{"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\/novosti-interneta\/shiny-i-protokoly-v-promyshlennoj-avtomatike-kak-vsyo-eto-rabotaet","title":{"rendered":"Busse und Protokolle in der Industrieautomatisierung: wie das alles funktioniert","gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"text"}]},"content":{"rendered":"<p><img decoding=\"async\" alt=\"Busse und Protokolle in der Industrieautomatisierung: wie das alles funktioniert\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2019\/05\/2072847391a081d49270ac70ee1fef88.png\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\n<br \/>\nWahrscheinlich wissen viele von Ihnen oder haben sogar gesehen, wie gro\u00dfe automatisierte Anlagen, wie beispielsweise ein Kernkraftwerk oder ein Werk mit vielen technologischen Linien, gesteuert werden: Das Geschehen findet oft in einem gro\u00dfen Raum mit zahlreichen Bildschirmen, Lichtern und Steuerungen statt. Dieses Steuerungssystem wird in der Regel als Leitstand bezeichnet \u2014 das zentrale Steuerpult zur \u00dcberwachung der Produktionsanlage. <\/p>\n<p>Sie haben sich sicher auch gefragt, wie das alles auf der Hardware- und Softwareseite funktioniert und wodurch sich diese Systeme von den \u00fcblichen Personalcomputern unterscheiden. In diesem Artikel werden wir untersuchen, wie verschiedene Daten in den Leitstand gelangen, wie Kommandos an die Ausr\u00fcstung gesendet werden und was notwendig ist, um beispielsweise eine Verdichtersation, eine Propanproduktionsanlage, eine Automobilmontagelinie oder sogar eine Pumpstation zu steuern.<br \/>\n<noindex><a rel=\"nofollow\" name=\"habracut\"><\/a><\/noindex><\/p>\n<h2>Die untere Ebene oder das Feldbus-System \u2014 das ist der Ausgangspunkt. <\/h2>\n<p>\nDieser unklare Wortschatz wird verwendet, um die Kommunikationsmittel von Mikrocontrollern mit zugeh\u00f6rigen Ger\u00e4ten, wie Ein- und Ausgabemodulen oder Messger\u00e4ten, zu beschreiben. Dieser Kommunikationskanal wird normalerweise als \"Feldbus\" bezeichnet, da er f\u00fcr die \u00dcbertragung von Daten zust\u00e4ndig ist, die vom \"Feld\" an den Controller gelangen. <\/p>\n<p>Das \u201aFeld\u2018 ist ein tiefgehender Fachterminus, der beschreibt, dass sich bestimmte Ger\u00e4te (wie Sensoren oder Aktoren) weit entfernt vom Controller befinden \u2013 drau\u00dfen, auf Feldern, verborgen in der Nacht. Es spielt keine Rolle, ob der Sensor in einem halben Meter Entfernung vom Controller platziert ist und beispielsweise die Temperatur im Schaltschrank misst; er wird dennoch als \u201aim Feld\u2018 betrachtet. In der Regel \u00fcberbr\u00fccken die Signale von den Sensoren, die in die Eingangs-\/Ausgangsmodule gelangen, Distanzen von mehreren Dutzend bis hin zu mehreren Hundert Metern (manchmal sogar mehr) und sammeln Informationen von entfernten Standorten oder Anlagen. Darum wird der Bussystem, \u00fcber den der Controller Werte von diesen Sensoren erh\u00e4lt, \u00fcblicherweise als Feldbus oder seltener als Unterbus oder Industriebus bezeichnet.<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" alt=\"Busse und Protokolle in der Industrieautomatisierung: wie das alles funktioniert\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2019\/05\/68e8ebd331592769a56acd1e121a2c9f.png\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\n<i>Allgemeines Diagramm der Automatisierung eines Industrieobjekts<\/i> <\/p>\n<p>Der elektrische Signal vom Sensor wird \u00fcber eine gewisse Distanz durch Kabelverbindungen (h\u00e4ufig \u00fcber ein gew\u00f6hnliches Kupferkabel mit mehreren Adern) \u00fcbertragen, an die mehrere Sensoren angeschlossen sind. Anschlie\u00dfend gelangt das Signal in die Verarbeitungseinheit (Ein- und Ausgabe-Modul), wo es in eine vom Controller verst\u00e4ndliche digitale Sprache umgewandelt wird. Danach erreicht dieses Signal \u00fcber den Feldbus direkt den Controller, wo es schlie\u00dflich verarbeitet wird. Die Logik des Mikrokontrollers basiert auf solchen Signalen.