I. Einleitung Ein volldigitales, feldbusbasiertes Steuerungssystem ersetzt bestehende analoge Signalleitungen durch ein leistungsstarkes Feldbusnetzwerk. Dadurch werden Kosten und Aufwand für die Feldsignalverkabelung deutlich reduziert und die Signalübertragungseffizienz verbessert. Im Wesentlichen ist ein Feldbus-Steuerungssystem eine Plattform, die Systemprogrammierung, Konfiguration, Wartung und Überwachung integriert. Feldbusbasierte intelligente E/A-Komponenten oder intelligente Sensoren und Messgeräte bilden die Steuereinheit, während ein Computer als Überwachungs- und Kommandozentrale fungiert. II. Leistungsmerkmale intelligenter Sensoren Herkömmliche Sensoren können lediglich als Messelemente fungieren und benötigen Messwandler, um Änderungen physikalischer oder chemischer Größen zu erfassen. Mit der Entwicklung der Mikroelektronik sind intelligente Messgeräte entstanden. Diese nutzen hochintegrierte Schaltungen und eingebettete Software zur Koordination interner Abläufe. Neben der nichtlinearen Kompensation, der Nullpunktkorrektur, der Temperaturkompensation und der Fehlerdiagnose von Eingangssignalen können sie auch industrielle Prozesse steuern und so die Funktionen des Steuerungssystems weiter dezentralisieren. Intelligente Sensoren integrieren alle Funktionen von Sensoren und Messgeräten sowie einige Steuerungsfunktionen. Sie zeichnen sich durch hohe Linearität und geringe Temperaturdrift aus, reduzieren die Systemkomplexität und vereinfachen die Systemstruktur. Die Merkmale sind wie folgt: 1. Künstliche Intelligenz, kombiniert mit Hardware und Software, ermöglicht Lernfunktionen und bildet die Rolle des Instruments im Steuerungssystem besser ab. Es kann je nach Messanforderungen geeignete Lösungen auswählen, Informationen umfassend verarbeiten und den Systemzustand vorhersagen. 2. Multisensitivität integriert zuvor verteilte und unabhängige Einzelsensoren zu einem Multisensitivitätssensor, der mehrere physikalische und chemische Größen gleichzeitig messen und so die Gesamtinformation der Messgröße umfassend abbilden kann. 3. Hohe Genauigkeit und großer Messbereich: Es kann den Einfluss von Änderungen der Messgröße auf die Eigenschaften des Sensorelements jederzeit erkennen und verschiedene Berechnungen durchführen, was zu genaueren Ausgangssignalen führt. Sein Bereichsverhältnis kann 100:1 und bis zu 400:1 erreichen, sodass ein einzelner intelligenter Sensor einen großen Messbereich abdecken kann und sich besonders für Steuerungsanwendungen eignet, die ein großes Bereichsverhältnis erfordern. 4. Kommunikationsfunktion: Es kann eine standardisierte Busschnittstelle für den Informationsaustausch verwenden, was eines der Hauptmerkmale intelligenter Sensoren ist. Die Entwicklung intelligenter Sensoren transformiert die komplexe Signalverarbeitung von zentralisiert zu dezentralisiert. Dies gewährleistet die Qualität der Datenverarbeitung, verbessert die Störfestigkeit und senkt gleichzeitig die Systemkosten. Sensoren haben sich dadurch von Geräten mit einfacher Funktion und einfacher Detektion zu multifunktionalen Geräten mit mehreren Variablen weiterentwickelt, von der passiven Signalumwandlung zur aktiven Steuerung und Informationsverarbeitung sowie von isolierten Komponenten zu systematisierten und vernetzten Geräten. III. Feldbusarchitektur und -eigenschaften : Gemäß der IEC/ISA-Definition ist ein Feldbus ein digitales, bidirektionales, mehrzweigiges Kommunikationsnetzwerk, das intelligente Feldgeräte und Automatisierungssysteme verbindet. Es dient als Verbindungsnetzwerk