[Definition] Feldbus bezeichnet einen gemeinsamen Übertragungsweg für Informationen zwischen Computernetzwerken und dedizierten Produktionsprozessnetzwerken oder zwischen industriellen Steuerungsnetzwerken und automatisierten Mess- und Steuerungseinrichtungen am Produktionsstandort. [Verwandte Technologien] Automatisierungstechnik; Messtechnik; Computertechnik; Kommunikationstechnik; Mikroelektronik; Netzwerktechnik [Technische Herausforderungen] Ein vollständig offenes, verteiltes Steuerungssystem auf Basis der Feldbustechnologie ist die Schnittstelle und Integration von Automatisierungstechnik, automatisierter Messtechnik, Industrietechnologie, Computertechnik, Netzwerktechnik und Kommunikationstechnik. Daher sind verstärkte Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen im Bereich der Feldbustechnologie in folgenden Aspekten erforderlich: ☆ Intelligente und automatisierte Instrumente auf Feldbusbasis: Feldinstrumente dienen der Informationserfassung und bilden die Informationsquelle der Industrie. Intelligenz sollte eine Reihe von Funktionen umfassen, darunter Verstehen, Schlussfolgern, Beurteilen und Analysieren, die Anpassung an Änderungen der Messparameter, die Online-Änderung des Messbereichs, die automatische Erkennung des eigenen Betriebszustands und die Informationsübertragung, die Behandlung von Anomalien, die automatische Beurteilung und Sortierung von Indikatoren, die Durchführung logischer Operationen, die quantitative Steuerung und die Programmsteuerung, die Realisierung von Mehrparametermessungen und die digitale Signalverarbeitung usw. ☆ Bei den Software- und Hardware-Steuerungssystemen feldbusbasierter Netzwerkgeräte wurden bedeutende Fortschritte erzielt – von analogen Instrumenten über zentralisierte Überwachungs- und Steuerungssysteme bis hin zu verteilten Steuerungssystemen (DCS). Die Offenheit und die Kommunikationsprobleme dieser Systeme sind jedoch weiterhin ungelöst. Systemoffenheit bedeutet die Integration von Software- und Hardwareprodukten verschiedener Hersteller in ein einziges System. Beispielsweise können LonWorks-Bustechnologieprodukte, sofern sie dem LonMark-Standard entsprechen, Hunderte verschiedener Produkte an ein einziges System anschließen. Daher muss die Entwicklung von Netzwerkgeräten den Feldbusstandards folgen. ☆ Die Konfigurationstechnologie umfasst Netzwerktopologie, Netzwerkgeräte und die Verbindung von Netzwerksegmenten. ☆ Netzwerkmanagement-Technologie umfasst Netzwerkmanagement-Software, Netzwerkdatenverarbeitung und -übertragung. Die Entwicklung von Feldbussen hat ein Netzwerk auf niedriger Ebene geschaffen und gleichzeitig die Möglichkeit der Anbindung an Unternehmen, Intranets und das Internet eröffnet. Daher müssen auch Unternehmen im Netzwerkbereich ihre Reichweite auf diese Ebene ausdehnen. ☆ Integrationstechnologie vollständig offener Steuerungssysteme auf Basis von Feldbustechnologie: Generell entwickeln sich Automatisierungssysteme und -anlagen in Richtung einer Feldbusarchitektur. Die Anwendungsbereiche sind sehr breit gefächert und umfassen nahezu alle kontinuierlichen und diskreten Industriezweige, darunter Energie, Metallurgie, Erdöl, Chemie, Baustoffe, Leichtindustrie, Papierherstellung, Gebäudeautomation und Hausautomation. Die Integration und Anwendung dieser Systeme in diesen Bereichen stellt eine der zu lösenden Herausforderungen dar. [Internationaler Überblick] 1984 schlug Inter