<\/p>\n<h2>Oberste Ebene: von der Lichterkette bis zur gesamten Arbeitsstation<\/h2>\n<p>\nDie obere Ebene umfasst alles, was ein gew\u00f6hnlicher Bediener, der den technologischen Prozess steuert, ber\u00fchren kann. Im einfachsten Fall stellt die obere Ebene eine Ansammlung von Lichtern und Tasten dar. Die Lichter signalisieren dem Betreiber bestimmte Ereignisse im System, w\u00e4hrend die Tasten zur Eingabe von Befehlen an den Controller dienen. Ein solches System wird oft als \"Lichterkette\" oder \"Tannenbaum\" bezeichnet, da es sehr \u00e4hnlich aussieht (wie man auf dem Foto zu Beginn des Artikels sehen kann).<\/p>\n<p>Falls der Betreiber mehr Gl\u00fcck hat, erh\u00e4lt er als Oberstufe ein Bedienfeld \u2013 einen bestimmten Flachbildschirm, der auf irgendeine Weise Daten vom Controller erh\u00e4lt und diese auf dem Bildschirm anzeigt. Dieses Panel wird \u00fcblicherweise am Automatikschrank montiert, weshalb man in der Regel im Stehen damit interagiert, was unbequem ist. Zudem l\u00e4sst die Qualit\u00e4t und die Gr\u00f6\u00dfe des Bildes bei kleinformatigen Panels oft zu w\u00fcnschen \u00fcbrig.<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" alt=\"Busse und Protokolle in der Industrieautomatisierung: wie das alles funktioniert\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2019\/05\/b2be65a58e7e7d90a481ad91cf6ee2ed.png\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\n<br \/>\nUnd schlie\u00dflich gibt es die beispiellose Gro\u00dfz\u00fcgigkeit \u2013 eine Workstation (oder sogar mehrere redundante Systeme), die einen gew\u00f6hnlichen Personalcomputer darstellt.<\/p>\n<p>Die obere Ausr\u00fcstungsstufe muss auf irgendeine Weise mit dem Mikrocontroller interagieren (ansonsten w\u00e4re sie ja \u00fcberfl\u00fcssig). F\u00fcr diese Interaktion werden Protokolle der oberen Ebene und ein gewisses \u00dcbertragungsmedium verwendet, beispielsweise Ethernet oder UART. Im Falle des \"Baumdiagramms\" sind solche Raffinessen nat\u00fcrlich nicht n\u00f6tig, die Lampen werden einfach \u00fcber normale physische Leitungen eingeschaltet, es gibt keine komplexen Schnittstellen oder Protokolle.<\/p>\n<p>Im Grunde genommen ist diese obere Ebene weniger interessant als der Feldeinsatz, da diese obere Ebene \u00fcberhaupt nicht vorhanden sein kann (es gibt keinen Grund f\u00fcr den Betreiber, dort nachzusehen; der Controller wird selbst entscheiden, was zu tun ist).<\/p>\n<h2>\u201eUralte\u201c Daten\u00fcbertragungsprotokolle: Modbus und HART<\/h2>\n<p>\nWenige wissen, 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 1979 eingef\u00fchrt wurde.<\/p>\n<p>Urspr\u00fcnglich wurde eine serielle Schnittstelle als \u00dcbertragungsmedium verwendet, sp\u00e4ter wurde Modbus \u00fcber TCP\/IP implementiert. Es handelt sich um ein synchrones Protokoll nach dem \u201eMaster-Slave\u201c-Prinzip, das das \u201eAnfrage-Antwort\u201c-System nutzt. Das Protokoll ist relativ schwerf\u00e4llig und langsam; die \u00dcbertragungsgeschwindigkeit h\u00e4ngt von den Eigenschaften des Empf\u00e4ngers und des Senders ab, liegt aber normalerweise im Bereich von mehreren hundert Millisekunden, insbesondere bei der Implementierung \u00fcber serielle Schnittstellen. <\/p>\n<p>Zudem