Datenaustausch in der Automatisierungstechnik
Teil 2
Marco Munstermann
Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2 Marco Munstermann
HAW HamburgFolie 2
Unternehmens-Netzwerk(Ethernet & Industrial Ethernet)
Datenaustausch der Zukunft
Fabrik-Netzwerk(Industrial Ethernet)
Sensor- Aktor- Bus(ASI, Profibus DP, Profibus PA, …)
Feldbus-Netzwerk(Realtime Ethernet)
Büro-Netzwerk(Ethernet)
Sensoren / Aktoren Sensoren / Aktoren
PNK 1 PNK n
QSABK PFK
CAD
PPS DB
DWH
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Industrial Ethernet
Sensoren / Aktoren Sensoren / Aktoren
PNK 1 PNK n
QSABK PFK
CAD
PPS DB
DWH • Thema seit Ende der 90er
• Sammelbegriff proprietärer Kommunikationssysteme
• die Ethernet verwenden
• auf Basis industrie-tauglicher Hardware
• kein wohldefinierter Standard mit proprietären Applikationsprotokollen
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Unternehmens-Netzwerk(Ethernet & Industrial Ethernet)
Realtime Ethernet
Sensor- Aktor- Bus(ASI, Profibus DP, Profibus PA, …)
Feldbus-Netzwerk(Realtime Ethernet)
Sensoren / Aktoren Sensoren / Aktoren
PNK 1 PNK n
QSABK PFK
CAD
PPS DB
DWH
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Ethernet-TCP/IP
+ potenzielle Eignung auf Feldbus-Ebene• hohe Übertragungsrate
• korrekte Datenübertragung
- nicht eigensicher
- Jitter > 1ms
- kommunikationsstörende Knoten werden nicht erkannt
- CSMA / CD: Kollisionen werden erkannt, nicht vermieden
keine garantierten Antwortzeiten, somit nicht echtzeitfähig
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TSn…TS2TS1
Isochroner Datenverkehr (zyklisch)
Asynchroner Datenverkehr
Kommunikationszyklus
spezielle Hardware in allen Netzknoten erforderlich!
Realtime Ethernet – 1. Lösungsansatz
• Veränderung des Medienzugriffs (MAC-Layer)• Token passing (logischer Ring erforderlich)
• z.B. EtherCAT
• Time Division Multiple Access• z.B. Profinet v.3, Sercos-III
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Realtime Ethernet – 2. Lösungsansatz
• Veränderung der „Logischen Verknüpfungsschicht“ (LLC-Layer)• Polling (zentral/dezentral)
• z.B. Ethernet-Powerlink (EPL) mit zentralem Polling
Master
Slave2
Slave3Slave1
SOC
CP1
CP2
CP3
AP3
CS1CS2
CS3 AS3
Start Of CycleCyclic Poll (slave 1)Cyclic Send (slave 1)Cyclic Poll (slave 2)Cyclic Send (slave 2)Cyclic Poll (slave 3)Cyclic Send (slave 3)Acyclic Poll (slave 3)Acyclic Send (slave 3)
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Realtime Ethernet – 2. Lösungsansatz
• Veränderung der „Logischen Verknüpfungsschicht“ (LLC-Layer)• Polling (zentral/dezentral)
• z.B. Ethernet-Powerlink (EPL) mit zentralem Polling
• verwendet Standard-Hardware in den Netzknoten
• besonderer Kommunikationsstack in allen Knoten notwendig
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Realtime Ethernet – 3. Lösungsansatz
• Kollisionsvermeidung durch konsequenten Einsatz von Switches• full duplex
• Store-and-Forward (Queues)
• Priorisierung der Nachrichten (QoS)
• Router (Firewall) entlasten das Echtzeit-Segment
• Einsatz bei Ethernet/IP (Industrial Protocol)
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Realtime Ethernet – 3. Lösungsansatz
• verwendet Standard-Hardware in allen Netzkomponenten
• verwendet ausschließlich Standard TCP/IP- und UDP/IP- Protokoll-Stacks
• Reaktionszeit (>> 1ms) zu hoch für Motion Control
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Realtime Ethernet – 3. Lösungsansatz
• alle Kommunikationsteilnehmer mit Uhr versehen
• alle Uhren synchronisieren
• alle Steuerbefehle erhalten Ausführungszeit
Entkopplung der Performance des Gesamtsystems von der des Netzwerks
Schließe Ventil3 um 15:58:01.084
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Klassifizierung der Realtime-Verfahren
So
ftware
(OS
I-Schicht 3 und 4)
Standardkonform
Ethernet/IP
Proprietär
Profinet v.3Sercos-IIIEtherCAT
EPL
Proprietär Standardkonform
Hardware
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Unternehmens-Netzwerk(Ethernet & Industrial Ethernet)
Applikationsschnittstellen
Sensor- Aktor- Bus(ASI, Profibus DP, Profibus PA, …)
Feldbus-Netzwerk(Realtime Ethernet)
Sensoren / Aktoren Sensoren / Aktoren
PNK 1 PNK n
QSABK PFK
CAD
PPS DB
DWH
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OPC-ServerOPC-Server OPC-Server
OPC-ClientOPC-Client OPC-Client
Einheitliche Applikationsschnittstellen
ABKPPSOffice-
Anwendung
Motor-regelung
Getriebe-steuerung
Pumpen-steuerung
