[Zusammenfassung] Dieser Artikel beschreibt die Systemstruktur, die Systemeigenschaften, den Betriebsmodus und die zugehörige Software des P-NET-Feldbusses und listet dessen Anwendung im Bereich der Leistungsüberwachung auf. Schlüsselwörter: Feldbus; Steuerung; virtuelle Token-Funktion; Leistungsüberwachung 1 Einleitung Die P-NET-Feldbustechnologie wurde von Proces-Data A/S in Dänemark erforscht und entwickelt. Es handelt sich um einen universell einsetzbaren, offenen Standardbus. Er ermöglicht die Verbindung verschiedener Komponenten des Produktionsprozesses, wie z. B. Prozessleittechnik, Sensoren, Aktoren, E/A-Module, speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) usw., über ein einziges zweiadriges Kabel. Im Vergleich zu herkömmlichen Verdrahtungsmethoden bietet die P-NET-Feldbustechnologie große Vorteile in industriellen Steuerungsanwendungen. Sie vereinfacht Design und Installation, reduziert den Verdrahtungsaufwand und die Kosten, beugt Geräteausfällen vor und ermöglicht eine direktere und breitere Nutzung der Funktionen. 2. Das Netzwerk P-NET ist eine mehrschichtige Netzwerkstruktur (siehe Abbildung 1). Abbildung 1: P-NET-Netzwerkstrukturdiagramm. Merkmale: (1) Mehrschichtige Netzwerkstruktur, die die Systemkonfiguration vereinfacht und die Systemsicherheit sowie Redundanz verbessert. (2) Verteilte Steuerung und zentrales Management, entsprechend der modernen Regelungstechnik. (3) Jedes Subsystem arbeitet unabhängig, koordiniert sich aber mit den anderen und teilt Ressourcen. (4) Höhere Datenaktualisierungs- und Übertragungsgeschwindigkeiten verbessern die Echtzeitfähigkeit der Systemsteuerung. (5) Keine Notwendigkeit, hierarchische Beziehungen zwischen verschiedenen Bussegmenten herzustellen, was die Systemerweiterung erleichtert und die Systemoffenheit gewährleistet. 3 Systemstruktur Die Systemstruktur des P-NET-Feldbussystems kann gemäß dem „Open System Wiring Reference Mode“ (siehe Abbildung 2) bestimmt und beschrieben werden. Abbildung 2: P-NET Open System Wiring Reference Mode. Im Allgemeinen benötigt P-NET nur die Schichten 1, 2 und 7. Da P-NET jedoch die Strukturmerkmale mehrerer Netzwerke aufweist, muss das Protokoll auch die Schichten 3 und 4 implementieren. Die erste Schicht dient der Übertragung von Rohdaten über den Bus. Sie kann zur Spezifizierung von Kabeln oder zur Erläuterung der Bedeutung digitaler Signale verwendet werden. Die zweite Schicht implementiert die Multi-Master-Funktionalität, organisiert die Daten, sendet sie an die Quell- oder Zieladresse und führt Fehlerprüfungen durch. Die dritte Schicht fungiert als P-NET-Poststelle und empfängt und sendet Informationen anhand der Quell- und Zieladresse. Eine Nachricht kann von einem P-NET-Standort an einen anderen P-NET-Server oder zurück an das angeforderte Gerät gesendet werden oder eine Fehlermeldung ausgeben, die auf eine undefinierte Adresse hinweist. Schicht 2 muss außerdem einige notwendige Adressen reservieren, um sicherzustellen, dass die zurückgesendeten Informationen nachvollziehbar sind. Schicht 4 erfüllt zwei unterschiedliche Aufgaben. Erstens stellt sie P-NET-Dienste bereit und liest und schreibt Daten gemäß dem Programm aus dem internen Speicher. Zweitens protokolliert sie die Anzahl der Anfragen, die auf Antworten warten. Sobald eine Anfrage beantwortet wurde, wird sie an die Quelladresse zurückgesendet. Schicht 7 ermöglicht Anwendungen den Zugriff auf andere Gerätevariablen. Dies geschieht durch das Senden eines Befehlsblocks mit Referenznachrichten, die detaillierte Informationen wie Geräteadressen enthalten. P-NET verfügt außerdem über Kanalstrukturen, die als achte Schicht des Systems betrachtet werden können. In P-NET können die Erfassung relevanter Variablen und die Verarbeitung einzelner Prozesssignale als ein Prozessobjekt, der sogenannte Kanal, betrachtet werden. 