Zusammenfassung: Vernetzte intelligente Sensortechnologie ist das Ergebnis der Kombination von intelligenter Sensortechnologie und Computernetzwerktechnologie. Dieser Artikel beschreibt den aktuellen Entwicklungsstand intelligenter Sensortechnologie auf Basis von Feldbus und der IEEE-P1451-Standardfamilie und zeigt auf, dass intelligente Sensortechnologie auf Basis der IEEE-P1451-Standardfamilie für intelligente Senderschnittstellen die zukünftige Entwicklungsrichtung für vernetzte intelligente Sensortechnologie darstellt. Schlüsselwörter: vernetzter Sensor; intelligenter Sensor; Feldbus; IEEE P1451. 1. Einleitung: Sensortechnologie, Kommunikationstechnologie und Computertechnologie bilden die drei Grundlagen moderner Informationstechnologie. Sie ermöglichen die Extraktion, Übertragung und Verarbeitung von Informationen über die gemessene Größe und sind somit ein wichtiges Symbol für die Entwicklung moderner Wissenschaft und Technik. Mit dem Fortschritt von Wissenschaft und Technik haben sich Digitalisierung, Intelligenz und Vernetzung zu den Trends unserer Zeit entwickelt: Die Kombination von Computertechnologie und Kommunikationstechnologie hat Computernetzwerktechnologie hervorgebracht; die Kombination von Computertechnologie und Sensortechnologie hat intelligente Sensortechnologie hervorgebracht; die Integration der drei (die Kombination von Computernetzwerktechnologie und intelligenter Sensortechnologie) hat vernetzte intelligente Sensortechnologie hervorgebracht. Vernetzte intelligente Sensortechnologie ist zu einem wichtigen Forschungsthema geworden [1]. Dieser Artikel behandelt lediglich kurz den aktuellen Entwicklungsstand und die Entwicklungstrends vernetzter intelligenter Sensortechnologie. 2. Vernetzte intelligente Sensortechnologie. Vernetzte intelligente Sensoren sind eine neue Art von intelligenten Sensoren, die Sensoreinheiten, Signalverarbeitungseinheiten und Netzwerkschnittstelleneinheiten mit eingebetteten Mikroprozessoren als Kern integrieren. Dies ermöglicht den Sensoren Selbsttest-, Selbstkalibrierungs-, Selbstdiagnose- und Netzwerkkommunikationsfunktionen und somit eine wirklich einheitliche und koordinierte Informationserfassung, -verarbeitung und -übertragung. Das Prinzipblockdiagramm ist in Abbildung 1 dargestellt. Im Vergleich zu anderen Sensortypen weisen vernetzte intelligente Sensoren folgende Merkmale auf: (1) Intelligente Sensorfunktion. Durch die Einführung von eingebetteter Technologie, integrierter Schaltungstechnik und Mikrocontrollern sind Sensoren zu einer Kombination aus Hardware und Software geworden. Einerseits werden Stromverbrauch, Größe, Störfestigkeit und Zuverlässigkeit der Sensoren reduziert; andererseits verfügen die Sensoren über Selbstidentifizierungs- und Selbstkalibrierungsfunktionen. Gleichzeitig wird Softwaretechnologie zur nichtlinearen Kompensation, Nullpunktdrift und Temperaturkompensation eingesetzt; (2) Netzwerkkommunikationsfunktion. Die Anwendung von Netzwerkschnittstellentechnologie ermöglicht die einfache Anbindung von Sensoren an industrielle Steuerungssysteme und vereinfacht so Systemerweiterung und -wartung erheblich. 3. Feldbusbasierte intelligente Sensortechnologie: Die Feldbustechnologie ist eine aufstrebende Steuerungstechnologie, die Computertechnologie, Kommunikationstechnologie, integrierte Schaltungstechnik und intelligente Sensortechnologie integriert. Gemäß der Norm IEC 61158 der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) wird ein Feldbus als „digitaler, serieller Mehrpunkt-Kommunikationsdatenbus zwischen Feldgeräten in Fertigungs- und Prozessbereichen und automatischen Steuergeräten im Kontrollraum“ bezeichnet. Allgemein gilt ein Feldbus als „vollständig digitales, bidirektionales Mehrstations-Kommunikationssystem – ein Industriebus für Computersysteme in der industriellen Steuerung“. Die Feldbustechnologie entstand aus dem Bedarf an intelligenter Instrumentierung und volldigitalen Steuerungssystemen. Ein Feldbus ist ein vollständig digitales, offenes und bidirektionales Kommunikationsnetzwerk, das intelligente Feldgeräte mit dem Kontrollraum verbindet. Mit dem Aufkommen diverser intelligenter Sensoren, Transmitter und Aktoren wird eine neue Architektur für industrielle Steuerungssysteme – das Feldbus-Steuerungssystem (FCS) – das traditionelle verteilte Steuerungssystem (DCS) unweigerlich ablösen. FCS digitalisiert, steuert Funktionen und verwaltet Anlagen im Feld. Ein Feldbus-basierter intelligenter Sensor ist in Abbildung 2 dargestellt. 3.1 Die grundlegende Bedeutung des Feldbusses: Ein Feldbus ist nicht nur ein Kommunikationsprotokoll und auch kein reines Instrument, das analoge Signale (4–20 mA DC) durch digitale Signalübertragung ersetzt. Entscheidend ist die Ablösung des traditionellen verteilten Steuerungssystems DCS durch ein Feldbus-Steuerungssystem der neuen Generation (FCS) und die damit verbundene Integration von Feldkommunikationsnetzwerk und Steuerungssystem. Die grundlegende Bedeutung des Feldbusses spiegelt sich in den folgenden sechs Aspekten wider [2]: 1. Vollständig digitale Kommunikation unterscheidet sich vom halbdigitalen DCS. Ein Feldbussystem ist ein rein digitales System. Es dient als digitales Feldkommunikationsnetzwerk zur Vernetzung von Feldgeräten oder Feldinstrumenten für die Prozess- und Fertigungsautomatisierung. Dabei werden analoge Signale durch digitale Signale ersetzt. Die Übertragungsunempfindlichkeit ist hoch und die Messgenauigkeit entsprechend, was die Systemleistung deutlich verbessert. ⑵ Verbindung von Feldgeräten: Feldgeräte (auch Feldinstrumente genannt) umfassen Sensoren, Transmitter, Aktoren usw. Diese Geräte werden über zwei Übertragungsleitungen miteinander verbunden. Als Übertragungsleitungen können beispielsweise verdrillte Adernpaare, Koaxialkabel oder Glasfasern verwendet werden. ⑶ Interoperabilität: Interoperabilität bedeutet, dass Feldgeräte verschiedener Hersteller nicht nur miteinander kommunizieren, sondern auch einheitlich konfiguriert werden können, um den erforderlichen Regelkreis zu bilden und die Regelungsstrategie gemeinsam umzusetzen. (4) Verteilte Funktionsblöcke (FCS): Der FCS ersetzt die Ein-/Ausgabeeinheiten und Steuerstationen des DCS durch die Verteilung der Funktionsblöcke der DCS-Steuerstation auf die Feldgeräte und ermöglicht so eine umfassende verteilte Steuerung. (5) Stromversorgung über die Kommunikationsleitung: Das gängige Übertragungsmedium für Feldbusse ist verdrilltes Adernpaar. Die Stromversorgung über die Kommunikationsleitung ermöglicht es den Feldgeräten, direkt über diese Leitung mit Strom versorgt zu werden. (6) Offenes Verbindungsnetzwerk: Feldbusse sind offene Verbindungsnetzwerke, die Verbindungen mit ähnlichen und unterschiedlichen Netzwerken sowie den gemeinsamen Zugriff auf Netzwerkdatenbanken ermöglichen. 3.2 Schwächen von Feldbussen: Seit ihrer Einführung in den 1980er Jahren hat die Feldbustechnologie große Beachtung gefunden und gilt als Revolution im Bereich der Automatisierung. Seit den 1990er Jahren sind Feldbus-Steuerungssysteme zu einem Forschungsschwerpunkt geworden, und es sind zahlreiche Feldbusprodukte auf den Markt gekommen. Mit dem praktischen Einsatz von Feldbus-Steuerungssystemen in Produktionsstätten steht die intelligente Sensorik auf Feldbusbasis jedoch vor einigen Herausforderungen. Zum einen hat die Entwicklung internationaler Feldbusstandards aufgrund technischer und kommerzieller Interessen zur Koexistenz mehrerer Standards geführt. IEC 61158 spezifiziert acht Feldbusstandards, darunter FF und Profibus. Zusammen mit den drei von IEC TC17 verabschiedeten internationalen Feldbusstandards (IEC 62026) existieren derzeit zwölf internationale Feldbusstandards. Da diese Standards völlig unterschiedliche Kommunikationsprotokolle verwenden, entstehen Kompatibilitäts- und Austauschbarkeitsprobleme für intelligente Sensoren, was die Anwendung busbasierter intelligenter