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PLT Basic: Instrumentierung & Kommunikation

VL PLT1

Technische Universität Dresden Professur für Prozessleittechnik

PLT Basic: Instrumentierung & Kommunikation

VL PLT1

Technische Universität Dresden Professur für Prozessleittechnik

Einordnung ins Automatisierungsmodell

23.4.2013 3

[DIN 19222]

Feldebene: Informations- gewinnung und -nutzung

Übersicht

• Elemente der Feldebene – Sensoren, Aktoren

• Anforderungen, Auswahl • Grundstruktur Messgeräte

– Messwertgeber, Messumformer • Geräteintegration

– Parametrierung und Konfiguration)

VL PLT-1 23.4.2013 4

Instrumentierung - Sensorik

23.4.2013 VL PLT-1 5

[www.abb.de] [www.siemens.de]

[www.de.endress.com

Instrumentierung - Aktorik

23.4.2013 VL PLT-1 6

[www2.emersonprocess.com] [www.samson.de] [www.ksb.com]

Begriff Instrumentierung

• alle Vorgänge in den Lebensphasen des verteilten Automatisierungssystems, die einen Umgang mit dem Feldgerät (logisch oder physisch) erfordern

• Überführung der funktionalen Anforderungen aus der Verfahrenstechnik (Mess-, Regel-, Stellfunktion) in gerätetechnische Anforderungen (Spezifikation, Auslegung)

• bestellfertige Auswahl der Mess- und Stellgeräte • Bestellung, Fertigung, Auslieferung (Überwachung, Expediting) • Inbetriebnahme und Konfiguration (Parametrierung) • Betrieb und Instandhaltung

23.4.2013 VL PLT-1 7

Instrumentierung - Aspekte

23.4.2013 VL PLT-1 8

Zusammensetzung

Auswahl

Netzwerkkonfiguration

Kanalbelegung

Betrieb und technische Betreuung

Akteur Anwendungsfestlegung

Anwendungsinbetriebnahme

<<include>>

[Wollschlaeger, 2012]

Instrumentierung - Aspekte

23.4.2013 VL PLT-1 9 [Wollschlaeger, 2012]

• Anwendungsfestlegung – Festlegung der Interaktion mit dem Prozess – Festlegung der automatisierungstechnischen Funktion

• Auswahl – Auswahl von Geräten bei der Planung – Nutzung von unterschiedlichen Kriterien

• Physikalisches Wirkprinzip, Einsatzbedingungen • Kommunikationsanschluß • Kosten, Vorzugshersteller,Service

• Schrittweise hardwaretechnische Zusammensetzung eines Feldgerätes

– Fertigung (Bauteile, Gehäuse) – Zusammenbau bzw. Kombination von Modulen – Montage, Verkabelung, Verdrahtung

Instrumentierung - Aspekte

23.4.2013 VL PLT-1 10 [Wollschlaeger, 2012]

• Netzwerkkonfiguration und Kanalbelegung – Einbindung in das Kommunikationssystem – Zuordnung der Kanäle aus Sicht der Funktionsfestlegung zu

den vom Gerät bereitgestellten Meß- und Stellgrößen • Anwendungsinbetriebnahme

– Überführung in den Betriebszustand • Programmierung, Konfigurierung, Parametrierung

• Betrieb und technische Betreuung – Diagnose des Gerätes – Wartung / Instandhaltung (Reparatur, Austausch) – Update / Upgrade – Archivierung, Dokumentation – Analyse, Führung bzw. Optimierung des Prozesses – Asset Management

TI

LI

Instrumentierung – Realisierung von Anforderungen • Sensoren: Messen von

Prozessgrößen – Druck, Temperatur – Durchfluss, Menge – Füllstand, Gewicht – Abstand, …

• Aktoren: Stellen von Energie- und Stoffströmen

– Ventil, – Motor, Pumpen

23.4.2013 VL PLT-1 11 AT-Realgerät Anforderung (VT, Konstruktion, Rohrleitung, Sicherheit)

FI

Instrumentierung - Anforderungen

• Zuverlässigkeit - Ausfallsicherheit der Instrumente muss den Betriebsanforderungen der Anlage erfüllen

• Prozessbedingungen - Instrumente müssen unter den Einsatzbedingungen (Prozess, Umwelt) funktionsfähig sein

• Kundenanforderungen - Berücksichtigung von Vorgaben bzgl. Hersteller, Kommunikationsart

• Integrierbarkeit - mögliche Integration in bestehende Strukturen

• Energieverbrauch - Minimierung bzw. Bilanzierung der Energieverbräuche (Elektro, Luft)

• Kostenbestimmung – Vergleich verschiedener Hersteller zu Minimierung der Kosten; Berücksichtigung von weiteren Kostenfaktoren (Montage, Wartung,…)

23.4.2013 VL PLT-1 12 [nach Bindel, Hofmann 2009]

Instrumentierung – Realisierung von Anforderungen

23.4.2013 VL PLT-1 13 Urbas/Doherr © 2010 CAE@PA Folie 13

Verfahrenstechnik - Stoff- und Prozessdaten - Ex-Bereiche (Sicherheit) - Sicherheitsrelevante Mess- u. Stellfunktionen

Instrumentierung - Analyse, Auslegung, Berechnung

- Gerätespezifikation - Vorauswahl

Hersteller (Katalog) - Analyse, Auswahl - Nachrechnung - Angebotserstellung

Prozessanlage

Anfrage, später evtl. Bestellung

Angebot, später evtl. Lieferung

Montage, Inbetriebnahme

Prozessführung

Anforderungen

Anpassungen (z.B. Nennweite)

Grundstruktur Messumformer

• Messwertgeber: Wandlung in elektrisches Signal oder elektrisch messbare Ersatzgröße

– Z.B. Druck Spannung, Weg Widerstand, Volumen Kapazität, Temperatur Widerstand, …

• Vorverarbeitung in Sensor (oder PLS) – Verstärken, Filtern, Linearisieren, Radizieren, Skalieren, Normieren

