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 Wenn es um
Schnittstellen und Vernetzung geht, hat die Automatisierungswelt ein breites
Angebot: Dezentrale, externe IO Module als Erweiterungsmöglichkeit.
Den
Grundlagentext zu diesem Thema finden Sie
Auf dieser Seite geht es um die Arbeit mit externen IO Modulen a la WAGO, BECKHOFF und Co. Das Ziel: der Anwender möchte beliebige Schnittstellen realisieren - interne Erweiterungen sind nicht möglich. Typische Schnittstellen sind z.B. für: Anschluss von Maschinen oder Motoren, Tür- und Schrankensteuerungen, Datenlogging von analogen Messwerten uvam.
Egal, mit wie vielen
Schnittstellen ein Hersteller sein Industrieterminal HEUTE ausrüstet - im
Laufe einer mehrjährigen Projektlaufzeit wird es oftmals notwendig, diese zu
erweitern oder zu verändern - ohne das Industrieterminal selbst gleich
kostenintensiv austauschen zu müssen. Die Vielfalt der benötigten Schnittstellen ist damit einer der wenigen Parameter, die sich in jeder Applikation stark unterscheiden und deren Bedarf üblicherweise ansteigt. Die Automatisierungstechnik bietet hierfür externe, dezentrale IO Module. Nachstehend finden Sie eine mehr oder weniger kurze Erläuterung über
Hinweis: Dieser Text ist keine Programmiergrundlage und wendet sich daher nicht an den Programmierer oder Entwickler, sondern an diejenigen Personen, die sich zuerst einen Überblick über die Möglichkeiten der Einsatzbereiche von dezentralen IO Modulen verschaffen wollen.
1. Was sind externe / dezentrale IO Module? Externe / dezentrale IO Module bieten die Möglichkeit einer unbegrenzten Anzahl an Schnittstellen in einem Industriesystem (Industrieterminal oder Industrie PC). Die Details: 1) Dezentrale IO Module sind kleine Baugruppen, die über diverse Ein- und Ausgaben verfügen und direkt mit Maschinen, Anlage usw verbunden werden können. 2) Dezentrale IO Module haben i.d.R. kein eigenes Bedienerinterface, also keine Tastatur und kein Display. Sie bieten "lediglich" Schnittstellen. Typische IO Module sind z.B.
3) Dezentrale IO Module
können über verschiedene Bussysteme mit einem Industrieterminal verbunden
werden: Zu a: Die serielle RS485
Leitung wird eigentlich nur noch in älteren Anwendungen eingesetzt.
2. Was sind interne IO Module? Der andere Weg und damit die Alternative zu dezentralen IO Modulen sind Ein- und Ausgänge, die direkt im Industrieterminal integriert sind: Interne IO´s. Interne IO´s werden meistens durch Steckkarten in Standardformaten realisiert. Typische Formate sind z.B. PCI oder PC/104. Nachträgliche Erweiterungen von internen IO´s bedingen einen Eingriff in die Hardware und in vielen Fällen auch eine softwareseitige Installation dieser Karte. Wenn dieser misslingt, kann die Hardware zerstört werden. Mit etwas Pech reicht die interne Stromversorgung im System nicht aus, um neue Karten zu versorgen. Bei PC/104 Systemen verändert sich durch neue IO Karten typischerweise die Bautiefe oder -Höhe. Bei Gehäusesystemen ist evtl. eine Gehäuseänderung notwendig: die neuen Schnittstellen müssen Gehäuseseitig herausgeführt werden. Weitere Informationen finden
Sie auch in unserem Grundlagentext:
3. Externe IO Modulserie 750 von WAGO - www.wago.com Mit den IO Modulen der Serie 750 bietet das Unternehmen WAGO ein interessantes Modulkonzept für dezentrale IO Module in einem feldbusunabhängigen Kommunikationssystem. Webseite der Module z.B. hier: http://www.wago.com/cps/rde/xchg/SID-53EFFEF9-3438C5E2/wago/style.xsl/deu_337.htm Die eigentlichen IO Module
werden dabei zu Knotenpunkten zusammengefasst. Jeder Knotenpunkt besteht
aus: Jeder BUS Connector unterstützt bis zu 32 IO Module. Einige gebräuchliche Beispiele der Serie 750:
4. Montage und Erweiterung der IO Module Die WAGO IO Module sind für die einfache Montage auf einer Hutschiene / DIN RAIL System vorgesehen, die direkt am jeweiligen Steuer- oder Erfassungspunkt montiert wird. Wie ein vorkonfiguriertes Baukastensystem werden sie einfach auf die Hutschiene geklemmt und miteinander verbunden. Die jeweiligen Befestigungsklemmen befinden sich frontseitig am Modul. Das Anschlussverfahren ist einfach und übersichtlich und speziell für Servicetechniker im Industriebereich ausgelegt. Eine zusätzliche Beschrift ist möglich, so dass auch im Servicefall eine problemlose Identifikation gegeben ist. Jeder Knotenpunkt kann beleibig erweitert werden. Je Knotenpunkt sind bis zu 32 einzelne Module möglich. Jeder Knotenpunkt besteht mindestens aus einem Bus Controller und einem Bus End Connector.
5. Ethernet Feldbuscontroller und MODBUS Protokoll Der wohl einfachste und modernste Weg für die Nutzung dezentraler IO Module ist der Anschluß über Ethernet und dem MODBUS TCP Protokoll. Hierfür benötigen Sie lediglich ein Terminal mit Ethernet LAN Anschluss - und ein Betriebssystem, das MODBUS TCP unterstützt. Das MODBUS Protokoll ist dabei lediglich ein "Aufsatz" auf TCP. Für viele Standardbetriebssysteme werden MODBUS Treiber angeboten: Für Windows kann man z.B. ensprechende DLLs von Fremdanbietern beziehen. Für Linux werden MODBUS Treiber oftmals unter der GPL gestellt, sind also frei verfügbar. In der Ethernet MODBUS TCP Verbindung erhält jeder BUS Connector und damit jeder Knotenpunkt eine eindeutige IP Adresse und kann so im Netzwerk direkt adressiert werden. Die Anzahl der IO Module bzw. Knotenpunkte in einem Netzwerk ist damit quasi unbegrenzt. Nun ja - nicht ganz unbegrenzt, sondern wird durch die Anzahl der möglichen IP Adressen in einem Netzwerk bestimmt. Die an einen BUS Controller angeschlossenen IO Module werden durch eine Bitfolge dargestellt. WAGO bietet für die Module umfassende Handbücher (Download im Web), in denen die möglichen Befehle und Bitfolgen erläutert sind.
5.1 Die Programmierung im Linux Industrieterminal Nehmen wir an, Sie haben
folgendes installiert: Einer Ihrer ersten Schritte wird es sein, Ihrem Knotenpunkt eine IP Adresse zuzuweisen. Diese muss sich innerhalb Ihres zulässigen IP Netzwerkbereiches befinden. (Details im WAGO Handbuch). Wenn Sie dieses vollzogen haben, können Sie
auf einem Desktop im Netzwerk einen Browser starten und eine http-Verbindung
zum Knotenpunkt / Ethernet BUS Connector aufbauen. Damit Sie die IO Module anschliessend per Software steuern können, muss die Software im Industrieterminal via Ethernet eine TCP / UDP Verbindung mit der IP Adresse des Knotenpunktes aufbauen und ein MODBUS TCP Datenpaket übertragen. Durch den internen Befehlssatz der IO Module können nun die Ausgänge beliebig geschaltet oder die Eingänge abgefragt werden. Wenn Eingänge Werte zurückliefern sollen, werden diese ebenfalls über das MODBUS TCP Protokoll via LAN zurück an das Industrieterminal übertragen - und können dort via Programm ausgewertet werden.
