Wir haben darüber gesprochen, wie Busse und Protokolle in der industriellen Automatisierung funktionieren. Dieses Mal konzentrieren wir uns auf moderne Arbeitslösungen: Wir werden uns ansehen, welche Protokolle in Systemen auf der ganzen Welt verwendet werden. Betrachten wir die Technologien der deutschen Unternehmen Beckhoff und Siemens, des österreichischen B&R, des amerikanischen Rockwell Automation und des russischen Fastwel. Wir werden auch universelle Lösungen untersuchen, die nicht an einen bestimmten Hersteller gebunden sind, wie beispielsweise EtherCAT und CAN.
Am Ende des Artikels finden Sie eine Vergleichstabelle mit den Eigenschaften der Protokolle EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet/IP und ModbusTCP.
Wir haben PRP, HSR, OPC UA und andere Protokolle nicht in die Überprüfung einbezogen, weil Auf Habré gibt es dazu bereits hervorragende Artikel unserer Ingenieurskollegen, die industrielle Automatisierungssysteme entwickeln. Zum Beispiel, и .
Definieren wir zunächst die Terminologie: Industrial Ethernet = industrielles Netzwerk, Fieldbus = Feldbus. In der russischen Industrieautomation herrscht Verwirrung hinsichtlich der Begriffe Feldbus und untergeordnetes Industrienetzwerk. Häufig werden diese Begriffe zu einem einzigen, vagen Konzept namens „Unterebene“ zusammengefasst, das sowohl als Feldbus als auch als Unterebenenbus bezeichnet wird, obwohl es sich möglicherweise überhaupt nicht um einen Bus handelt.
Warum ist das so?Diese Verwirrung ist höchstwahrscheinlich auf die Tatsache zurückzuführen, dass in vielen modernen Steuerungen die Verbindung von I/O-Modulen häufig über eine Rückwandplatine oder einen physischen Bus erfolgt. Das heißt, bestimmte Buskontakte und Steckverbinder dienen dazu, mehrere Module zu einer Einheit zusammenzufassen. Solche Knoten wiederum können sowohl über ein Industrienetzwerk als auch über einen Feldbus miteinander verbunden sein. In der westlichen Terminologie gibt es eine klare Trennung: Ein Netzwerk ist ein Netzwerk, ein Bus ist ein Bus. Ersteres wird mit dem Begriff Industrial Ethernet bezeichnet, letzteres mit Feldbus. Der Artikel schlägt vor, für diese Konzepte den Begriff „Industrienetzwerk“ bzw. den Begriff „Feldbus“ zu verwenden.
Industrieller Netzwerkstandard EtherCAT, entwickelt von Beckhoff
Das EtherCAT-Protokoll und Industrienetzwerk ist heute möglicherweise eine der schnellsten Methoden zur Datenübertragung in Automatisierungssystemen. Das EtherCAT-Netzwerk wird erfolgreich in verteilten Automatisierungssystemen eingesetzt, bei denen interagierende Knoten über große Entfernungen voneinander getrennt sind.
Das EtherCAT-Protokoll verwendet Standard-Ethernet-Frames zur Übertragung seiner Telegramme, bleibt also mit allen Standard-Ethernet-Geräten kompatibel und kann tatsächlich den Empfang und die Übertragung von Daten auf jedem Ethernet-Controller organisieren, sofern die entsprechende Software verfügbar ist.
Beckhoff-Steuerung mit einem Satz I/O-Module. Quelle:
Die Protokollspezifikation ist offen und verfügbar, jedoch nur im Rahmen der Entwicklungsvereinigung EtherCAT Technology Group.
