Vorlesung Prozessautomatisierung Kommunikationssysteme fr die Prozess Automatisierung Teil

Vorlesung Prozessautomatisierung Kommunikationssysteme für die Prozess. Automatisierung (Teil 1) 27. November 2002 Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes Fachbereich Elektrotechnik Goebenstr. 40 66117 Saarbrücken November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 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 November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 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 November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 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 November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 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 November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 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 • Merkmale der Übertragungsstrecke • Richtung, Durchsatz, Übertragungsrate November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 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 November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 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 November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 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 November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 9 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Übertragungsstrecke / Übertragungsgeschwindigkeit • Übertragungsgeschwindigkeit (Datenmenge pro Zeiteinheit) BPS, k. Bit/s, Mbit/s • Übertragung bitweise Bitübertragungsrate 100 k. Bit/s Übertragungsfrequenz 50 k. Hz (Abtasttheorem) • 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. ) November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 10 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Übertragungsstrecke / Übertragungsgeschwindigkeit Quelle: Samson November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 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 November 2002 / Prozessautomatisierung und Aufwand / Lage Störempfindlichkeit Quelle: Samson Blatt 6. 12 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Übertragungsstrecke / Übertragungsmedium Kein Medium hat ideale Übertragungseigenschafte Auswirkungen/Einfluss auf das Signalverhalten (Form, Verlauf, Störung) Merkmale leitungsgebundener Übertragungsmedien Quelle: Samson November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 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 November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 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 November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 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) November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 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 Reduzierung / Vermeidung von Reflexionen bedarf Einsatz von Abschlusswiderständen. Widerstände bilden somit die elektrischen Eigenschaften der Leitung nach. Kenngröße ist der Wellenwiderstand der Leitung November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 17 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Abschlusswiderstände November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 18 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) November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 19 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Randbedingungen der Datenübertragung NRZ- und RZ- Formatierung Nicht selbsttaktende Formatierung Nicht mittelwert freie Formatierung November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 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) November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 21 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Amplituden- und FSK-Codierung FSK = frequency shift keying • Pegelunabhängiges Verfahren • Hohe Störsicherheit • Medium muss Frequenzen übertragen können • Einsatz zur Parametrierung von Sensoren/Aktoren November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 22 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Übertragungsverfahren der seriellen Kommunikation Digitale Datenübertragung: November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 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 zu übertragen. November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 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. November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 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 November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 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. November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 27 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Zweidrahtkommunikation Einfache Kommunikationsverfahren minimieren den Instrumentierungsaufwand (z. B Zweidrahtkommunikation): • Mit asynchrone 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 November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 28 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Fehlererkennung • Mass für Fehlererkennbarkeit Hamming-Distanz. • Paritätsverfahren liefert HD = 2 • Blockübertragung liefert höhere Erkennbarkeit von Fehlern November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 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. November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 30 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Übertragungsstandards November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 31 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

RS 232 November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 32 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

RS 232 Begrenzte Übertragungs. Strecken ( 15 m) Erd-Unsymmetrisches Signal / Ausgleichsströme November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 33 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Rechnerschnittstellen V. 24/RS 232 C Rechnerschnittstelle: 9 oder 25 -poliger D-SUBStecker November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 34 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Datenübertragung November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 35 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

RS 422 November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 36 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

RS 422 November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 37 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

RS 485 November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 38 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

RS 485 November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 39 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

RS 485 November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 40 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Feldbusspezifikation November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 41 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Feldbusspezifikation November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 42 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel

Feldbusspezifikation November 2002 / Prozessautomatisierung Blatt 6. 43 Prof. Dr. -Ing. Benedikt Faupel