ist das Modbus-Daten\u00fcbertragungsregister 16-Bit, was sofort Einschr\u00e4nkungen bei der \u00dcbertragung der Datentypen real und double mit sich bringt. Diese werden entweder st\u00fcckweise oder mit einem Verlust an Genauigkeit \u00fcbertragen. Dennoch wird Modbus nach wie vor h\u00e4ufig in Situationen eingesetzt, in denen eine hohe \u00dcbertragungsgeschwindigkeit nicht erforderlich ist und der Verlust \u00fcbertragener Daten nicht kritisch ist. Viele Hersteller verschiedener Ger\u00e4te erweitern das Modbus-Protokoll auf ihre eigene, oftmals sehr originelle Weise, indem sie nicht standardisierte Funktionen hinzuf\u00fcgen. Daher gibt es zahlreiche Mutationen und Abweichungen dieses Protokolls, das jedoch nach wie vor erfolgreich in der modernen Welt existiert.<br \/>\nDas HART-Protokoll gibt es ebenfalls seit den achtziger Jahren. Es handelt sich um ein industrielles \u00dcbertragungsprotokoll, das \u00fcber eine zweiadrige Stromschleifenleitung funktioniert, in die direkt 4-20 mA-Sensoren und andere HART-f\u00e4hige Ger\u00e4te angeschlossen werden. <\/p>\n<p>F\u00fcr die Schnittstellen von HART werden spezielle Ger\u00e4te, die sogenannten HART-Modems, verwendet. Es gibt auch Konverter, die den Benutzern beispielsweise das Modbus-Protokoll an der Ausgangsschnittstelle bereitstellen. <\/p>\n<p>Die HART-Technologie ist besonders bemerkenswert, da sie nicht nur analoge Signale von 4-20 mA-Sensoren \u00fcbertr\u00e4gt, sondern auch digitale Signale des Protokolls selbst. Dies erm\u00f6glicht die Kombination von digitalen und analogen Signalen in einer einzigen Kabelverbindung. Moderne HART-Modems k\u00f6nnen \u00fcber den USB-Port des Controllers, \u00fcber Bluetooth oder traditionell \u00fcber den seriellen Port angeschlossen werden. Vor einem Jahrzehnt wurde, \u00e4hnlich wie bei Wi-Fi, der drahtlose Standard WirelessHART eingef\u00fchrt, der im ISM-Bereich arbeitet.<\/p>\n<h2>Die zweite Generation von Protokollen oder nicht ganz industriellen Bussen wie ISA, PCI(e) und VME. <\/h2>\n<p>\nDie Protokolle Modbus und HART wurden durch nicht ganz industrielle Busse wie ISA (MicroPC, PC\/104) oder PCI\/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC) sowie VME ersetzt. <\/p>\n<p>Wir leben in einer \u00c4ra von Rechnern, 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 Kommunikation \u00fcber den Bus mit anderen Ger\u00e4ten gew\u00e4hrleistet. Das Geh\u00e4use, oder wie echte Automatisierungsspezialisten es gerne nennen, 'Crate', wird mit den notwendigen Ein- und Ausgangskarten erg\u00e4nzt: analogen, digitalen, Schnittstellenkarten usw., oder alles wird ohne Geh\u00e4use in Form eines Sandwichs zusammengef\u00fcgt \u2013 eine Karte \u00fcber der anderen. Danach tauscht diese Vielfalt am Bus (ISA, PCI usw.) Daten mit dem Prozessormodul aus, das auf diese Weise Informationen von Sensoren erh\u00e4lt und eine entsprechende Logik implementiert.<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" alt=\"Busse und Protokolle in der Industrieautomatisierung: wie das alles funktioniert\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2019\/05\/a9bfb3d74f817a758a7e7cea2a75513c.png\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\n<i>Controller und Ein- und Ausgangsmodule im PXI-Geh\u00e4use am PCI-Bus. Quelle: <noindex><a rel=\"nofollow\" href=\"http:\/\/www.ni.com\/ko-kr\/innovations\/white-papers\/14\/introduction-to-the-pxi-architecture.html\">National Instruments Corporation<\/a><\/noindex><\/i><\/p>\n<p>Die Zeiten der ISA-, PCI(e)- und VME-Busse haben durchaus ihre Vorz\u00fcge: Die \u00dcbertragungsgeschwindigkeit