für die untersten Feldgeräte und Feldinstrumente in der Prozessautomatisierung und integriert Feldkommunikationsnetze und Steuerungssysteme. Der Feldbus überträgt die Konzepte der Netzwerkkommunikation und des Netzwerkmanagements auf den Steuerungsbereich und stellt eine zukünftige Richtung für die Entwicklung von Automatisierungsarchitekturen dar. Der Feldbus ist ein Architektursystem, das auf dem ISO-OSI-Modell basiert und den praktischen Anforderungen angepasst ist. Er umfasst im Allgemeinen eine physikalische Schicht, eine Sicherungsschicht, eine Anwendungsschicht und eine Benutzerschicht. Die physikalische Schicht ist mit der Sicherungsschicht und dem Übertragungsmedium verbunden. Die physikalische Schicht spezifiziert das Übertragungsmedium (Twisted-Pair, drahtlos oder Glasfaser), die Übertragungsrate, die Übertragungsdistanz, den Signaltyp usw. Während der Übertragung codiert und moduliert die physikalische Schicht den Datenstrom der Sicherungsschicht. Beim Empfang demoduliert und decodiert sie die empfangenen Daten mithilfe geeigneter Steuerinformationen des Mediums und sendet sie an die Sicherungsschicht. Die Sicherungsschicht ist für die Ausführung der Buskommunikationsregeln sowie für Fehlererkennung, Arbitrierung, Scheduling usw. zuständig. Die Anwendungsschicht bietet eine einfache Schnittstelle für Endbenutzeranwendungen und definiert, wie Nachrichten oder Befehle gelesen, geschrieben, interpretiert und ausgeführt werden. Die Benutzerschicht ist im Wesentlichen Anwendungssoftware für Daten- oder Informationsabfragen. Sie spezifiziert Standardfunktionsbausteine, Objektverzeichnisse und Gerätebeschreibungen und bietet Benutzern eine intuitive und einfache Benutzeroberfläche. Neben Vorteilen wie der Eins-zu-N-Struktur, Austauschbarkeit, Interoperabilität, verteilten Steuerungsfunktionen, vernetzten Systemen und einfacher Wartung weist der Feldbus folgende Merkmale auf: 1. Einfache Netzwerkarchitektur: Sein Strukturmodell umfasst in der Regel nur vier Schichten. Diese vereinfachte Architektur bietet Vorteile wie flexibles Design, intuitive Bedienung, geringe Kosten und hohe Leistungsfähigkeit bei gleichzeitig hoher Kommunikationsgeschwindigkeit. 2. Integrierte Automatisierungsfunktionen: Feldintelligente Geräte werden als Netzwerkknoten behandelt. Informationsübertragung und Kommunikation zwischen den Knoten sowie zwischen Knoten und Managementebene erfolgen über den Feldbus, wodurch die Implementierung verschiedener komplexer integrierter Automatisierungsfunktionen erleichtert wird. 3. Hohe Fehlertoleranz: Der Feldbus verbessert die Fehlertoleranz des Systems signifikant durch Fehlererkennungsmethoden wie Fehlererkennung, Selbstverifizierung, überwachtes Timing und geschirmte Logik. 4. Verbesserte Störfestigkeit und Mess-/Regelgenauigkeit: Feldintelligente Geräte können Signale lokal verarbeiten und Informationen über digitale Kommunikation mit dem Hauptsteuerungssystem austauschen. Dies bietet nicht nur eine hohe Störfestigkeit, sondern verbessert auch Genauigkeit und Zuverlässigkeit erheblich. Diese Eigenschaften des Feldbusses gewährleisten seine vollständige Anpassungsfähigkeit an die aktuellen industriellen Anforderungen an digitale Kommunikation und traditionelle Steuerung und ermöglichen die Implementierung komplexer, fortschrittlicher und optimierter Steuerungsfunktionen auf verschiedenen Ebenen. IV. Feldbus-Steuerungssystem (FCS): Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung komplexer Prozessindustrien steigen die Anforderungen an die Erfassung, Übertragung und Datenkonvertierung großer Mengen von Feldsignalen sowie an Genauigkeit, Zuverlässigkeit und integrierte Steuerung. Herkömmliche Prozessleitsysteme (DCS) genügen diesen Anforderungen nicht mehr; zudem weisen sie Nachteile wie unvollständige dezentrale Steuerung, relativ konzentrierte Fehler, mangelnde Systemoffenheit und hohe Kosten auf. Durch die Integration digitaler Kommunikations-, Sensor- und Mikroprozessortechnologie wurde das traditionelle Hybridsystem aus digitalen und analogen Signalen in ein vollständig digitales Signalsystem transformiert. So entstand die neue Generation von Steuerungssystemen: FCS. 1. Intelligente Sensoren und Feldbus sind zwei wichtige Komponenten von FCS. FCS nutzt den Feldbus, um eine hochzuverlässige Datenkommunikationsverbindung im Steuerungsfeld herzustellen. Dies ermöglicht die Datenkommunikation zwischen intelligenten Sensoren sowie zwischen intelligenten Sensoren und der Hauptsteuereinheit und macht einzelne, verteilte intelligente Sensoren zu Netzwerkknoten. Die Datenverarbeitung in intelligenten Sensoren trägt zur Entlastung der Hauptleitstelle bei, ermöglicht die lokale Verarbeitung umfangreicher Informationen, reduziert den Informationsaustausch zwischen Feldgeräten und Hauptleitstelle und senkt die Anforderungen an die Netzwerkdatenkommunikationskapazität. Die von den intelligenten Sensoren vorverarbeiteten Daten werden über den Feldbus auf dem Host für weiterführende Verarbeitungsschritte (hauptsächlich Systemkonfiguration, Optimierung, Management, Diagnose, Fehlertoleranz usw.) gesammelt. Dadurch kann das System das geregelte Objekt zunächst flächen- und punktweise analysieren und beurteilen, was die Zuverlässigkeit und Toleranz des Systems verbessert. Auf diese Weise verbindet das FCS verschiedene intelligente Sensoren zu einem Netzwerk- und Steuerungssystem, das miteinander kommunizieren und gemeinsam Steuerungsaufgaben ausführen kann. Dies spiegelt die Funktion „zentralisierte Information, dezentrale Steuerung“ des DCS besser wider und verbessert die Genauigkeit, Echtzeitfähigkeit und Signalübertragungsgeschwindigkeit. Basierend auf Feldbustechnologie mit einem Mikroprozessor als Kern und digitaler Kommunikation als Übertragungsmethode benötigen intelligente Feldbussensoren im Vergleich zu herkömmlichen intelligenten Sensoren folgende Funktionen: Sie nutzen einen gemeinsamen Bus für die Informationsübertragung und verfügen über vielfältige Berechnungs-, Datenverarbeitungs- und Steuerungsfunktionen, wodurch die Belastung des Host-Computers reduziert wird. Die analoge 4-20-mA-Signalübertragung wird durch die Digitalisierung der übertragenen Signale ersetzt, was die Störfestigkeit erhöht. Durch die Verwendung eines einheitlichen Netzwerkprotokolls fungieren sie als Knoten im FCS und ermöglichen den Informationsaustausch zwischen Sensoren und Aktoren. Das System kann Verifizierung, Konfiguration und Tests durchführen und so die Systemzuverlässigkeit verbessern. Standardisierte Schnittstellen ermöglichen die einfache Integration per Plug-and-Play. Intelligente Feldbussensoren sind die wichtigsten Instrumente für zukünftige industrielle Prozessleitsysteme. Zusammen mit dem Feldbus bilden sie zwei wichtige Bestandteile des FCS und revolutionieren die Strukturen und Methoden traditioneller Steuerungssysteme. Die Entwicklung internationaler Feldbusstandards verläuft jedoch schleppend, und das Fehlen einheitlicher Feldbusstandards beeinträchtigt die Anwendung intelligenter Feldbussensoren. Weltweit gibt es mehrere gängige Feldbussysteme