Einstellbare Parameter zur Anpassung an Anforderung! • Übertragen zur Leitebene (analog oder digital)

– Interoperabilität genormtes Einheitssignal

VL PLT-1

Prozess Mess- wert- geber

Vor- verarbeitung

Physikalische Größe

elektrisches Signal

genormtes Ausgangs- signal

Hilfsenergie

Messumformer

23.4.2013 14

Instrumentierung – Geräteintegration

23.4.2013 VL PLT-1 15

PA-Device Valve

PA-Device Transmitter Devices Devices PA-Device

Analyzer

SPS Master C1

Engineering/Maintenance

Master C2

Lesen und Schreiben von IO-Daten

Konfiguration Prozess-Daten Alarme

Anwenderprogramm mit Zugriff auf die Prozess-Signale durch Prozess-Abbild

Diagnose Status/Control Parametrierung

Inbetriebnahme und Anlagen-

diagnose

[PROFIBUS International]

PLT Basic: Instrumentierung & Kommunikation

VL PLT1

Technische Universität Dresden Professur für Prozessleittechnik

Einordnung ins Automatisierungsmodell

23.4.2013 17

[DIN 19222]

Übersicht

• Einführung • Analoge Prozesswertkommunikation

– Strom- und Spannungssignale – Zwischenlösung: HART-Protokoll

• Digitale Feldbusse – Grundprinzip – Synchroner & Asynchrone Kommunikation

VL PLT-1 23.4.2013 18

Einführung

• Aufgaben der Kommunikationseinrichtungen – physikalisch informationstechnische Verbindung

vieler Datenquellen mit meist einer Datensenke und umgedreht

– „Nervensystem einer technischen Anlage“

23.04.2013 VL PLT-1 19

Automatisierungs- system

Prozessleittechnik

Prozess- automatisierung

Einführung • Kommunikation in der Prozessindustrie – Aufgabe

22.04.2013 Falk Doherr - DAK Folie 20 (nach [Schwibach 2009])

Geschäftsprozesse

Anlage / Produktionsprozess

Produktionsplanung Produktionslogistik

Prozessoptimierung Instandhaltung

Sensoren / Aktoren Basisautomatisierung (PLS, SPS)

OPC

Wireless

Feldbus

konv. Verdrahtung

HART

TCP/IP Ethernet

Einführung

• Anforderungen an Kommunikationseinrichtungen – so sicher und verfügbar wie möglich und so schnell

wie nötig – Im Normalfall: unidirektionale Übertragung meist

einer Information pro Feldgeräte – Im Wartungs- bzw. Fehlerfall: bidirektional

Übertragung vieler Diagnose- und Parameterinformationen

zur Verbesserung der Verfügbarkeit wird dies immer mehr auch zum Normalfall (Erkennung der Ursachen von Ausfällen bevor sie passieren und nicht nur Detektion ihrer Auswirkungen)

23.04.2013 VL PLT-1 21

Motivation und Zielsetzung • Kommunikation in der Prozessindustrie – Anforderungen

22.04.2013 Falk Doherr - DAK Folie 22

[Enste u. Müller 2007] [Schwibach 2009]

Kommunikationssystem

Verfügbarkeit Leistungsfähigkeit

Echtzeitfähigkeit

Robustheit

Security

Safety

Redundanz

Interoperabilität

Wirtschaftlichkeit

Flexibilität

Offenheit

Handhabbarkeit

Einführung

23.04.2013 VL PLT-1 23

• Kommunikationstrukturarten

trotz bekannter und anerkannter technologischer Vorteile

der Feldbustechnologie findet Verdrängung der konv. Verdrahtung nur langsam statt (auch bei Neuanlagen)

(Kiupel, atp 5.2008) (L.O‘Brien ARC Forum 2008)

Analoge Signalübertragung • Aufbau autonomer Regelkreise

möglich (siehe Stellenplan) • Heute meist für jedes einzelne

Feldgerät eine Verbindung zum PLS-IO (siehe Verkabelung)

• Stromversorgung – mit Signalübertragung: 2-

Leiter-Anschluss – Separat: 4-Leiter-Anschluss

VL PLT-1 23.4.2013 24

Analoge Signalübertragung • Sammlung mehrerer Feldgerätesignale über Feldverteiler (Junction

Box) und Stammkabeln (Multi-Core, Home Run)

VL PLT-1 23.4.2013 25

[Berge, 2009]

Analoges Stromsignal 4..20 mA

• Normen und Richtlinien – NAMUR-Empfehlung NE 06 – DIN IEC 60381

• Informationscodierung

VL PLT-1 23.4.2013 26

Binäres Spannungssignal 0 / 24 V

• Spannungsabfall über Kupferkabel + Potentialausgleich

• Norm: IEC 60946 Unterschiedliche

Spezifikationen für Ausgang & Eingang

• Ausgang von Messgerät – 0-2V low – 16-30 V high

• Eingang – -3 – 5V low – 13-33 V high

VL PLT-1 23.4.2013 27

Bewertung analoger Signalübertragung

• Stärken – Einfache Planung, gute Abschätzung von Kosten – Hochparallel (jedes Signal eine Leitung) – Betriebsbewährt, einfache Technik

• Schwächen – Störanfällig (EMV) – Jedes Feldgerät benötigt eigenen Parametrierungszugang – Aufwändige Inbetriebsetzung durch notwendigen Abgleich der

Parameter in Feldgerät & PLS • Feldgerät Abb. Messgröße/Einheitssignal, e.g. 0-100°C 4..20 mA • PLS: Inverse Abbildung 4..20 mA 0-100°C

– Ein Signal / Messgerät für moderne Sensoren mit Störgrößenkompensation häufig zu wenig

VL PLT-1 23.4.2013 28

Problem Parametrierung

• Jedes Gerät vor Ort mit eigener Bedienschnittstelle?

