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G 19239

1-2JAN./FEB.

2008

TITEL

Standards treffen sich Papierlose Datenrekorder-Familie

unterstützt nun auch ModBus TCP

Automatisierungstechnik für Fertigung und Prozess

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Ralph Zapke ist Product Manager Network

Solutions bei der Yokogawa Deutschland GmbH

in Ratingen und Hans-A. Redemann leitet das

Redaktionsbüro R.Co in Wilhelmsfeld

Wenn sich Standards treffenPapierlose Datenrekorder-Familie unterstützt nun auch ModBus TCP

Hans-A. Redemann, Ralph Zapke

Seit der Markteinführung 1979 hat

sich das Modbus-Protokoll zu

einem de-fakto-Standard in der

Industrie entwickelt und besitzt die

wohl weltweit größte installierte

Basis aller Datenübertragungs-

Systeme. Papierlose Datenrekorder

unterstützen nun auch die neueste

Spezifikation von Modbus und

können gleichzeitig als Gateway zu

den seriellen Varianten dienen.

Seit den 60er Jahren sind die Datenerfas-sungs- und -aufzeichnungsgeräte von Yo-kogawa zu einem Standard in der Indus-trie geworden. Angefangen bei den Punkt- und Linienschreibern haben die heutigen papierlosen Rekorder eine Funktionalität erreicht, die freiprogrammierbaren Steue-rungen nur wenig nachsteht. Die neuen Rekorder DX1000 und DX2000 der DXAd-vanced-Familie bieten nicht nur eine ska-lierbare Anzahl von zwei bis 348 beliebigen Eingangskanälen, sondern auch eine Da-tenerfassung im 25-ms-Zyklus, einen groß-en internen Speicher, verschiedene Mas-senspeicher, Web-Server Funktionalität und Funktionen zum Senden von E-Mails sowie Meldungen an Festnetz- und Mobil-telefone. In Netzwerke integriert sich der Rekorder automatisch durch das Dynamic Host Con�guration Protocol (DHCP), in-dem es alle relevanten Parameter vom Ser-ver übernimmt und diesem wiederum sei-nen Host-Namen übermittelt.

Standard der Datenerfassung

Als Stand-alone-Systeme unterstützen die DX1000-Modelle max. zwölf, die DX2000-Modelle bis zu 48 Universaleingänge. Digi-tale (binäre) Eingänge dienen z. B. dazu, Türen von Reinräumen oder Grenzwertge-ber aus dem Prozess zu überwachen. Ana-loge (4...20 mA) Eingänge erfassen die Pro-zesswerte von Drücken, Füllständen und Durch�üssen, �ermoelement- oder Pt100-Eingänge solche von Temperaturen. Mit ei-ner Erfassungsrate von 25 ms im „High Speed Mode“ können auch schnell verän-derliche Werte aus dem Prozess zuverlässig und detailliert eingelesen werden. Zur Akti-vierung von Meldeeinrichtungen wie Hör-nern oder Blinkleuchten stehen sechs digi-tale (binäre) Ausgänge im DX1000 und 24 im DX2000 zur Verfügung.

Zur Speicherung der Daten stehen 80 MB (Standard) oder 200 MB interner Speicher zur Verfügung, somit ist der DX2000 mit

22 MSR Magazin 1-2/2008

SIGNALVERARBEITUNGTITEL

dem großen Speicher in der Lage, im Minu-tentakt eingelesene Werte über mehr als drei Jahre und Ereignisdaten, die im Sekun-dentakt erfasst werden, über 38 Tage zu speichern. Die Daten im Speicher sind bi-när verschlüsselt und nur über ein Passwort zugänglich, Veränderungen der Daten wer-den erkannt und gemeldet. Erweitert wird die Speicherkapazität durch eine Compact Flash Karte und eine USB-Schnittstelle (Op-tion), über die Daten auch von und zu PCs übertragen werden können. Darüber hin-aus erlaubt die USB-Schnittstelle, eine PC-Tastatur zur einfachen Dateneingabe in den DXAdvanced anzuschließen.

Führende Rolle fortsetzen

Eine Erweiterung der Stand-alone-Systeme der DXAdvanced-Familie in der Kapazität ih-rer Eingangskanäle geschieht z. B. mit dem Datenerfassungssystem MW100. Mit dem DXAdvanced über Ethernet oder Modbus RTU verbunden besteht so die Möglichkeit, das Gesamtsystem in kleinen Schritten auf 348 Kanäle zu erweitern. Zu den 48 Eingangs- und 60 Berechnungskanälen eines DX2000 erfasst ein solches System bis zu 240 weitere Kanäle von bis zu vier MW100-Systemen.

Ein MW100 besteht aus einem Basismo-dul auf dem CPU mit Kommunikation und bis zu sechs E-/A-Module Platz �nden. Je-des dieser Module enthält je nach Typ zwei, vier, sechs, acht oder zehn Kanäle. Ein Stand-Alone MW100-System verarbeitet über seine eigenen Module 60 Kanäle. In einem Netzwerk mit bis zu fünf weiteren MW100, die als Datenserver dienen, ergibt sich für ein MW100-System im Vollausbau eine Kapazität von 360 Kanälen – 60 für das Hauptsystem und für jeden angeschlos-senen Datenserver weitere 60 Kanäle. Die Kon�guration der Systeme und die Visuali-

MSR Magazin 1-2/2008 23

sierung der Messwerte erfolgt über den Web-Browser eines direkt oder an das Netz-werk angeschlossenen PC.

Andere Geräte, auch anderer Hersteller, die in der Lage sind, über Modbus RTU oder Modbus TCP zu kommunizieren, werden so zu Datenservern (Modbus TCP) oder Slaves (Modbus RTU) des DXAdvanced Systems. Durch seine Fähigkeit, mit untergeordneten Geräten über Modbus RTU oder Modbus TCP, und mit übergeordneten Systemen, al-so Prozessleitsystemen wie dem Centum CS 3000 von Yokogawa und PCs, über Modbus TCP oder Ethernet (TCP/IP) zu kommuni-zieren, stellt ein DX1000 oder DX2000 auch ein Gateway zwischen Modbus RTU und Modbus TCP dar.

Mit dieser Funktionalität wird die DXAd-vanced-Familie sicherlich die führende Rol-le der Datenerfassungssysteme fortsetzen, die bereits von den Vorgängermodellen DX100 und DX200 als de-fakto-Standard eingenommen wurden. Wie Isado Ushida, Yokogawa CEO, auch bei der Veranstaltung zum 90-jährigen Jubiläum des Unterneh-mens in Tokio wieder erklärte, sind die Da-tenerfassungssysteme ein wichtiger Be-standteil des VigilantPlant-Konzeptes und unterstützen das Ziel, bis zum Jahr 2010 Marktführer im Bereich der industriellen Automation zu sein.

Standard der Datenkommunikation

Ebenso, wie sich die Punkt- und Linien-schreiber sowie die papierlosen Bildschirm-schreiber von Yokogawa zu einem de-fakto-Standard für die Datenerfassung und -spei-cherung entwickelt haben, ist das Modbus-Protokoll ein de-fakto-Standard in der Industrie. Bereits heute bescheinigt die ARC dem Modbus TCP, das führende Ethernet-

Protokoll weltweit zu sein. Und bei dem er-warteten Wachstum für Industrial Ethernet Installationen (2004: 840 000 Einheiten, 2009: 6,7 Mio. Einheiten) wird es diese füh-rende Stellung nach Meinung der Experten behalten und ausbauen. Seit der Übertra-gung der Rechte am Protokoll auf die Mod-bus-IDA, die Modbus-Mitgliederorganisati-on, im Jahr 2004 wurde das Protokoll durch die IEC zu einer ö�entlich zugänglichen Spezi�kation („Publicly Available Speci�ca-tion“) erklärt und soll in die IEC-61158, den „Feldbus-Standard“ integriert werden.

Das Modbus-Protokoll „de�niert eine Mel-dungsstruktur, die Geräte und Systeme der Datenverarbeitung (Controller) erkennen und nutzen, unabhängig von der Art des Netzwerks, über die kommuniziert wird – Modbus Protocol Reference Guide, PI-MBUS-300 Rev. J). Allerdings präsentiert sich „das Modbus-Protokoll“ alles andere als einheit-lich. Neben den o�ziellen Spezi�kationen Modbus RTU, Modbus ASCII, Modbus Plus und Modbus TCP existieren �rmenspezi-�sche Varianten, die aus besonderen Anfor-derungen dieser Unternehmen entstanden. Allen Versionen gemeinsam ist allerdings das Application Layer, das ein einheitliches Ob-jekt-Modul für Anwenderdaten und Kommu-nikations-Dienstleistungen de�niert.

Timeout gibt‘s nicht

Die seriellen, asynchronen Protokolle nut-zen als Physical Layer die Standards RS485/EIA/TIA-485 (Modbus RTU) und RS232/EIA/TIA-232 (Modbus ASCII). Als Architek-tur ist nur die Linie erlaubt, die vom Master als „Daisy Chain“ zu den Slaves führt. Eine Stern-Architektur oder Abzweigungen von der geraden Linie („Tees“) sind nicht er-laubt, da Re�exionen in den Kabeln die Da-tenübertragung stören können. In beiden

Ein MW100 besteht aus einem Basismodul, auf dem CPU mit Kommuni-kation und bis zu sechs E-/A-Module Platz finden

Die Datenerfassungssysteme der DXAdvanced-Familie sind ein wichtiger Bestandteil des VigilantPlant-Konzeptes

Fällen stößt der Master auf dem Bus die Kommunikation mit einer Anfrage an einen bestimmten Slave an und wartet auf die Antwort. Mit dieser Methode können ein-zelne Slaves oder, mit einer besonderen „Broadcast“-Adresse, alle angeschlossenen Slaves angesprochen werden.

Der Hauptvorteil von Modbus ASCII ist, dass bis zu einer Sekunde zwischen der Übertragung von zwei ASCII-Zeichen ver-gehen kann, ohne dass der Master die Kom-

munikation wegen Zeitüberschreitung (Timeout) abbricht. Darüber hinaus kann die Kommunikation auf einem einfachen Terminal überwacht werden. Modbus RTU dagegen besitzt eine höhere Datendichte, wodurch bei gleicher Übertragungsge-schwindigkeit ein höherer Datendurchsatz möglich ist. Allerdings müssen die Daten bei Modbus RTU als kontinuierlicher Strom ohne Unterbrechung übertragen werden.

Modbus Plus basiert auf dem Physical Layer des Hochgeschwindigkeits-Übertra-gungsprotokoll HDLC (High-level Data Link

Control), in dem jeder der max. 64 Teilneh-mer die Kommunikation mit einem ande-ren beginnen kann. Dadurch kann der Kommunikations-Master, wie bei RTU und ASCII beschrieben, entfallen, derjenige Teilnehmer, der zuerst seinen „Token“ auf den Bus sendet, ist der Master (Token pas-sing). Die angeschlossenen Systeme sind so genannte „Host based Network Adapters“, die sowohl als Datenempfänger (Clients) als auch als Datenlieferanten (Server) ar-beiten, wobei die Clients ihre Kommunika-tion mit einem „Token“ auf dem Bus anmel-den. Große Datenmengen erreichen mit der Broadcast-Funktion als „Globale Daten“ al-le Teilnehmer auf dem Netz. Über „Bridges“ ist es möglich, mehrere Modbus Plus Netz-werke mit einander zu verbinden. Mit einer Geschwindigkeit von 1 MBaud werden bis zu 20 000 Wörter je Sekunde übertragen.

Hohe Effizienz im Protokoll

Modbus TCP ist ebenso wie Modbus Plus keine Neuentwicklung, es wurde lediglich ein anderes Physical Layer benutzt und als neue Übertragungstechnologie zugelassen: Ethernet II / 802.3. Es ist ein pragmatischer Ansatz, Ethernet als Übertragungsmedium für Automatisierungsaufgaben einzusetzen, denn zusätzliche Kosten für die Netzwerk-Infrastruktur durch Stern-Topologie und in-telligente Switches werden durch die Vor-

teile von Ethernet gerechtfertigt. Zu diesen gehören die große Anzahl der Teilnehmer in einem Netzwerk sowie die zusätzlichen IT-Funktionen wie integriertes Internet, E-Mail und FTP-Funktionalität, die alle dasselbe Medium nutzen. Netzwerkteilnehmer ar-beiten ohne Master sowohl als Datenemp-fänger (Clients) als auch als Datenliefe-ranten (Server). Die Leistungsfähigkeit eines Modbus TCP-Netzwerkes ist allerdings von Typ und Layout des benutzen Ethernet-Netzes abhängig, weiterhin von den Leis-tung der Prozessoren in den angeschlos-senen Geräten und Systemen. Die E�zienz des Protokolls ist hoch, da mehrere Werte in einer Meldung übertragen werden können und das TCP/IP-Protokoll nur wenige Bytes für seine eigenen Aufgaben benötigt.

Die führende Rolle des Modbus-Proto-kolls in der industriellen Datenübertragung und die herausragende Stellung als „der in-dustrielle Kommunikationsstandard“ las-sen erwarten, dass Modbus TCP die Rolle des Marktführers, die es nach der ARC-Stu-die bereits derzeit einnimmt, weiter festigen und ausbauen wird. Die Leistungsfähigkeit und E�zienz von Modbus TCP in Verbin-dung mit der eines DXAdvanced Systems bringt die besten Eigenschaften beider Sys-teme zur Geltung.

YOKOGAWA

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SIGNALVERARBEITUNG TITEL

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Mit der Funktion DHCP integriert sich der Rekorder automatisch in Netzwerke

Die Kapazität der Eingangs-kanäle eines DXAdvanced-Systems geschieht durch die Verbindung mit einem MW100

Geräte, die in der Lage sind, über Modbus RTU oder Modbus TCP zu kommunizieren, werden zu Datenservern oder Slaves des DXAdvanced Systems

WWWwww.vfmz.de/135292

„DIe Kombination bringt die

besten Eigenschaften beider

Systeme zur Geltung“

Hans-A. Redemann

Weitere Informationen 107 : www.vfmz.de/131072