mit jeweils eigenen Vorteilen und Charakteristika, was die Vereinheitlichung zu einem einheitlichen Feldbusstandard aus verschiedenen Gründen erschwert. Erstens spielen technische Gründe eine Rolle. Jedes bestehende Feldbussystem verfügt über eigene Protokollspezifikationen und Industriestandards, was die Vereinheitlichung zu einer komplexen technischen Herausforderung macht. Zweitens sind kommerzielle Interessen relevant. Jedes Feldbussystem ist eng mit dem jeweiligen Entwicklungsunternehmen verbunden, und jedes Unternehmen, das einen größeren Marktanteil anstrebt, möchte, dass seine Technologie in den internationalen Feldbusstandard aufgenommen wird. Drittens gibt es organisatorische Gründe. Die Feldbusstandardisierung erfordert eine einheitliche internationale Organisation. Seit vielen Jahren benötigen Anwender dringend einen einheitlichen internationalen Standard für Feldbusse, um Interoperabilität und Austauschbarkeit von Feldgeräten zu gewährleisten. In diesem Kontext entstand Foundation Fieldbus (FF). Die Mission von FF ist die Entwicklung eines einheitlichen Feldbusstandards und die Förderung seiner Anwendung. Aktuell gehören FF 95 % der weltweiten Hersteller von Mess- und Regelungstechnik an und hat den Low-Speed-Standard H1 (31,25 kbit/s) entwickelt; der High-Speed-Standard H2 befindet sich in der Entwicklung. Die Finalisierung eines einheitlichen Feldbusstandards wird die Anwendung von Feldbus-Steuerungssystemen (FCS) zweifellos fördern und bedeutende Veränderungen für die Steuerungsstrategien der Anwender sowie die Systementwicklung mit sich bringen. 2. Der Einfluss von FCS auf DCS: Traditionelle DCS-Systeme bestehen aus verschiedenen Arbeitsstationen, die über ein lokales Netzwerk (LAN) verbunden sind. Bediener- und Informationsmanagementstationen übernehmen die Systemkonfiguration, Überwachung und Betriebsführung, während Feldleitstationen Informationen zum Produktionsprozess erfassen und steuern. Die Hauptprobleme von DCS sind mangelnde Offenheit, unzureichende Dezentralisierung und der Bedarf an umfangreicher Signalübertragung per Kabel. FCS überwindet die Nachteile geschlossener Systeme, deren Kommunikation auf dedizierten Netzwerken basiert. Es transformiert geschlossene, dedizierte Lösungen in offene, universelle und standardisierte Lösungen und wandelt die verteilte Systemstruktur in eine neue, vollständig verteilte Struktur um. Es dezentralisiert grundlegende und unabhängige Funktionsblöcke von den DCS-Leitstationen vollständig auf intelligente Feldinstrumente, wodurch virtuelle Leitstationen entstehen und die Essenz der DCS-Prinzipien besser umgesetzt wird. Die Entwicklung der industriellen Prozesssteuerung lässt sich grob in mehrere Phasen unterteilen: pneumatische Instrumentensteuerung, elektrische Instrumentensteuerung, computergestützte Steuerung und DCS. Die Steuerung elektrischer Instrumente, vorwiegend mit Zählern des Typs II, ist im Wesentlichen eine einfache Regelung mit geschlossenem Regelkreis. Ihre größte Stärke liegt in der vollständigen Verteilung der Risiken auf die einzelnen Regelkreise, während ihre größte Schwäche in der Schwierigkeit besteht, eine komplexe, fortschrittliche und optimierte Regelung zu realisieren. Daher entstand in den 1960er Jahren die zentrale Computersteuerung, die eine solche Steuerung ermöglichte. Diese zentrale Steuerung konnte jedoch die dem Typ-III-System inhärente vollständige Gefahrenstreuung nicht übernehmen. Infolgedessen wurde in den 1970er Jahren das DCS-System entwickelt, das die Vorteile der beiden vorherigen Systeme vereinte: die Realisierung einer komplexen Regelung und die Verteilung der Risiken auf die Regler. Dennoch konnte es weder die Risiken vollständig streuen noch vollständige Systemtransparenz gewährleisten. In den 1980er Jahren wurde das FCS-System vorgeschlagen – ein System, das alle Funktionen des DCS übernehmen, vollständige Systemtransparenz bieten und eine vollständige Gefahrenstreuung über alle Regelkreise hinweg erreichen sollte (ähnlich dem Typ-III-System). Da das FCS dem DCS deutlich überlegene Eigenschaften aufweist, ist es dazu bestimmt, das DCS zu ersetzen. Aktuell ist in den meisten Prozessindustrien meines Landes das Prozessleitsystem (DCS) das gängigste Steuerungssystem, und elektrische Messgeräte des Typs III dominieren. Aufgrund unterschiedlicher Auffassungen und der Tatsache, dass Feldbus-basierte intelligente Messgeräte noch nicht weit verbreitet sind, ist eine breite Einführung von Prozessleitsystemen (FCS) derzeit nicht möglich. Aus Sicht der Ressourcennutzung ist ein kurzfristiges Verschwinden oder ein vollständiger Ersatz von DCS-Systemen nicht sinnvoll. Der Fokus sollte auf dem bestehenden DCS liegen, wobei das Potenzial der vorhandenen Ausrüstung voll ausgeschöpft werden muss (z. B. durch die Installation von Gateways zwischen DCS und FCS zur Datenübertragung), um Investitionen effizient zu tätigen. Darüber hinaus ist das DCS ein sich ständig weiterentwickelndes Steuerungssystem, das zwangsläufig die Integration von Feldbustechnologie benötigt, um sich zu verbessern und die Verbindung mit Feldbus-basierten intelligenten Sensoren (intelligenten Messgeräten) und lokalen FCS zu ermöglichen. All diese Faktoren tragen derzeit zur Koexistenz von FCS und DCS bei. Es wird geschätzt, dass es etwa 10 Jahre dauern wird, bis FCS sich endgültig durchsetzt. V. Feldbus-Unternehmensnetzwerke: Feldbus, als zukünftige Richtung der Steuerungssystementwicklung, ermöglicht dank seiner Offenheit und Vernetzung die Integration mit dem Internet. Unternehmensintranets (Verbindungsnetzwerke) sind ein Ergebnis dieser Kombination. Als Anwendung von Internettechnologie in Unternehmen bietet das Intranet eine umfassende technische Lösung für internes Management und Informationsaustausch und wird so zu einer zentralen Schnittstelle für die Vernetzung verschiedener Abteilungen. Mit der zunehmenden Integration von Intranets in Unternehmen wird die Zukunft des Unternehmensinformationsmanagements in einem verteilten Managementmodell auf Basis von Feldbus-Steuerungsnetzwerken liegen. Parallel zum Aufkommen von Intranets entstanden Extranets (externe Unternehmensnetzwerke), die den Informationsaustausch zwischen Unternehmen ermöglichen. Dies erweitert den Anwendungsbereich der Netzwerktechnologie erheblich: von der Steuerung einzelner Produktionsverfahren hin zur Vereinheitlichung aller Produktionsprozesse im gesamten Unternehmen und darüber hinaus zum Austausch unternehmensrelevanter externer Informationen. Da Intranets Internettechnologie nutzen, bieten sie hohe Offenheit und unterstützen zahlreiche Netzwerkprotokolle und -standards, was eine nahtlose Integration in die bestehende Netzwerkumgebung des Unternehmens ermöglicht. Verteilte Netzwerksteuerungssysteme, die Feldbustechnologie und Intranets kombinieren, verbinden hochgradig verteilte intelligente Sensoren, Transmitter, Aktoren und andere intelligente Instrumente im industriellen Feld über ein Feldbusnetzwerk mit der Steuereinheit oder Managementzentrale und bilden so ein lokales Netzwerk (LAN). Dieses verteilte LAN-System