Semiconductor in den USA ein computergestütztes verteiltes Steuerungssystem vor – den Bit Bus (BITBUS). Dieser trennte im Wesentlichen die langsamen, prozessorientierten Ein-/Ausgabekanäle vom Hochgeschwindigkeits-Computerbus (MULTIBUS) und schuf damit das ursprüngliche Feldbus-Konzept. Mitte der 1980er-Jahre entwickelte die Rosemount Corporation in den USA das HART-Kommunikationsprotokoll (Addressable Remote Sensor). Es nutzte ein Frequenzsignal, das einem analogen 4-20-mA-Signal überlagert war, und verwendete verdrillte Adernpaare zur digitalen Signalübertragung. Das HART-Protokoll war der Prototyp des Feldbussystems. 1985 wurde WorldFIP auf Initiative großer Unternehmen wie Honeywell und Bailey gegründet, um das FIP-Protokoll zu entwickeln. 1987 wurde ein Sonderausschuss unter der Leitung namhafter Unternehmen wie Siemens, Rosemount und Yokogawa eingerichtet, um das Interoperability System Protocol (ISP) zu entwickeln und das PROFIBUS-Protokoll zu formulieren. Später entwickelte die Instrumentation Society of America (ISA) den Feldbusstandard IEC/ISA SP50. Im Laufe der Zeit entstanden zwei konkurrierende Feldbusgruppen: die ISP-Gruppe unter der Führung von Siemens, Rosemount und Yokogawa sowie die WorldFIP-Gruppe unter der Führung von Unternehmen wie Honeywell und Bailey. 1994 fusionierten die beiden Gruppen zur Fieldbus Foundation (FF). Hinsichtlich der technologischen Entwicklung und Standardisierung von Feldbussen erzielte die Foundation folgenden Konsens: die gemeinsame Entwicklung von Standards gemäß dem IEC/ISA SP50-Protokoll und die Festlegung eines Zeitplans für die Entwicklung der Feldbustechnologie. Wichtige Meilensteine: Aktuell existieren international über 40 Feldbustypen, jedoch deckt kein einzelner Feldbus alle Anwendungsbereiche ab. Basierend auf der Größe der übertragenen Daten lassen sie sich in drei Kategorien einteilen: Sensorbusse (Bitübertragung), Gerätebusse (Byteübertragung) und Feldbusse (Datenstromübertragung). Zu den derzeit am weitesten verbreiteten Feldbussen zählen Foundation Fieldbus (FF), LonWorks, Profibus, WorldFIP und CAN. Internationale Organisationen planten ursprünglich, die Standardisierung von Feldbussen 1998 abzuschließen. Am 30. September 1998 fand jedoch eine Abstimmung über den finalen Entwurf des internationalen Feldbusstandards (FDIS) statt. Mit 68 % Ja- und 32 % Nein-Stimmen wurde die erforderliche 25%-Hürde überschritten. Daher verzögerte sich der internationale Standardisierungsprozess erneut, und es dauerte weitere drei Jahre, bis ein internationaler Standard erreicht werden konnte. Aktueller Stand und Entwicklungstrends: Weltweit existieren derzeit über 40 Feldbussysteme, wobei FF, Profibus, CAN und LonWorks die einflussreichsten sind. Führende Hersteller weltweit konkurrieren intensiv um die Standardisierung der Feldbustechnologie und bilden im Wesentlichen zwei Lager: FF und Profibus, die beide den globalen Markt vereinheitlichen wollen. Aktuell handelt es sich bei Feldbusprodukten hauptsächlich um Low-Speed-Busse, die in Bereichen mit niedrigeren Betriebsgeschwindigkeiten und geringeren Anforderungen an die Netzwerkleistung eingesetzt werden. Aus Anwendungssicht ermöglichen alle Feldbussysteme – ob FF, Profibus oder andere – eine effektive Prozesssteuerung auch bei geringeren Geschwindigkeitsanforderungen. Daher ist es für eine einzelne Technologie schwierig, sich in Steuerungsanwendungen mit niedrigeren