Informationstechnologie

Ein Kommunikationsprotokoll ist eine Vereinbarung (oder Übereinkunft o.ä.), nach der ein 
Datenaustausch zwischen zwei intelligenten Geräten (oder Rechnern, IT-Systemen, Computern,…) 
abläuft (vorgenommen wird, …) 

Das Protokoll wird durch abstrakte Regeln festgelegt (theoretisch definiert; beschrieben). 
Die Regeln werden für eine praktische Nutzung umgesetzt in 
1. Software (Computerprogramme) 
2. Hardware (Leitungen, Antennen) 
3. Mechanik (Steckverbinder) 
4. Elektrik (Strom- und Spannungssignalformen, Kontaktbelegungen) 
Kommunikationsprotokolle sind z.B. USB, Ethernet, Wireless LAN, GSM, LTE, Bluetooth, EIA 485 

Bussystem:

• Topologie
  • Eine gemeinsame Übertragungsstrecke =Bus-Topologie
• Adressierung von Sender/ Empfänger
  • Notwendig
• Datenpakete
  • Senderadresse, Empfangsadresse, Nutzdaten
• Knoten
  • Lesen, Pakete nur, wenn sie für sie bestimmt sind.

Datennetzwerk:

• Topologie
  • Unterschiedliche Übertragungsstrecken möglich 
• Adressierung von Sender/ Empfänger
  • Notwendig
• Datenpakete
  • Senderadresse, Empfangsadresse, Nutzdaten
• Knoten
  • Lesen alle Pakete und leiten Fremdpakete weiter 

Ethernet ist ein paketorientiertes Datennetzwerkprotokoll. 
Jedes Endgerät ist über eine weltweit eindeutige 48-Bit-Adresse im Netzwerk ansprechbar. 
Das Datenpaket besteht aus einem Vorspann (Präambel) zur Abstimmung, dem eigentlichen 
Datenrahmen (Frame) mit Zieladresse, Quelladresse, Nutzdaten und sonstigen 
Verwaltungsinformationen. 
Die physikalische Übertragung der Daten erfolgt elektrisch über das Medium Kupferkabel, per 
Funkwellen über das Medium Luft oder über Lichtwellenleiter. 
Der Zugriff auf das Übertragungsmedium erfolgt über CSMA/CD, also mit zweistufiger Prüfung ob (1) 
bereits ein anderer Teilnehmer sendet und (2) es nicht eine Kollision mit dem zeitgleichen 
Sendeversuch eines anderen Gerätes gibt (Kollisionserkennung). 
Kollisionen können komplett vermieden werden, wenn es zwischen Quellgerät und Zielgerät ein 
Übertragungsweg gibt, an dem kein weiteres Gerät angeschlossen ist. Dies lässt sich mit einer 
sternförmigen Topologie erreichen, in dem in der Mitte ein schneller elektronischer Schalter sitzt, der 
für jedes Paket eine solche Verbindung schaltet (Trennung von Kollisionspartnern). Dazu muss der 
Schalter aus jedem ankommenden Paket ohne große Zeitverzögerung die Quell- und Zieladresse 
auslesen.  

(Quelle: VL 4, Seiten 5, 6, 7, 8, 9)

Das Internet-Protokoll sorgt dafür, dass einzelne Datenpakete von einem Rechnernetz zu einem 
anderen Rechnernetz transportiert werden können. Dazu muss das IP Rechnernetze und einzelne 
Rechner in diesen Netzen adressieren können, und zwar für Quelle und Ziel. 
TCP ist das Transmission Control Protocol. Es erledigt den Transport von Daten, in dem es diese in 
IP-Datenpakete verteilt, sicherstellt, dass alle Pakete auch ankommen, und diese im Ziel wieder in 
der richtigen Reihenfolge zusammensetzt. Dazu muss es den Verlust von Paketen beim Transport 
erkennen und die Beschädigung des Nutzdateninhaltes von Paketen erkennen. 

(Quelle: VL 4, Seite 15/16)

Ein DCS ist ein verteiltes Steuer- und Regelsystem. SPS im engeren Sinne sind lokale 
Zentralsteuerungen, nicht jede SPS kann mit anderen SPS auf Befehlsebene zusammenarbeiten und 
nicht jede SPS kann regeln. Die DCS Geräte stammen üblicherweise von einem Hersteller, sind 
aufeinander abgestimmt und können zentral konfiguriert und auch untereinander ausgetauscht 
werden. Die Konfiguration und auch die Programmierung ist Herstellerspezifisch. SPS werden 
dezentral programmiert und die Programmierung ist genormt, die Programme sind im Wesentlichen 
geräteunabhängig.  DCS Systeme können bei Ausfall die Aufgaben von Nachbarsystemen 
übernehmen. 
Hersteller sind z.B. Emerson;Honeywell/USA, Siemens;ABB/Europa, Yokogawa/Japan 

(Quelle: VL 5, Seite 11, 12)

Ein Zyklus durchläuft immer mindestens folgende Schritte: 
1. Einlesen der Daten an den Eingangsbaugruppen und Abspeichern im Prozessabbild der 
Eingänge (PAE) 
2. Ausführen der Programmteile (Tasks), Berechnung von Ausgangswerten mit Schreiben der 
Ausgangswerte in das Prozessabbild der Ausgänge (PAA) 
3. Schreiben des PAA in Ausgangsbaugruppen

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Im ungünstigsten Fall erfolgt die Änderung eines Eingangswertes („Ereignis“) unmittelbar nach dem 
Auslesen der Eingangsbaugruppe. Damit kann die SPS erst im nächsten Zyklus darauf reagieren. 
Die Reaktionszeit auf ein Ereignis ist also im ungünstigsten Fall die Summe aus der doppelten 
maximal zu erwartenden Zykluszeit sowie der Bearbeitungszeit in der Eingangs- und 
Ausgangselektronik.

In modernen Prozessautomationssystemen sind auf allen Ebenen digitale Daten verfügbar, z.B. 
durch Feldgeräte (Sensoren/Aktoren) mit digitaler Schnittstelle, lokale Steuergeräte, Regeleinheiten, 
SPS/DCS-Systemen. In übergeordneten Leitsystemen möchte man direkt auf diese Daten zugreifen. 
Dazu muss jedes Gerät auf der Leitebene die Kommunikationsprotokolle (Feldbusse usf.) sowie 
Datenstrukturen von allen Geräten fehlerfrei beherrschen. OPC stellt ein Zwischensystem (Server) 
bereit, dass zentral alle Protokolle und Datenstrukturen implementiert hat. Diese übersetzt es in ein 
Standardformat, was über Standardprotokolle (u.a. TCP/IP) abgefragt werden kann. Damit müssen 
die Endgeräte (Clients) nur noch OPC sowie dazugehörige industrieübliche Protokolle (TCP/IP) 
beherrschen. OPC ist international genormt und wird durch immer mehr Automationsgerätehersteller 
unterstützt. 

(Quelle: VL 8, Seite 3 und 4)