{"id":34795,"date":"2019-10-31T22:00:25","date_gmt":"2019-10-31T19:00:25","guid":{"rendered":"https:\/\/prohoster.info\/blog\/shiny-i-protokoly-v-promyshlennoj-avtomatike-kak-vsyo-eto-rabotaet\/"},"modified":"2019-10-31T22:00:25","modified_gmt":"2019-10-31T19:00:25","slug":"shiny-i-protokoly-v-promyshlennoj-avtomatike-kak-vsyo-eto-rabotaet","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/prohoster.info\/de\/blog\/news\/shiny-i-protokoly-v-promyshlennoj-avtomatike-kak-vsyo-eto-rabotaet","title":{"rendered":"Bussysteme und Protokolle in der industriellen Automatisierung: Wie funktioniert das alles?","gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"text"}]},"content":{"rendered":"

\"Bussysteme
\n
\nSicherlich kennen viele von Ihnen oder haben sogar gesehen, wie gro\u00dfe automatisierte Objekte, wie beispielsweise ein Atomkraftwerk oder eine Fabrik mit zahlreichen Produktionslinien, gesteuert werden: Die Hauptaktivit\u00e4t findet oft in einem gro\u00dfen Raum mit vielen Bildschirmen, Lichtern und Steuerpulten statt. Diese Steuerungskomplexe werden \u00fcblicherweise als GShU \u2013 die Hauptsteuerkonsole zur \u00dcberwachung eines Produktionsobjekts \u2013 bezeichnet. <\/p>\n

Sicherlich hat es Sie interessiert, wie all dies aus der Perspektive der Hardware und Software funktioniert und wie sich diese Systeme von den vertrauten Personalcomputern unterscheiden. In diesem Artikel werden wir untersuchen, wie verschiedene Daten zur GShU gelangen, wie Befehle an die Ausr\u00fcstung gesendet werden und was \u00fcberhaupt n\u00f6tig ist, um eine Kompressoranlage, eine Propanproduktionsanlage, eine Auto-Montagelinie oder sogar eine Abwasserpumpstation zu steuern.
\n<\/a><\/noindex><\/p>\n

Die unterste Ebene oder das Feldbus \u2013 dort beginnt alles <\/h2>\n

\nDieser unklare Begriff f\u00fcr Nicht-Eingeweihte wird verwendet, wenn die Kommunikationsmittel von Mikrokontrollern mit der untergeordneten Ausr\u00fcstung, wie beispielsweise Ein- und Ausgabemodulen oder Messger\u00e4ten, beschrieben werden m\u00fcssen. In der Regel wird dieser Kommunikationskanal als \u201eFeldbus\u201c bezeichnet, da er daf\u00fcr verantwortlich ist, dem Controller Daten zu \u00fcbermitteln, die aus dem \u201eFeld\u201c stammen. <\/p>\n

\u201eFeld\u201c ist ein tiefgreifender Fachbegriff, der den Umstand beschreibt, dass bestimmte Ger\u00e4te (wie Sensoren oder Aktoren), mit denen der Controller interagiert, irgendwo weit entfernt, im Freien, auf Feldern, verborgen in der Nacht, stehen. Es spielt keine Rolle, dass sich der Sensor einen halben Meter vom Controller entfernt befinden kann und beispielsweise die Temperatur in einem Schrank f\u00fcr Automatisierungstechnik misst; es gilt dennoch als \u201eim Feld\u201c. In der Regel \u00fcberwinden die Signale von Sensoren, die in die Ein- und Ausgabemodule gelangen, Entfernungen von Dutzenden bis zu Hunderten von Metern (und manchmal sogar mehr), indem sie Informationen von entfernten Standorten oder Anlagen sammeln. Daher wird der Bus, \u00fcber den der Controller die Werte von diesen Sensoren erh\u00e4lt, normalerweise als Feldbus oder seltener als unterer Bus oder Industrie-Bus bezeichnet.<\/p>\n

