Grundkurs Feldbustechnik (eBook)

Geleitwort 5
Vorwort 7
Inhaltsverzeichnis 9
1 Einführung 13
1.1 Was ist Kommunikation? 14
1.1.1 Technische Hilfsmittel der Kommunikation 15
1.1.2 Versenden eines Briefes 17
1.1.3 Beispiel: Platzbuchungssystem 18
1.1.4 Kommunikation in der Industrie 19
1.2 Technische Kommunikation in der Prozeßautomatisierung 20
1.2.1 Kommunikation innerhalb des Unternehmens 20
1.2.2 Vernetzung in einer Firma 21
1.2.3 Vernetzung eines Produktionsabschnittes 22
1.3 Prozeßtechnik und Prozeßebenen 23
1.3.1 Sensor-/Aktorebene: Sensoren 24
1.3.2 Sensor-/Aktorebene: Aktoren 27
1.3.3 Steuerungsebenen 28
1.4 Kommunikation in den unteren Ebenen 37
1.4.1 Parallele Kommunikation in den unteren Ebenen 38
1.4.2 Serielle Kommunikation in den unteren Ebenen 40
1.4.3 Dezentralisierung 42
2 Kommunikationsmodell 45
2.1 Warum Standardisierung? 45
2.1.1 Weg der Nachrichtenübertragung 45
2.2 ISO-OSI-Referenzmodell 49
2.2.1 Übertragungsweg im 7-Schichten-Modell 50
2.2.2 Protokolle 51
2.2.3 Datenpakete im OSI-Modell 51
2.2.4 Übergang zwischen verschiedenen Kommunikationssystemen 53
2.2.5 Beispiele für Teilnetze im OSI-Modell 53
2.3 Schichten im OSI-Referenzmodell 54
2.3.1 Bitübertragungsschicht (Physical layer) 54
2.3.2 Sicherungsschicht (Data link layer) 55
2.3.3 Vermittlungsschicht (Network layer) 56
2.3.4 Transportschicht (Transport layer) 57
2.3.5 Sitzungsschicht (Session layer) 58
2.3.6 Darstellungsschicht (Presentation layer) 59
2.3.7 Anwendungsschicht (Application layer) 60
2.4 Netztopologien 61
2.4.1 Vollständiger Graph 62
2.4.2 Vermaschtes Netz 63
2.4.3 Baumstruktur 64
2.4.4 Stern 64
2.4.5 Passiver Bus 65
2.4.6 Ring 66
2.4.7 Physische und logische Struktur 68
3 Bitübertragungsschicht 69
3.1 Übertragungsmedien 70
3.1.1 Offline-Übertragungsmedien 71
3.1.2 Online-Übertragungsmedien 72
3.2 Codierungen 82
3.2.1 Analoge und digitale Informationen 82
3.2.2 Digitale Informationen 83
3.3 Bitübertragung 87
3.3.1 Parallele Datenübertragung 87
3.3.2 Serielle Datenübertragung 88
3.4 Protokolle der Bitübertragung 93
3.4.1 Datenübertragung mit Modem über analoge Kanäle 93
3.4.2 Protokolle in der Bitübertragungsschicht 94
4 Sicherungsschicht 101
4.1 Aufgaben 101
4.1.1 Netztypen 102
4.1.2 Untergliederung 103
4.1.3 Single-Master- und Multi-Master-Systeme 103
4.2 Rahmenorganisation/Datenübertragung im Rahmen 106
4.2.1 Rahmenaufbau und Rahmenerkennung 107
4.2.2 Weitere Informationen im Rahmen 110
4.3 Übertragungssicherung 112
4.3.1 Verfahren der Übertragungssicherung 112
4.4 Zugriffsverfahren, Zugriffssteuerung auf gemeinsamen Übertragungskanal 117
4.4.1 CSMA/CD-Verfahren 117
4.4.2 Token-Bus 119
4.4.3 Token-Ring 120
4.4.4 Summenrahmenverfahren 121
5 Feldbussysteme 123
5.1 Kommunikation im Feldbereich 123
5.1.1 Steuern und Regeln 125
5.1.2 Durchgängigkeit der Information durch alle Ebenen 127
5.2 Anforderungen an Feldbussysteme 128
5.2.1 Parallele und serielle Anlagenverdrahtung mit Feldbus 129
5.2.2 Eigenschaften der Information 131
5.2.3 Reaktionszeit der Steuerung 132
5.2.4 Datentypen 135
5.2.5 Zuverlässigkeit und Verf gbarkeit technischer Systeme 136
5.3 Feldbussysteme 138
5.3.1 Offene Kommunikation 139
5.3.2 Bitbus 140
5.3.3 Profibus 141
5.3.4 DIN-Meßbus 142
5.3.5 SERCOS-Interface 143
5.3.6 CAN (Controller Area Network) 144
5.3.7 LON (Local Operating Network) 145
5.3.8 ISP-Feldbus 146
5.3.9 INTERBUS 147
5.3.10 Vergleich von Feldbussen 148
5.3.11 Ethernet und TCP/IP 150
6 INTERBUS-Systembeschreibung 159
6.1 Busstruktur 159
6.1.1 Bustopologie 159
6.1.2 Buselemente und Signalwege 161
6.1.3 Netzkonfiguration 166
6.2 Datenübertragung auf INTERBUS 167
6.2.1 Prinzip der Datenübertragung 167
6.2.2 Übertragungssicherheit 169
6.2.3 Datensicherheit 170
6.2.4 Ein-/Ausgabeprinzip 171
6.2.5 Austausch der Informationen 171
6.3 Funktionsbeispiel 173
6.3.1 Ausgangssituation 174
6.3.2 Schieben 174
6.3.3 Prüfsummenstatus 177
6.4 Übertragungszeiten: Buszykluszeit 179
6.5 Hardware des 2-Leiter-Fernbusses 180
6.5.1 Signalschnittstelle 180
6.5.2 Busschnittstelle 181
6.5.3 Datenrahmen des 2-Leiter-Busses 181
6.5.4 Taktsynchronisierung 182
6.5.5 Funktionsprinzip 183
6.5.6 Ident-Zyklus 186
6.6 Parameterkanal 187
6.6.1 Aufbau des Parametertelegramms 188
6.6.2 Parameterkanal im Summenrahmen 189
6.6.3 Client-Server-Architektur 190
6.7 INTERBUS-Protokoll 191
6.7.1 Interface zur Anwendung 192
6.7.2 Applikationsschicht - Prozeßdatenkanal 194
6.7.3 Applikationsschicht - Parameterkanal 194
6.7.4 Sicherungsschicht 195
6.7.5 Bitübertragungsschicht 196
6.7.6 Netzmanagement 197
6.8 Umsetzung des seriellen Buskonzeptes 198
6.8.1 INTERBUS-Loop 204
6.8.2 Das "Energiebus"-Konzept - logische Ergänzung zu INTERBUS 205
6.9 CMD - Der INTERBUS-Manager für den Anwender 206
6.9.1 Anwenderunterstützung durch PC WORX 210
6.9.2 Prozeßmodellierung 213
6.10 Eigenüberwachung von INTERBUS 215
6.11 Weitere INTERBUS-spezifische Eigenschaften und Leistungsmerkmale 226
6.11.1 Synchronisation von Prozessen in der Verfahrenstechnik 226
6.11.2 INTERBUS im Ex-Bereich 227
6.11.3 Erhöhte Verfügbarkeit durch Busredundanz 229
6.11.4 Alternative Übertragungswege 232
6.11.5 Quick response über INTERBUS 233
7 INTERBUS-Praxis 235
7.1 Fertigungstechnik im Automobilbau 235
7.1.1 Karosseriebau mit INTERBUS 235
7.1.2 PC-basierende Großpressensteuerung mit INTERBUS und PC WORX 237
7.1.3 Laserschweißen und Robotersteuerung 240
7.1.4 Der PC in der Förder- und Anlagentechnik und für die Robotersteuerung 240
7.2 Verfahrenstechnik und Petrochemie 241
7.2.1 INTERBUS für die Folienherstellung 241
7.3 Nahrungs- und Genußmittelindustrie, Brauereiwesen 243
7.3.1 Automatisierung eines Füllmassen-Tanklagers für die Schokoladenherstellung 243
7.3.2 Erhöhung des Bierausstoßes mit INTERBUS 244
7.3.3 INTERBUS und PC WORX in der Zigarettenindustrie 245
7.4 INTERBUS in der Papier- und Holzindustrie 246
7.4.1 PC-basierte Steuerung für Rollenschneider 246
7.4.2 Maschinen für die Holzverarbeitung 247
7.5 Fördertechnik und Materiallagerung 248
7.5.1 Flexible Fördertechnik für Güter, Waren und Daten 248
7.5.2 Braunkohleförderung und -lagerung im Tagebau 249
7.6 Allgemeiner Maschinenbau 251
7.6.1 PC-basierende Prüfstandstechnik 251
7.6.2 Schweißrobotersteuerung mit INTERBUS und PC WORX 253
7.7 Forschung und Lehre 254
7.7.1 Berliner Elektronenspeicherring setzt auf INTERBUS 254
7.7.2 Aus- und Weiterbildung an und mit INTERBUS 256
8 Mit INTERBUS in die Zukunft - Neue Dimensionen von INTERBUS 261
Anhang 267
IEC 61 131-3 - DIN/EN 61 131-3 Die neue Weltnorm für speicherprogrammierbare Steuerungen im Überblick 267
Literatur- und Quellenverzeichnis 289
Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen 293
Stichwortverzeichnis 297
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7 INTERBUS-Praxis (S. 235-236)

Dieses Kapitel zeigt an Beispielen auf, wie INTERBUS aufgrund seiner besonderen Eigenschaften und spezifischen Leistungsmerkmale Eingang in alle Bereiche der industriellen Automatisierung gefunden hat.

Dies sind z.B. die Bereiche

- Fertigungstechnik im Automobilbau,
- Verfahrenstechnik in der Petrochemie,
- Nahrungs- und Genußmittelindustrie, Brauereiwesen,
- Papier- und Holzindustrie,
- Fördertechnik und Materiallagerung,
- Allgemeiner Maschinenbau,
- Forschung und Lehre.

Es sind Anlagen und Prozesse beispielhaft aufgeführt, die INTERBUS als Kommunikationsnetz einsetzen, das die unterschiedlichsten Automatisierungskomponenten miteinander verbindet. Das Kapitel ist in sieben Sektionen gegliedert, in denen die Fähigkeiten und Leistungsmerkmale von INTERBUS in jeweils einer typischen Anwendung verdeutlicht werden. Dabei steht der Systemgedanke – INTERBUS als dezentralisiertes, modulares Kommunikationssystem – im Vordergrund. Es wird herausgestellt, welche Gründe den Anwender bewogen haben, sich für INTERBUS in der jeweiligen Steuerungsarchitektur zu entscheiden. Der letzte Abschnitt dieses Kapitels zeigt auf, welche Bedeutung INTERBUS in der beruflichen Ausbildung hat. Sie reicht von der beruflichen Erstausbildung bis hin zum Ingenieurstudium an den Hochschulen. Hinzu kommen Tagesseminare vor unterschiedlicher Klientel, die auch im Ausland angeboten werden.

7.1 Fertigungstechnik im Automobilbau

7.1.1 Karosseriebau mit INTERBUS

Gleich an drei Standorten – in Saarlouis, Genk und Southampton – produziert Ford die neuen Modelle Focus, Mondeo und Transit. Am Beispiel des Fertigungsstandortes Saarlouis soll aufgezeigt werden, wie Ford erfolgreich INTERBUS für alle anfallenden Automatisierungsaufgaben einsetzt, aufbauend auf den guten Erfahrungen mit INTERBUS beim Bau des Fiesta in Köln, Valencia und São Paulo (Bild 7.1 - nicht in der Leseprobe enthalten). In Saarlouis verlassen täglich ca. 1700 Fahrzeuge die Fertigungsbänder. Diese hohe Leistung ist nur möglich durch konsequente Standardisierung und Vereinheitlichung. So setzt Ford im gesamten Karosseriebau SPS des Typs PLC5/80 der Firma Rockwell ein. Diese einheitliche Struktur löst die zuvor vorhandene Mischausstattung mit Simatic-S5-Steuerungen, IPC und Rockwell-SPS ab. Alle Rockwell-Komponenten sind via INTERBUS untereinander und mit ca. 40 000 Aktoren und Sensoren verbunden. Entscheidend in dieser Anwendung ist die kurze Zykluszeit, wogegen für Signalerfassung und -transport direkt im Schweißbereich die hohe Störsicherheit ausschlaggebend ist.

In den Fertigungslinien für die Türen und Seitenwände ist eine Vielzahl von Antrieben installiert. Zu deren Ansteuerung setzen die Ford-Ingenieure ebenfalls INTERBUS ein. In ihrer unmittelbaren Nähe angebrachte Motorschalter (Schutzart IP 54) von Phoenix Contact reduzieren den Bedarf an Steuerschränken und Verbindungsleitungen drastisch. Die elektronischen Motorschalter sind mit Motorstromüberwachung, umfangreicher Vor-Ort-Diagnose und digitalen Eingängen «on board» ausgestattet. Um die Antriebe einzurichten, ist keine Steuerung erforderlich; so lassen sich z.B. die Richtungsprüfung oder das Ein- und Ausschaltverhalten unmittelbar am Modul vornehmen. Hierdurch verkürzt sich die Zeit für die Inbetriebnahme erheblich.