Zusammenfassung: Die Feldbustechnologie entstand Mitte der 1980er Jahre mit der Entwicklung von Elektronik, Messtechnik, Computertechnologie und Netzwerktechnologie. Ihre besonderen Merkmale und Vorteile führten schnell zu ihrer Verbreitung in verschiedenen Bereichen. Führende internationale Hersteller von Steuerungstechnik entwickelten ebenfalls unterschiedliche Feldbusse, doch die Etablierung eines einheitlichen Standards gestaltete sich schwierig… Schlüsselwörter: Feldbus, Anwendung in Wärmekraftwerken, Aktueller Stand, Zukunftsperspektiven 0 Einleitung: Die Feldbustechnologie entstand Mitte der 1980er Jahre mit der Entwicklung von Elektronik, Messtechnik, Computertechnologie und Netzwerktechnologie. Ihre besonderen Merkmale und Vorteile führten schnell zu ihrer Verbreitung in verschiedenen Bereichen. Führende internationale Hersteller von Steuerungstechnik entwickelten ebenfalls unterschiedliche Feldbusse, doch die Etablierung eines einheitlichen Standards gestaltete sich schwierig, was ihre breite Anwendung teilweise behinderte. Darüber hinaus sind die Veränderungen, die die Feldbustechnologie im Bereich der industriellen Steuerung mit sich bringt, tiefgreifend, da sie nicht nur Geräte, Systeme oder Technologien verändern, sondern auch die Arbeitsweisen und die benötigten Werkzeuge. Obwohl die Feldbustechnologie seit über zwanzig Jahren existiert, stehen ihr Anwendungsbereich und ihre Anwendungstiefe in keinem Verhältnis zu ihren Vorteilen. Angesichts des rasanten Wachstums der Marktnachfrage und der zunehmenden Verbreitung von Feldbusprodukten, darunter auch intelligente Messgeräte, wird die Feldbustechnologie in der industriellen Steuerungstechnik eine immer wichtigere Rolle spielen. 1. Aktueller Stand der Feldbusanwendung in Wärmekraftwerken 1.1 Standardisierungsprobleme von Feldbussen Die IEC begann bereits 1984 mit der Entwicklung internationaler Feldbusstandards. Über ein Jahrzehnt lang lieferten sich jedoch mehrere große internationale Unternehmen, getrieben von ihren eigenen Interessen, einen erbitterten Kampf um den internationalen Feldbusstandard, der schließlich in einem Kompromiss mündete. Ende 1999 existierten bis zu zwölf internationale Feldbusstandards, darunter: FF, ControlNet, ProfiBus, P-Net, SwiftNet, Word FIP, Interbus, AS-i, DeviceNet, SDS, Seriplex und CAN. Hinzu kamen drei europäische Standards, verschiedene nationale Standards und Standards großer Konzerne (wie beispielsweise CC-Link von Mitsubishi). Eine Vielzahl von Standards bedeutet, dass es keinen einheitlichen Standard gibt. In dieser Situation sind Gerätehersteller verunsichert, und Systemintegratoren, Planungsbüros und Anwender stehen vor einem Rätsel, was die Verbreitung und Anwendung von Feldbussen erheblich behindert. 1.2 Anwendung von Feldbussen in chinesischen Wärmekraftwerken Derzeit kann kein Hersteller von Feldbus-Ausrüstung alle für die Ausstattung eines kompletten Wärmekraftwerks benötigten Feldbusprodukte anbieten. FF, mit einem relativ breiten Produktsortiment, warb 2002 mit dem Slogan „Freie Wahl, Integration vorantreiben“. Dennoch fehlten dem Unternehmen viele für Wärmekraftwerke essentielle Produkte, wie z. B. Prüfgeräte und Schwingungsmessgeräte für Dampfturbinen sowie Messgeräte für Silikat und Phosphat zur Kesselwasseranalyse. Daher war es FF nicht möglich, ein vollständiges Feldbus-Steuerungssystem (FCS) für Wärmekraftwerke zu entwickeln, das alle Feldbus-Anforderungen erfüllte. Einige wenige petrochemische und chemische Anlagen in China setzten FCS als Demonstrationsprojekte im kleinen Maßstab ein. Obwohl auch einige Wärmekraftwerke das Potenzial für FCS hatten, gestaltete sich die Implementierung schwierig. Erstens unterscheidet sich die Kraftwerksplanung grundlegend von der von DCS und SPS. DCS und SPS basieren auf E/A und Prozessoren, während FCS auf intelligenten