\"Bussysteme
\nAllgemeines Schema zur Automatisierung eines Industrieobjekts<\/i> <\/p>\n

Das elektrische Signal vom Sensor legt eine gewisse Strecke \u00fcber Kabelverbindungen zur\u00fcck (h\u00e4ufig \u00fcber normales Kupferkabel mit einer bestimmten Anzahl von Adern), an die mehrere Sensoren angeschlossen sind. Dann gelangt das Signal in das Verarbeitungsmodul (Ein- und Ausgangsmodul), wo es in eine f\u00fcr den Controller verst\u00e4ndliche digitale Sprache umgewandelt wird. Anschlie\u00dfend kommt dieses Signal \u00fcber den Feldbus direkt zum Controller, wo es endg\u00fcltig verarbeitet wird. Auf Grundlage solcher Signale wird die Logik des Mikrocontrollers aufgebaut.<\/p>\n

Oberstes Niveau: von der Lichterkette bis zur kompletten Arbeitsstation<\/h2>\n

\nMit dem oberen Niveau bezeichnet man alles, was ein gew\u00f6hnlicher Bediener, der den technologischen Prozess steuert, ber\u00fchren kann. Im einfachsten Fall besteht das obere Niveau aus einer Reihe von Lichtern und Tasten. Die Lichter signalisieren dem Bediener \u00fcber bestimmte Ereignisse im System, w\u00e4hrend die Tasten dazu dienen, Befehle an den Controller zu geben. Ein solches System wird oft als \"Lichterkette\" oder \"Tannenbaum\" bezeichnet, da es sehr \u00e4hnlich aussieht (wie durch das Foto am Anfang des Artikels zu erkennen ist).<\/p>\n

Wenn der Bediener mehr Gl\u00fcck hat, steht ihm als oberstes Niveau ein Bedienfeld zur Verf\u00fcgung \u2013 ein gewisser Flachbildcomputer, der auf die eine oder andere Weise Daten vom Controller erh\u00e4lt, um sie auf dem Bildschirm anzuzeigen. Solch ein Panel wird gew\u00f6hnlich im Schaltschrank der Automatisierung montiert, weshalb man in der Regel im Stehen damit interagiert, was unbequem ist. Zudem l\u00e4sst die Qualit\u00e4t und Gr\u00f6\u00dfe des Bildes auf kleinformatigen Panels zu w\u00fcnschen \u00fcbrig.<\/p>\n

\"Bussysteme
\n
\nUnd schlie\u00dflich gibt es die Attraktion in nie dagewesener Gro\u00dfz\u00fcgigkeit \u2013 die Arbeitsstation (oder sogar mehrere Duplikate), die einen gew\u00f6hnlichen Personal Computer darstellt.<\/p>\n

Die Ausr\u00fcstung des oberen Niveaus muss in irgendeiner Weise mit dem Mikrocontroller interagieren (sonst w\u00e4re es ja sinnlos). F\u00fcr diese Interaktion werden Protokolle auf oberster Ebene und ein gewisses \u00dcbertragungsmedium, wie Ethernet oder UART, verwendet. Im Fall der \"Lichterkette\" sind derartige Raffinessen nat\u00fcrlich nicht notwendig; die Lichter werden \u00fcber gew\u00f6hnliche physische Leitungen eingeschaltet, und es gibt keine komplizierten Schnittstellen oder Protokolle.<\/p>\n

Im Grunde genommen ist diese obere Ebene weniger interessant als der Feldbus, da diese obere Ebene m\u00f6glicherweise \u00fcberhaupt nicht vorhanden ist (aus der Sicht des Betreibers gibt es dort nichts zu sehen, der Controller wei\u00df bereits, was er tun muss).<\/p>\n

\u201eUralte\u201c Daten\u00fcbertragungsprotokolle: Modbus und HART<\/h2>\n

\nWenig bekannt ist, dass Gott am siebten Tag der Sch\u00f6pfung nicht ruhte, sondern Modbus erschuf. Neben dem HART-Protokoll ist Modbus wohl das \u00e4lteste industrielle Daten\u00fcbertragungsprotokoll, das bereits 1979 eingef\u00fchrt wurde.<\/p>\n

