Availability: Bussysteme in der Automatisierungs- und Prozesstechnik

Bussysteme in der Automatisierungs- und Prozesstechnik: Grundlagen, Systeme und Anwendungen der industriellen Kommunikation

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Other Authors:	Schnell, Gerhard 1938- (Editor), Wiedemann, Bernhard (Editor)
Format:	Book
Language:	German
Published:	Wiesbaden Springer Vieweg [2019]
Edition:	9., aktualisierte und verbesserte Auflage
Subjects:	Bus > Informatik Sensor Automatisierungstechnik Feldbus Datenbus Antriebstechnik Automation Automatisierung Bussystem Elektrotechnik Ethernet Fabrik IP Industrie Maschinenbau Netzwerk Profibus Prozesstechnik Przessautomation Robotik Sicherheit System USB TJFM1
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Physical Description:	XVI, 408 Seiten Illustrationen, Diagramme 24 cm x 16.8 cm, 982 g
ISBN:	9783658236878 3658236876

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adam_text	INHALTSVERZEICHNIS 1 TECHNISCHE GRUNDLAGEN ....................................................................................... 1 1.1 NETZWERKTOPOLOGIEN ...................................................................................... 1 1.1.1 ZWEIPUNKTVERBINDUNGEN .................................................................... 1 1.1.2 ZWEIPUNKTVERBINDUNGEN MIT MULTIPLEXER ...................................... 2 1.1.3 BUS-STRUKTUR ...................................................................................... 3 1.1.4 BAUMSTRUKTUR .................................................................................... 6 1.1.5 RINGSTRUKTUR ...................................................................................... 7 1.1.6 STERNSTRUKTUR ...................................................................................... 8 1.2 KOMMUNIKATIONSMODELLE ............................................................................... 9 1.2.1 DAS ISO/OSI-REFERENZMODELL ......................................................... 9 1.2.1.1 ALLGEMEINES ......................................................................... 9 1.2.1.2 DIE PHYSIKALISCHE SCHICHT ODER BITUEBERTRAGUNGSSCHICHT . 11 1.2.1.3 DIE SICHERUNGSSCHICHT ....................................................... 11 1.2.1.4 DIE NETZWERKSCHICHT ........................................................ 12 1.2.1.5 DIE TRANSPORTSCHICHT .......................................................... 13 1.2.1.6 DIE SITZUNGSSCHICHT .......................................................... 13 1.2.1.7 DIE DARSTELLUNGSSCHICHT ..................................................... 14 1.2.1.8 DIE ANWENDUNGSSCHICHT .................................................. 14 1.2.1.9 DIENSTE FUER DIE KOMMUNIKATION ZWISCHEN DEN SCHICHTEN 15 1.2.1.10 BEISPIEL: ABLAUF EINER KOMMUNIKATION IM OSI-MODELL . 15 1.2.2 DAS TCP/IP-PROTOKOLL ...................................................................... 17 1.3 BUSZUGRIFFSVERFAHREN .................................................................................... 19 1.3.1 MASTER/SLAVE-VERFAHREN ................................................................... 20 1.3.2 TOKEN-PRINZIP .................................................................................... 22 1.3.3 TOKEN-PASSING .................................................................................... 24 1.3.4 CSMA ................................................................................................. 25 1.3.5 CSMA/CA ......................................................................................... 28 1.3.6 BUSARBITRATION .................................................................................... 29 1.4 DATENSICHERUNG .............................................................................................. 30 1.4.1 EINLEITUNG ......................................................................................... 30 1.4.2 FEHLERARTEN ......................................................................................... 31 VII VIII INHALTSVERZEICHNIS 1.4.3 EINIGE GRUNDLEGENDE BEZIEHUNGEN ................................................ 31 1.4.3.1 BITFEHLERRATE ......................................................................... 31 1.4.3.2 WIEDERHOLUNG EINER UEBERTRAGUNG ...................................... 31 1.4.3.3 RESTFEHLERRATE ...................................................................... 32 1.4.3.4 HAMMING-DISTANZ .............................................................. 32 1.4.3.5 TELEGRAMMUEBERTRAGUNGSEFFIZIENZ ...................................... 33 1.4.4 EINIGE STRATEGIEN DER FEHLERERKENNUNG .......................................... 