– Zeitaufwändig – Unkomfortabel – Fehleranfällig – Teuer

• Anwenderwünsche – Ein Bediengerät für alle! – Konfiguration aus dem PLS heraus! – Übertragung mehrerer PV!

VL PLT-1

mmHG

23.4.2013 29

HART-Protokoll (1/3)

• HART: Highway Adressable Remote Transducer – Digitaler Datenaustausch zwischen Feldgerät und einem Master

durch Überlagerung des analogen Stromsignals mit digitaler Kommunikation

• Signalübermittlung: Überlagerung des Stromsignals mit einem Frequenzsignal

– Frequenzschiebeverfahren (Frequency Shift Keying, FSK nach Bell 203

– 2400Hz=0, 1200Hz=1

VL PLT-1 23.4.2013 30

HART-Protokoll (2/3)

• Protokoll: Master-Slave mit max 2 Master – 500-800ms / Transaktion – Universelle Kommandos (Universal Commands, Alle Geräte)

• Identifikation des Geräts (38-bit unique identifier) • Auslesen von max. 4 Messwerten incl. phys. Einheit • Schreiben Messstellenkennzeichen, Geräteadresse, etc.

– Allgemeine Kommandos (Common Practice Commands, Viele Geräte) • Setzen von allgemeinen Parametern wie Integrationszeit, Nullpunkt,

Spanne, Einheiten – Gerätespezifische Kommandos (Device Specific Commands)

• Nicht standardisierte, geräteabhängige Kommandos

VL PLT-1 23.4.2013 31

HART-Protokoll (3/3)

VL PLT-1

preamble start address command bytecount [status] data data checksum

1 1..5 5..20 (xFF) 1 1 [2]

(slave response) 0..25

(recommended) 1

Master

Indication

Slave

Request

Confirmation

Response

time-out

Hart frame format (character-oriented):

23.4.2013 32

HART commands summary

Universal Commands Common Practice Commands Device-Specific Commands (example)

• Read manufacturer and device type

• Read primary variable (PV) and units

• Read current output and percent of range

• Read up to four predefined dynamic variables

• Read or write eight-character tag, 16-character descriptor, date

• Read or write 32-character message

• Read device range values, units, and damping time constant

• Read or write final assembly number

• Write polling address

• Read selection of up to four dynamic variables

• Write damping time constant • Write device range values • Calibrate (set zero, set span) • Set fixed output current • Perform self-test • Perform master reset • Trim PV zero • Write PV unit • Trim DAC zero and gain • Write transfer function (square

root/linear) • Write sensor serial number • Read or write dynamic variable

assignments

• Read or write low-flow cut-off • Start, stop, or clear totalizer • Read or write density calibration

factor • Choose PV (mass, flow, or

density) • Read or write materials or

construction information • Trim sensor calibration • PID enable • Write PID setpoint • Valve characterization • Valve setpoint • Travel limits • User units • Local display information

VL PLT-1 23.4.2013 33

Point-to-point vs. multidrop

VL PLT-1 [www.hartcomm.org]

point-to-point multidrop

universal hand-help terminal

23.4.2013 34

Bewertung analoge Signalübertragung + HART

• Stärken – Einfache Planung, gute Abschätzung von Kosten – Hochparallel (jedes Signal eine Leitung) – Betriebsbewährt, einfache Technik – Einheitliche Parametrierung der Feldgeräte – Günstig: Wegen Mgmt. von Fertigungstiefe: Auf Sensorseite

keine/kaum Mehrkosten durch HART • Schwächen

– Störanfällig (EMV) – Für komplexe Inbetriebnahmen deutlich zu langsam (1-2

Kommandos / Sekunde) – Mehrere PV/Feldgerät, mehrere zentral verwaltete Feldgeräte:

Verzicht auf analoge Übertragung von PV – ( Aufrüstung von EA-Baugruppen auf PLS-Seite )

VL PLT-1 23.4.2013 35

Digitale Feldbusse

Übersicht Inhalte

• Allgemeine Grundlagen – Hardware und Signale

• Topologien, Übertragung binärer Signale – Kommunikationsmodelle

• ISO/OSI-Referenzmodell – Bitübertragungsschicht – Sicherungsschicht

• Medienzugriffskontrolle • Datensicherung

• Feldbusse für die Automatisierungstechnik – CAN, CANopen, profibus, Ethernet

23.4.2013 VL PLT-1 37

Literaturhinweise

• Schnell, G., & Wiedemann, B. (2006) Bussysteme in der Automatisierungs- und Prozesstechnik, 6. Auflage. Wiesbaden: Vieweg

• Kriesel, Heimbold, Telschow (1999) Bustechnologien für die Automation. • Weigemann, J. & Kilian, K. (2002)(Hrsg.) Dezentralisieren mit Profibus-

DP/DPV1 • Dietrich, D. & Bangemann, Th. (2006) Profibus PA.

Instrumentierungstechnologie für die Verfahrenstechnik • Verhappen, I. & Pereira, A. (2002) Foundation-Fieldbus: A Pocket Guide • EN 60870 Fernwirkeinrichtungen und –systeme

– Teil 5: Telegramme – Teil 6: Internationale Protokolle (IEC 870-6)

• EN 61158 Digitale Datenkommunikation in der Leittechnik – Feldbus für industrielle Leitsystem

• EN 61784 Digitale Datenkommunikationen in der Leittechnik - • NE 105 Anforderungen an die Integration von Feldbusgeräten in

Engineering-Tools für Feldgeräte

23.4.2013 VL PLT-1 38

Grundlagen

• Geometrische Anordnung und Grundstrukturen – Zweipunktverbindung, Linienstruktur,

Baumstruktur, Ringstruktur, Sternstruktur • Kommunikationsmodelle

– ISO/OSI-Referenzmodell

23.4.2013 VL PLT-1 39

Netzwerk

• Automatisierung setzt Kommunikation zwischen verschiedenen spezialisierten Geräten zur – Informationsgewinnung (e.g. Sensor)

– Informationsverarbeitung (e.g. Regler)

– Informationsnutzung (e.g. Aktor)

voraus.