Urspr\u00fcnglich wurde als \u00dcbertragungsmedium eine serielle Schnittstelle verwendet, sp\u00e4ter wurde Modbus \u00fcber TCP\/IP implementiert. Es handelt sich um ein synchrones Protokoll nach dem \u201eMaster-Slave\u201c-Schema, in dem das Prinzip \u201eAnfrage-Antwort\u201c verwendet wird. Das Protokoll ist recht schwerf\u00e4llig und langsam; die Austauschgeschwindigkeit h\u00e4ngt von den Eigenschaften des Empf\u00e4ngers und des Senders ab, aber normalerweise dauert es fast Hunderte von Millisekunden, insbesondere in der Implementierung \u00fcber serielle Schnittstellen. <\/p>\n

Dar\u00fcber hinaus ist das Modbus-Daten\u00fcbertragungsregister 16-Bit, was sofort Einschr\u00e4nkungen bei der \u00dcbertragung der Typen real und double mit sich bringt. Diese werden entweder in Teilen oder mit einem Verlust an Genauigkeit \u00fcbertragen. Trotzdem wird Modbus nach wie vor h\u00e4ufig in F\u00e4llen verwendet, in denen keine hohe \u00dcbertragungsgeschwindigkeit erforderlich ist und ein Verlust der \u00fcbertragenen Daten nicht kritisch ist. Viele Hersteller verschiedener Ger\u00e4te lieben es, das Modbus-Protokoll auf ihre eigene, sehr originelle Weise zu erweitern, indem sie nicht standardisierte Funktionen hinzuf\u00fcgen. Daher hat dieses Protokoll viele Mutationen und Abweichungen von der Norm, lebt aber dennoch erfolgreich in der modernen Welt.
\nDas HART-Protokoll ist ebenfalls seit den achtziger Jahren existent; es ist ein industrielles Austauschprotokoll \u00fcber eine zweiadrige Leitung der Stromschleife, an die direkt 4-20 mA-Sensoren und andere Ger\u00e4te mit HART-Protokoll-Unterst\u00fctzung angeschlossen werden. <\/p>\n

F\u00fcr die Verkabelung der HART-Linien werden spezielle Ger\u00e4te verwendet, die sogenannten HART-Modems. Es gibt auch Konverter, die dem Benutzer am Ausgang zum Beispiel bereits das Modbus-Protokoll bereitstellen. <\/p>\n

Bemerkenswert ist HART, dass neben den analogen Sensorsignalen von 4-20 mA auch ein digitales Signal des Protokolls \u00fcbermittelt wird. Dies erm\u00f6glicht die Verbindung von digitalen und analogen Teilen in einer einzigen Kabelverbindung. Moderne HART-Modems k\u00f6nnen an den USB-Port des Controllers angeschlossen werden, \u00fcber Bluetooth verbunden werden oder auf die altmodische Weise \u00fcber den seriellen Port. Vor etwa zehn Jahren erschien analog zu Wi-Fi der drahtlose Standard WirelessHART, der im ISM-Bereich arbeitet.<\/p>\n

Die zweite Generation von Protokollen oder nicht ganz industriellen Bussen ISA, PCI(e) und VME <\/h2>\n

\nAn die Protokolle Modbus und HART traten nicht ganz industrielle Bussen, wie ISA (MicroPC, PC\/104) oder PCI\/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), sowie VME. <\/p>\n