So funktioniert EtherCAT (das Spektakel ist faszinierend, wie das Spiel Zuma Inca):
Die hohe Austauschgeschwindigkeit in diesem Protokoll – und wir können von Mikrosekundeneinheiten sprechen – wird dadurch realisiert, dass die Entwickler den Austausch über Telegramme, die direkt an ein bestimmtes Gerät gesendet werden, abgelehnt haben. Stattdessen wird ein Telegramm an das EtherCAT-Netzwerk gesendet, das an alle Geräte gleichzeitig adressiert ist. Jeder der Slave-Knoten zum Sammeln und Übertragen von Informationen (sie werden oft auch als OSO - Objektkommunikationsgerät bezeichnet) nimmt diese „on the fly“ entgegen. die für ihn vorgesehenen Daten und fügt in ein Telegramm die Daten ein, die er zum Austausch bereitzustellen bereit ist. Das Telegramm wird dann an den nächsten Slave-Knoten gesendet, wo der gleiche Vorgang stattfindet. Nachdem das Telegramm alle Steuergeräte durchlaufen hat, wird es an den Hauptcontroller zurückgesendet, der auf der Grundlage der von den Slave-Geräten empfangenen Daten die Steuerlogik implementiert und wiederum über das Telegramm mit den Slave-Knoten interagiert, die ein Steuersignal an senden die Ausrüstung.
Ein EtherCAT-Netzwerk kann eine beliebige Topologie haben, im Wesentlichen wird es jedoch immer ein Ring sein – aufgrund der Verwendung des Vollduplex-Modus und zweier Ethernet-Anschlüsse. Auf diese Weise wird das Telegramm immer nacheinander an jedes Gerät am Bus gesendet.
Schematische Darstellung eines Ethercat-Netzwerks mit mehreren Knoten. Quelle:
Die EtherCAT-Spezifikation enthält übrigens keine Einschränkungen für die physikalische 100Base-TX-Schicht, sodass eine Implementierung des Protokolls auf Basis von Gigabit- und optischen Leitungen möglich ist.
Offene Industrienetzwerke und PROFIBUS/NET-Standards von Siemens
Der deutsche Konzern Siemens ist seit langem für seine weltweit im Einsatz befindlichen speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) bekannt.
Der Datenaustausch zwischen Knoten eines automatisierten Systems, das von Siemens-Geräten gesteuert wird, erfolgt sowohl über einen Feldbus namens PROFIBUS als auch im PROFINET-Industrienetzwerk.
Der PROFIBUS-Bus verwendet ein spezielles zweiadriges Kabel mit DB-9-Steckern. Siemens hat es in Lila, aber wir haben andere in der Praxis gesehen :). Um mehrere Knoten zu verbinden, kann ein Stecker zwei Kabel verbinden. Es verfügt außerdem über einen Schalter für den Abschlusswiderstand. An den Endgeräten des Netzwerks muss der Abschlusswiderstand eingeschaltet sein, der anzeigt, dass es sich um das erste oder letzte Gerät handelt, und danach gibt es nichts, nur Dunkelheit und Leere (alle RS485 funktionieren so). Wenn Sie am Zwischenstecker einen Widerstand einschalten, wird der darauf folgende Abschnitt ausgeschaltet.
PROFIBUS-Kabel mit Anschlusssteckern. Quelle:
Das PROFINET-Netzwerk verwendet ein analoges Twisted-Pair-Kabel, meist mit RJ-45-Steckern, das Kabel ist grün gefärbt. Wenn die Topologie von PROFIBUS ein Bus ist, dann kann die Topologie des PROFINET-Netzwerks alles sein: ein Ring, ein Stern, ein Baum oder alles zusammen.
Siemens-Steuerung mit angeschlossenem PROFINET-Kabel. Quelle: w3.siemens.com
Auf dem PROFIBUS-Bus und im PROFINET-Netzwerk gibt es mehrere Kommunikationsprotokolle.
Für Profibus:
- PROFIBUS DP – die Implementierung dieses Protokolls beinhaltet die Kommunikation mit entfernten Slave-Geräten; im Fall von PROFINET entspricht dieses Protokoll dem PROFINET IO-Protokoll.
- Profibus PA ist im Wesentlichen dasselbe wie Profibus DP, wird nur für explosionsgeschützte Varianten der Datenübertragung und Stromversorgung verwendet (analog zu Profibus DP mit anderen physikalischen Eigenschaften). Für PROFINET existiert bislang kein explosionsgeschütztes Protokoll ähnlich wie bei PROFIBUS.
- Profibus FMS – konzipiert für den Datenaustausch mit Systemen anderer Hersteller, die keinen Profibus DP nutzen können. Das PROFIBUS-FMS-Analogon im PROFINET-Netzwerk ist das PROFINET-CBA-Protokoll.