34 1.4.4.1 PARITAETSBIT ............................................................................ 34 1.4.4.2 BLOCKSICHERUNG .................................................................... 35 1.4.4.3 CRC ...................................................................................... 37 1.4.5 DATENINTEGRITAETSKLASSEN ................................................................... 40 1.4.6 TELEGRAMMFORMATE ............................................................................ 41 1.4.6.1 TELEGRAMM MIT PARITAETSBIT ................................................. 41 1.4.6.2 TELEGRAMM MIT CRC ........................................................... 42 1.5 TELEGRAMMFORMATE ...................................................................................... 44 1.5.1 DAS HDLC-PROTOKOLL ......................................................................... 44 1.5.2 UART ................................................................................................. 47 1.5.3 PROFIBUS-NORM EN 50 170 TEIL 2 .............................................. 48 1.5.4 HART-PROTOKOLL ................................................................................. 49 1.5.4.1 SMART-TRANSMITTER .............................................................. 50 1.5.4.2 BUSAUFBAU ............................................................................ 51 1.5.4.3 BUSZEITEN ............................................................................ 52 1.5.5 TOKEN-TELEGRAMM .............................................................................. 53 1.5.6 ETHERNET-TELEGRAMM ......................................................................... 53 1.5.6.1 DIE FELDER DES ETHERNET-TELEGRAMMS ................................ 53 1.5.6.2 TCP/IP-PROTOCOL ................................................................. 55 1.6 BINAERE INFORMATIONSDARSTELLUNG ................................................................... 55 1.6.1 NRZ, RZ ............................................................................................ 56 1.6.2 BIPOLAR-KODIERUNG, HDB N -KODIERUNG ........................................... 57 1.6.3 NRZI ................................................................................................. 58 1.6.4 AFP .................................................................................................... 59 1.6.5 MANCHESTER-II-KODIERUNG ................................................................. 59 1.6.6 FSK, ASK, PSK ................................................................................. 60 1.7 UEBERTRAGUNGSSTANDARDS ................................................................................. 60 1.7.1 RS 232-, V.24-SCHNITTSTELLE .............................................................. 60 1.7.2 RS 422-SCHNITTSTELLE ......................................................................... 63 1.7.3 RS 485-SCHNITTSTELLE ......................................................................... 63 1.7.4 20MA-STROMSCHLEIFE ......................................................................... 66 1.7.5 IEC 61158-2, FISCO-MODELL ........................................................... 67 1.7.6 ETHERNET-UEBERTRAGUNGSARTEN ........................................................... 72 1.7.6.1 10 MBD ETHERNET ................................................................. 73 1.7.6.2 100 MBD-ETHERNET (FAST ETHERNET) ................................... 75 INHALTSVERZEICHNIS IX 1.7.6.3 LOOOBASE ETHERNET (GIGABIT ETHERNET) .............................. 76 1.7.6.4 LOGIGASSIT ETHERNET ........................................................... 78 1.7.6.5 INFRASTRUKTUR-KOMPONENTEN .............................................. 78 1.8 LEITUNGEN UND UEBERTRAGUNGSARTEN .............................................................. 79 1.8.1 UEBERSICHT UEBER DIE LEITUNGSARTEN ................................................... 79 1.8.2 PARALLELDRAHTLEITUNG ............................................................................ 80 1.8.3 KOAXIALLEITUNG .................................................................................... 84 1.8.4 LICHTWELLENLEITER (LWL) ................................................................... 86 1.8.5 UEBERTRAGUNGSARTEN ........................................................................... 87 1.8.5.1 BASISBANDUEBERTRAGUNG ......................................................... 87 1.8.5.2 TRAEGERFREQUENZUEBERTRAGUNG .............................................. 87 1.8.5.3 BREITBANDUEBERTRAGUNG ......................................................... 88 1.9 VERBINDUNG VON NETZEN ................................................................................. 89 1.9.1 REPEATER ............................................................................................ 89 1.9.2 BRIDGES .............................................................................................. 90 1.9.3 ROUTER ................................................................................................. 92 1.9.4 GATEWAYS ............................................................................................ 94 1.10 FELDBUSANKOPPLUNG AN HOST-SYSTEME ......................................................... 95 1.10.1 GRUNDLAGEN ......................................................................................... 95 1.10.2 SPS-ANKOPPLUNG .............................................................................. 96 1.10.2.1 FELDBUSFUNKTIONEN AUF KOMMUNIKATIONS-BAUGRUPPEN . . 96 1.10.2.2 SOFTWARE-SCHNITTSTELLE ........................................................ 97 1.10.2.3 EINHEITLICHE PROGRAMMIERUNG MIT IEC 1131 ................... 98 1.10.3 PC-ANKOPPLUNG ................................................................................. 99 1.10.3.1 HARDWARE-ASPEKTE .............................................................. 99 1.10.3.2 TECHNIKEN DES ANWENDERZUGRIFFS ......................................... 100 1.10.4 CONTROLLER-ANKOPPLUNG ...................................................................... 104 1.10.5 ANKOPPLUNG AN HOEHERE NETZE UEBER GATEWAYS ................................... 104 1.10.6 HOST-ZUGRIFFE UNTER MMS ........................ 105 1.11 BUSZYKLUSZEITEN .............................................................................................. 106 1.11.1 DETERMINISTISCHE BUSSYSTEME ............................................................ 106 1.11.2 NICHTDETERMINISTISCHE BUSSYSTEME ................................................... 109 1.12 SICHERHEITSBUSSYSTEME .................................................................................... 110 LITERATUR ................................................................ 113 2 NETZWERKHIERARCHIEN IN DER FABRIK- UND PROZESSAUTOMATISIERUNG ............... 117 2.1 UEBERSICHT UND SPEZIFIK DER KOMMUNIKATION IN DER AUTOMATISIERUNG ... 117 2.1.1 FABRIKAUTOMATISIERUNG ......................................................................... 122 2.1.2 PROZESSAUTOMATISIERUNG ...................................................................... 123 2.2 KOMMUNIKATIONSEBENEN BEI STUECKGUT- UND FLIESSGUTPROZESSEN ..................... 126 2.2.1 STUECKGUTPROZESSE ................................................................................. 126 2.2.2 FLIESSGUTPROZESSE ................................................................................. 127 X INHALTSVERZEICHNIS 2.3 MANAGEMENTEBENE ............................................................................................ 129 2.4 PROZESSLEITEBENE ............................................................................................... 131 2.4.1 ETHERNET FUER DEN INDUSTRIEEINSATZ ................................................. 131 2.4.2 LOESUNGSMOEGLICHKEITEN MIT TCP/IP .................................................... 134 2.4.3 ETHERNET-AN WENDUNGEN IN DER INDUSTRIELLEN KOMMUNIKATION . 137 2.5 FELDEBENE .......................................................................................................... 138 2.5.1 ANFORDERUNGEN AN EIN BUSSYSTEM DER FELDEBENE .............................. 138 2.5.2 INDUSTRIELOESUNGEN FUER BUSSE DER FELDEBENE ...................................... 139 2.6 SENSOR-AKTOR-EBENE .......................................................................................... 140 2.6.1 ANFORDERUNGEN IM SENSOR-AKTOR-BEREICH ......................................... 140 2.6.2 INDUSTRIELOESUNGEN FUER SENSOR-AKTOR-BUSSYSTEME: ........................... 142 2.7 FAZIT .................................................................................................................. 142 LITERATUR ...................................................................................................................... 143 3 FELDBUSNORMUNG ....................................................................................................... 145 3.1 INTERNATIONALE NORMUNGSARBEIT ....................................................................... 145 3.2 EUROPAEISCHE NORMUNGSARBEIT ......................................................................... 149 LITERATUR ...................................................................................................................... 150 4 BEISPIELE AUSGEFUEHRTER BUSSYSTEME ........................................................................ 151 4.1 SENSOR/AKTOR-BUSSE ........................................................................................... 151 4.1.1 AS-INTERFACE - AKTOR/SENSOR-INTERFACE .............................................. 151 4.1.1.1 KONZEPT DES INTELLIGENTEN VERKABELUNGS-SYSTEMS ........... 151 4.1.1.2 DER MASTER ............................................................................... 152 4.1.1.3 NETZTEIL .................................................................................... 152 4.1.1.4 ELEKTROMECHANIK .................................................................... 154 4.1.1.5 NETZWERKTOPOLOGIE ................................................................. 155 4.1.1.6 SLAVES ....................................................................................... 155 4.1.1.7 BITUEBERTRAGUNG ....................................................................... 156 4.1.1.8 BUSZUGRIFFSVERFAHREN ............................................................ 157 4.1.1.9 A/B-UND SINGLE SLAVES ......................................................... 158 4.1.1.10 ANALOGWERTUEBERTRAGUNG ......................................................... 159 4.1.1.11 DATENSICHERHEIT ....................................................................... 161 4.1.1.12 ELEKTROMAGNETISCHE VERTRAEGLICHKEIT ...................................... 161 4.1.1.13 AS-INTERFACE IM EXPLOSIONSGEFAEHRDETEN BEREICH .............. 163 4.1.1.14 NEUERUNGEN NACH DER SPEZIFIKATION 3.0 .............................. 164 4.1.1.15 SAFETY AT WORK ......................................................................... 165 4.1.2 DAS KNX-SYSTEM FUER DIE HAUS-UND GEBAEUDESYSTEMTECHNIK ... 167 4.1.2.1 EINFUEHRUNG ............................................................................... 167 4.1.2.2 NETZWERKTOPOLOGIE ................................................................. 168 4.1.2.3 UEBERTRAGUNGSMEDIEN ............................................................... 169 4.1.2.4 KNX OSI KOMMUNIKATIONSPROTOKOLL ................................. 171 INHALTSVERZEICHNIS XI 4.1.2.5 NETZVERWALTUNG UND ADRESSIERUNG ..................................... 173 4.1.2.6 DATENFORMATE UND INTERWORKING ........................................... 174 4.1.2.7 WERKZEUGSAETZE UND SOFTWARE ENGINEERING ........................ 176 4.1.2.8 WEITERE SYSTEMMERKMALE ..................................................... 176 4.1.2.9 SPEKTRUM VERFUEGBARER PRODUKTE ........................................... 177 4.2 FELDBUSSE ....................................................................................................... 178 4.2.1 SERCOS .................................................................................................... 178 4.2.1.1 EINLEITUNG .............................................................................. 178 4.2.1.2 TOPOLOGIE .............................................................................. 179 4.2.1.3 UEBERTRAGUNGSVERFAHREN, SYNCHRONISATION UND PROTOKOLLSTRUKTUR ............................................................ 181 4.2.1.4 IMPLEMENTIERUNG .................................................................... 185 4.2.2 PROFIBUS ............................................................................................ 186 4.2.2.1 PROFIBUS ALS SYSTEM-BAUKASTEN ................................... 186 4.2.2.2 UEBERTRAGUNGSTECHNIK .............................................................. 189 4.2.2.3 KOMMUNIKATION .................................................................... 191 4.2.2.4 ALLGEMEINE APPLIKATIONSPROFILE ............................................ 197 4.2.2.5 SPEZIFISCHE APPLIKATIONSPROFILE ............................................ 199 4.2.2.6 GERAETEMANAGEMENT .............................................................. 202 4.2.2.7 PROFIBUS IMPLEMENTIERUNG .............................................. 202 4.2.2.8 QUALITAETSSICHERUNG UND ZERTIFIZIERUNG ............................... 203 4.2.3 INTERBUS ................................................................................................. 203 4.2.3.1 TOPOLOGIE ............................................................................. 203 4.2.3.2 INTERBUS-PROTOKOLL ................................................................ 206 4.2.3.3 PROTOKOLLREALISIERUNG .......................................................... 208 4.2.3.4 ANWENDUNGSSCHNITTSTELLE ...................................................... 211 4.2.4 MODBUS-RTU UND MODBUS-ASCII ................................................... 212 4.2.5 LON ...................................................................................................... 214 4.2.5.1 LON-GERAET ................................. 214 4.2.5.2 LONWORKS-PROTOKOLL .............................................................. 218 4.2.5.3 FUNKTIONSPROFILE FUER LON-GERAETE ........................................ 226 4.2.5.4 LON-UEBERGREIFENDE KOMMUNIKATION ................................... 228 4.2.5.5 NETZWERK-MANAGEMENT UND TOOLS ...................................... 228 4.2.6 CAN-BASIERENDE NETZWERKE .............................................................. 229 4.2.6.1 GRUNDLAGEN ........................................................................... 229 4.2.6.2 PHYSIKALISCHE UEBERTRAGUNG ................................................... 230 4.2.6.3 CAN-PROTOKOLL ...................................................................... 231 4.2.6.4 CANOPEN .............................................................................. 234 4.2.6.5 DEVICENET .............................................................................. 248 4.2.7 FOUNDATION FIEIDBUS HL .............................................................. 254 4.2.7.1 UEBERSICHT ................................................................................ 254 XII INHALTSVERZEICHNIS 4.2.7.2 DIE FELDBUSPHYSIK .................................................................255 4.2.7.3 DIE KOMMUNIKATION .............................................................. 260 4.2.8 CONTROLNET ........................................................................................... 264 4.2.8.1 ZIELANWENDUNGEN ................................................................. 266 4.2.8.2 DAS CONTROLNET-PROTOKOLL ................................................... 266 4.3 ETHERNETBASIERTE FELDBUSSE .............................................................................. 270 4.3.1 INDUSTRIAL ETHERNET - WAS IST DAS EIGENTLICH? ................................... 270 4.3.2 GRUNDLAGEN DES ETHERNET ................................................................... 271 4.3.3 ETHERNET IM VERGLEICH ZU MODERNEN FELDBUSSYSTEMEN ......................275 4.3.4 PROFINET ............................................................................................ 281 4.3.4.1 PROFINET IM UEBERBLICK ...................................................... 283 4.3.4.2 GRUNDLAGEN VON PROFINET IO ........................................... 284 4.3.4.3 IRT-KOMMUNIKATION BEI PROFINET IO ........................... 291 4.3.4.4 PROFINET IO-CONTROLLER UND -DEVICES ..............................293 4.3.4.5 CONFORMANCE CLASSES (CC) ................................................... 294 4.3.4.6 APPLIKATIONSPROFILE FUER PROFINET IO .............................. 294 4.3.4.7 INTEGRATION VON FELDBUS-SYSTEMEN ...................................... 296 4.3.4.8 NETZWERKINSTALLATION .............................................................. 296 4.3.4.9 PROFINET IO-ZERTIFIZIERUNG .............................................. 300 4.3.5 ETHERNET/IP ............................................................................................ 301 4.3.6 ECHTZEIT-ETHERNET: POWERLINK .............................................................. 305 4.3.7 MODBUS-TCP ...................................................................................... 314 4.3.8 ECHTZEIT ETHERNET ETHERCAT .............................................................. 316 4.4 PERIPHERIEBUSSE AM PC ....................................................................................327 4.4.1 VERGLEICH USB - FIREWIRE ....................................................................327 4.4.2 USB .......................................................................................................329 4.4.3 BLUETOOTH ............................................................................................... 333 LITERATUR .................................................................................................................... 335 5 WEITVERKEHRSNETZE ................................................................................................. 339 5.1 ISDN ................................................................................................................. 339 5.2 DSL - OEFFENTLICHES BREITBANDNETZ ................................................................. 343 LITERATUR .................................................................................................................... 349 6 INSTALLATIONSBEISPIELE AUS DER BUS-PRAXIS ............................................................. 351 6.1 VERBINDUNG VON FELDGERAETEN UEBER PROFIBUS UND OPC MIT ANWENDERSOFTWARE .................................................................................... 351 6.1.1 KURZE EINFUEHRUNG IN OPC .................................................................... 351 6.1.2 DIE AUFGABE: PROFIBUS AN VISUALISIERUNGSSOFTWARE ................... 352 6.1.3 KONFIGURATION DES PROFIBUS ........................................................... 353 6.1.4 KONFIGURATION DES OPC-SERVERS ......................................................... 354 6.1.5 SCADA-PROJEKT UND OPC-KONFIGURATION ......................................... 354 INHALTSVERZEICHNIS XIII 6.2 PROZESSSTEUERUNG UEBER DAS INTERNET-NETZWERK .............................................. 358 6.2.1 DIE AUFGABE ......................................................................................... 358 6.2.2 ERSTELLUNG DER LAB VIEW-APPLIKATION .................................................359 6.2.3 INTERNETANBINDUNG .............................................................................. 360 6.2.4 DIE KONFIGURATION DES HTTP-SERVERS .................................................364 6.3 KONFIGURATION AS-I/INTERBUS-GATEWAY AN INTERBUS ...................................... 365 6.3.1 AUFBAU DER BUS-SYSTEME ................................................................... 365 6.3.2 KONFIGURATION DES AS-I ...................................................................... 367 6.3.3 KOMMUNIKATION DES AS-I/INTERBUS-GATEWAY MIT DEM INTERBUS . . 367 6.3.4 DIE SW-VERKNUEPFUNG INTERBUS/AS-I ................................................... 369 6.4 DIE VERBINDUNG EINER SPS MIT DEM PROFIBUS DP ................................... 371 6.4.1 S7-PROJEKT ............................................................................................ 373 6.4.2 KONFIGURATION DER S7-STATION .............................................................. 373 6.4.3 KOMMUNIKATION ZWISCHEN CPU UND CP ............................................ 377 6.4.4 PROGRAMMBEISPIEL .............................................................................. 378 6.5 KONFIGURATION AS-I/ETHERNET/IP-GATEWAY AN ETHERNET/IP ...........................379 6.5.1 AUFBAU DER BUSSYSTEME ...................................................................... 379 6.5.2 KONFIGURATION DES AS-I-NETZWERKS UND DES AS-I/ETHERNET/IP-GATEWAYS ................................................................. 380 6.5.3 KOMMUNIKATION UEBER ETHERNET/IP ...................................................... 381 6.5.4 DIE SOFTWARE-VERKNUEPFUNG ZWISCHEN AS-I UND ETHERNET/IP .... 382 7 DATENBLAETTER ............................................................................................................ 389 7.1 AS-I (AKTOR/SENSOR-INTERFACE) ......................................................................... 389 7.2 KNX (EHEMALS EIB, EUROPEAN INSTALLATION BUS) ........................................ 390 7.3 SERCOS I, II UND III ........................................................................................... 391 7.4 PROFIBUS ...................................................................................................... 392 7.4.1 PROFIBUS-DP ................................................................................... 392 7.4.2 PROFIBUS-PA ........................................ 393 7.5 INTERBUS ............................................................................................................394 7.6 MODBUSPLUS ................................................................................................... 395 7.7 INDUSTRIAL ETHERNET ........................................................................................... 396 7.8 LON (LOCAL OPERATING NETWORK) ................................................................... 397 7.9 CAN (CONTROLLER AREA NETWORK) ................................................................... 398 7.10 FOUNDATION FIELD BUS ...................................................................................... 399 7.11 EIGENSICHERE FELDBUSSE ................................................................................... 400 7.11.1 PROFIBUSPA ................................................................................... 400 7.11.2 PROFIBUS (DP) EX-I ......................................................................... 400 7.12 DEVICENET ......................................................................................................... 401 7.13 CONTROLNET ...................................................................................................... 402 7.14 ETHERNET/IP ...................................................................................................... 403 STICHWORTVERZEICHNIS ......................................................................................................... 405
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