Sensoren beeinträchtigt. Darüber hinaus weisen Feldbussysteme Engpässe auf. Dazu gehören: unvorhersehbare Folgen nach einer Trennung des Feldbusses; übermäßig komplexe Systemkonfigurationsparameter mit erheblichen Auswirkungen auf die Systemleistung; und begrenzte Kommunikationskapazität in Feldbussystemen, die zu Informationsstaus führt, insbesondere angesichts des großen Datenvolumens, das für den Produktionsbetrieb erforderlich ist. 4. Intelligente Sensortechnologie basierend auf der IEEE P1451-Schnittstellenstandardfamilie: Die IEEE P1451-Standardfamilie wurde entwickelt, um die bestehenden Inkonsistenzen in den Feldbusstandards zu beheben, die jeweils eigene, inkompatible Kommunikationsprotokolle verwenden und sich negativ auf Anwendung, Erweiterung und Wartung intelligenter Sensortechnologie auswirken. Ziel ist es, verschiedene Netzwerksteuerungssysteme, die aus Sensoren/Aktoren bestehen, durch die Definition eines vollständigen Satzes universeller Kommunikationsschnittstellen erheblich zu vereinfachen, das Kompatibilitätsproblem zwischen verschiedenen Netzwerken zu lösen und letztendlich die Austauschbarkeit und Interoperabilität zwischen Produkten verschiedener Hersteller zu erreichen. 4.1 Einführung in die IEEE P1451 Smart Transmitter Interface-Standardfamilie Die IEEE P1451-Standardfamilie definiert die Hardware- und Softwareschnittstellen von Sendern (Sensoren oder Aktoren). Alle Standards dieser Gruppe unterstützen das Konzept des Electronic Data Sheet (TEDS), wodurch Sender Selbstidentifizierung und Plug-and-Play-Funktionen erhalten. Im Folgenden wird die IEEE P1451-Standardfamilie kurz vorgestellt. ⑴ IEEE P1451.0[3] Der IEEE P1451.0-Standard definiert gemeinsame Funktionen, Kommunikationsprotokolle und TEDS-Formate für Wandler. Die IEEE P1451-Standardfamilie besteht aus mehreren Standards. Obwohl diese gemeinsame Merkmale aufweisen, fehlen gemeinsame Funktionen, Kommunikationsprotokolle und Einstellungen für das elektronische Datenblatt (TEDS). Dies beeinträchtigt die Interoperabilität der Standards und behindert deren breite Anwendung. Der IEEE P1451.0-Standard wurde entwickelt, um dieses Problem zu lösen. Durch die Definition einer physikalischen Schicht, die unabhängig von der NCAP-Schnittstelle zum Sendermodul ist und grundlegende Befehlseinstellungen sowie Kommunikationsprotokolle umfasst, bietet sie einen gemeinsamen und einfachen Standard für verschiedene physikalische Schnittstellen und verbessert so die Interoperabilität zwischen diesen Standards. ⑵ IEEE Std 1451.1[4] Der IEEE-Standard Std 1451.1, das Informationsmodell für den netzwerkfähigen Anwendungsprozessor (NCAP) für intelligente Messwandler, wurde im Juli 1999 vom IEEE verabschiedet. Der Standard verwendet einen objektorientierten Ansatz zur präzisen Definition eines allgemeinen intelligenten Sensorinformationsmodells, das verschiedene Anwendungen vernetzter Sender abdeckt. Es verwendet eine standardisierte Programmierschnittstelle (API) zur Abbildung des Modells auf das Netzwerkprotokoll und nutzt verschiedene Funktionsmodule, wie z. B. eine Hardwareabstraktion für I/O-Treiber, um unterschiedliche Sender zu unterstützen (siehe Abbildung 3). ⑶ IEEE Std 1451.2[5] Der IEEE-Standard Std 1451.2, der die Kommunikationsprotokolle zwischen Wandler und Mikroprozessor sowie das elektronische Datenblattformat (TEDS) für Wandler beschreibt, wurde im September 1997 vom IEEE verabschiedet. Der Standard definiert das elektronische Datenblattformat TEDS und eine 10-zeilige digitale Schnittstelle TII (Transducer Independent Interface) sowie das Kommunikationsprotokoll zwischen Sender und Mikroprozessor (siehe Abbildung 4). Dadurch wird dem intelligenten Sensor-/Aktormodul Plug-and-Play-Funktionalität verliehen. Das Mess- und Steuerungsnetzwerk kann den Sensor-/Aktorkanal über TEDS überwachen und konfigurieren. (4) IEEE Std 1451.3 Der Standard IEEE Std 1451.3, „Digital Communication and Transducer Electronic Data Sheet (TEDS) Formats for Distributed Multidrop Systems“, wurde im Oktober 2003 vom IEEE verabschiedet. Dieser Standard nutzt Spread-Spectrum-Technologie, um die synchrone Datenerfassung, Kommunikation und Stromversorgung elektronischer Geräte zu ermöglichen, die über ein einziges Signalkabel an den Senderbus angeschlossen sind. Die Schnittstelle des verteilten Multidrop-Senders gemäß IEEE 1451.3 ist in Abbildung 5 dargestellt. (5) IEEE P1451.4 Der Standardvorschlag IEEE P1451.4, „Mixed-mode Communication Protocols and Transducer Electronic Data Sheet (TEDS) Formats“, beschreibt die Standards IEEE 1451.1, IEEE 1451.2 und IEEE 1451.3, die sich primär an digital auslesbare Sensoren und Aktoren mit Netzwerkverarbeitungsfunktionen richten. Der Standard IEEE P1451.4 konzentriert sich hingegen auf die Entwicklung eines hybriden intelligenten Senderkommunikationsprotokolls, das auf bestehenden analogen Senderverbindungsmethoden basiert. Die Hybrid-Schnittstelle unterstützt sowohl das digitale Lesen und Schreiben von TEDS (Transmitter Electronic Data Sheet) als auch die analoge Messung von Feldinstrumenten. Gleichzeitig nutzt sie kompakte TEDS für den einfachen und kostengünstigen Anschluss analoger Sensoren. Die intelligente Senderschnittstelle gemäß IEEE P1451.4 im Hybrid-Modus ist in Abbildung 6 dargestellt. (6) IEEE P1451.5 Der IEEE P1451.5-Standardvorschlag, der die Formate für drahtlose Kommunikation und Transducer Electronic Data Sheets (TEDS) beschreibt, wurde im Juni 2001 veröffentlicht. Er zielt darauf ab, innerhalb des bestehenden IEEE P1451-Rahmens eine offene Standardschnittstelle für drahtlose Sensoren zu entwickeln, um den Anforderungen verschiedener Anwendungsbereiche wie der industriellen Automatisierung gerecht zu werden. 4.2 Architektur der IEEE P1451 Smart Transmitter Interface-Standardfamilie Der IEEE P1451-Standard lässt sich in zwei Hauptteile unterteilen: softwareorientierte und hardwareorientierte Schnittstellen. Der Abschnitt zur Softwareschnittstelle verwendet ein objektorientiertes Modell, um das Verhalten vernetzter intelligenter Sender zu beschreiben und definiert eine Reihe von Softwareschnittstellenspezifikationen, die eine reibungslose Anbindung intelligenter Sender an verschiedene Mess- und Steuerungsnetzwerke ermöglichen. Gleichzeitig verbessert es die Interoperabilität innerhalb der IEEE-P1451-Normenfamilie durch die Definition einer gemeinsamen Funktion, eines gemeinsamen Kommunikationsprotokolls und eines gemeinsamen Datenblattformats. Der Software-Schnittstellenbereich umfasst hauptsächlich IEEE 1451.1 und IEEE P1451.0. Der Hardware-Schnittstellenbereich umfasst IEEE 1451.2, IEEE 1451.3, IEEE P1451.4 und IEEE P1451.5, die primär für spezifische Anwendungen intelligenter Sensoren entwickelt wurden. Abbildung 7 veranschaulicht die Gesamtstruktur der IEEE-P1451-Normenfamilie und die Beziehungen zwischen ihren Mitgliedern. Es ist zu beachten, dass die 1451.X-Standards zwar zusammenarbeiten, aber auch unabhängig voneinander funktionieren können. 1451.1 kann ohne eine 1451.X-Hardware-Schnittstelle verwendet werden, und die 1451.X-Hardware-Schnittstelle kann auch ohne eine 1451.X-Software-Schnittstelle funktionieren, jedoch muss ihre Software entsprechende Funktionen wie die Netzwerkübertragung von Sensordaten oder -informationen bereitstellen. 5. Fazit: Die Forschung im Bereich vernetzter intelligenter Sensortechnik befindet sich noch in einem frühen Stadium. Die Entwicklung und der Aufbau intelligenter Sensorschnittstellen für industrielle Steuerungssysteme werden daher in naher Zukunft eine zentrale Aufgabe internationaler Normungsorganisationen darstellen. Mit der Etablierung und Weiterentwicklung der IEEE-P1451-Normenfamilie für intelligente Senderschnittstellen repräsentiert die darauf basierende vernetzte intelligente Sensortechnik zweifellos die zukünftige Entwicklungsrichtung von Mess- und Steuerungssystemen und wird unweigerlich immer breitere Anwendung finden.