Für PROFINET:
- PROFINET IO;
- PROFINET CBA.
Das PROFINET IO-Protokoll ist in mehrere Klassen unterteilt:
- PROFINET NRT (Nicht-Echtzeit) – wird in Anwendungen verwendet, bei denen Timing-Parameter nicht kritisch sind. Es nutzt das Ethernet-TCP/IP-Datenübertragungsprotokoll sowie UDP/IP.
- PROFINET RT (Echtzeit) – hier wird der I/O-Datenaustausch über Ethernet-Frames realisiert, Diagnose- und Kommunikationsdaten werden jedoch weiterhin über UDP/IP übertragen.
- PROFINET IRT (Isochronous Real Time) – Dieses Protokoll wurde speziell für Motion-Control-Anwendungen entwickelt und beinhaltet eine isochrone Datenübertragungsphase.
Bei der Implementierung des harten Echtzeitprotokolls PROFINET IRT werden für die Kommunikation mit entfernten Geräten zwei Austauschkanäle unterschieden: isochron und asynchron. Ein isochroner Kanal mit fester Austauschzykluslänge nutzt Taktsynchronisation und überträgt zeitkritische Daten; zur Übertragung werden Second-Level-Telegramme verwendet. Die Übertragungsdauer in einem isochronen Kanal beträgt maximal 1 Millisekunde.
Der asynchrone Kanal überträgt sogenannte Echtzeitdaten, die ebenfalls über eine MAC-Adresse angesprochen werden. Zusätzlich werden diverse Diagnose- und Hilfsinformationen über TCP/IP übertragen. Weder Echtzeitdaten noch natürlich andere Informationen können den isochronen Zyklus unterbrechen.
Der erweiterte Satz an PROFINET IO-Funktionen wird nicht für jedes industrielle Automatisierungssystem benötigt, daher wird dieses Protokoll für ein bestimmtes Projekt unter Berücksichtigung von Konformitätsklassen oder Konformitätsklassen skaliert: CC-A, CC-B, CC-CC. Mithilfe von Compliance-Klassen können Sie Feldgeräte und Backbone-Komponenten mit der minimal erforderlichen Funktionalität auswählen.
Source:
Das zweite Austauschprotokoll im PROFINET-Netzwerk – PROFINET CBA – dient der Organisation der industriellen Kommunikation zwischen Geräten verschiedener Hersteller. Die Hauptproduktionseinheit in IAS-Systemen ist eine bestimmte Einheit, die als Komponente bezeichnet wird. Bei dieser Komponente handelt es sich in der Regel um eine Sammlung mechanischer, elektrischer und elektronischer Teile eines Geräts oder einer Anlage sowie zugehöriger Anwendungssoftware. Für jede Komponente wird ein Softwaremodul ausgewählt, das eine vollständige Beschreibung der Schnittstelle dieser Komponente gemäß den Anforderungen des PROFINET-Standards enthält. Anschließend werden diese Softwaremodule zum Datenaustausch mit Geräten verwendet.
B&R Ethernet POWERLINK-Protokoll
Das Powerlink-Protokoll wurde Anfang der 2000er Jahre von der österreichischen Firma B&R entwickelt. Dies ist eine weitere Implementierung eines Echtzeitprotokolls zusätzlich zum Ethernet-Standard. Die Protokollspezifikation ist verfügbar und wird frei verteilt.
Die Powerlink-Technologie verwendet einen sogenannten Mixed-Polling-Mechanismus, bei dem die gesamte Interaktion zwischen Geräten in mehrere Phasen unterteilt ist. Besonders kritische Daten werden in der isochronen Austauschphase übertragen, für die die erforderliche Antwortzeit konfiguriert wird; die restlichen Daten werden, wenn möglich, in der asynchronen Phase übertragen.
B&R-Controller mit einem Satz I/O-Module. Quelle: br-automation.com
Das Protokoll wurde ursprünglich auf der physikalischen 100Base-TX-Schicht implementiert, später wurde jedoch eine Gigabit-Implementierung entwickelt.