spart Übertragungsleitungen, verbessert die Skalierbarkeit des Gesamtsystems, bietet größere Übertragungsdistanzen und eine höhere Störfestigkeit und ermöglicht einen vollständig verteilten, masterlosen Betrieb ohne Host-Computer. Es bietet damit eine innovative Lösung für die industrielle Steuerung und die Entscheidungsfindung im Unternehmensmanagement. Gleichzeitig hat die Kombination von Feldbus- und Intranettechnologie die Entwicklung der Steuerungstechnik maßgeblich vorangetrieben und das Informationszeitalter beschleunigt. Die Nutzung von Feldbus-Unternehmensnetzwerken bietet zahlreiche Vorteile für das Unternehmensmanagement und die Steuerung: Erstens wird durch das Unternehmensnetzwerk der Informationsaustausch innerhalb des Unternehmens sowie zwischen dem Unternehmen und externen Stellen gestärkt, wodurch die Ressourcennutzung verbessert wird. Zweitens spart die Veröffentlichung relevanter Unternehmensinformationen im Intranet, wodurch Papierdokumente durch elektronische Dokumente ersetzt werden, Personalressourcen und steigert die Arbeitseffizienz. Drittens nutzt das Intranet Internettechnologie, wodurch Entwicklungswerkzeuge leicht zugänglich werden, Softwareentwicklungszyklen verkürzt und die direkte Nutzung hervorragender Intranet-Software ermöglicht wird, was Entwicklungskosten spart. Schließlich erleichtert die Verwendung von Feldbus-Unternehmensnetzwerken die Integration von Entscheidungsfindung und Steuerung im industriellen Prozessmanagement – ​​CIPS (Computer Integrated Process System). VI. Fazit: Der Schlüssel zu FCS liegt in der Feldbustechnologie und intelligenten Feldbussensoren (intelligenten Feldbusinstrumenten). Mit der Transformation elektrischer Instrumente zu intelligenten Instrumenten konnte der Feldbusbegriff entwickelt werden; mit der Reife der digitalen Kommunikationstechnologie konnte sich der Feldbus etablieren und FCS somit von DCS unterscheiden. Man kann sagen, dass FCS die dritte große Revolution in industriellen Prozessleitsystemen darstellt, nämlich die analoge Instrumenten-basierte verteilte Steuerung (repräsentiert durch elektrische Instrumente). Das verteilte Steuerungssystem (DCS) ist ein vollständig offenes, vollständig dezentrales und vollständig zentrales Steuerungssystem (FCS). FCS wurde ab Mitte der 1990er Jahre schrittweise im Ausland eingeführt; in China begannen 1998 einige FCS-Versuche, die jedoch noch unvollkommen und unvollständig waren. Aktuell befinden wir uns in der Implementierungsphase von FCS, was die Entwicklung und den Einsatz von CIPS maßgeblich fördert. FCS ist ein absolut zuverlässiges, vollständig dezentrales und offenes System, das sich durch einfache Installation, Bedienung und Wartung auszeichnet und Investitionen, Personal und Ressourcen spart. Den aktuellen Entwicklungstrends zufolge wird FCS DCS innerhalb der nächsten zehn Jahre ablösen und industrielle Prozessleitsysteme dominieren. Eine der wichtigsten Aufgaben für die industrielle Prozessleittechnik ist die Förderung von FCS und des PF-Protokolls, intelligenter Sensoren (Energiesparinstrumente) auf Basis des PF-Protokolls sowie der Feldbustechnologie. Zudem müssen FCS-Integrationssoftwareplattformen erforscht und entwickelt sowie die Entwicklung und Anwendung von PF-basiertem FCS vorangetrieben werden. Darüber hinaus stellt die Kombination von FCS mit Intranet, der Aufbau eines auf Feldbus basierenden Internetsystems und die Realisierung einer integrierten industriellen Prozessleittechnik (FCS-basiertes CIPS) eine wichtige zukünftige Forschungsrichtung dar.