Geschwindigkeitsanforderungen auf dem Weltmarkt durchzusetzen. Interoperabilität ist eine Schlüsseltechnologie im Feldbusbereich, und die Vereinheitlichung der Feldbustechnologie ist ein Anliegen aller Anwender. Die zukünftige Entwicklung und Vereinheitlichung der Feldbustechnologie ist für Hersteller und Anwender gleichermaßen von großer Bedeutung. Hochgeschwindigkeits-Feldbusse dienen hauptsächlich der Vernetzung innerhalb von Steuerungsnetzwerken. Sie verbinden hochintelligente und schnell verarbeitende Geräte wie Steuerungsrechner und SPSen sowie Niedriggeschwindigkeits-Feldbusbrücken. Sie sind unerlässlich für die vollständige Realisierung einer dezentralen Steuerungsstruktur. Aktuell besteht in diesem Bereich noch Entwicklungsbedarf. Daher wird die Entwicklung von Hochgeschwindigkeits-Feldbussen ein wettbewerbsintensives Feld und gleichzeitig eine bedeutende Chance zur Vereinheitlichung der Feldbustechnologie darstellen. Die Wahl der richtigen Netzwerktechnologie als Gesamtrahmen für einen Hochgeschwindigkeits-Feldbus ist von entscheidender Bedeutung. Die Entwicklung der Feldbustechnologie sollte sich in zwei Aspekten widerspiegeln: der kontinuierlichen Weiterentwicklung und Verbesserung der Niedriggeschwindigkeits-Feldbustechnologie und der Entwicklung der Hochgeschwindigkeits-Feldbustechnologie. Als Steuerungssystemarchitektur der neuen Generation zeichnet sich die Feldbustechnologie durch folgende technische Merkmale aus: Realisierung einer vollständig dezentralen Systemsteuerung; Systemoffenheit; intelligente und autonome Funktionen der Feldgeräte; Interoperabilität und Kompatibilität; Anpassungsfähigkeit an die Feldumgebung. [Auswirkungen] Die Anwendung von Feldbussen zeichnet sich durch folgende Merkmale aus: Geringe Kosten: Da die Feldbuskommunikation vollständig digital erfolgt und die Steuerungsfunktionen vollständig von den Feldgeräten ausgeführt werden, sind Eingangs-, Ausgangs- und andere Steuerplatinen nicht erforderlich. Darüber hinaus können die Feldgeräte direkt mit der Bedienkonsole verbunden werden, wodurch die bisher übliche Datenverbindung zwischen verschiedenen Steuerplatinen entfällt. Die Redundanz der genannten Komponenten wird im Feldbussystem somit eliminiert. Im Prozessleitsystem (PLS) verbleiben lediglich die Feldgeräte und die Bedienerstationen, die Bedienerstation ist somit kein kritischer Systembestandteil mehr. Feldbusgeräte können diverse Messungen, Steuerungen und Berechnungen durchführen, wodurch die Anzahl der Messumformer reduziert und der Bedarf an Reglern und Rechenelementen eliminiert wird – was Kosten spart. Einfache Konfiguration: Da alle Geräte über Funktionsmodule verfügen, ist die Konfiguration sehr ähnlich oder einfach. Schulungen oder das Erlernen von Programmiersprachen aufgrund unterschiedlicher Automatisierungsanlagen oder Konfigurationsmethoden entfallen. Alle Hersteller verwenden dieselben Feldbus-Funktionsmodule. Diese Module basieren auf benutzerdefinierten Kennungen und Standardparametern. Dadurch können Anwender Geräte anhand dieser Kennungen spezifizieren, ohne Geräteadressen, Speicheradressen oder Bitnummern berücksichtigen zu müssen. Die Konfiguration kann per Computer bearbeitet und anschließend auf die Feldautomatisierungsgeräte übertragen werden. Da Kalibrierung, Bereichseinstellung und Diagnoseverfahren hersteller- und modellübergreifend einheitlich sind, werden Bedienerschulungen und