Das Powerlink-Protokoll verwendet einen Kommunikationsplanungsmechanismus. Es wird eine bestimmte Markierungs- oder Steuernachricht an das Netzwerk gesendet, mit deren Hilfe festgestellt wird, welches der Geräte aktuell die Berechtigung zum Datenaustausch hat. Es kann immer nur ein Gerät gleichzeitig Zugriff auf die Vermittlungsstelle haben.
Schematische Darstellung eines Ethernet POWERLINK-Netzwerks mit mehreren Knoten.
In der isochronen Phase sendet der Polling-Controller nacheinander eine Anfrage an jeden Knoten, von dem er kritische Daten empfangen muss.
Die isochrone Phase wird, wie bereits erwähnt, mit einer einstellbaren Zykluszeit durchgeführt. In der asynchronen Phase des Austauschs wird der IP-Protokollstapel verwendet. Der Controller fordert unkritische Daten von allen Knoten an, die eine Antwort senden, sobald sie Zugriff auf die Übertragung an das Netzwerk erhalten. Das Zeitverhältnis zwischen isochroner und asynchroner Phase kann manuell angepasst werden.
Rockwell Automation Ethernet/IP-Protokoll
Das EtherNet/IP-Protokoll wurde im Jahr 2000 unter aktiver Beteiligung des amerikanischen Unternehmens Rockwell Automation entwickelt. Es nutzt den TCP- und UDP-IP-Stack und erweitert ihn für industrielle Automatisierungsanwendungen. Der zweite Teil des Namens bedeutet entgegen der landläufigen Meinung nicht Internet Protocol, sondern Industrial Protocol. UDP IP nutzt den CIP-Kommunikationsstack (Common Interface Protocol), der auch in ControlNet/DeviceNet-Netzwerken verwendet wird und auf TCP/IP implementiert ist.
Die EtherNet/IP-Spezifikation ist öffentlich verfügbar und frei verfügbar. Die Ethernet/IP-Netzwerktopologie kann beliebig sein und Ring, Stern, Baum oder Bus umfassen.
Zusätzlich zu den Standardfunktionen der Protokolle HTTP, FTP, SMTP, EtherNet/IP implementiert es die Übertragung zeitkritischer Daten zwischen Polling-Controller und I/O-Geräten. Die Übertragung zeitunkritischer Daten erfolgt über TCP-Pakete, die zeitkritische Zustellung zyklischer Steuerdaten erfolgt über das UDP-Protokoll.
Um die Zeit in verteilten Systemen zu synchronisieren, verwendet EtherNet/IP das CIPsync-Protokoll, eine Erweiterung des CIP-Kommunikationsprotokolls.
Schematische Darstellung eines Ethernet/IP-Netzwerks mit mehreren Knoten und Anschluss von Modbus-Geräten. Quelle:
Um die Einrichtung eines EtherNet/IP-Netzwerks zu vereinfachen, verfügen die meisten Standardautomatisierungsgeräte über vordefinierte Konfigurationsdateien.
Implementierung des FBUS-Protokolls bei Fastwel
Wir haben lange darüber nachgedacht, ob wir das russische Unternehmen Fastwel mit seiner inländischen Implementierung des FBUS-Industrieprotokolls in diese Liste aufnehmen sollten, haben uns dann aber entschlossen, ein paar Absätze zu schreiben, um die Realität der Importsubstitution besser zu verstehen.
Es gibt zwei physische Implementierungen von FBUS. Einer davon ist ein Bus, bei dem das FBUS-Protokoll auf dem RS485-Standard aufsetzt. Darüber hinaus gibt es eine Implementierung von FBUS in einem industriellen Ethernet-Netzwerk.
FBUS kann kaum als Hochgeschwindigkeitsprotokoll bezeichnet werden; die Antwortzeit hängt stark von der Anzahl der I/O-Module am Bus und von den Austauschparametern ab und liegt normalerweise zwischen 0,5 und 10 Millisekunden. Ein FBUS-Slave-Knoten kann nur 64 E/A-Module enthalten. Bei einem Feldbus darf die Kabellänge 1 Meter nicht überschreiten, es handelt sich also nicht um verteilte Systeme. Oder besser gesagt, dies ist der Fall, allerdings nur bei Verwendung eines industriellen FBUS-Netzwerks über TCP/IP, was eine um ein Vielfaches höhere Polling-Zeit bedeutet. Zur Verbindung von Modulen können Busverlängerungskabel verwendet werden, was eine bequeme Platzierung der Module im Automatisierungsschrank ermöglicht.
