{"id":52162,"date":"2019-11-02T00:00:00","date_gmt":"2019-11-01T21:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/prohoster.info\/blog\/blog_prohoster\/obzor-sovremennyh-protokolov-v-sistemah-promavtomatiki"},"modified":"2020-02-18T13:59:50","modified_gmt":"2020-02-18T10:59:50","slug":"obzor-sovremennyh-protokolov-v-sistemah-promavtomatiki","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/prohoster.info\/de\/blog\/news\/obzor-sovremennyh-protokolov-v-sistemah-promavtomatiki","title":{"rendered":"\u00dcberblick \u00fcber moderne Protokolle in der Prozessautomatisierung","gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"text"}]},"content":{"rendered":"

\"\u00dcberblick
\n<\/p>\n

In der letzten Ver\u00f6ffentlichung<\/a><\/noindex> haben wir erkl\u00e4rt, wie Busse und Protokolle in der industriellen Automatisierung funktionieren. Diesmal konzentrieren wir uns auf moderne L\u00f6sungen: Lassen Sie uns anschauen, welche Protokolle weltweit in Systemen eingesetzt werden. Wir betrachten die Technologien der deutschen Unternehmen Beckhoff und Siemens, des \u00f6sterreichischen Unternehmens B&R, der amerikanischen Rockwell Automation und des russischen Unternehmens Fastwel. Zudem werden wir universelle L\u00f6sungen untersuchen, die nicht an einen bestimmten Hersteller gebunden sind, wie EtherCAT und CAN.\u00a0<\/p>\n

<\/p>\n

Am Ende des Artikels wird eine Vergleichstabelle mit den Eigenschaften der Protokolle EtherCAT, POWERLINK, PROFINET, EtherNet\/IP und ModbusTCP stehen.<\/p>\n

<\/a><\/noindex><\/p>\n

Wir haben die Protokolle PRP, HSR, OPC UA und andere nicht in die \u00dcbersicht aufgenommen, da es dazu bereits hervorragende Artikel unserer Ingenieurskollegen auf Habr gibt, die sich mit der Entwicklung von Prozessen in der Automatisierungstechnik besch\u00e4ftigen. Zum Beispiel \u201eProtokolle des \u201enahtlosen\u201c redundanten PRP und HSR\u201c<\/a><\/noindex> und \u201eGateways f\u00fcr industrielle Austauschprotokolle auf Linux. Baue es selbst\u201c<\/a><\/noindex>.<\/p>\n

<\/p>\n

Zu Beginn definieren wir die Terminologie: Industrial Ethernet = industrielle Netzwerk, Fieldbus = Feldbus. In der russischen Prozessautomatisierung kommt es h\u00e4ufig zu Verwirrungen bei den Begriffen, die sich auf den Feldbus und das industrielle Netzwerk der unteren Ebene beziehen. Oft werden diese Begriffe zu einem unscharfen Begriff \u201euntere Ebene\u201c zusammengefasst, der sowohl als Feldbus als auch als Bus der unteren Ebene bezeichnet wird, obwohl es sich dabei auch um keinen Bus handeln k\u00f6nnte. <\/p>\n

Warum ist das so?<\/b>Diese Verwirrung h\u00e4ngt wahrscheinlich damit zusammen, dass in vielen modernen Controllern die Verbindung von Ein- und Ausgangsmodulen oft \u00fcber eine R\u00fcckwandplatine (engl. backplane) oder einen physischen Bus realisiert wird. Das bedeutet, dass bestimmte Buskontakte und -anschl\u00fcsse verwendet werden, um mehrere Module zu einem einzigen Knoten zusammenzuf\u00fchren. Solche Knoten k\u00f6nnen wiederum sowohl mit einem industriellen Netzwerk als auch mit einem Feldbus verbunden sein. In der westlichen Terminologie gibt es eine klare Trennung: Ein Netzwerk ist ein Netzwerk, ein Bus ist ein Bus. Das erste wird mit dem Begriff Industrial Ethernet bezeichnet, das zweite mit Fieldbus. Im Artikel wird vorgeschlagen, diese Begriffe als \u201eindustrielles Netzwerk\u201c und \u201eFeldbus\u201c entsprechend zu verwenden.<\/p>\n

Der Standard des industriellen Netzwerks EtherCAT, entwickelt von Beckhoff<\/h2>\n

<\/p>\n

Das EtherCAT-Protokoll und das industrielle Netzwerk sind wohl eine der schnellsten M\u00f6glichkeiten zur Daten\u00fcbertragung in Automatisierungssystemen. Das EtherCAT-Netzwerk wird erfolgreich in verteilten Automatisierungssystemen eingesetzt, wo die interagierenden Knoten \u00fcber gro\u00dfe Entfernungen verteilt sind.<\/p>\n

<\/p>\n

Das EtherCAT-Protokoll nutzt standardisierte Ethernet-Frames zur \u00dcbertragung seiner Telegramme, sodass die Kompatibilit\u00e4t mit jeder standardm\u00e4\u00dfigen Ethernet-Hardware erhalten bleibt. Tats\u00e4chlich k\u00f6nnen Empfang und \u00dcbertragung von Daten auf jedem Ethernet-Controller organisiert werden, sofern die entsprechende Software vorhanden ist.<\/p>\n

\"\u00dcberblick
\nBeckhoff-Controller mit einem Satz von Ein- und Ausgangsmodulen. Quelle: www.beckhoff.de<\/a><\/noindex><\/i><\/p>\n

Die Protokollspezifikation ist offen und zug\u00e4nglich, jedoch nur im Rahmen der Entwicklungsassoziation \u2013 EtherCAT Technology Group.<\/p>\n

<\/p>\n

So funktioniert EtherCAT (das Schauspiel ist beeindruckend, wie das Spiel Zuma Inca):<\/p>\n

\n

\r\n \"Video\r\n
<\/div>\r\n <\/div><\/center><\/p>\n

Die hohe Geschwindigkeit in diesem Protokoll \u2013 es kann um wenige Mikrosekunden gehen \u2013 wird dadurch erreicht, dass die Entwickler auf den direkten Austausch von Telegrammen mit einem bestimmten Ger\u00e4t verzichtet haben. Stattdessen wird im EtherCAT-Netzwerk ein Telegramm gesendet, das gleichzeitig an alle Ger\u00e4te adressiert ist. Jeder untergeordnete Informationssammlerknoten (auch h\u00e4ufig als UCO \u2013 Kommunikationsger\u00e4t mit einem Objekt bezeichnet) entnimmt \u201ein Echtzeit\u201c die Daten, die f\u00fcr ihn bestimmt sind, und f\u00fcgt die Daten, die er f\u00fcr den Austausch bereitstellen m\u00f6chte, in das Telegramm ein. Danach wird das Telegramm an den n\u00e4chsten untergeordneten Knoten gesendet, wo die gleiche Operation erfolgt. Nachdem das Telegramm alle UCOs durchlaufen hat, wird es an den Hauptcontroller zur\u00fcckgesendet, der basierend auf den von den untergeordneten Ger\u00e4ten erhaltenen Daten die Steuerlogik umsetzt und wiederum \u00fcber Telegramme mit den untergeordneten Knoten interagiert, die das Steuersignal an die Ger\u00e4te ausgeben.<\/p>\n

<\/p>\n

Das EtherCAT-Netzwerk kann jede Topologie haben, aber im Grunde wird es immer ein Ring sein \u2013 aufgrund der Verwendung des Vollduplexmodus und der zwei Ethernet-Anschl\u00fcsse. Daher wird das Telegramm immer nacheinander an jedes Ger\u00e4t auf dem Bus \u00fcbertragen.<\/p>\n

\"\u00dcberblick
\nSchemapr\u00e4sentation des EtherCAT-Netzwerks mit mehreren Knoten. Quelle: realpars.com<\/a><\/noindex><\/i><\/p>\n

\u00dcbrigens enth\u00e4lt die EtherCAT-Spezifikation keine Einschr\u00e4nkungen auf physischer Ebene 100Base-TX, daher ist die Implementierung des Protokolls auch auf Gigabit- und Glasfaserleitungen m\u00f6glich.<\/p>\n

<\/p>\n

Offene industrielle Netzwerke und PROFIBUS\/N \u00bbET-Standards von Siemens<\/h2>\n

<\/p>\n

Der deutsche Konzern Siemens ist seit langem f\u00fcr seine speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) bekannt, die weltweit eingesetzt werden.<\/p>\n

<\/p>\n

Der Datenaustausch zwischen Knoten eines automatisierten Systems, das mit Siemens-Ger\u00e4ten betrieben wird, erfolgt sowohl \u00fcber den Feldbus, der als PROFIBUS bezeichnet wird, als auch im industriellen Netzwerk PROFINET.<\/p>\n

<\/p>\n

Der PROFIBUS-Bus verwendet ein spezielles Zweidrahtkabel mit DB-9-Anschl\u00fcssen. Bei Siemens ist es lila, aber wir haben in der Praxis auch andere Farben gesehen :). Um mehrere Knoten zu verbinden, kann der Anschluss zwei Kabel verbinden. Au\u00dferdem gibt es einen Schalter f\u00fcr den Abschlusswiderstand. Der Abschlusswiderstand muss an den Endger\u00e4ten des Netzwerks aktiviert sein, um anzuzeigen, dass dies das erste oder letzte Ger\u00e4t ist und dass nach ihm nur Dunkelheit und Leere folgen (alle RS485 funktionieren so). Wenn man an einem Zwischenanschluss den Widerstand aktiviert, wird der darauf folgende Abschnitt deaktiviert.<\/p>\n

\"\u00dcberblick
\nPROFIBUS-Kabel mit Anschlusssteckern. Quelle: VIPA ControlsAmerica<\/a><\/noindex><\/i><\/p>\n

Im PROFINET-Netzwerk wird eine \u00e4hnliche verdrillte Leitung verwendet, in der Regel mit RJ-45-Steckern, das Kabel ist gr\u00fcn. W\u00e4hrend die PROFIBUS-Topologie als Bus angesehen wird, kann die Topologie des PROFINET-Netzes alles darstellen: egal ob Ring, Stern, Baum oder eine Kombination aus allem.<\/p>\n

\"\u00dcberblick
\nSiemens-Controller mit angeschlossenem PROFINET-Kabel. Quelle: w3.siemens.com<\/i><\/p>\n

Es gibt mehrere Kommunikationsprotokolle f\u00fcr den PROFIBUS-Bus und das PROFINET-Netzwerk.<\/p>\n

<\/p>\n

F\u00fcr PROFIBUS:<\/p>\n

<\/p>\n

    \n
  1. PROFIBUS DP \u2014 die Implementierung dieses Protokolls sieht die Kommunikation mit entfernten Master-Ger\u00e4ten vor, das entsprechende Protokoll f\u00fcr PROFINET ist PROFINET IO.<\/li>\n
  2. PROFIBUS PA \u2014 ist im Grunde das gleiche wie PROFIBUS DP, wird jedoch f\u00fcr explosionsgesch\u00fctzte Daten\u00fcbertragungen und -versorgungen verwendet (\u00e4hnlich PROFIBUS DP mit anderen physikalischen Eigenschaften). F\u00fcr PROFINET gibt es bisher kein explosionsgesch\u00fctztes Protokoll, das dem PROFIBUS entspricht.<\/li>\n
  3. PROFIBUS FMS \u2014 ist f\u00fcr den Datenaustausch mit Systemen anderer Hersteller gedacht, die PROFIBUS DP nicht verwenden k\u00f6nnen. Das Pendant von PROFIBUS FMS im PROFINET-Netzwerk ist das Protokoll PROFINET CBA.<\/li>\n<\/ol>\n

    <\/p>\n

    F\u00fcr PROFINET:<\/p>\n

    <\/p>\n

      \n
    1. PROFINET IO;<\/li>\n
    2. PROFINET CBA.<\/li>\n<\/ol>\n

      <\/p>\n

      Das PROFINET IO-Protokoll wird in mehrere Klassen unterteilt:<\/p>\n

      <\/p>\n