Es begann das Zeitalter der Rechner, die \u00fcber einen universellen Datenbus verf\u00fcgen, an den verschiedene Karten (Module) zur Verarbeitung eines einheitlichen Signals angeschlossen werden k\u00f6nnen. In der Regel wird in diesem Fall das Prozessormodul (Rechner) in ein sogenanntes Geh\u00e4use eingesetzt, das die Interaktion \u00fcber den Bus mit anderen Ger\u00e4ten erm\u00f6glicht. Das Geh\u00e4use, oder wie es von erfahrenen Automatisierern oft genannt wird, 'Crate', wird mit den erforderlichen Ein- und Ausgangskarten erg\u00e4nzt: analogen, diskreten, Schnittstellen usw., oder alles wird zu einem Sandwich ohne Geh\u00e4use - eine Karte \u00fcber der anderen. Danach tauscht diese Vielfalt \u00fcber den Bus (ISA, PCI usw.) Daten mit dem Prozessormodul aus, das auf diese Weise Informationen von den Sensoren erh\u00e4lt und eine gewisse Logik implementiert.<\/p>\n

\"Bussysteme
\nController und Ein- und Ausgangsmodule im PXI-Geh\u00e4use auf dem PCI-Bus. Quelle: National Instruments Corporation<\/a><\/noindex><\/i><\/p>\n

Mit diesen Bussen ISA, PCI(e) und VME w\u00e4re alles in Ordnung, besonders f\u00fcr die damalige Zeit: sowohl die \u00dcbertragungsgeschwindigkeit entt\u00e4uscht nicht, als auch die Komponenten des Systems befinden sich in einem gemeinsamen Geh\u00e4use, kompakt und bequem, bei hei\u00dfem Austausch von Ein- und Ausgangskarten k\u00f6nnte es sein, dass dies nicht m\u00f6glich ist, aber bis jetzt will man es auch nicht wirklich. <\/p>\n

Aber es gibt einen Wermutstropfen, und nicht nur einen. Ein verteiltes System in dieser Konfiguration aufzubauen, ist ziemlich schwierig; der lokale Bus f\u00fcr den Austausch ist erforderlich, man muss sich etwas einfallen lassen, um Daten mit anderen untergeordneten oder gleichrangigen Knoten auszutauschen, entweder Modbus \u00fcber TCP\/IP oder ein anderes Protokoll, insgesamt gibt es wenig Komfort. Und das zweite unangenehme Problem: Eingangs- und Ausgangskarten erwarten in der Regel einheitliche Signale und haben keine galvanische Trennung von der Feldtechnik, sodass man ein Sammelsurium aus verschiedenen Umsetzermodulen und Zwischenleitungen basteln muss, was die Komponentenbasis erheblich kompliziert.<\/p>\n

\"Bussysteme
\nZwischenmodule zur Signalumsetzung mit galvanischer Trennung. Quelle: DataForth Corporation<\/a><\/noindex><\/i><\/p>\n

\"Was ist mit dem Protokoll f\u00fcr den Austausch \u00fcber den industriellen Bus?\" werden Sie fragen. Nichts. Es gibt es in dieser Umsetzung nicht. \u00dcber die Kabelleitungen gelangt das Signal von den Sensoren zu den Signal-Umsetzern, die Umsetzer geben eine Spannung auf die digitale oder analoge Eingangs-\/Ausgangskarte aus, und die Daten von der Karte werden \u00fcber die Ein-\/Ausgangsports, mittels des Betriebssystems, gelesen. Und keine spezialisierten Protokolle.<\/p>\n

Wie moderne industrielle Busse und Protokolle funktionieren<\/h2>\n

\nUnd was ist jetzt? Bis heute hat sich die klassische Ideologie des Aufbaus automatisierter Systeme etwas ver\u00e4ndert. Viele Faktoren haben eine Rolle gespielt, beginnend mit der Notwendigkeit, dass Automatisierung auch bequem sein sollte, bis hin zu dem Trend zu verteilten automatisierten Systemen mit voneinander entfernten Knoten.<\/p>\n

Man kann wohl sagen, dass es heute zwei Hauptkonzepte f\u00fcr den Aufbau von Automatisierungssystemen gibt: lokalisierte und verteilte automatisierte Systeme.<\/p>\n