Fastwel-Controller mit angeschlossenen E/A-Modulen. Quelle:
Insgesamt: Wie all dies in der Praxis in automatisierten Prozessleitsystemen eingesetzt wird
Natürlich ist die Artenvielfalt moderner industrieller Datenübertragungsprotokolle viel größer, als wir in diesem Artikel beschrieben haben. Einige sind an einen bestimmten Hersteller gebunden, andere hingegen sind universell. Bei der Entwicklung automatisierter Prozessleitsysteme (APCS) wählt der Ingenieur die optimalen Protokolle unter Berücksichtigung spezifischer Aufgaben und Einschränkungen (technisch und budgetär) aus.
Wenn wir über die Verbreitung eines bestimmten Austauschprotokolls sprechen, können wir ein Diagramm des Unternehmens bereitstellen HMS Networks AB, das die Marktanteile verschiedener Austauschtechnologien in industriellen Netzwerken veranschaulicht.
Source:
Wie in der Grafik zu sehen ist, belegen PRONET und PROFIBUS von Siemens die Spitzenplätze.
Interessanterweise vor 6 Jahren .
Die folgende Tabelle enthält zusammenfassende Daten zu den beschriebenen Austauschprotokollen. Einige Parameter, beispielsweise die Leistung, werden abstrakt ausgedrückt: hoch / niedrig. Numerische Äquivalente finden Sie in Artikeln zur Leistungsanalyse.
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EtherCAT
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POWERLINK
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PROFINET
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EtherNet / IP
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ModbusTCP
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Physikalische Schicht
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100/1000 BASE-TX
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100/1000 BASE-TX
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100/1000 BASE-TX
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100/1000 BASE-TX
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100/1000 BASE-TX
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Datenebene
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Kanal (Ethernet-Frames)
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Kanal (Ethernet-Frames)
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Kanal (Ethernet-Frames), Netzwerk/Transport (TCP/IP)
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Netzwerk/Transport (TCP/IP)
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Netzwerk/Transport (TCP/IP)
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Echtzeitunterstützung
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Ja
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Ja
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Ja
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Ja
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Nein
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Leistung
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Hoch
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Hoch
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IRT – hoch, RT – mittel
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Durchschnitt
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niedrig
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Kabellänge zwischen Knoten
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100m
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100m/2km
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100m
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100m
|
100m
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Transferphasen
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Nein
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Isochron + asynchron
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IRT – isochron + asynchron, RT – asynchron
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Nein
|
Nein
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Anzahl der Knoten
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65535
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240
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TCP/IP-Netzwerkbeschränkung
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TCP/IP-Netzwerkbeschränkung
|
TCP/IP-Netzwerkbeschränkung
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Kollisionsauflösung
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Ringtopologie
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Taktsynchronisation, Übertragungsphasen
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Ringtopologie, Übertragungsphasen
|
Schalter, Sterntopologie
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Schalter, Sterntopologie
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Heißer Tausch
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Nein
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Ja
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Ja
|
Ja
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Abhängig von der Umsetzung
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Kosten für Ausrüstung
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niedrig
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niedrig
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Hoch
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Durchschnitt
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niedrig
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Die Einsatzgebiete der beschriebenen Austauschprotokolle, Feldbusse und industriellen Netzwerke sind sehr vielfältig. Von der Chemie- und Automobilindustrie über die Luft- und Raumfahrttechnik bis hin zur Elektronikfertigung. Hochgeschwindigkeits-Austauschprotokolle sind in Echtzeit-Positionierungssystemen für verschiedene Geräte und in der Robotik gefragt.
Mit welchen Protokollen haben Sie gearbeitet und wo haben Sie sie angewendet? Teilen Sie Ihre Erfahrungen in den Kommentaren. 🙂
Source: habr.com