4. Betriebsmodus: Die elektrischen Spezifikationen von P-NET basieren auf dem RS485-Standard und verwenden geschirmte Twisted-Pair-Kabel. Dies ermöglicht den direkten Anschluss von Geräten und Instrumenten mit elektrischer Trennung an der Busschnittstelle. P-NET ist ein äußerst effizientes Busprotokoll. Daten werden als Gleitkommazahlen übertragen. Während der Übertragung beginnen die Hilfsgeräte des Hosts mit der Befehlsverarbeitung, sobald das erste Datenbyte eintrifft. Dies unterscheidet sich von herkömmlichen Methoden, die auf den vollständigen Empfang aller Daten warten, bevor sie mit der Verarbeitung beginnen. Dank dieser Funktion erreicht P-NET Datenübertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 7,68 × 10⁵ Bit/s und verbessert so die Systemeffizienz deutlich. P-NET ist ein Multi-Master-Bus, wobei jedes Bussegment bis zu 32 Master aufnehmen kann. Jeder Master hat die gleiche Priorität und verfügt über zugeordnete Hilfsgeräte (Slaves). Die Methode zum Datenzugriff auf dem P-NET-Bus ist einzigartig und wird als „Virtual-Token-Funktion“ bezeichnet. Vereinfacht gesagt, besitzt jeder P-NET-Master eine Geräteadresse (NA) und einen „Standby-Bus-Binärzykluszähler“, der die Anzahl der Buszyklen im Standby-Modus binär aufzeichnet. Sobald der Bus aktiviert ist, wird der Zähler auf 0 zurückgesetzt. Jeder Master verfügt außerdem über einen Hilfszähler, der um ein Bit erhöht wird, sobald der Standby-Buszykluszähler 40, 50 oder 60 erreicht. Wenn der Wert des Hilfszählers (Token) der Geräteadresse eines Hosts entspricht, erfüllt dieser Host die Token-Anforderung und erhält Zugriff auf den Bus. Sobald der Host keine Zugriffsanforderung mehr hat oder den Zugriff auf den Bus beendet hat, wird der Token automatisch an eine andere Hostadresse weitergeleitet. Die Funktion „Virtuelles Token“ verkürzt die Verarbeitungszeit des Hosts und minimiert die Buskapazitätsauslastung. Dadurch kann P-NET ohne Buskoordination auf den Bus zugreifen und ist somit eine hocheffiziente Zugriffsmethode. Unter den verschiedenen Feldbussystemen ermöglicht nur P-NET die Adressierung zwischen verschiedenen Bussegmenten. Dies ist eines der Merkmale des P-NET-Protokolls. Das heißt, jeder Host an einem Bus kann ohne Einschränkungen und ohne spezielle Programmierung im Host auf Geräte an einem anderen Bussegment zugreifen. Jedes P-NET-Modul, einschließlich des Hosts, kann jederzeit mit dem Bus verbunden oder von ihm getrennt werden. Auch während des laufenden Betriebs können Module jederzeit ausgetauscht oder das System erweitert werden, ohne andere Teile des Bussystems zu beeinträchtigen. Darüber hinaus verfügt P-NET über wichtige Hilfsmodule, die neben Ein-/Ausgabefunktionen für das Gesamtsystem auch zusätzliche Verarbeitungsfunktionen bieten – von einfacher Schaltsteuerung bis hin zu PID-Regelung oder Programmiermethoden. Dadurch können lokale Regelkreise und spezielle Verarbeitungsmethoden realisiert werden. 5. Zugehörige Software 5.1 VIGO Feldbus-Managementsystem VIGO ist ein Feldbus-Managementsystem, das die Verbindungen zwischen den Geräten im System sowie zwischen diesen und dem Bus kontinuierlich überwacht. Es unterstützt Winskey (PC-basiertes Netzwerk) und P-NET Feldbus und ist unter Windows 95 lauffähig. 5.2 PDFLOW Datenbankprogramm PDFLOW dient zum Aufbau der Benutzerdatenbank für das Durchflussmessgerät PD 4000/340 mit Display. Diese Datenbank bietet Platz für 100 Benutzer, und die Informationen können auf das PD 4000/340 heruntergeladen werden. Die PDFLOW-Datenbank basiert auf einer Standarddatenbank im ACCESS 2.0-Format und benötigt das PD3920-Modul sowie die VIGO-Software. 5.3 Druckerschnittstellen-Designprogramm Dieses Programm dient der Gestaltung der Druckerschnittstelle für das Durchflussmesserdisplay PD4000/340. Es kann Schnittstellenleitungen für den PC-Monitor entwerfen und diese anschließend auf den PD4000/340 übertragen. Benutzerdefinierte Schnittstellenleitungen können zur späteren Verwendung auf der PC-Festplatte gespeichert werden. Erforderlich sind das PD3920-Modul und die VIGO-Software. 6. Anwendung: 1998 wurde die P-NET-Feldbustechnologie im Energieüberwachungssystem des Projekts „Elektromechanisches Ingenieurprojekt Ningbo-Taizhou-Wenzhou-Schnellstraße, Daxiling-Huwuling-Tunnel“ eingesetzt, einem vom Elektromechanischen Konstruktionsinstitut der Provinz Zhejiang durchgeführten Projekt, das hervorragende Ergebnisse erzielte. Der Daxiling-Huwuling-Tunnel der Autobahn Ningbo-Taizhou-Wenzhou ist der erste in China eigenständig geplante und gebaute Autobahntunnel und mit einer Gesamtlänge von 4116 m der längste des Landes. Er befindet sich zwischen der Stadt Daxi in Wenling, Taizhou, und der Stadt Huwu in Yueqing, Wenzhou. Aufgrund der komplexen elektromechanischen Anforderungen an die Anlagentechnik in solch großen Autobahntunneln, die die Einhaltung verschiedener Betriebsbedingungen und hoher Konstruktionsstandards erfordern, ist die Stromversorgung des gesamten Tunnels mit einer zweistufigen 10-kV-Hochspannungs-Einspeisung ausgestattet. Das Stromversorgungsnetz besteht aus den Umspannwerken 1 und 2 sowie drei weiteren Umspannwerken am nördlichen, im und südlichen Tunnelende, die alle Anlagen mit Strom versorgen. Für kritische Anlagen werden Online-USV-Anlagen eingesetzt, um den sicheren Betrieb des Gesamtsystems zu gewährleisten. Die Reichweite des gesamten Stromüberwachungssystems beträgt 5 km. Die Struktur des Energieüberwachungssystems ist in Abbildung 3 dargestellt. Abbildung 3: Strukturdiagramm des Energieüberwachungssystems des Daxiling-Huwuling-Tunnels. Ein redundanter Doppelring-P-NET-Feldbus verbindet die Umspannwerke, Hochspannungsverteilerstationen und die zentrale Leitwarte. Die Doppelringstruktur bildet eine hochverfügbare Datenautobahn für das Energieüberwachungssystem des gesamten Tunnels. Selbst bei einem lokalen Leitungsfehler sind die Integrität und Zuverlässigkeit des Gesamtsystems gewährleistet. Das Tunnel-Energieüberwachungssystem erfasst und überwacht alle Leistungsparameter sowie den Status bestimmter Schalter in den verschiedenen Verteilerstationen und Umspannwerken des Tunnels. Als Steuerung dient das PD-Controller-Modul. Die im System verwendeten Module lassen sich in drei Kategorien unterteilen: (1) Hauptmodul PD5015. Es befindet sich in der zentralen Leitwarte und ist die Hauptsteuerung des Überwachungssystems. Alle erfassten Daten werden an dieses Modul gesendet. Das Hauptmodul prüft die erfassten Daten. Bei einer Anomalie, wie z. B. Überstrom