Interoperabilitätgeringere Engineeringkosten,Vorteile:
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OPC – OLE for Process Control
• standardisierte Applikationsschnittstelle in der Automatisierungstechnik
• definiert Kommunikationsobjekte• basiert auf Microsofts Distributed Component Model
(DCOM, ehemals OLE)• verwendet das Client-Server-Modell• ermöglicht vertikale Integration von der Feldebene
bis in die Unternehmensleitebene• z.B. aktuellen Temperaturwert automatisch in Excel-
Sheet übernehmen
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OPC – Spezifikationen
OPC
OPC Data Access
OPC Alarms and Events
OPC Historical Data
OPC Data eXchange
…
OPC Data Access XML
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OPC Data Access (OPC DA)
• Schnittstelle zur Prozessdatenkommunikation• ermöglicht 1..n Clients den transparenten Zugriff auf
Prozessdaten
• Prozessdaten werden abonniert und kontinuierlich gesendet
• Clients legen Objekte an (Sicht auf die Daten)• Objektaufbau: Wert, Zeitstempel, Statusinformation• optionale Attribute (z.B. Gerätename, Standard-
abweichung, …)
• die am häufigsten implementierte Spezifikation
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OPC Data Access (OPC DA)
OPC Server
OPC Client
OPCItem
Objekt
OPCItem
Objekt
OPCItem
Objekt
OPCGroupObjekt
OPCDAServerObjekt
Prozessdaten
OPCItem
Objekt
OPCItem
Objekt
OPCGroupObjekt
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OPC Alarms and Events (OPC AE)
• Schnittstelle zum Übertragen und Quittieren von Ereignissen und Alarmen
• Ereignisse und Alarme werden abonniert und diskontinuierlich gesendet
• Clients legen Ereignis- / Alarmobjekte an• Objektaufbau: Ursprung, Zeitstempel, Meldung,
Priorität, …• optionale Attribute erlaubt
• Server überwacht Prozessdaten und generiert ggf. Ereignis- / Alarmmeldungen
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OPC Alarms and Events (OPC AE)
OPC Server
OPC Client
OPCEventObjekt
OPCEventObjekt
OPCEventObjekt
OPCEventObjekt
OPCEventObjekt
OPCAEServerObjekt
Ereignisse
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OPC Historical Data (OPC HDA)
• Schnittstelle zum Übertragen von historischen Prozessdaten
• einmalige Datenübertragung auf Anforderung
• Aggregate (z.B. Mittelwert, Minimum, Maximum, …) können erstellt werden
• historische Daten können nicht nur gelesen, sondern auch eingefügt, ersetzt und gelöscht werden !
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OPC Historical Data (OPC HDA)
OPC Server
OPC Client
OPCHDAServerObjekt
historischeProzessdaten
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OPC Data eXchange (OPC DX)
DX Server
DA Client
• DX Server importiert externe Prozessdaten von DA Server
• um diese im eigenen Namensraum anzubieten
• vereinfacht:DX Server = DA Client & DA Server
DA ServerDA Server DX Server
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OPC XML DA
• entspricht in seiner Funktionalität OPC DA
• verwendet XML und SOAP statt DCOM
• Plattform unabhängig
• Einsatzbereich auf das Internet erweitert
• deutlich langsamer als OPC DCOM DA• ineffizienter Datenversand
• zusätzliche Prozessorleistung
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OPC – OLE for Process Control
• Senkung der Engineeringkosten
• OPC DA befreite Kunden von der Geräteherstellerabhängigkeit
• OPC XML DA befreit die Anwender von der Microsoft-Abhängigkeit
• OPC basiert auf TCP/IP, d.h. eine Anpassung an Realtime Ethernet ist erforderlich, um garantierte Antwortzeiten einzuhalten.
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Unternehmens-Netzwerk(Ethernet & Industrial Ethernet)
Ist ein Ende vertikaler Integration erreicht?
Sensor- Aktor- Bus(ASI, Profibus DP, Profibus PA, …)
Feldbus-Netzwerk(Realtime Ethernet)
Sensoren / Aktoren Sensoren / Aktoren
PNK 1 PNK n
QSABK PFK
CAD
PPS DB
DWH
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Fragestellungen für ein Masterthema
• Lassen sich die Echtzeitansätze für Ethernet auch auf WLAN übertragen, um die Kommunikation zwischen dem Fahrzeug und dem Leitstand im FAUST- Projekt zu realisieren?
• Programmtechnische Umsetzung des gewählten Echtzeitansatzes
• Analyse der zu erzielende Ergebnisse
• Ist der Einsatz von OPC DA (basierend auf Realtime Ethernet) für die Kommunikation auf der Regelungs- / Steuerungsebene des Fahrzeugs geeignet?
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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit