Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel November 2002 / Prozess- automatisierung Blatt 6.1 Vorlesung Prozessautomatisierung Kommunikationssysteme für die Prozess-

November 2002 / Prozess-automatisierung Blatt 6.1 Prof. Dr.-Ing. Benedikt Faupel

Vorlesung Prozessautomatisierung

Kommunikationssysteme für die Prozess-Kommunikationssysteme für die Prozess-Automatisierung (Teil 1)Automatisierung (Teil 1)

27. November 2002

Hochschule für Technik und Wirtschaft des SaarlandesFachbereich Elektrotechnik

Goebenstr. 4066117 Saarbrücken


Themen Vorlesung PATT (1)

Grundlagen & BegriffeZusammenfassung von Grundlagen und Voraussetzungen der Automatisierungstechnik /Signale / Hilfsenergie / Systembeschreibung / Linearisierung analytisch und in Kennlinien-feldern / Modellbildung / Allgemeine Automatisierungsthemen (Schutzarten, Explosions-schutz, EMV) / Systemarchitektur von Automatisierungssystemen

Technische Systeme für Transportvorgänge von Stoffen Übertragungsverhalten von Transport-/Förderbändern für feste Stoffe / Übertragungs-verhalten von Transportsysteme für flüssige Stoffe / Übertragungsverhalten von Be-hältern und Mischsystemen / Beschreibung des Zeitverhaltens von Befüllungs- und Ent-Leerungsvorgängen / Stellgerätetechnik und deren Beschreibungen (Ventile)

Signalaufbereichtung (Messumformer, Sensoren)Übersicht von Prozessgrößen und deren Messung / Temperatursensorik und Realisierung entsprechender Messaufgaben


Themen Vorlesung PATT (2)

Hilfsmittel / Fliessbilder / R&I-SchemenDarstellung von verfahrenstechnischen Abläufen / Symbole und Kennzeichen / Program-mierungshilfsmittel / Darstellung von Funktionsplänen / Ablaufsteuerung /

AutomatisierungskonzeptionIndustrielle Kommunikation (Feldbussysteme) / Systemarchitektur von Automatisierungs-systemen / Organisation von PLT-Projekten / Normen, Vorschriften, Richtlinien / Char-genprozesse / Stellgeräte / Regler / Steuerungen

Neue Methoden in der AutomatisierungstechnikFuzzy-Konzept / Fuzzy-Regelung / Einsatz von Neuronalen Netzen in der Automatisie-rungstechnik / Anwendungsbeispiele und technische Realisierungen

Automatisierung mit Matlab/SIMULINKEinführung in die Entwicklungsumgebung /Anwendungen / Regelkreisauslegung / Lösen vonDifferentialgleichungen


Thema heute

Grundlagen für die Prozessautomatisierung :„Kommunikationssysteme für die Automatisierungstechnik – Teil 1 /Grundlagen der seriellen Datenübertragung Grundlagen• Grundbegriffe • Verfahren zur Datenkommunikation• Protokolle• Übertragungsmedien• Übertragungsverfahren (synchron, asynchron)• Schnittstellenstandards (RS232 (V.24) / RS422 / RS485)• Ergänzende Literatur


Serielle Datenübertragung (1)

Übertragung digitaler Signale zwischen Geräten und Systemen• serielle Datenübertragungstechnik

(Computernetze, Bürokommunikation, Feldbussysteme (Prozess-,Gebäude- und Fertigungsautomation), Internet und ISDN

• Kennzeichen serieller Datenübertragungzeitlich nacheinander und bitweise Übertragung über eine Daten-leitung

• Parallele Verarbeitung digitaler SignaleErzeugung sequentieller Daten aus bitparalleler Verarbeitung inSystembausteinen (Register, Mikroprozessoren)

• Hohe DatenübertragungsratenZeitaufwand für die Datenumwandlung (parallel – seriell – parallel)spielt untergeordnete Rolle

• Geringer AufwandInstallations-, Kostenaufwand niedrig / einfache Benutzbarkeit


Serielle Datenübertragung (2)

Bitweise Datenübertragung

Signalbausteine generierenAus parallel gleichzeitig an-liegenden Daten sequentielleDaten.

Sende- und Empfangsbausteine•Datenwandlung (parallel – seriell)

Übertragungsstrecke Sender – Medium - Empfänger•Merkmale der Übertragungsstrecke •Richtung, Durchsatz, Übertragungsrate Quelle: Samson


Übertragungsstrecke / Richtung

Richtung der Datenübertragung (Zeitpunkt / Richtung)• Simplex- oder Richtungsverkehr (z.B. Richtfunktstrecke)

Datenübertragung erfolgt nur in einer Richtung• Halb-Duplex- oder Wechselverkehr (z.B. Feldnetz, Fernschreibnetz)

Datenübertragung – zeitlich versetzt – in beiden Richtungen möglich• Voll-Duplex- oder Gegenverkehr (Telefonnetz)

Datenübertragung – zeitgleich – in beiden Richtungen möglich

Quelle: Samson


Übertragungsstrecke / Verbindungsart

Verbindungsart• Runkt-zu-Punkt Verbindung (Zweipunkt-Verbindung)

Getrennte Ausführung Empfangs- und Sendeleitung (kann)Empfangsleitung (Empfänger) <-> Sendeleitung (Senders)

Quelle: Samson


Übertragungsstrecke / Verbindungsart

Verbindungsart über Kommunikationsnetze• Übertragungsmedium ist Sende- und auch Empfangsleitung• Geräteanschluss über Stichleitung • Kommunikation erfordert Steuerdaten (Datenprotokoll) mit Angabe

der Nutzdaten, Quelle und Ziel für die Datenübertragung

Quelle: Samson


Übertragungsstrecke / Übertragungsgeschwindigkeit

Übertragungsgeschwindigkeit • Übertragungsgeschwindigkeit (Datenmenge pro Zeiteinheit)

BPS, kBit/s, Mbit/s• Übertragung bitweise

Bitübertragungsrate 100kBit/s Übertragungsfrequenz 50 kHz (Abtasttheorem)

• Erhöhung der Bit-RateZusammenfassung mehrere Bitwerte, die dann seriell aber gemein-sam in einem Paket übertragen werden.

• Leitungsfähigkeit einer Kommunikationsverbindung+ Übertragungsgeschwindigkeit + Wartezeit, bis Leitung für die Übertragung freigegeben ist+ Anzahl der Daten, die als Steuerdaten zusätzlich zu den Nutz-

daten übertragen werden müssen(Geräteadresse, Steuerinformationen, etc.)


Übertragungsstrecke / Übertragungsgeschwindigkeit

Quelle: Samson


Übertragungsstrecke / Übertragungsmedium

Quelle: Samson

Für die serielle Datenübertragung stehen verschiedene Medien zurVerfügung (elektrisch, optisch, per Funk).

Kriterien zur Medienauswahl:• Kosten und Aufwand

Installation• Sicherheitsaspekte• Maximale Datenrate• Topologie

Entfernung / Lageder Teilnehmer

Ziele:• Gute Signalqualität• Geringe Störempfindlichkeit



Quelle: Samson

Kein Medium hat ideale Übertragungseigenschafte Auswirkungen/Einfluss auf das Signalverhalten (Form, Verlauf, Störung)

Merkmale leitungsgebundener Übertragungsmedien



Quelle: Fachkunde Informationstechnik, Europa Fachbuch

Übertragungsmedium:•Aufbau elektrischer Leitungssysteme

•Verdrillte Zweidraht-leitung (Twisted Pair)Durch Verdrillung Reduzierung von Stör-einflüssen auf die Datenübertragung

•Verbreitung allerKabelsysteme


Elektrische Leitungen

Datenübertragung über elektrische Leitungen führt zur Signalbeein-flussung. Ersatzschaltungen für Leitungen lassen sich aus R, L und C-Bauelementen aufbauen. Leitung führt zu Dämpfung und Signalverzer-rung:•Widerstände verändern den statischen Signalpegel•Induktivitäten und Kapazitäten verändern die Flankensteilheit

Leitungsauswahl muss gute Übertragung sicherstellen:•Leitungswiderstand ausreichende Signalamplitude•Kabelinduktivität und –kapazität ausrei-chende Flankenform



Für geeignete Datenübertragung ist die mögliche Datenrate und Anzahlder angeschlossenen Teilnehmer vom Kabeltyp abhängig.

Beispiel: Leitungslänge abhängig von der Datenrate (RS 485)



Weitere Einfluss der Leitungen liegen in Reflexionen von Signalen an den Leitungsenden. Installation von elektrischen Leitungen erfordertbesondere Beobachtung:•Wechsel der Kabelarten•Verzweigung •Geräteanschluss•Offene Leitungsenden

Reduzierung / Vermeidung von Reflexionen bedarf Einsatz von Abschluss-widerständen. Widerstände bilden somit die elektrischen Eigenschaftender Leitung nach. Kenngröße ist der Wellenwiderstand der Leitung


Abschlusswiderstände


Binäre Informationsdarstellung

Serielle Datenübertragung dient zur Übertragung binärer Informationen•Positive Logik: Null <-> Low Eins <-> High•Negative Logik: Eins <-> Low Null <-> High

Zustände High und Low bestimmen auf dem Übertragungsmedium die Formatierung der Daten. Ausgewertet werden:•Amplitudenwerte•Flanken (Pegeländerungen)•Phasenbeziehung•Frequenzen

Weitere Eigenschaften der Formatierung•Synchrone Datenübertragung (Taktrate des Senders)


Randbedingungen der Datenübertragung

NRZ- und RZ- Formatierung

Nicht selbsttaktende FormatierungNicht mittelwert freie Formatierung


Manchestercodierung

Bitinformation ist in der Phasenlage des Signals erkennbar.•Steigende Flanke: High-zustand•Fallende Flanke: Low-zustand•Mittelwertfreie Ausführung (-5, +5 V)


Amplituden- und FSK-Codierung

FSK = frequency shift keying•Pegelunabhängiges Verfahren•Hohe Störsicherheit•Medium muss Frequenzen übertragen können•Einsatz zur Parametrierung von Sensoren/Aktoren


Übertragungsverfahren der seriellen Kommunikation

Digitale Datenübertragung:



Synchrone Datenübertragung:• Daten werden synchron über eine von beiden Stationen genutztes

Taktsignal koordiniert (z.B taktflankengesteuert). • Taktsignal wird separat zu übertragen.



Asynchrone Datenübertragung:• Bei synchroner Datenübertragung muss der Takt sehr genau über-

tragen werden. Geringste Schwankungen führen zur Störung.• Synchronisierung erfolgt mit dem Übertragen spezieller Start-/

Stopp-Bits. Mit Startbit werden die Empfangsdaten synchronisiert.• Reihenfolge der Daten / Daten werden übernommen, wenn Parität und

Stopp-Bit den Formatvorgaben entspricht.• Bei jedem Empfang neue Synchronisation.



Kommunikationssteuerung:• Regelt den Ablauf der Kommunikation (z.B. Bereitschaft zur Kommu-

nikation per Software oder zusätzliche Steuerleitungen).• Bereitschaftsfreigabe muss vor Datenübertragung vorliegen.• Handshake mit bidirektionaler Kommunikation• Software-Handshake mit Sonderzeichen XON/XOFF• Hardware-Handshake

mit Steuerleitungen



Kommunikationssteuerung:• RTS (Sendeteil einschalten) = 1 zeigt an, dass der Empfänger zur

Datenaufnahme bereit ist. Bei RTS = 0 wird die Datenübertragungunterbrochen.


Zweidrahtkommunikation

Einfache Kommunikationsverfahren minimieren den Instrumentierungs-aufwand (z.B Zweidrahtkommunikation):•Mit asynchrone Übertragung durch Start- und Stopp Bits, oder•Mit synchroner Übertragung, wenn die Takt- und Nutzdaten auf einer Leitung übertragen werden.•Kommunikationsablauf muss festgelegt sein (wann sendet wer?), oder•Kommunikationsablauf mit geeigneten Kommandos für Handshake

SchnittstellenSpezifikation


Fehlererkennung

•Mass für Fehlererkennbarkeit Hamming-Distanz. •Paritätsverfahren liefert HD = 2•Blockübertragung liefert höhere Erkennbarkeit von Fehlern


Fehlererkennung

•Datenübertragung ist nie störungsfrei. •Einzelne Bitinformationen können fehlerbehaftet sein.•Bei Fehlererkennung Übertragung wiederholen•Gängiges Verfahren für Korrektur Paritätskennung •Es ist nur ein Bit-Fehler erkennbar.


Übertragungsstandards


RS232


RS232

Begrenzte Übertragungs-Strecken ( 15 m)ErdunsymmetrischesSignal / Ausgleichs-ströme


Rechnerschnittstellen V.24/RS232C

Rechnerschnittstelle:9 oder 25-poliger D-SUB-Stecker


Datenübertragung


RS422


RS422


RS485


RS485


RS485


Feldbusspezifikation





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