5.2 Linux Software für WAGO und Ethernet Wie so vieles bei Linux, so können Sie auch MODBUS TCP Treiber für Linux typischerweise im Internet suchen, finden und beziehen. Im gepackten Archiv finden Sie u.a. die
Dateien: Zu diesem Softwarepackage gehören Funktionen wie z.B:
Ausführliche Erläuterungen und Dokumentationen finden Sie jeweils in den Dateien. Die Programmteile wurden der GPL unterstellt - können also frei und beliebig verwendet werden, ohne dass Softwarelizenzen o.ä. anfallen.
5.3. Datensicherheit bei MODBUS TCP Wenn Sie z.B. innerhalb der Produktion Ethernet Module in Ihrem Netzwerk einsetzen, sollten Sie beachten, dass Ihre Produktion damit u.U. im gesamten Netzwerk "sichtbar" ist. Ständige Broadcast Meldungen, die über ein LAN Kabel übertragen werden, führen zu einem hohen Datenaufkommen - und damit eventuell zu hohen Responsezeiten im Automatisierungsteil Ihres Ethernets. Evtl. Fehlbedienungen Ihrer Mitarbeiter oder gar Böswilligkeiten können auch dazu führen, dass jemand versehentlich oder absichtlich Ihre IO Module "durcheinanderbringt". Um die dieses Problem zu lösen, gibt es zwei sinnvolle Lösungsansätze:
Diesen Firewall können Sie so konfigurieren, dass nur bestimmte IP oder MAC Adressen Zugriff auf Ihren Automatisierungsteil erhalten. Das bedeutet, nur ein autorisierter PC Ihres Gesamt-Netzwerks kann mit dem Automatisierungsnetzwerk kommunizieren. Wenn Sie dann noch verhindern möchten, dass dieser PC - z.B. durch einen Virenbefall - ständige Broadcasts an die IO Module absetzt, können Sie im Firewall auch den Portfilter aktivieren und so nur die für MODBUS benötigten Ports freigeben. Und wenn Sie dann noch verhindern möchten, dass evtl. Unbefugte Ihren Netzwerktraffic (mit Sniffern) abhören, können Sie die Daten verschlüsseln oder über ein VPN (Virtual Private Network) übertragen. Alle diese Möglichkeiten - und natürlich noch viel mehr - bieten Security Server, die besonders dann eine elementare Einrichtung darstellen, wenn Sie ein Automatisierungsnetzwerk (mit Terminals, IO Modulen usw) zusammen mit Ihrem Firmennetzwerk betreiben.
6. CAN Feldbuscontroller Ähnlich wie beim LAN Feldbuscontroller können die Module auch über CAN Anschluss mit einem Industriecomputer verbunden werden. Als Bus Connector muss dann natürlich ein CAN Bus Connector anstelle eins TCP / MODBUS Bus Connector verwendet werden. Zusätzlich ist etwas Programmierung notwendig, die meistens auf einem vorhandenen CAN Treiber für Linux aufsetzt. Der CAN Treiber bildet die Verbindungsschicht zwischen der CAN Hardware und der Software. Typischerweiseweise liefern Hersteller in ihren Starter Kits Beispiele, wie man mit Hilfe der CAN Schnittstelle beliebige CAN Devices verwendet. Konkret geht es darum, wie z.B.
Für die CAN Lösung gilt: der Programmieraufwand ist typisch etwas höher als bei der LAN Lösung. Dafür gibt es jedoch keine Bedenken hinsichtlich der Antwortzeiten und Datensicherheit. Oder anders formuliert: wer die Ethernet Schnittstelle im Industriecomputer nicht anders verwenden will, der kann die IO Module bedenkenlos mit Ethernet LAN nutzen. Das ist am einfachsten. Für alle anderen empfehlen wir die IO Module mit CAN Anschluss.
Text: Hans-J. Walter |
(c) hjw AE, Alle Angaben ohne Gewähr
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