Im Falle von lokalisierten Systemen, bei denen die Datensammlung und -verwaltung an einem bestimmten Ort zentralisiert ist, ist das Konzept eines bestimmten Sets von Eingangs- und Ausgangsmodulen, die \u00fcber einen gemeinsamen schnellen Bus miteinander verbunden sind, gefragt, einschlie\u00dflich eines Controllers mit seinem eigenen Austauschprotokoll. In der Regel umfassen die Eingangs- und Ausgangsmodule auch einen Signalwandler und eine galvanische Trennung (wenn auch nicht immer). Das hei\u00dft, der Endverbraucher muss nur verstehen, welche Arten von Sensoren und Mechanismen in dem automatisierten System vorhanden sind, die Anzahl der ben\u00f6tigten Eingangs- und Ausgangsmodule f\u00fcr verschiedene Signaltypen z\u00e4hlen und diese in einer gemeinsamen Reihe mit dem Controller verbinden. In diesem Fall verwendet jeder Hersteller in der Regel sein bevorzugtes Austauschprotokoll zwischen den Eingangs- und Ausgangsmodulen und dem Controller, und die Variationen k\u00f6nnen zahlreich sein.<\/p>\n

Im Falle von verteilten Systemen gilt alles, was f\u00fcr lokalisierte Systeme gesagt wurde, mit der Ausnahme, dass es wichtig ist, dass einzelne Komponenten, wie ein Set von Eingangs- und Ausgangsmodulen plus ein Informationssammler und -\u00fcbertragungsger\u00e4t \u2013 ein nicht sehr intelligenter Mikrocontroller, der irgendwo in einer H\u00fctte im Feld steht, neben dem Kran, der das \u00d6l abschaltet \u2013 mit \u00e4hnlichen Knoten und dem Hauptcontroller \u00fcber gro\u00dfe Entfernungen bei effektiver Austauschgeschwindigkeit interagieren k\u00f6nnen. <\/p>\n

Wie w\u00e4hlen Entwickler das Protokoll f\u00fcr ihr Projekt aus? Alle modernen Austauschprotokolle bieten eine ziemlich hohe Geschwindigkeit, daher basiert die Wahl eines bestimmten Herstellers oft nicht auf der Geschwindigkeit des Austauschs \u00fcber diesen industriellen Bus. Auch die Implementierung des Protokolls selbst ist nicht so wichtig, denn aus Sicht des Systementwicklers ist dies ohnehin eine Black Box, die eine gewisse interne Austauschstruktur bietet und nicht f\u00fcr externe Eingriffe ausgelegt ist. Oftmals liegt der Fokus auf praktischen Eigenschaften: die Leistung des Rechners, die Benutzerfreundlichkeit des Herstellerskonzepts f\u00fcr die gestellte Aufgabe, das Vorhandensein der ben\u00f6tigten Arten von Eingangs- und Ausgangsmodulen, die M\u00f6glichkeit des Hot-Swap von Modulen ohne Unterbrechung des Busses usw.<\/p>\n

Beliebte Ausr\u00fcstungsanbieter bieten eigene Implementierungen industrieller Protokolle an: Die bekannte Firma Siemens entwickelt ihre Reihe von Profinet- und Profibus-Protokollen, das Unternehmen B&R \u2013 das Powerlink-Protokoll, Rockwell Automation \u2013 das EtherNet\/IP-Protokoll. Eine heimische L\u00f6sung in dieser Liste ist die Version des FBUS-Protokolls von der russischen Firma Fastwel. <\/p>\n

Es gibt auch universellere L\u00f6sungen, die nicht an einen bestimmten Hersteller gebunden sind, wie EtherCAT und CAN. Wir werden diese Protokolle im weiteren Verlauf des Artikels ausf\u00fchrlich behandeln und herausfinden, welche davon besser f\u00fcr bestimmte Anwendungen geeignet sind: die Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie, die Elektronikproduktion, Positionierungssysteme und Robotik. Bleiben Sie dran!
\n
Quelle: habr.com<\/a><\/p>","protected":false,"gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"html"}]},"excerpt":{"rendered":"

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