Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2

1. Datenaustausch in der AutomatisierungstechnikTeil 2 Marco Munstermann

2. CAD DWH DB PPS Sensoren / Aktoren Sensoren / Aktoren Datenaustausch der Zukunft Büro-Netzwerk(Ethernet) Unternehmens-Netzwerk(Ethernet & Industrial Ethernet) Fabrik-Netzwerk(Industrial Ethernet) ABK PFK QS Feldbus-Netzwerk(Realtime Ethernet) PNK 1 PNK n Sensor- Aktor- Bus(ASI, Profibus DP, Profibus PA, …) Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2  Marco Munstermann

3. Sensoren / Aktoren Sensoren / Aktoren Industrial Ethernet CAD DWH • Thema seit Ende der 90er • Sammelbegriff proprietärer Kommunikationssysteme • die Ethernet verwenden • auf Basis industrie-tauglicher Hardware • kein wohldefinierter Standard mit proprietären Applikationsprotokollen DB PPS ABK PFK QS PNK 1 PNK n Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2  Marco Munstermann

4. CAD DWH DB PPS Sensoren / Aktoren Sensoren / Aktoren Realtime Ethernet Unternehmens-Netzwerk(Ethernet & Industrial Ethernet) ABK PFK QS Feldbus-Netzwerk(Realtime Ethernet) PNK 1 PNK n Sensor- Aktor- Bus(ASI, Profibus DP, Profibus PA, …) Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2  Marco Munstermann

5. 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 Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2  Marco Munstermann

6. Isochroner Datenverkehr (zyklisch) Asynchroner Datenverkehr TS1 TS2 … TSn Kommunikationszyklus 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 spezielle Hardware in allen Netzknoten erforderlich! Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2  Marco Munstermann

7. Master Slave1 Slave3 Slave2 Realtime Ethernet – 2. Lösungsansatz • Veränderung der „Logischen Verknüpfungsschicht“ (LLC-Layer) • Polling (zentral/dezentral) • z.B. Ethernet-Powerlink (EPL) mit zentralem Polling Start Of Cycle Cyclic 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) Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2  Marco Munstermann

8. 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 Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2  Marco Munstermann

9. 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) Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2  Marco Munstermann

10. 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 Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2  Marco Munstermann

11. Schließe Ventil3 um 15:58:01.084 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 Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2  Marco Munstermann

12. Klassifizierung der Realtime-Verfahren Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2  Marco Munstermann

13. CAD DWH DB PPS Sensoren / Aktoren Sensoren / Aktoren Applikationsschnittstellen Unternehmens-Netzwerk(Ethernet & Industrial Ethernet) ABK PFK QS Feldbus-Netzwerk(Realtime Ethernet) PNK 1 PNK n Sensor- Aktor- Bus(ASI, Profibus DP, Profibus PA, …) Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2  Marco Munstermann

14. OPC-Client OPC-Client OPC-Client Office-Anwendung PPS ABK OPC-Server OPC-Server OPC-Server Motor-regelung Getriebe-steuerung Pumpen-steuerung Einheitliche Applikationsschnittstellen Vorteile: geringere Engineeringkosten, Interoperabilität Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2  Marco Munstermann

15. 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 Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2  Marco Munstermann

16. OPC – Spezifikationen Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2  Marco Munstermann

17. 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 Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2  Marco Munstermann

18. Prozessdaten OPCItemObjekt OPCItemObjekt OPCItemObjekt OPCItemObjekt OPCItemObjekt OPCGroupObjekt OPCDAServerObjekt OPCGroupObjekt OPC Data Access (OPC DA) OPC Server OPC Client Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2  Marco Munstermann

19. 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 Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2  Marco Munstermann

20. Ereignisse OPCEventObjekt OPCEventObjekt OPCEventObjekt OPCEventObjekt OPCEventObjekt OPCAEServerObjekt OPC Alarms and Events (OPC AE) OPC Server OPC Client Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2  Marco Munstermann

21. 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 ! Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2  Marco Munstermann

22. historische Prozessdaten OPCHDAServerObjekt OPC Historical Data (OPC HDA) OPC Server OPC Client Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2  Marco Munstermann

23. DX Server DA Server DA Server OPC Data eXchange (OPC DX) • DX Server importiert externe Prozessdaten von DA Server • um diese im eigenen Namensraum anzubieten • vereinfacht:DX Server = DA Client & DA Server DA Client DX Server Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2  Marco Munstermann

24. 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 Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2  Marco Munstermann

25. 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. Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2  Marco Munstermann

26. CAD DWH DB PPS Sensoren / Aktoren Sensoren / Aktoren Ist ein Ende vertikaler Integration erreicht? Unternehmens-Netzwerk(Ethernet & Industrial Ethernet) ABK PFK QS Feldbus-Netzwerk(Realtime Ethernet) PNK 1 PNK n Sensor- Aktor- Bus(ASI, Profibus DP, Profibus PA, …) Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2  Marco Munstermann

27. 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? Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2  Marco Munstermann

28. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2  Marco Munstermann