November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.1 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Vorlesung Prozessautomatisierung
Kommunikationssysteme für die Prozess-Kommunikationssysteme für die Prozess-Automatisierung (Teil 1)Automatisierung (Teil 1)
27. November 2002
Hochschule für Technik und Wirtschaft des SaarlandesFachbereich Elektrotechnik
Goebenstr. 4066117 Saarbrücken
November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.2 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Themen Vorlesung PATT (1)
Grundlagen & BegriffeZusammenfassung von Grundlagen und Voraussetzungen der Automatisierungstechnik /Signale / Hilfsenergie / Systembeschreibung / Linearisierung analytisch und in Kennlinien-feldern / Modellbildung / Allgemeine Automatisierungsthemen (Schutzarten, Explosions-schutz, EMV) / Systemarchitektur von Automatisierungssystemen
Technische Systeme für Transportvorgänge von Stoffen Übertragungsverhalten von Transport-/Förderbändern für feste Stoffe / Übertragungs-verhalten von Transportsysteme für flüssige Stoffe / Übertragungsverhalten von Be-hältern 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
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Themen Vorlesung PATT (2)
Hilfsmittel / Fliessbilder / R&I-SchemenDarstellung von verfahrenstechnischen Abläufen / Symbole und Kennzeichen / Program-mierungshilfsmittel / Darstellung von Funktionsplänen / Ablaufsteuerung /
AutomatisierungskonzeptionIndustrielle Kommunikation (Feldbussysteme) / Systemarchitektur von Automatisierungs-systemen / Organisation von PLT-Projekten / Normen, Vorschriften, Richtlinien / Char-genprozesse / Stellgeräte / Regler / Steuerungen
Neue Methoden in der AutomatisierungstechnikFuzzy-Konzept / Fuzzy-Regelung / Einsatz von Neuronalen Netzen in der Automatisie-rungstechnik / Anwendungsbeispiele und technische Realisierungen
Automatisierung mit Matlab/SIMULINKEinführung in die Entwicklungsumgebung /Anwendungen / Regelkreisauslegung / Lösen vonDifferentialgleichungen
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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 (RS232 (V.24) / RS422 / RS485)• Ergänzende Literatur
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Serielle Datenübertragung (1)
Übertragung digitaler Signale zwischen Geräten und Systemen• serielle Datenübertragungstechnik
(Computernetze, Bürokommunikation, Feldbussysteme (Prozess-,Gebäude- und Fertigungsautomation), Internet und ISDN
• Kennzeichen serieller Datenübertragungzeitlich nacheinander und bitweise Übertragung über eine Daten-leitung
• Parallele Verarbeitung digitaler SignaleErzeugung sequentieller Daten aus bitparalleler Verarbeitung inSystembausteinen (Register, Mikroprozessoren)
• Hohe DatenübertragungsratenZeitaufwand für die Datenumwandlung (parallel – seriell – parallel)spielt untergeordnete Rolle
• Geringer AufwandInstallations-, Kostenaufwand niedrig / einfache Benutzbarkeit
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Serielle Datenübertragung (2)
Bitweise Datenübertragung
Signalbausteine generierenAus parallel gleichzeitig an-liegenden Daten sequentielleDaten.
Sende- und Empfangsbausteine•Datenwandlung (parallel – seriell)
Übertragungsstrecke Sender – Medium - Empfänger•Merkmale der Übertragungsstrecke •Richtung, Durchsatz, Übertragungsrate Quelle: Samson
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Übertragungsstrecke / Richtung
Richtung der Datenübertragung (Zeitpunkt / Richtung)• Simplex- oder 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-Duplex- oder Gegenverkehr (Telefonnetz)
Datenübertragung – zeitgleich – in beiden Richtungen möglich
Quelle: Samson
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Übertragungsstrecke / Verbindungsart
Verbindungsart• Runkt-zu-Punkt Verbindung (Zweipunkt-Verbindung)
Getrennte Ausführung Empfangs- und Sendeleitung (kann)Empfangsleitung (Empfänger) <-> Sendeleitung (Senders)
Quelle: Samson
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Übertragungsstrecke / Verbindungsart
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
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Übertragungsstrecke / Übertragungsgeschwindigkeit
Übertragungsgeschwindigkeit • Übertragungsgeschwindigkeit (Datenmenge pro Zeiteinheit)
BPS, kBit/s, Mbit/s• Übertragung bitweise
Bitübertragungsrate 100kBit/s Übertragungsfrequenz 50 kHz (Abtasttheorem)
• Erhöhung der Bit-RateZusammenfassung mehrere Bitwerte, die dann seriell aber gemein-sam in einem Paket übertragen werden.
• Leitungsfähigkeit einer Kommunikationsverbindung+ Übertragungsgeschwindigkeit + Wartezeit, bis Leitung für die Übertragung freigegeben ist+ Anzahl der Daten, die als Steuerdaten zusätzlich zu den Nutz-
daten übertragen werden müssen(Geräteadresse, Steuerinformationen, etc.)
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Übertragungsstrecke / Übertragungsgeschwindigkeit
Quelle: Samson
November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.12 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Übertragungsstrecke / Übertragungsmedium
Quelle: Samson
Für die serielle Datenübertragung stehen verschiedene Medien zurVerfügung (elektrisch, optisch, per Funk).
Kriterien zur Medienauswahl:• Kosten und Aufwand
Installation• Sicherheitsaspekte• Maximale Datenrate• Topologie
Entfernung / Lageder Teilnehmer
Ziele:• Gute Signalqualität• Geringe Störempfindlichkeit
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Übertragungsstrecke / Übertragungsmedium
Quelle: Samson
Kein Medium hat ideale Übertragungseigenschafte Auswirkungen/Einfluss auf das Signalverhalten (Form, Verlauf, Störung)
Merkmale leitungsgebundener Übertragungsmedien
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Übertragungsstrecke / Übertragungsmedium
Quelle: Fachkunde Informationstechnik, Europa Fachbuch
Übertragungsmedium:•Aufbau elektrischer Leitungssysteme
•Verdrillte Zweidraht-leitung (Twisted Pair)Durch Verdrillung Reduzierung von Stör-einflüssen auf die Datenübertragung
•Verbreitung allerKabelsysteme
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Elektrische Leitungen
Datenübertragung über elektrische Leitungen führt zur Signalbeein-flussung. Ersatzschaltungen für Leitungen lassen sich aus R, L und C-Bauelementen aufbauen. Leitung führt zu Dämpfung und Signalverzer-rung:•Widerstände verändern den statischen Signalpegel•Induktivitäten und Kapazitäten verändern die Flankensteilheit
Leitungsauswahl muss gute Übertragung sicherstellen:•Leitungswiderstand ausreichende Signalamplitude•Kabelinduktivität und –kapazität ausrei-chende Flankenform
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Elektrische Leitungen
Für geeignete Datenübertragung ist die mögliche Datenrate und Anzahlder angeschlossenen Teilnehmer vom Kabeltyp abhängig.
Beispiel: Leitungslänge abhängig von der Datenrate (RS 485)
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Elektrische Leitungen
Weitere Einfluss der Leitungen liegen in Reflexionen von Signalen an den Leitungsenden. Installation von elektrischen Leitungen erfordertbesondere Beobachtung:•Wechsel der Kabelarten•Verzweigung •Geräteanschluss•Offene Leitungsenden
Reduzierung / Vermeidung von Reflexionen bedarf Einsatz von Abschluss-widerständen. Widerstände bilden somit die elektrischen Eigenschaftender Leitung nach. Kenngröße ist der Wellenwiderstand der Leitung
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Abschlusswiderstände
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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)
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Randbedingungen der Datenübertragung
NRZ- und RZ- Formatierung
Nicht selbsttaktende FormatierungNicht mittelwert freie Formatierung
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Manchestercodierung
Bitinformation ist in der Phasenlage des Signals erkennbar.•Steigende Flanke: High-zustand•Fallende Flanke: Low-zustand•Mittelwertfreie Ausführung (-5, +5 V)
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Amplituden- und FSK-Codierung
FSK = frequency shift keying•Pegelunabhängiges Verfahren•Hohe Störsicherheit•Medium muss Frequenzen übertragen können•Einsatz zur Parametrierung von Sensoren/Aktoren
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Übertragungsverfahren der seriellen Kommunikation
Digitale Datenübertragung:
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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.
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Übertragungsverfahren der seriellen Kommunikation
Asynchrone Datenübertragung:• Bei synchroner Datenübertragung muss der Takt sehr genau über-
tragen 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.
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Übertragungsverfahren der seriellen Kommunikation
Kommunikationssteuerung:• Regelt den Ablauf der Kommunikation (z.B. Bereitschaft zur Kommu-
nikation per Software oder zusätzliche Steuerleitungen).• Bereitschaftsfreigabe muss vor Datenübertragung vorliegen.• Handshake mit bidirektionaler Kommunikation• Software-Handshake mit Sonderzeichen XON/XOFF• Hardware-Handshake
mit Steuerleitungen
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Übertragungsverfahren der seriellen Kommunikation
Kommunikationssteuerung:• RTS (Sendeteil einschalten) = 1 zeigt an, dass der Empfänger zur
Datenaufnahme bereit ist. Bei RTS = 0 wird die Datenübertragungunterbrochen.
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Zweidrahtkommunikation
Einfache Kommunikationsverfahren minimieren den Instrumentierungs-aufwand (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
SchnittstellenSpezifikation
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Fehlererkennung
•Mass für Fehlererkennbarkeit Hamming-Distanz. •Paritätsverfahren liefert HD = 2•Blockübertragung liefert höhere Erkennbarkeit von Fehlern
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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.
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Übertragungsstandards
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RS232
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RS232
Begrenzte Übertragungs-Strecken ( 15 m)ErdunsymmetrischesSignal / Ausgleichs-ströme
November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.34 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Rechnerschnittstellen V.24/RS232C
Rechnerschnittstelle:9 oder 25-poliger D-SUB-Stecker
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Datenübertragung
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RS422
November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.37 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
RS422
November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.38 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
RS485
November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.39 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
RS485
November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.40 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
RS485
November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.41 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Feldbusspezifikation
November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.42 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Feldbusspezifikation
November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.43 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel
Feldbusspezifikation