Geräteaktualisierungen vereinfacht. Fieldbus verfügt bereits über eine Vielzahl von Funktionsmodulen, und es kommen ständig neue hinzu. Die digitale Kommunikation ermöglicht es Anwendern, Daten, Konfigurations-, Betriebs- und Diagnoseinformationen für alle Geräte aus der Leitwarte abzurufen. Darüber hinaus bietet die Multivariablen-Natur von Fieldbus ein breiteres Spektrum an Innovationsmöglichkeiten für Instrumente und andere Automatisierungstechnik. Die Selbstdiagnosefunktionen der Feldgeräte ermöglichen eine zeitnahe Fehlermeldung. So kann das Wartungspersonal potenzielle Fehlerquellen präzise lokalisieren und Reparaturen durchführen, bevor es zu Störungen kommt. Hardwarefehler (z. B. an Sensoren, Aktoren und Speichereinheiten) sowie Softwareprobleme (z. B. Konfiguration und Kalibrierung) können umgehend gemeldet werden. Bediener erhalten die benötigten Informationen, ohne Messumformer zum Testen einsenden zu müssen, was Zeit und Kosten erheblich spart. Installation, Betrieb und Wartung werden vereinfacht, da die Feldgeräte parallel geschaltet sind. Dies reduziert den Aufwand für die Überprüfung der Klemmenblöcke erheblich. Die Verkabelung ist unkompliziert, und ein einzelnes Kabel kann typischerweise 20 Geräte verbinden. Feldbusgeräte können Eingangs-, Ausgangs- und Zustandswerte simulieren. So können die Bediener in der Leitwarte das Systemverhalten bei Fehlern und Prozessbedingungen testen. Der Feldbus speichert wichtige Wartungsinformationen, die nicht verloren gehen. Auch in der Automatisierungstechnik werden zahlreiche nützliche Informationen gespeichert, die sowohl von Handterminals als auch von Bedienerstationen abgerufen werden können. Freie Wahl verschiedener Gerätehersteller: Alle Feldbusprodukte verwenden einen einheitlichen Standard, sodass Anwender Geräte verschiedener Hersteller frei wählen können. Konsistente Datenbank: Der Feldbus nutzt ein vollständig verteiltes Datenbankkonzept. Jede Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI), die mit dem Feldbus interagiert, kann relevante Informationen anzeigen. Dadurch werden doppelte oder inkonsistente Datenbanken vermieden. Der Feldbus verwendet nur eine einzige, auf die Feldgeräte verteilte Datenbank. Die HMI bezieht ihre Kalibrierungsdaten aus dieser Datenbank, und auch die Handterminals greifen auf dieselbe Datenbank zu. Die Auswirkungen von Feldbussystemen auf die Volkswirtschaft zeigen sich folgendermaßen: Die Feldbustechnologie stellt eine grundlegende Revolution in der Steuerungstechnik dar und wird die Entwicklung von Automatisierungsinstrumenten und -technologien zukünftig maßgeblich beeinflussen. Die Einführung neuer, volldigitaler Steuerungssysteme wird die Planungs-, Optimierungs- und Entscheidungsfunktionen übergeordneter Systeme optimal nutzen und so den Aufbau computerintegrierter Fertigungssysteme (CIMS) vereinfachen und deren Potenzial besser ausschöpfen. Unternehmen können dadurch umfassende Automatisierungsstrategien implementieren und von einer extensiven zu einer intensiven Entwicklung übergehen. Der Einsatz von Feldbus- und offenen Systemen wird die Investitionen in Automatisierungssysteme deutlich reduzieren; allein die Kosten für Systemverkabelung, Installation und Wartung lassen sich im Vergleich zu bestehenden Systemen um 66 % senken. Darüber hinaus führt dies zu Einsparungen bei der Produktionsfläche, geringeren Investitionen in Kabeltrassen und anderen Bereichen.