oder Überspannung, wird eine Alarmmeldung ausgegeben. Das PD5015 verfügt über ein LCD-Display und eine Touchscreen-Tastatur. Über die Tastatur können Benutzer verschiedene Daten einsehen und Parameter einstellen. Das Hauptmodul kommuniziert mit dem Host-Computer und stellt die benötigten Daten bereit. (2) Leistungserfassungsmodule, darunter PD3260 und PD3221. Jeder Transformator im Verteilerraum Nr. 1 sowie in den Umspannwerken Süd und Nord wird von einem PD3260-Modul erfasst, während die beiden Transformatoren im Umspannwerk Zhongdong jeweils von einem PD3260- bzw. einem PD3221-Modul erfasst werden. Das PD3260-Modul kann die dreiphasige Spannung, den Strom, die Leistung, den Leistungsfaktor und die Frequenz des Systems messen und den Energieverbrauch erfassen. Das Modul verfügt über 8 digitale I/O-Kanäle und einen programmierbaren Zählerkanal zur lokalen Steuerung, der zur automatischen Datenerfassung von Synchron- und Asynchrongeneratoren an der Übertragungsleitung dient. Das PD3221-Modul umfasst 6 digitale Eingangskanäle (davon 4 als digitale Ausgänge nutzbar), 2 analoge Eingangskanäle und 1 analogen Ausgangskanal. Das Modul umfasst außerdem einen PID-Regler, einen internen, benutzerprogrammierbaren Zählerkanal für die lokale Steuerung und einen Impulsprozessor. (3) Fernkommunikationsmodul PD3280. Da die beiden Bussegmente zwischen den Umspannwerken Süd und Mitte sowie zwischen den Umspannwerken Mitte und Nord recht lang sind, ist auf jedem Segment ein Fernkommunikationsmodul PD3280 als Relaismodul konfiguriert, um die Kontinuität und Integrität des Systembusses zu gewährleisten. Das Modul PD3280 verfügt über drei RS484-P-NET-Schnittstellen mit einer Reichweite von jeweils 1200 m, wodurch eine Kommunikation über bis zu 3600 m innerhalb des gesamten Moduls möglich ist. Das Modul PD3280 bietet eine transparente Schnittstelle zwischen den verschiedenen Komponenten des P-NET-Feldbusses. Wichtige Betriebsparameter jedes Umspannwerks im Tunnel können vom Modul vor Ort erfasst, über den Bus an die zentrale Leitwarte übertragen und auf dem Bildschirm der Leistungssimulation angezeigt werden. Das Personal kann den Betriebszustand des Stromversorgungssystems jederzeit überwachen, Probleme frühzeitig erkennen und umgehend beheben, um eine Eskalation zu verhindern. Das Energieüberwachungssystem für das elektromechanische Tunnelprojekt „Yongtaiwen Expressway Daxiling-Huwuling Tunnel“ hat seit seiner Inbetriebnahme eine hohe Effektivität und einen reibungslosen Betrieb bewiesen und damit die hohe Zuverlässigkeit und Integrität der P-NET-Feldbustechnologie unterstrichen. Seine überlegene Leistungsfähigkeit bildet eine solide Grundlage für die Fertigstellung und Optimierung der elektromechanischen Anlagen im Tunnel. 7. Fazit: Das P-NET-Protokoll, eines der drei Gründungsprotokolle internationaler Busprotokolle, spielt dank seiner einzigartigen technologischen Vorteile und seiner überlegenen Produktleistung heute eine entscheidende Rolle in verschiedenen Bereichen der gesellschaftlichen Produktion und Entwicklung. Die erfolgreiche Anwendung dieser Feldbustechnologie im Energieüberwachungssystem des elektromechanischen Tunnelprojekts „Ningbo-Taizhou-Wenzhou Expressway Daxiling-Huwuling Tunnel“ ist hierfür ein Paradebeispiel. Es ist zu erwarten, dass sich die P-NET-Feldbustechnologie im Zuge der zukünftigen gesellschaftlichen Entwicklung weiterentwickeln und noch größere Erfolge erzielen wird.