Übertragungs. Strecken ( 15 m) Erd-Unsymmetrisches Signal / Ausgleichsströme Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 34 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Rechnerschnittstellen V. 24/RS 232 C Rechnerschnittstelle: 9 oder 25 -poliger D-SUBStecker Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 35 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Datenübertragung Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 36 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

RS 422 Vollduplex (Gleichzeitiges Senden und Empfangen möglich!) Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 37 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

RS 422 Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 38 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

RS 432 Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 39 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

RS 432 Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 40 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

RS 485 Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 41 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

RS 485 Varianten Simplex-Betrieb Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 42 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

RS 485 Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 43 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 44 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Feldbusspezifikation Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 45 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Feldbusspezifikation Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 46 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Feldbusspezifikation Januar 2003 / Prozessautomatisierung Blatt 10. 47 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel