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Folie 9-1

Design Feldbus über Ethernet

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Folie 9-2

Inhalt

Ethernet/IP

IDA

ModBus/TCP

Powerlink

PROFINET

SERCOS III

EtherCAT

JetSync

MasterBus 300

DeltaV

Vnet/IP

Studie von ARC 2009: Unterstützte Industrial-Ethernet-Protokolle(Umsatz-Anteil von Switches)

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Folie 9-3

Ausgangssituation Feldbusse

ARCNETAS-i

Bitbus

CAN

ControlNet

DeviceNet

cc-link

MelsecNet

DIN-Messbus

EIB

FIP

Foundation Fieldbus H1 Genius

HART

Interbus S

LON

MasterBus300

Modbus

Modbus +

P-NetProfibus DPProfibus PA

Profibus FMS

SDS

SERCOS

Suconet

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Folie 9-4

Etablierte Standards der IT-Welt

Data Link (2)Physical (1) Ethernet IEEE 802.3

ARP ICMP

UDP

SNMPHTTP DNS FTP

Network(3)

Transport(4)

Middleware(5-7)

Neue Industrial-Ethernet-Protokolle

Application Programming Interface (API)

TCP

IP

???

???

???

Standard Ethernet und Automatisierungsprotokolle

L5-Protokoll für Automatisierungskommunikation nötig,L3- und L4-Protokoll für Echtzeitanwendung nötig.

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Folie 9-5

Applikation

TCP UDP

IP

Echtzeit-erweiterung

Media Access Control CSMA/CDEthernet

Applikation

Echtzeiterweiterung

TCP UDP

IP

Media Access Control CSMA/CDEthernet

TCP UDP

IP

Echtzeit-erweiterung

Media Access Control CSMA/CDEthernet

Applikation

Echtzeiterweiterung

Steuerungsdaten über Ethernet

3 generelle Implementierungsansätze:

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Folie 9-6

®

PROCESS FIELD BUS

Lösungsansätze

ODVA (Open DeviceNet Vendor Association ) Technik: In den höheren Protokollschichten wird

EtherNet/IP/ControlNet/DeviceNet übernommen

Lösungsansatz von: Rockwell Automation, Allen-Bradley, Honeywell, Mitsubishi, ABB, ControlNet International (CI), Industrial Ethernet Association (IEA), IAONA

IDA (Interface for Distributed Automation) Organisation mit modbus.org verschmolzen (11/2003) Technik: kompatibel zu ModBus/TCP

Lösungsansatz von: Schneider, Jetter, Phoenix, Kuka, RTI (Real-time Innovations), Lenze, Sick, Modconnect Gruppe, AG-E, IAONA

PROFINET Technik: Übernahme des kompletten Profibus

Lösungsansatz von: Siemens / PI

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Folie 9-7

Lösungsansätze

Bernecker & Rainer (B&R) Technik: Industrie Elektronik

Lösungsansatz von: B&R

EtherCAT von Beckhoff

JetSync von Jetter

SERCOS III

Delta V von Emerson

VNET/IP von Yokogawa

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Folie 9-8

Übung

EtherCAT

EtherNet/IP

IDA

JetSync

Modbus/TCP

Powerlink

PROFINET

SERCOS III

Beckhoff

EPSG

IGS

Jetter

modbus-ida

ODVA

Phoenix Contact

PI

Rockwell

Schneider

Siemens

Ordnen Sie die Ethernet-Lösungen den Unternehmen/Vereinigungen zu!

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Folie 9-9

IAONA – ODVA – IDA Kooperation

IAONA – neutrale Organisationsplattform für Industrial Ethernet: angleichen der IDA- und ODVA-Standards und künftige Entwicklungen, so dass Interoperabilität gewährleistet ist.

IAONA, IDA und ODVA unterschrieben ein „Memorandum of Understanding“

ODVA / IDA stellten ihre Spezifikationen (EtherNet/IP/Modbus) der IAONA zur Verfügung Objekt Modelle, Protokolle,

Geräte-Profile

ODVA / IDA beteiligten sich an den IAONA-Aktivitäten

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Folie 9-10

ODVA – Ansatz

Ethernet Industrial Protocol (EtherNet/IP) / DeviceNet / ControlNet

Offener Standard für die Applikationsschicht. Seit April 2001 kann die komplette Spezifikation und Source Code kostenlos von der ODVA Homepage geladen werden (EtherNet/IP Spezifikation ist seit Dez. 99 verfügbar).

Am weitesten entwickelt, Produkte verfügbar

Das gemeinsame Kommunikationsprotokoll für DeviceNet (EN 50325) und ControlNet (EN 50170) heißt Control and Information Protocol (CIP) Objektmodell

Ethernet/IP bildet die CIP-Dienste auf TCP/IP und UDP/IP ab Protokollmodell

Da Objektmodell und Protokollmodell weitgehend identisch sind, lassen sich einfache Router zwischen den Techniken einsetzen

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Folie 9-11

ODVA – EtherNet/IP / ControlNet

ControlNetPhys. Layer

DeviceNetPhys. Layer

EtherNetPhysical Layer

ControlNetCTDMA

DeviceNetPhys. Layer

EtherNetCSMA/CD

ControlNetTransport

DeviceNetTransport

IP

TCP UDP

Encapsulation CPF

Möglichekünftige

Lösungen:andereNetze

CIP

syncCIP Message Routing, Connection Management

CIP Data Management ServicesExplicit Messages, I/O Messages

CIP Application LayerApplication Object Library

Semi-conductor

Pneumatik-Ventile

AC AntriebePositionControls

andere DeviceProfile

FTPSNMPHTTPSMTP

CIP

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Folie 9-12

ODVA – ControlNet / Ethernet/IP

Zeitkritische implizite Nachrichten werden mit UDP übertragen. Dabei wird die schnellere Übertragungsgeschwindigkeit des UDP genutzt. Außerdem wird sichergestellt, dass zeitkritische Daten, die nach verloren gegangenen Daten eingehen, trotzdem noch verarbeitet werden

Explizite Nachrichten werden mit TCP übertragen. Dabei wird die Zuverlässigkeit von TCP genutzt. Gleichzeitig wird akzeptiert, dass die Nachrichten nicht zeitkritisch sind

Ethernet

CIPsync

ControlNetDeviceNet

Deterministische Nachrichten werden mit CIPsync übertragen. Dies garantiert die schnelle und pünkt-liche Zustellung der Daten für isochrone Anwendungen.

Application

Presentation

Session

Transport

Network

Data Link

Physical

Ethernet(IEEE 802.3)

TCP/IP

ControlNetDeviceNetProtocol

ExplicitMessa-gingServices

OSI-Modell

Application

Presentation

Session

Transport

Network

Data Link

Physical

Ethernet(IEEE 802.3)

UDP/IP

ControlNetDeviceNetProtocol

ImplicitMessa-gingServices

OSI-Modell

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Folie 9-13

ODVA – Ansatz

System-Überblick

Leit

Steuerung

Sensor/Aktor DeviceNet

EtherNet/IP

ControlNet - EtherNet/IP

Ethernet/IP Trace über CIPAlyser von Control Technology Inc.

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Folie 9-14

ODVA – Ansatz

Einfach in Ethernet einzubinden

Andere Protokolle SNMP, FTP, HTTP werden unterstützt

CIP (Control and Information Protocol) ist in industrieller Umgebung bekannt und kommt in DeviceNet- als auch ControlNet-Netzen zum Einsatz. Die jeweiligen Endgeräte “sprechen die gleiche Sprache” über CIP.

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Folie 9-15

Modbus/TCP-Architektur

Das weitest verbreitete Ethernet-Automatisierungsprotokoll

Modbus/TCP bettet serielles Modbus-Protokoll (Modbus Rahmen) in ein TCP-Paket ein Vorteil: sichere Verbindung

Nachteil: langsame Kommunikation

TransactionIdentifier

ProtocolIdentifier

LängeModbus-

Paket

AdresseFunktions-

Code Daten (Prüfsumme)

TCP-Paket

Modbus-Paket

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Folie 9-16

Modbus/TCP-Architektur

Modbus/TCP arbeitet nach dem Master/Slave Prinzip: Master sendet Anfrage an den Slave und kann hierbei

Ausgangsdaten mitschicken

Slave antwortet mit Eingangsdaten

Das Polling-Verfahren ist überschaubar und nutzt die Verbindungsüberwachung von TCP

Nur wenig Dienste sind erforderlich und für viele Applikationen genügt die Performance

Einfach zu integrieren

Modbus Application Layer

Modbus auf TCP

TCP

IP

Ethernet-II/802.3Ethernet-PHY

Master / SlaveRS 232 oder

RS 485

Modbus+/HDLCPHY-Layer

andereandere

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Folie 9-17

Powerlink von Bernecker & Rainer (B&R)

Lösung heute am Markt erhältlich Hub, Bus, Interface für ACOPOS Servoantriebe - I/O Controller,

EX282 Schnittstellenmodule - PCI Schnittstellenkarten

Zeitschlitzverfahren

Offene, kompatible und transparente TCP/IP Lösung

Definition für (Konfiguration, Parametrierung, Diagnose, Administration und Wartung

Parallele Lösung für real-time und non-real-time Kommunikation

Synchronisation: Ein Powerlink Segment über mechanische, elektronische und

datenverarbeitenden Komponenten

zwischen verschiedenen geschützten, synchronisierten Ethernet-Segmenten mit IEEE 1588

Alle Stationen sind am Netz zueinander, bzw. zum Programm in der SPS synchronisierbar

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Folie 9-18

Powerlink – Zeitschlitzverfahren

Deterministisch

Zykluszeit Anzahl und Laufzeit der

Zeit-Slots konfigurierbar

Zykluszeit < 200 µs

Zur Synchronisierung PLCs, Antriebe, I/O

PLC Programme etc.

Jitter < 1 µs

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Folie 9-19

Asynchron-Period

Powerlink – Zeitschlitzverfahren

Zyklus-Periode

Poll Req.1

Tom, du bist dran

Poll Resp.1

Meine Rotationsgeschwindigkeit

beträgt 250 U/min

Poll Req.2

Peter, hast du einenneuen Wert?

Poll Resp.2

Nein

Poll Req.3

Paul, hast du einenneuen Wert?

Poll Resp.3

Meine Temperatur ist 70 0C

Ende des Zyklus

Ok, das war’s

Start-Periode

Start des Zyklus

Alle aufpassen,wir starten nun!

Idle

Invite

Marie, hast du auch noch etwas?

Send

Ja, hier ist mein Update• Poll Request• Poll Response

t

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Folie 9-20

Powerlink – Protokoll-Stack

Auf Applikationsebene werden CAN-Profile benutzt

Cyclic-Datentransfer via neuem Stack

asynchrone Daten via TCP/IP

Ethernet

CSMA/CD

Powerlink

IP

UDPTCP

Azykl. DatenZyklische

Daten

Applikation

Schicht 1

Schicht 2

Schicht 4

Schicht 3

Schicht 5

Schicht 7

Schicht 6

Powerlink

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Folie 9-21

Powerlink – Protokollstack

EthernetCSMA/CD

PowerlinkEthernet

CSMA/CD

IP

TCP UDP

Applikationazykl. Daten

Powerlink Node Powerlink-Bridge TCP/IP-Host

EthernetCSMA/CD

Powerlink

EthernetCSMA/CD

BridgingIP

TCP UDP

Applikationzykl. Daten azykl. Daten

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Folie 9-22

Powerlink – Synchronisierung von Segmenten

(switched) Ethernet

Ctr

Mgr1588

Ctr

Ctr

Mgr1588

Ctr

Ctr

Ctr

Ctr

IEEE 1588 Time Synchron.

Powerlink Manager

Powerlink Controller

Powerlink to Ethernet Bridge

IEEE 1588 Messages

Asynchronic data (IP)

Realtime Data (Powerlink)

Open Ethernet

Powerlink Host

BrdgPLCPLC

Mgr

Ctr

1588

1588

1588

Brdg

1588

Brdg

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Folie 9-23

Powerlink – TCP/IP Connection

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Folie 9-24

PROFINET

Von SIEMENS und Profibus-Nutzergruppe ins Leben gerufen

Zur Integration von Ethernet in Profibus-Netzeund in Interbus (neue Absicht von Phoenix ab 2004)

Kommunikation bzw. Datenaustausch über DCOM (Distributed Component Object Model) / COM. DCOM vereinheitlichen die Kommunikation zwischen mehreren Komponenten

Verteilte Intelligenz, dezentrale Feldgeräte

Echtzeit, Motion Control 2 „Kanäle“ (Zeitbereiche) zur Übertragung von Echtzeit- und Nicht-

Echtzeit-Daten

Priorisierung

Isochronität durch Slots gewährleistet

Safety

Netzmanagement, Web-Management

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Folie 9-25

PROFINET-Entwicklung

2005

Hoch performantmit IsochronemRealtime IRT

Taktsynchronität

Motion Control-Anwendungen

2003 Leistungssteigerung

mitSoft-Realtime SRT

WEB-Integration

Netzmanagement

Dezentrale Feldgeräte

2002

Architektur für Kommunikation und Engineering

Verteilte Intelligenz

Standard TCP/ IP

Integration vonPROFIBUS

PROFINET v1

PROFINET RTv2

PROFINET IRTv3

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Folie 9-26

PROFINET-Entwicklung

Anwendung

2

3

4

7

Ethernet

IP

TCP

IRT (HW)

Standard-Daten

Realtime-Daten

ISRT(HW)

Industrial Ethernet

Spez. HW

Anwendung

2

3

4

7

Ethernet

IP

TCP

Standard-Daten

Realtime-Daten

SRT

Standard-Controller

Stufe 2 (2003)(reine SW-Lösung)

Stufe 3 (2005)(mit HW-Unterstützung)

SW

HW

Industrial Ethernet

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Folie 9-27

(Quelle: Siemens Präsentation)

Zeitschlitzverfahren

Echtzeit Ethernet Lösungen - PROFINET v3 (II)

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Folie 9-28

EtherCAT von Beckhoff

EtherCAT Technology Group ETG legt Technologie offen

www.ethercat.org

Setzt auf UDP auf

Daten werden in Echtzeit ein-/ausgelesen

nur 4 Bits zwischengepuffert

Jitter: < 1 µs

Zykluszeiten: 30 µs

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Folie 9-29

(Quelle: Beckhoff Präsentation)

Hardware basiertes „Low Level“ Verfahren

Echtzeit Ethernet Lösungen – EtherCAT

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Folie 9-30

(Quelle: Beckhoff Präsentation)

Benötigt speziellen ASIC

Echtzeit Ethernet Lösungen – EtherCAT

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Folie 9-31

SERCOS III

Weiterentwicklung des SERCOS-Interface (IEC/EN 61491) auf Ethernet-Basis

Linien- oder Doppelringstruktur ähnlich FDDI

Echtzeit-Kanal parallel zu Standard-IP-Kanal

Zykluszeit veränderbar zwischen 31 µs und 65 ms

Produkte ab Ende 2005

Master

Slave 2Slave 1 Slave 3

Master

Slave 2Slave 1 Slave 3

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Folie 9-32

(Quelle: IGS Präsentation)

Echtzeit Ethernet Lösungen – SERCOS III

Bewährte SERCOS-Mechanismen in Kombination mitweltweit bekannter Ethernet-Physik

Einsatz hardware-basierte Synchronisation und Ring-Topologie Erhöhen der Datenrate von 16 Mbit/s auf 100 Mbit/s Einfügen neuer Funktionen

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Folie 9-33

JetSync von Jetter

Kein IEEE 1588, aber ähnlich

Da Zykluszeit (5 ms) vergleichbar hoch wurde Intelligenz in Antrieb verlagert, damit ausreichend