ist akzeptabel und die Systemkomponenten sind kompakt und praktisch in einem gemeinsamen Geh\u00e4use untergebracht. Auch wenn es keine Hot-Swap-f\u00e4higen I\/O-Karten gibt, vermisst man sie derzeit nicht allzu sehr. <\/p>\n<p>Es gibt jedoch einen Wermutstropfen, und nicht nur einen. Es ist recht kompliziert, ein verteiltes System in dieser Konfiguration aufzubauen, da der Bus lokal ist. Man muss sich etwas einfallen lassen, um Daten mit anderen untergeordneten oder gleichberechtigten Knoten auszutauschen, zum Beispiel Modbus \u00fcber TCP\/IP oder ein anderes Protokoll. Insgesamt sind die Annehmlichkeiten da eher begrenzt. Ein weiterer unangenehmer Aspekt: I\/O-Karten erwarten normalerweise ein einheitliches Eingangssignal, und die galvanische Trennung vom Feldger\u00e4t fehlt, weshalb man diverse Umwandlungs- und Zwischenschaltungsmodule einsetzen muss, was die elementare Basis erheblich kompliziert.<\/p>\n<p><img decoding=\"async\" alt=\"Busse und Protokolle in der Industrieautomatisierung: wie das alles funktioniert\" src=\"\/wp-content\/uploads\/2019\/05\/d30ec8cb4bfdf5de396c4cc9e8341e35.png\" style=\"display:block;margin: 0 auto;\" \/><br \/>\n<i>Zwischenmodule zur Signalumwandlung mit galvanischer Trennung. Quelle: <noindex><a rel=\"nofollow\" href=\"https:\/\/www.dataforth.com\/signal-conditioning.aspx\">DataForth Corporation<\/a><\/noindex><\/i><\/p>\n<p>\u201eWas ist mit dem Kommunikationsprotokoll \u00fcber industrielle Busse?\u201c \u2013 werden Sie fragen. Aber es gibt keines in dieser Umsetzung. \u00dcber Kabelleitungen gelangen die Signale von Sensoren zu den Signalwandlern, die Spannung an die digitale oder analoge Ein-\/Ausgabeplatine ausgeben, und die Daten von der Platine werden \u00fcber die Ein-\/Ausgangsports von den Betriebssystemmitteln gelesen. Und keine speziellen Protokolle.<\/p>\n<h2>Wie funktionieren moderne industrielle Busse und Protokolle<\/h2>\n<p>\nWas ist nun zu tun? Bis heute hat sich die klassische Ideologie des Aufbaus automatisierter Systeme ein wenig ver\u00e4ndert. Viele Faktoren haben eine Rolle gespielt, beginnend damit, dass Automatisierung auch benutzerfreundlich sein sollte, bis hin zu dem Trend hin zu verteilten automatisierten Systemen mit weit voneinander entfernten Knoten.<\/p>\n<p>Man kann sagen, dass es heute zwei Hauptkonzepte f\u00fcr den Aufbau von Automatisierungssystemen gibt: lokalisierte und verteilte automatisierte Systeme.<\/p>\n<p>Bei lokalisierten Systemen, in denen die Datenerfassung und das Management an einem spezifischen Ort zentralisiert sind, wird das Konzept eines Satzes von Eingabe- und Ausgabemodulen nachgefragt, die \u00fcber eine gemeinsame schnelle Busanbindung miteinander verbunden sind, einschlie\u00dflich eines Controllers mit seinem eigenen Austauschprotokoll. In der Regel umfassen die Eingabe- und Ausgabemodule sowohl Signalwandler als auch galvanische Trennungen (obwohl das selbstverst\u00e4ndlich nicht immer der Fall ist). Das bedeutet, dass der Endbenutzer lediglich verstehen muss, welche Arten von Sensoren und Mechanismen in dem automatisierten System vorhanden sein werden, die Anzahl der ben\u00f6tigten Eingabe- und Ausgabemodule f\u00fcr verschiedene Signaltypen z\u00e4hlen und diese in einer gemeinsamen Reihe mit dem Controller verbinden kann. In diesem Fall verwendet jeder Hersteller in der Regel sein bevorzugtes Austauschprotokoll zwischen den Eingabe- und Ausgabemodulen und dem Controller, und es gibt zahlreiche Optionen.