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Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2 Marco Munstermann

Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2

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Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2. Marco Munstermann. CAD. DWH. DB. PPS. Sensoren / Aktoren. Sensoren / Aktoren. Datenaustausch der Zukunft. Büro-Netzwerk (Ethernet). Unternehmens-Netzwerk (Ethernet & Industrial Ethernet). Fabrik-Netzwerk ( Industrial Ethernet). - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2

Datenaustausch in der Automatisierungstechnik

Teil 2

Marco Munstermann

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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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Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2 Marco Munstermann

HAW HamburgFolie 3

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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Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2 Marco Munstermann

HAW HamburgFolie 4

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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Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2 Marco Munstermann

HAW HamburgFolie 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

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Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2 Marco Munstermann

HAW HamburgFolie 6

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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Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2 Marco Munstermann

HAW HamburgFolie 7

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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Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2 Marco Munstermann

HAW HamburgFolie 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

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Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2 Marco Munstermann

HAW HamburgFolie 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)

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Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2 Marco Munstermann

HAW HamburgFolie 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

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Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2 Marco Munstermann

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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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Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2 Marco Munstermann

HAW HamburgFolie 12

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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HAW HamburgFolie 13

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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Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2 Marco Munstermann

HAW HamburgFolie 14

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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Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2 Marco Munstermann

HAW HamburgFolie 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

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Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2 Marco Munstermann

HAW HamburgFolie 16

OPC – Spezifikationen

OPC

OPC Data Access

OPC Alarms and Events

OPC Historical Data

OPC Data eXchange

OPC Data Access XML

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Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2 Marco Munstermann

HAW HamburgFolie 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

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Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2 Marco Munstermann

HAW HamburgFolie 18

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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Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2 Marco Munstermann

HAW HamburgFolie 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

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Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2 Marco Munstermann

HAW HamburgFolie 20

OPC Alarms and Events (OPC AE)

OPC Server

OPC Client

OPCEventObjekt

OPCEventObjekt

OPCEventObjekt

OPCEventObjekt

OPCEventObjekt

OPCAEServerObjekt

Ereignisse

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Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2 Marco Munstermann

HAW HamburgFolie 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 !

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Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2 Marco Munstermann

HAW HamburgFolie 22

OPC Historical Data (OPC HDA)

OPC Server

OPC Client

OPCHDAServerObjekt

historischeProzessdaten

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HAW HamburgFolie 23

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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Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2 Marco Munstermann

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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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Datenaustausch in der Automatisierungstechnik Teil 2 Marco Munstermann

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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