Feldinstrumenten und -geräten aufbaut. Die Steuerungsaufgaben von DCS und SPS werden vollständig vom Prozessor übernommen, während die Steuerungsaufgaben von FCS primär von Feldinstrumenten und -geräten ausgeführt werden. Daher waren erhebliche Änderungen an den Konstruktionskonzepten und -methoden erforderlich, was für Kraftwerksplanungsbüros, die sich strikt an die Konstruktionsvorgaben hielten, eine große Herausforderung darstellte. Zweitens hat der Einsatz von FCS erhebliche Auswirkungen auf Produktion und Management. Wie FCS genutzt werden kann, um Produktion und Management von Wärmekraftwerken auf ein neues Niveau zu heben, ist an sich schon eine anspruchsvolle Frage. Daher ist die Einführung von FCS in Wärmekraftwerke (auch als Teil davon) ohne angemessene Vorbereitung schwierig – von der Planung über die Produktion bis hin zum Management. Obwohl ein komplettes Feldbus-Steuerungssystem derzeit schwer in Wärmekraftwerken zu implementieren ist, finden Feldbusprodukte mit dieser Technologie zunehmend Anwendung. Denn diese Feldbusprodukte erfüllen mit ihren Vorteilen die hohen Effizienz- und Zuverlässigkeitsanforderungen von Wärmekraftwerken. Der Einsatz von Feldbusprodukten in Wärmekraftwerken erfolgt integriert und umfasst die Einbindung in Prozessleitsysteme (DCS), speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) und Informationsnetzwerke. DCS ist in den Steuerungssystemen der Hauptanlagen von Wärmekraftwerken weit verbreitet, und Feldbusanwendungen basieren auf DCS. Dies erweitert die Funktionalität von DCS und fördert die Entwicklung von Feldbus und Feldleitsystemen (FCS). Es gibt zwei Möglichkeiten zur Integration von Feldbus und DCS: die Integration des Feldbusses mit den E/A-Bussen des DCS und die Integration des Feldbusses mit den DCS-Netzwerken. Bei der ersten Methode kommunizieren Feldgeräte über einen Feldbus mit einer Feldbusschnittstelle, die wiederum über einen E/A-Bus mit dem DCS-Prozessor kommuniziert. Bei der zweiten Methode kommunizieren Feldgeräte über einen Feldbus mit einem Feldbusserver, der direkt mit dem DCS-Netzwerk verbunden ist. SPS werden in den Steuerungssystemen der Hilfsanlagen von Wärmekraftwerken häufig eingesetzt, und auch die Anwendung von Feldbussen basiert auf SPS. Feldbusse wie ControlNet und Profibus werden von führenden SPS-Herstellern unterstützt und in SPS-Systeme integriert. Sie werden so zu Bestandteilen oder Erweiterungen des SPS-Systems. ControlNet wurde beispielsweise im Oktober 1995 von Rockwell Automation vorgestellt. Es handelt sich um ein schnelles, hochdeterministisches und wiederholbares Netzwerk, das sich besonders für die Informationsübertragung in komplexen Anwendungen mit strengen Zeitanforderungen eignet. Das ControlLogix-System, eines der am weitesten verbreiteten SPS-Systeme in Wärmekraftwerken, nutzt ControlNet zum Aufbau eines verteilten E/A-Netzwerks. Als Erweiterung von SPS-Systemen dient ControlNet auch als Anlagensteuerungsnetzwerk zur Anbindung der Hilfssysteme des gesamten Wärmekraftwerks, darunter Asche- und Schlackenentsorgung, Kohleförderung und Wasseraufbereitung. ControlNet ermöglicht die zentrale Überwachung und den Datenaustausch aller Hilfssysteme im Kraftwerk. Die Netzwerkeigenschaften von Feldbussen ermöglichen eine nahtlose Integration in Informationsnetzwerke. Industrial Ethernet ist ein typisches Beispiel. Obwohl Industrial Ethernet nicht zu den zwölf internationalen Feldbusstandards zählt, hat es sich aufgrund seiner rasanten Entwicklung zu einem De-facto-Industriestandard etabliert. Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Ethernet-Übertragungsgeschwindigkeit und dem Aufkommen von Vollduplex-Ethernet konnte das Problem der Nichtdeterministik von Ethernet gelöst werden. Heutzutage nutzen nahezu alle Informationsnetzwerke auf Anlagenebene in Wärmekraftwerken Ethernet, und Industrial Ethernet ermöglicht die Integration von Feldbus und Informationsnetzwerken. In Wärmekraftwerken sind Messgeräte wie Druckmessumformer in der Regel intelligent und unterstützen das HART-Kommunikationsprotokoll. Diese Messgeräte bilden jedoch kein HART-Kommunikationsnetzwerk; die HART-Kommunikation wird lediglich zur Konfiguration der Messgeräte über mobile Endgeräte verwendet. Dies zeigt, dass Wärmekraftwerke bereits einige Voraussetzungen für den Einsatz der Feldbustechnologie im Bereich intelligenter Messtechnik geschaffen haben. Gleichzeitig verdeutlicht es aber auch, dass die Anwendung von Feldbus in Wärmekraftwerken auf gewisse Hindernisse stößt, die primär nicht im Investitionsbereich liegen. 2. Anwendungsperspektiven von Feldbussen in Wärmekraftwerken. Die Hauptgründe für die eingeschränkte Verbreitung von Feldbussen in Wärmekraftwerken sind: ① Der großflächige Einsatz von Feldbussen birgt aufgrund fehlender Standards gewisse Risiken; ② Die Auswahl an Feldbusprodukten ist für die Bedürfnisse von Wärmekraftwerken zu gering; ③ Feldbusse haben noch keine echte Interoperabilität erreicht; ④ Es mangelt an groß angelegten Demonstrationsprojekten; ⑤ Es mangelt an Forschung zu den Auswirkungen von Feldbussen auf die Planung, Installation, Inbetriebnahme, Produktion und das Management von Wärmekraftwerken; ⑥ Im heimischen Kontext, in dem Hardware gegenüber Software und Ausrüstung gegenüber Dienstleistungen priorisiert wird, lässt sich der Vorteil von Feldbussen hinsichtlich der Investitionskosten nur schwer nachweisen; ⑦ Ohne Demonstrationsprojekte sind die wirtschaftlichen Vorteile nicht überzeugend. Die Vorteile von Feldbussen in der Netzwerktechnologie und ihre Fähigkeit zur Verbesserung der Systemzuverlässigkeit sind jedoch relativ deutlich. Daher kann der Einsatz von Feldbussen trotz verschiedener Schwierigkeiten schrittweise in Wärmekraftwerken erfolgen, und diese Anwendung wird sich zunehmend verbreiten und vertiefen. Die Hauptgründe sind: ① Einige Anbieter von Feldbuslösungen sind gleichzeitig Hersteller von Prozessleitsystemen (DCS) und speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS). Um die Leistung ihrer DCS- und SPS-Produkte kontinuierlich zu verbessern, nutzen und integrieren sie Feldbusse. Daher werden Feldbusse neben DCS und SPS auch in Wärmekraftwerken eingesetzt. ② Die zunehmende Verbreitung und Anwendung intelligenter Instrumente, die mehrere Feldbusse und nicht nur ein HART-Protokoll unterstützen, hat die Anwendung von Feldbussen in Wärmekraftwerken vorangetrieben. Anfänglich war diese Anwendung klein und lokal begrenzt, getrieben vom Ziel, Steuerkabel zu reduzieren und mehr Instrumenteninformationen zu erhalten. Diese Anwendung von Feldbussen erfolgte in Form der Integration mit dem E/A-Bus von DCS oder SPS. ③ Mit der weitverbreiteten Anwendung von Frequenzumrichtern und intelligenten Schaltern, die mehrere Feldbusse in Wärmekraftwerken unterstützen, werden auch Feldbusse zur Verbindung dieser intelligenten Geräte praktisch eingesetzt. Anfänglich wird auch diese Anwendung klein und lokal begrenzt sein, getrieben vom Ziel, Steuerkabel zu reduzieren und mehr Geräteinformationen zu erhalten. Diese Anwendung von Feldbussen erfolgte in Form der Netzwerkintegration mit DCS oder SPS. Angeregt durch beispielhafte Projekte in der petrochemischen und chemischen Industrie und mit entsprechender Vorbereitung in den Bereichen Planung, Installation, Inbetriebnahme, Produktion und Management, wird die Einführung von FCS in bestimmten Systemen von Wärmekraftwerken unweigerlich Realität werden. Die treibende Kraft hinter diesem Trend liegt primär im Eigeninteresse der Wärmekraftwerke selbst. Ob FCS im gesamten Wärmekraftwerk flächendeckend eingeführt werden kann, hängt von der Weiterentwicklung der Feldbustechnologie, der Produkte und Dienstleistungen ab.