Jitter < 10 µs

Quelle: Jetter AG

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Folie 9-34

Fieldbus Foundation: HSE und H1

Feldbus H1 mit High Speed Ethernet HSE in Kombination

Foundation Fieldbus FF-H1 eigensicherer Feldbus

Dienste und Objektmodell von Profibus FMS übernommen

Einsatz in Prozessleittechnik

eigensicherer Betrieb mit 4-8 Geräten, nicht eigensicherer Betrieb mit bis zu 32 Geräten möglichin der Praxis wegen Bandbreite meist mit weniger Geräten

Datenrate: 31,25 kbit/s

HSE gleiche Dienste und Objektmodell wie bei H1

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Folie 9-35

Fieldbus Foundation: HSE und H1

Linking-Device zwischen H1 und HSE bindet mehrere H1 an HSE an

Bridge-Funktion zwischen den H1

Gateway-Funktion zwischen H1 und HSE

Zeit-Synchronisation zwischen HSE (SNTP) und H1

Redundanz durch doppelte Ausführung von HSE und der Linking-Devices

Anschluss von Profibus DP und PA per Gateway an HSE

LD

HSE

H1H1H1H1

LDH1H1H1H1

Ctrl.

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Folie 9-36

Wissenskontrolle

Ordnen Sie bitte den Ethernet-Anwendungen die unterstützten Feldbusse (Profile) zu!

EtherCAT ________________________________

EtherNet/IP ________________________________

Modbus/TCP ________________________________

Powerlink ________________________________

PROFInet ________________________________

SERCOS III ________________________________

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Folie 9-37

Ethernet-Variante 2009 (Anteil installierter Geräte)

Ethernet TCP/IPEtherNet/IPPROFInetModbus TCPPowerlinkEtherCATHSEFL-NetSERCOS IIICC-Link IEandere

Installierte Industrial-Ethernet-Varianten (Automation)

Variante Tsd. Geräte Anteil2009 2013 2009

Ethernet TCP/IP 10.366 24.185 53.0 %EtherNet/IP 2.509 5.344 12.8 %PROFINET 2.080 4.993 10.6 %ModbusTCP 1.859 3.563 9.5 %Powerlink 686 1.067 3.5 %EtherCAT 310 1.222 1.6 %HSE 210 417 1.1 %FL-Net 133 195 0.7 %SERCOS III 43 308 0.2 %CC-Link IE 41 330 0.2 %andere 1.332 1.958 6.8 %

Quelle: IMS Research, August 2010

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Folie 9-38

Anhang

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Vergleich

CIPsync ODVA Rockwell 300 µs < 0,5 µs ? Plan EtherCAT ETG Beckhoff 10 µs x ns (?) plan

JetSync Jetter 5 ms (?) < 10 µs ?

Powerlink EPSG B&R, Lenze, x () 200 µs < 1 µs

PROFINET PNO Siemens 250 µs < 1 µs plan

SERCOS III IGS Bosch Rexroth 31 µs < 1 µs(?) ? plan

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Folie 9-40

Liste von URLs

http://ab.rockwellautomation.com/Networks-and-Communications, http://www.rockwellautomation.com/rockwellautomation/catalogs/overview.page

http://new.abb.com/de

http://www.dke.de/dke/img/aktuell/enetip.pdf

http://www.ethernet-ip.de

http://www.ethernet-powerlink.org

http://www.iaona.org

http://www.modbus.org

http://www.odva.org

https://www.phoenixcontact.com/online/portal/de

http://www.profibus.com

http://www.rockwellautomation.de

http://www.schneider-electric.com

http://www.sercos.de

http://www.real-time-ethernet.de

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Folie 9-41

Kontaktadressen

Modbus Organization Inc.PO-Box 628Hopkinton, MA 01748-0628www.modbus.org

Interbus Club Deutschland e.V.Postfach 1108D-32817 BlombergTel.: +49 (0) 5235 / 3-4 21 00Fax: +49 (0) 5235 / 3-4 12 34E-Mail: germany@interbusclub.comWeb: www.interbusclub.com

EPSG

Web: www.ethernet-powerlink.org

PI – PROFIBUS & PROFINET International

Web: www.profibus.com

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Folie 9-42

Glossar

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Folie 9-43

Glossar

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MasterBus 300

Systembus, entwickelt durch ABB

Übertragungsgeschwindigkeit 10 Mbit/s

MasterBus 300 ist redundant aufgebaut

Einige Systeme zeigen Kommunikationsengpässe bei über 10 % Netzlast in der PraxisHilfe: Broadcasts begrenzen, Last überwachen

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DeltaV

Prozessleitsystem entwickelt von Emerson (vormals Fisher-Rosemount)

Ziel: einfache Handhabung

Einfache Systemstruktur durch Ethernet-TCP/IP-Netz

Redundantes Bus-System

Einfache Installation, auch in existierenden Netzen

„Offenes“ System durch zahlreiche standardisierte Kommunikationsschnittstellen

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Vnet/IP

Prozessleitsystem entwickelt von Yokogawa

Legt Gigabit fest wegen geringer Delays

Redundante Linienstrukturen

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ControlNet

Control-Netz für Automation-Anwendungen mit hohem Durchsatz (im Vergleich mit DeviceNet)

Transfers mit 5 Mbit/s I/O-Daten,

SPS Locking-Signale,

Peer-to-Peer-Messages,

Online-Programmierung

Deterministisches Netz mit stabilen reproduzierbaren Übertragungsintervallen ideal für Anwendungen, die eine Vorhersagbarkeit (Kalkulierbarkeit) und Reproduzierbarkeit des Datentransfers brauchen

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Steuerungsdaten über Ethernet

Encapsulation:Informationsinhalt (z.B. Steuerungsdaten) verpackt in einem Ethernet-Paket

Vorteil: schnell

Nachteil: keine Kommunikation auf dem Kommunikationsweg- nur nachdem das Paket ausgepackt wurde

z.B. SteuerdatenHeader Steuerdaten

DATEN FCS MAC-EbenePräambel ZieladresseMAC

QuelladresseMAC

SFDTyp/Länge

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Steuerungsdaten über Ethernet

TranslationInformationsinhalt (z.B. Steuerungsdaten) übersetzt und mit Ethernet versendet

Vorteil: Kommunikation zwischen allen Teilnehmernmöglich

Nachteil: langsam

Echtzeiteigenschaften hinzufügenTCP/IP-Protokollstack wird kompatibel oder nicht kompatibel zum herkömmlichen TCP/IP-Protokollstack (oder auch höhere Schichten) ergänzt bzw. geändert

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IDA – Ansatz

Ziel: einheitliche, offene Schnittstelle (Applikations-Schicht) für die Automatisierung echtzeitfähig

hochgenaue Antriebssynchronisierung über Ethernet

Konfiguration über WEB

Maschienensicherheit und Plug-and-Play

Die komplette Spezifikation und Source Code soll kostenlos von der IDA Homepage geladen werden

IDA nutzt dabei mit der NDDS-Middleware ein Software-produkt, das ähnlich wie Ethernet/IP die Protokolldienste TCP/IP für Parameter- und UDP/IP nach dem Publisher/Subscriber-Prinzip für Prozessdatenkommunikation nutzt.

Integration von Modbus durch das Einpacken in Ethernet

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Folie 9-51

IDA Echtzeit WG definiert ein Echtzeitkommunikations-modell RTPS-Protocol (Real-Time Publish/Subscribe) NDDS-SW-

Produkt von RTI als Middleware

Regeln für: Netzmanagement, -design, network, - realtime service security

IDA – Ansatz

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Folie 9-52

Ethernet

IP

UDP

P/SNDDS 3.0

C/SMessaging

Opt.Stack

BootP

DHCP

BootP+

DHCP HTTPServer

FTPServer

SMTPClient

WebFile

TransMail

IDA Object Model

API

Applications

IDA – Integration von Modbus/TCP

ModbusTCP

TCP