<\/p>\n<p>Bei verteilten Systemen gelten alle Aussagen, die f\u00fcr lokalisierte Systeme gemacht werden, mit der Ausnahme, dass es wichtig ist, dass einzelne Komponenten, wie ein Satz von Ein- und Ausgabemodulen plus ein Ger\u00e4t zur Datenerfassung und -\u00fcbertragung \u2013 ein wenig intelligenter Mikrocontroller, der irgendwo in einer H\u00fctte im Feld steht, neben einem Ventil, das das \u00d6l abblockt \u2013 mit \u00e4hnlichen Knoten und dem Hauptcontroller \u00fcber gro\u00dfe Entfernungen hinweg effizient kommunizieren k\u00f6nnen. <\/p>\n<p>Wie w\u00e4hlen Entwickler das Protokoll f\u00fcr ihr Projekt aus? Alle modernen Austauschprotokolle bieten eine recht hohe Leistung, daher h\u00e4ngt die Wahl eines bestimmten Herstellers oft nicht von der \u00dcbertragungsgeschwindigkeit \u00fcber die jeweilige Schnittstelle ab. Auch die Implementierung des Protokolls spielt nicht die entscheidendste Rolle, denn aus der Sicht des Systementwicklers ist es letztlich ein Black Box, die eine gewisse interne Austauschstruktur gew\u00e4hrleistet und nicht auf ein \u00e4u\u00dferes Eingreifen ausgelegt ist. H\u00e4ufiger wird auf praktische Eigenschaften geachtet: die Leistungsf\u00e4higkeit des Rechners, die Anwendbarkeit des Herstellerschemas auf die gegebene Aufgabe, das Vorhandensein notwendiger Ein- und Ausgabemodule, die M\u00f6glichkeit eines Hot-Swap von Modulen ohne Unterbrechung des Busbetriebs usw.<\/p>\n<p>Beliebte Anbieter von Ger\u00e4ten bieten eigene Implementierungen industrieller Protokolle an: Zum Beispiel entwickelt das bekannte Unternehmen Siemens seine Serien Profinet und Profibus, die Firma B&amp;R \u2014 das Protokoll Powerlink, Rockwell Automation \u2014 das Protokoll EtherNet\/IP. Eine inl\u00e4ndische L\u00f6sung in dieser Liste ist die Version des Protokolls FBUS von der russischen Firma Fastwel. <\/p>\n<p>Es gibt auch allgemeinere L\u00f6sungen, die nicht an einen bestimmten Hersteller gebunden sind, wie EtherCAT und CAN. In diesem Artikel werden wir diese Protokolle im Detail er\u00f6rtern und herausfinden, welche sich am besten f\u00fcr spezielle Anwendungen eignen: in der Automobil- und Luftfahrtindustrie, in der Elektronikproduktion, bei Positionierungssystemen und in der Robotik. Bleiben Sie dran!<br \/>\n<br \/>Quelle: <a content=\"nofollow\" rel=\"nofollow\" href=\"https:\/\/habr.com\/ru\/post\/454156\/\">habr.com<\/a><\/p>","protected":false,"gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"html"}]},"excerpt":{"rendered":"<p>\u041d\u0430\u0432\u0435\u0440\u043d\u044f\u043a\u0430 \u043c\u043d\u043e\u0433\u0438\u0435 \u0438 \u0432\u0430\u0441 \u0437\u043d\u0430\u044e\u0442 \u0438\u043b\u0438 \u0434\u0430\u0436\u0435 \u0432\u0438\u0434\u0435\u043b\u0438, \u043a\u0430\u043a\u0438\u043c \u043e\u0431\u0440\u0430\u0437\u043e\u043c \u0443\u043f\u0440\u0430\u0432\u043b\u044f\u044e\u0442\u0441\u044f \u0431\u043e\u043b\u044c\u0448\u0438\u0435 \u0430\u0432\u0442\u043e\u043c\u0430\u0442\u0438\u0437\u0438\u0440\u043e\u0432\u0430\u043d\u043d\u044b\u0435 \u043e\u0431\u044a\u0435\u043a\u0442\u044b, \u043d\u0430\u043f\u0440\u0438\u043c\u0435\u0440, \u0430\u0442\u043e\u043c\u043d\u0430\u044f \u0441\u0442\u0430\u043d\u0446\u0438\u044f \u0438\u043b\u0438 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Automatisierung: wie funktioniert das alles | ProHoster","description":"Sicherlich wissen viele von Ihnen, oder haben sogar gesehen, wie gro\u00dfe automatisierte Objekte, beispielsweise ein Kernkraftwerk oder ein Werk mit zahlreichen Produktionslinien, gesteuert werden: Das Hauptgeschehen findet oft in einem gro\u00dfen Raum statt, voller Bildschirme, L\u00e4mpchen und Bedienelemente. 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