• Netzwerk: Verknüpfung mehrerer Geräte derart, dass über die entstehenden Verbindungen Information übertragen werden kann.

23.4.2013 VL PLT-1 40

Netzwerktopologie

• Geometrische Anordnung – Physikalische Verbindungen zwischen den

Teilnehmern

• Logische Anordnung – Kommunikationsverbindung

– Häufig unabhängig von Geometrie

23.4.2013 VL PLT-1 41

Zweipunktverbindung

• Beispiele

– PC: Modem, Drucker, Tastatur

– AT: NAMUR Einheitssignal (+ HART)

• Verbindung von n Teilnehmer mit Zweipunktverbindungen vermaschtes Netz

– Schnittstellen: n * (n-1)

– Verbindungen: n!/(2!(n-2)!)

– Kosten: hoch

– Ausfall: 1 Teilnehmer/1Kanal

– Diagnose: Einfach

23.4.2013 VL PLT-1

2n

42

Zweipunktverbindung mit Multiplexer

• Mehr als 2 Teilnehmer auf einer Zweipunktverbindung

– Gegenseitige Signalbeeinflussung

• Lösung: Multiplexverfahren

– Zeitmultiplexverfahren • Basisbandübertragung 0 – Grenzfrequenz

• Simplex, Halbduplexbetrieb

• Beispiel AT: HART-Multiplexer

23.4.2013 VL PLT-1

1 aus 4 a0 a1

d0 d1 d2 d3

1 aus 4 a0 a1

d0 d1 d2 d3

Synchronisation notwendig

Multiplexer Demultiplexer

43

Zweipunktverbindung mit Multiplexer

• Frequenzmultiplexverfahren – Übertragungskanal wird in mehrere, voneinander

unabhängige Frequenzbänder mit definierter Bandbreite aufgeteilt

– Biddirektionale Übertragung möglich (Vollduplex) • Modulationsarten

– Amplitude – Frequenz – Phase

• Baugruppen zur Modulation i.A. teurer als MUX/DEMUX Einsatz vorwiegend in Weitverkehrsnetzen (WAN)

23.4.2013 VL PLT-1 44

Bus-Strukur (Linienstruktur)

• Alle Teilnehmer kommunizieren über eine gemeinsame Leitung

– Anbindung an Buskabel über kurze Stichleitung (Dropkabel)

– Vorteil: weniger Kabel, weniger Schnittstellen

– Nachteil: Regeln zur Festlegung des Zugriffsrechts notwendig Buszugriffsverfahren

23.4.2013 VL PLT-1 45

Begrenzung der Teilnehmer an einer Bus-Strukur • Forderung nach beliebigem

Datenverkehr: – Alle Teilnehmer hören mit

Belastung des Senders steigt mit wachsender Teilnehmerzahl, da parallel geschaltet.

• Busleitungslänge ggü. Wellenlänge nicht mehr klein (l > λmax / 10)

– Wellenwiderstände an Leitungsenden um Reflexionen zu vermeiden

– Weitere Belastung des Senders

23.4.2013 VL PLT-1 46

Begrenzung der Länge des Buskabels

• Buskabel ~ RC-Glied • Rl,Cl = f(Leitungslänge) • Spannungssprung durch

Sender – exponentieller Verlauf von

ULast – Zeitkonstante = f(Ri, Rl,

Cl, RLast) – fmax << 1/∆t

Verknüpfung von maximaler Leitungslänge und maximaler Übertragungsrate

23.4.2013 VL PLT-1

RiUg

Rl

ClUL RLast

47

23.4.2013 VL PLT-1

Baumstruktur

• Weiterentwicklung der Linienstruktur

– Begrenzungen wie bei Linienstruktur

– Vergrößerung der Werte durch Repeater (bidirektional arbeitende Verstärker)

– Größere Leitungslänge • Potentialunterschiede

Galvanische Trennung der Teilnehmer (i.d.R im Eingang)

• EMV differentielles Signal + verdrillte Leitungen

Repeater

48

23.4.2013 VL PLT-1

Ringstruktur

• Mehrere Zweipunktverbindungen realisieren einen Ring – Information wird von

Teilnehmer zu Teilnehmer gereicht

– Zu einem Zeitpunkt darf nur ein Teilnehmer senden Buszugriffsverfahren notwendig

– Jeder Teilnehmer wirkt als Repeater große Ausdehnungen bei hohen Datenraten möglich

• Ausfall Teilnehmer/Strecke Ausfall Netz – Redundanz + Übertragung in

beide Richtungen

49

• Verbindung einer Zentralstation mit Teilnehmern • Sternkoppler (Hub)

– Weiterleiten von Signalen – Aktiv/passiv

• Intelligente Zentralstation – Steuerung der Kommunikation

• Kommunikation erfolgt immer über Zentralstation Ausfall Hub = Ausfall Netz

23.4.2013 VL PLT-1

Sternstruktur

50

Grundstruktur nach NE074

23.4.2013 VL PLT-1 51

OS ES

PS

AP AP AP

FD FD

FD FD

FD

FD

FD

FD

FD

FD

FD

FD

H2 bus optionallyredundant

H1 bus segments

CC C

FD = Field deviceOS = Operator StationPS = Process Control StationES = Engineering StationAP = Auxiliary power

PCS = Process control systemH1 = Bus segments in hazardous environmentH2 = Field bus, fastC = Segment couplers

PCS Bus

PS

Grundstruktur – Beispiel PROFIBUS DP & PA

52

FV

FG

FG FG

FG FG FG

FG FG

FG FG

FG FG

FG FG FG

H2 H1

H2 H1

H2 H1

H2 H1

H2 H1

H2 H1

PCS (DCS) SIS

H2 Master

H2 Master

FV FV

FV

FV FV

FV

FV FV

FG FG

FG FG

FG

FG FG FG

FG

FG FG

FG FG

FG

Grundstruktur – Beispiel Foundation Fieldbus

53 23.4.2013 VL PLT-1

[Fieldbus Foundation]

Trend

23.4.2013 VL PLT-1 54

[http://www.feldbusse.de]

ISO/OSI-Referenzmodell

ISO/OSI-Referenzmodell

• Seit 70er: ISO Arbeitsgruppe Standardisierung von Rechnerkommunikation

– 1983 ISO-Norm 7498 „Basic Reference Model for Open Systems Interconnection (OSI)“

– als X.200 von CCITT übernommen • Abstrakte Beschreibung der Kommunikation von

Partnerprozessen – Abstraktion der Kommunikation in sieben Ebenen (Schichten)

mit festgelegten Teilaufgaben und Funktionen – Jeder Kommunikationspartern enthält alle sieben Schichten – Die Schichten kommunizieren über genau definierte

Schnittstellen Austausch von Schichten möglich

23.4.2013 VL PLT-1 56

Schichten des ISO/OSI-Referenzmodells

23.4.2013 VL PLT-1

Elektrische und mechanische Eigenschaften der Leitung Physikalische Schicht (Physical Layer)

1

Datenformate für die Übertragung und Zugriffsart zum Netz. Datenverbindungs-schicht (Data Link Layer)

2

Transportiert Daten von der Quelle zum Ziel und legt die Wege der Daten im Netz fest

Netzwerkschicht (Network Layer)

3

Stellt fehlerfreie logische Kanäle für den Datentransport bereit Transportschicht (Transport Layer)

4

Auf- und Abbau einer Sitzung (logische Kanäle des Transportsystems)

Sitzungsschicht (Session Layer)

5

Legt Anwenderdatenstrukturen fest und konvertiert die Daten (Formatierung, Verschlüsselung, Zeichensatz)

Darstellungsschicht (Presentation Layer)

6

Stellt den Netzwerkdienst für die Programme des Endanwenders bereit (Datenübertragung, e-mail)

Anwendungsschicht (Application Layer)

7

Erläuterung Bezeichnung Nr.

57

Physikalische Schicht (Bitübertragungsschicht)

• Elektrische und mechanische Eigenschaften der Übertragung

– Art der Codierung – Spannungspegel – Zeitdauer / Bit – Art der Übertragungsleitung – Endsystemkopplung (Stecker) – Zuordnung der Anschlüsse (Pinbelegung) –

23.4.2013 VL PLT-1 58

Sicherungsschicht

• Sicherer Transport der Daten von einer Station zur anderen

– Organisation des Zugriffs auf das Medium – Datensicherung während der physikalischen

Übertragung: Daten werden so „verpackt“, dass Übertragungsfehler erkannt werden können • Einteilung des Stroms in Rahmen (Data Frames) mit

maximaler Länge an Nutzdaten • Rahmen enthält Rohdaten + Zusatzinformationen

aus Sicherungsschicht, z.B. Prüfsumme, Anfangs- und Endeinformation

23.4.2013 VL PLT-1 59

Netzwerkschicht

• Betrachtung des gesamten Netzwerks – Transport der Daten von Quelle bis Ziel, ggf. über

Zwischenstationen – Routing (festlegen des Weges der Daten im Netz) – Packen und Auspacken von Paketen für Schicht 2

• Verbindungsorientierte Dienste – Virtueller Kanal zwischen Ziel und Quelle – Aufbau, Austausch, Abbau Telefonprinzip

• Verbindungslose Dienste – Daten werden mit Zieladresse ins Netz

gegeben Postkartenprinzip 23.4.2013 VL PLT-1 60

Transportschicht

• Kommunikation zwischen Prozessen – Namensgebung für die Rechner (Hosts) – Adressierung der Teilnehmer – Auf/Abbau von Transportverbindungen – Fehlerbehandlung, Flusskontrolle – Multiplexing von Datenströmen auf einem Kanal – Synchronisation der Hosts – Wiederherstellen einer Verbindung bei Fehlern im

darunter liegenden Netzwerk – Internetworking

23.4.2013 VL PLT-1 61

Kommunikation zwischen den Schichten

• Jede Schicht bietet der darüberliegenden ihre Dienste an: – Schicht N: service provider – Schicht N+1: service user

• Dienste sind an ausgezeichneten Zugangspunkten verfügbar: service access points

• Dienstprimitive – Anforderung request – Anzeige/Indikation indication – Antwort response – Bestätigung confirmation

23.4.2013 VL PLT-1 62

Beispiel Verbindungsaufbau

• Verbindungsaufbau connect

23.4.2013 VL PLT-1

connect.request

connect.indication

connect.response

connect.confirmation

63

Kommunikation im OSI-Modell

23.4.2013 VL PLT-1

Programm

Anwendungs- schicht

Sicherungs- schicht

Physikalische Schicht

Programm

Anwendungs- schicht

Sicherungs- schicht

Physikalische Schicht

Leitsystem Feldgerät

Datenleitung

64

Physikalische Schicht / Bitübertragungsschicht

Kommunikation im OSI-Modell

23.4.2013 VL PLT-1

Programm

Anwendungs- schicht

Sicherungs- schicht

Physikalische Schicht

Programm

Anwendungs- schicht

Sicherungs- schicht

Physikalische Schicht

Leitsystem Feldgerät

Datenleitung

66

Bitübertragung beim Feldbus

• Viele verschiedene Möglichkeiten und Kombinationen, Gemeinsamkeiten:

– digital data transmission; – no separate clock transmission; – either half-duplex communication (bi-directional but in

only one direction at a time) or fullduplex communication

• ( EN 61158-2: 413 Seiten) • Binäre Informationsdarstellung • Übertragunsgsstandards: EIA 485, MBP • Übertragungsarten

23.4.2013 VL PLT-1 67

Generisches Modell

23.4.2013 VL PLT-1 68

Sicherungsschicht – Zugriffskontrolle und Datensicherung

Kommunikation im OSI-Modell

23.4.2013 VL PLT-1

Programm

Anwendungs- schicht

Sicherungs- schicht

Physikalische Schicht

Programm

Anwendungs- schicht

Sicherungs- schicht

Physikalische Schicht

Leitsystem Feldgerät

Datenleitung

70

Buszugriffsverfahren

• Engl. Media Access Control (MAC)

• zu einem Zeitpunkt darf nur ein Sender auf das gemeinsame Medium zugreifen

• Kontrolliert (deterministisch) – Zentrale Bussteuerung : Master/Slave

– Dezentrale Zuteilung: Tokenbus, Tokenring

• Zufällig (Carrier Sense Multiple Access) • Collision Detection (Ethernet)

• Collision Avoidance (CAN)

23.4.2013 VL PLT-1 71

Kontrollierte Buszugriffsverfahren

• Kontrollierte Buszuteilung – Sender wird vor Sendebeginn eindeutig bestimmt

• Vergabearten – Zentral von einer „Leit“station – Dezentral durch mehrere Steuerienheiten

• Echtzeitfähige Kommunikation – Definition: Maximale Zeitdauer bis Daten

übertragen sind ist berechenbar. – Voraussetzung: Zeitraum oder Datenlänge für

einen Kommunikationszyklus ist begrenzt.

23.4.2013 VL PLT-1 72

Master / Slave - Verfahren

• 1 Master (Bussteuerienheit) • n Slaves (passiv) • Kommunikationsablauf:

– Master stellt Verbindung zu Slave her, Slave antwortet unmittelbar

• Zyklische Abfrage – Master führt Prozessabbild durch zyklische Abfrage

aller Slaves (Polling) – Priorisierung einzelner Slaves durch mehrfache

Abfrage innerhalb eines Zyklus

23.4.2013 VL PLT-1 73

Eigenschaften Master/Slave

• Busanschaltung von Slaves extrem einfach – geringe Kosten

• Ausfall Master – Ausfall jeder Kommunikation

• Worst-Case für Datenaustausch zwischen zwei Slaves

– Maximale Reaktionszeit = 2 * Buszykluszeit + 2 * SPS-Zykluszeit

• BUS@AT: AS-Interface, Profibus DP Monomastersystem

23.4.2013 VL PLT-1 74

Maximale Reaktionszeit

• 2 * Buszyklus + 2 * PLS-Zyklus

23.4.2013 VL PLT-1

PLS

Prozessabbild Master

Slave 1 Slave 2

Zyklische Abfrage

75

Token-Prinzip

• Alle Teilnehmer können Bussteuerung übernehmen

• Berechtigung zum Buszugriff wird über spezielles Zeichen/Nachricht genau einem Teilnehmer zugeteilt

• Token wird nach Datenübertragung an nächsten Teilnehmer weiter gereicht

• Zeitdauer des Token-Besitzes deterministisch beschränkt echtzeitfähig

23.4.2013 VL PLT-1 76

Token-Bus

• Token-Bus: (IEEE 802.4) – Physikalisch Linienstruktur, logisch Ring – Token wird über spezifische Nachricht weiter

geleitet

23.4.2013 VL PLT-1 77

Eigenschaften Token-Bus

• Priorisierungsmöglichkeiten: – Mehrfachzuteilung innerhalb eines Zyklus – Unterschiedliche maximale Datenmengen

• Überwachungsfunktionen – Kein/Mehrere Token: Token erzeugen/löschen – Initialisierung – Entfernung von Stationen aus dem logischen Ring – Aufnahme hinzugekommener Stationen

23.4.2013 VL PLT-1 78

Token-Passing

• Kombination aus Token-Bus und Master/Slave

23.4.2013 VL PLT-1 79

Zufällige Verfahren - CSMA

• CSMA – Carrier Sense – Sendewilliger Teilnehmer horcht Bus ab

und sendet wenn frei – Multiple Access – Wenn belegt versucht Teilnehmer zu

einem späteren Zeitpunkt wieder zu senden • Zufälliges Verfahren

– Sendezeitpunkt nicht bekannt – Unbelegtheit des Busses kann nicht garantiert werden – Maximale Übertragungszeit kann nicht bestimmt werden nicht echtzeitfähig

23.4.2013 VL PLT-1 80

Verhalten nach Belegterkennung

• Ethernet – Zurückziehen und zufällige Zeit warten – Falls Bus erneut belegt, wieder zurückziehen und

länger warten • IEEE 802.3:

– Senden sofort nach frei werden des Busses • Was passiert wenn zwei gleichzeitig senden?

– Nachricht wird zerstört – Kollisionserkennung durch Abhören des Busses

und Vergleich mit der eigenen Nachricht!

23.4.2013 VL PLT-1 81

Sicherungsschicht: Datensicherung

Störung der Datenübertragung

• Störquellen – Elektromagnetische Einstreuungen – Rauschen – Potentialdifferenzen – Alterung der Bauteile

• Digitale Übertragung – Störung = (ungewollte) Bitinvertierung

23.4.2013 VL PLT-1 83

Maßnahmen gegen Störungen

• Technische Vorkehrungen um WS einer Störung zu verringern

– geschirmte Kabel – Glasfaser – potentialfreie Übertragung

• Überwachung der Nachricht auf Fehler – Fehler erkennen – Gegenmaßnahmen treffen

• DIN EN 60870 Fernwirkeinrichtungen und -systeme - Teil 5: Übertragungsprotokolle; Hauptabschnitt 1: Telegrammformate (IEC 60870-5-1:1990)

23.4.2013 VL PLT-1 84

Fehlerarten

• Betrachtung transparenter Codes – Alle Bitkombinationen erlaubt Aus Bitkombination

kann nicht auf Fehler geschlossen werden

• Fehlerarten – Erkennbare und korrigierbare Fehler

– Erkennbare und nicht korrigierbare Fehler

– Nicht erkennbare Fehler

• Fehlerkorrektur – Relativ selten, häufig Wiederholung der Übertragung

23.4.2013 VL PLT-1 85

Bitfehlerrate p

• Maß für Störempfindlichkeit des Übertragungskanals

• Worst Case: p = 0.5 – p=1: jedes Bit invertiert Nachricht bleibt vollständig

erhalten • realisierbar mit üblichem technischem Aufwand:

– p = 10-4 ca. 1 von 10.000 Bits ist invertiert – Entspricht ca. einem Fehler / Schreibmaschinenseite !!!

23.4.2013 VL PLT-1

Bits gesendeter AnzahlBitser fehlerhaft Anzahlp =

86

Fehlerkorrektur durch Wiederholung

• ARQ: Error Detection with Automatic Request Repeat

– Keine Änderung der Bitfehlerrate, aber – Wahrscheinlichkeit p* der Störung an der selben

Stelle: • p* = pa

mit • p – Bitfehlerrate • a – Anzahl Übertragungen

( wenn Fehler an gleicher Stelle stat. unabhängig )

23.4.2013 VL PLT-1 87

Fehlererkennung

• Grundprinzip: – Redundante Information, nur ausgewählte

Kombinationen sind erlaubt Nichtransparente Codes, Übertragung von Prüfbits

– Gemeinsame Berechnungsvorschrift für Prüfbit(s) bei Sender und Empfänger

– Telegramm: Informationsbits + Prüfbits (+ Synchronisationsbits)

• Zielkonflikt – Restfehlerrate: Wieviele (Mehrfach)Fehler bleiben

unerkannt? – Telegrammübertragungseffizienz: Wieviel

Redundanz war dafür notwendig?

23.4.2013 VL PLT-1 88

Restfehlerrate R

• Aussage über die unerkannten Fehler nach Anwendung einer Fehlererkennungsstrategie

• Maß für Datenintegrität (Unversehrtheit der Daten) • Achtung! Betrachtungseinheiten sind jetzt Codes

(Telegramme), nicht mehr das einzelne Bit wie bei der Bitfehlerrate

23.4.2013 VL PLT-1

tionenBitkombinamöglicher Anzahlinationener Bitkombfehlerhaftr unerkannte AnzahlR =

89

Mittlere Zeit zwischen zwei Fehlern T

mit – R – Restfehlerrate – N – Telegrammlänge in Bit – v – Übertragungsgeschwindigkeit in Bit/s

• Beispiel aus DINEN60870 – n=100, v=1200Baud

23.4.2013 VL PLT-1

RvnT⋅

=

R T Anwendung1.00E-05 1 Tag Zyklisches Auffrischen von Daten1.00E-09 26 Jahre Ereignisgesteuerte Übertragung1.00E-13 260T Jahre Fernsteuerung

90

Hamming-Distanz d

• Maß für die Störfestigkeit eines Codes – d = e + 1 – e: Anzahl der sicher erkennbaren Fehler

• Beispiel – Durch das Bilden eines Paritybits ist ein Fehler sicher

erkennbar d = 2 – Minimalanforderung an Datenübertragung!

• Feldbusse: – d >= 4

• Hohe Sicherheitsbedürfnisse: – d=6

23.4.2013 VL PLT-1 91

Zusammenhang mit p und R

• Restfehlerrate R ist Funktion der Bitfehlerrate p • Hamming-Distanz lässt sich aus R(p) und p

berechnen:

• Beispiel: – Sei R(10-3)=10-4, R(10-4)=10-6 d = 2

23.4.2013 VL PLT-1

2121

21 pp,p lgp lg

)R(p lg)R(p lgd >−−

=

92

Telegrammübertragungs-effizienz

• Effizienz = Nutzen / Aufwand

• k: Anzahl Informationsbits / Telegramm • q: WS des Empfangs unverfälschter Bits (1-p) • n: Gesamtzahl ALLER Bits / Telegramm incl.

Synchronisations- und Fehlerprüfbits

23.4.2013 VL PLT-1

nqk

Bitser übertragen GesamtzahlnsbitsInformatio efehlerfreiE

n⋅=

=

93

Beispiele für q=1-10-3

• UART-Telegramm – 1 Startbit, 8 Datenbits, 1 Parität, 1 Stopbit – k=8, n=11 – E = 72%

• Telegramm mit – 8 Startbit, 8 Datenbits, 8 CRC – k=8, n=24 – E = 32%

23.4.2013 VL PLT-1 94

Strategien der Fehlererkennung

• Senden zusätzlicher - aus den Informationsbits abgeleiteter - Information

• Paritätsbit – Gerade/Ungerade Quersumme der Informationsbits

• Blocksicherung – Gerade/Ungerade Quersumme der „Spalten“ mehrerer

Codes • Cyclic Redundancy Check

– Rest der Division der als Zahl aufgefassten Informationsbits durch ein m-stelliges CRC-Polynom

23.4.2013 VL PLT-1 95

Genormte Telegrammformate

23.4.2013 VL PLT-1 96

Paritätsbit

• Algorithmus – Sender:

• Bilde die Quersumme über alle Informationsbits • Wenn Quersumme ungerade füge ein Paritätsbis P=1 ansonsten

P=0 hinzu – Empfänger:

• Bilde Quersumme über Informationsbits und Paritybit • Wenn Quersumme ungerade Fehler in der Datenübertragung

• Hamming-Distanz – Eine gerade Anzahl (2,4, …) an Fehlern wird nicht erkannt – 3,5, … Fehler werden erkannt, können aber nicht von einem

Fehler unterschieden werden – Sicher erkannt wird e = 1 Fehler d = 2

23.4.2013 VL PLT-1 97

Blocksicherung

• Senden von einzelnen Zeichen mit Paritätsbit („Zeilen“) • Senden eines Zeichens mit den Spaltenparitäten der

Zeichen eines Blocks

• Sicher erkannt werden e=3 Fehler d=4

23.4.2013 VL PLT-1

0 1 1 1 0 1 0 0 P

0 1 1 0 0 0 1 1 7

1 1 0 0 1 1 0 0 6

1 1 1 1 0 0 1 1 5

1 1 0 0 1 1 0 0 4

1 1 0 0 1 0 0 1 3

0 1 0 0 0 1 1 1 2

0 1 1 0 1 0 1 0 1

P 7 6 5 4 3 2 1

0 1 1 1 0 1 0 0 P

0 1 1 0 0 0 1 1 7

1 1 0 0 1 1 0 0 6

1 1 1 1 0 0 1 1 5

1 1 0 1 1 1 0 0 4

1 1 0 0 1 0 0 1 3

0 1 0 0 0 1 1 1 2

0 1 1 0 1 0 1 0 1

P 7 6 5 4 3 2 1

Fehl

erfr

eies

Te

legr

amm

Fehl

er in

4.Z

eile

, 5

.Spa

lte

98

Cyclic Redundancy Code (CRC)

• Algorithmus – Sender

• Die Sequenz der Informationsbits wird (unabhängig von Länge und Bedeutung) als Zahl I aufgefasst.

• Die Zahl I* wird durch eine feste Zahl G (das Generatorpolynom) geteilt.

• Der Rest R wird an die zu übertragende Information angehängt, gesendet wird also IR

– Empfänger • Die empfangene Zahl IR wird durch das gleiche Generatorpolynom

G geteilt • Bei fehlerfreier Übertragung ist R=0

• I* wird aus I dadurch gewonnen, dass r Nullen an I angehängt werden. R entspricht dem Rang des Generatorpolynoms (=Anzahl Stellen Generatorpolynom-1)

23.4.2013 VL PLT-1 99

Beispiel

• Nachricht I: 110101

• Generatorpolynom: 1011

Divisor I*: 110101000

– I*/G = Q + R/G

– 110101000/1011 = 1111011+111/1011

• Sende I*+R: 110101111

• Empfänger

– (I*+R)/G = Q‘+R‘/G

– 110101111 / 1011 = 1111011, R‘ = 0

• R`=0 Fehlerfreie Übertragung

23.4.2013 VL PLT-1 100

Polynomarithmetik Modula 2

• Zahlen werden als Polynome betrachtet

– Übertrag zwischen Koeffizienten nicht definiert, neue Regeln für den Umgang mit Betragsüberlauf notwendig

• Polynomarithmetik mod 2:

– 0-0=0, 0-1=1, 1-0=1, 1-1=0 bzw.

– 0+0=0, 0+1=1, 1+0=1, 1+1=0 – XOR Verknüpfung

• Achtung: Größer/Kleiner Relation funktioniert nicht mehr

– 1001 = 1010 + 0011 und

– 1001 = 1010 - 0011

• Für die schrittweise Division ist Entscheidung notwendig ob Dividend <= Divisor:

– Schwache Definition: a >= b wenn die Position des höchsten 1bits von a >= der Position des höchsten 1bits von b, d.h. • 1000 >= 1111, gleichzeitig aber auch 1111 >= 1000

23.4.2013 VL PLT-1 101

Beispiel CRC-Berechnung

• Nachricht I: 110101

• Generatorpolynom: 1011

23.4.2013 VL PLT-1

+ Fehlerfreie Übertragung

1 1 0 1 0 1 0 0 0 : 1 0 1 1 = 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 : 1 0 1 1 = 1 1 1 1 0 11 0 1 1 1 0 1 1

1 1 0 0 1 1 0 01 0 1 1 1 0 1 1

1 1 1 1 1 1 1 11 0 1 1 1 0 1 1

1 0 0 0 1 0 0 11 0 1 1 1 0 1 1

0 1 1 0 0 1 0 10 0 0 0 0 0 0 0

1 1 0 0 1 0 1 11 0 1 1 1 0 1 1

1 1 1 0 0 0

102

Hamming-Distanz von CRC

• Hamming-Distanz ist abhängig von – Länge des Polynoms – Mathematischen Eigenschaften (Zykluslänge) – der Länge der Information

• Daten aus EN ISO 60870-5-1:

23.4.2013 VL PLT-1

304 94 26 FT3 6 (für i<8) 10 011 101 101 100

110 235 546

FT2 4 11 100 101 345

i = 4 i = 3 i = 2 binär oktal

Anzahl nichterkennbarer

Fehler bei 6 Fehlerbits Format HD d Polynomform

103

23.4.2013 VL PLT-1

Datenintegritätsklassen

• Restfehlerrate R über Bitfehler-wahrscheinlichkeit p

• Doppeltlogarithmischer Maßstab

• Die Steigung der Kurven entspricht für p<10-4 der Hamming-Distanz des Codes

104

23.4.2013 VL PLT-1

Telegramm mit Paritätsbit

• (11,8)-Code, Formatklasse FT1.1, d=2 – 1 Startbit 0 – 8 Informationsbits – 1 Gerades Paritätsbit – 1 Stopbit 1

• Anzahl unerkannt bleibender Fehlermuster – Mit m=9, e=2,4,6,8 – A2=36,A4=126,A6=84,A8=9

• Restfehlerrate • Effizienz: E=72%

=

em

Ae

( ) 2

e

emee qqpAR(p) ⋅⋅⋅= ∑ −

105

23.4.2013 VL PLT-1

Telegramm mit CRC

• (8i+8,8i)-Code, i=1..15, Formatklasse FT2, d=4 – i*8 Informationsbits – G=x7+x6+x5+x2+x0

– Erweiterung mit gerader parität – Invertierung der Prüfbits

• Anzahl unerkannt bleibender Fehlermuster für i=15 – e= 4,6,8,..,128

• Näherung für verkürzte

Codes • Effizienz:

– i=1 (16,8)-Code: 32% – i=7 (64,56)-Code: 72%

≅

+

= −

en

1281A

e/264

127e

128128

1A

en,

2/

e128, )1( e

( )∑ −⋅⋅=e

emee qpAR(p)

106

23.4.2013 VL PLT-1

FT1.1 FT2,i=7 FT2,i=1

107

23.4.2013 VL PLT-1 108