Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt die Eigenschaften von Feldbussystemen, verteilten Steuerungssystemen (DCS) und speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) und erörtert deren Entwicklung. Schlüsselwörter: Feldbus, FCS, DCS, SPS 1. Einleitung In der industriellen Prozesssteuerung hat sich mit dem Feldbus eine neue Steuerungstechnologie etabliert. Es handelt sich um ein bidirektionales, serielles, digitales Mehrknoten-Kommunikationssystem zwischen mikrocomputerbasierten Mess- und Steuergeräten in der Produktion. Gleichzeitig bildet es die Grundlage für ein offenes, digitales Mehrpunkt-Kommunikationsnetzwerk. Die Feldbustechnologie entspricht dem aktuellen Trend der Automatisierungstechnik: „Intelligenz, Digitalisierung, Informatisierung, Vernetzung und Dezentralisierung“. Sie ist ein zentrales Thema in der Entwicklung der Automatisierungstechnik und stellt eine zukünftige Entwicklungsrichtung in der industriellen Steuerung dar. Sie ermöglicht traditionellen Steuerungssystemen einen großen Sprung in Struktur und Leistung und formt so ein neues, netzwerkintegriertes, vollständig verteiltes Steuerungssystem. Das Feldbus-Steuerungssystem (FCS) hat das traditionelle verteilte Steuerungssystem (DCS) beeinflusst. Feldbustechnologie wird zunehmend in verschiedenen Branchen wie Prozessautomatisierung, Fertigungsautomatisierung, intelligenten Gebäuden und Transportwesen eingesetzt. 2. Feldbus 2.1 Hintergrund der Feldbustechnologie Die Feldbustechnologie entstand aus den Anforderungen an die Übertragung, Wartung und Verwaltung von Steuerungsinformationen im Feld und wurde in den 1980er Jahren entwickelt. In den 1960er und 1970er Jahren verwendeten traditionelle Mess- und Steuerungssysteme am unteren Ende des Produktionsprozesses analoge Zweidraht-Spannungs- und Stromsignale zur Messung und Steuerung. Mitte der 1970er Jahre entstanden verteilte Steuerungssysteme (DCS) mit einer dreischichtigen Struktur. Dies führte zu zahlreichen Leitungen, aufwendiger Wartung und Verwaltung sowie dazu, dass die DCS-Systeme verschiedener Hersteller jeweils eigene Standards verwendeten. Dies verhinderte die Vernetzung und behinderte den Informationsaustausch zwischen Geräten sowie zwischen dem System und der Außenwelt, was die Systementwicklung selbst stark einschränkte. Mit der rasanten Entwicklung von Computernetzwerken und Kommunikationstechnologien steigt der Bedarf an Informationen aus dem Feld, und die Kommunikationstechnologie dringt zunehmend in den Feldbereich vor, wodurch der Umfang der Informationskommunikation kontinuierlich erweitert wird. Um die Informationsintegration im Unternehmen zu erreichen und eine umfassende Automatisierung zu implementieren, die die Entwicklung analoger Instrumente hin zu intelligenten Instrumenten, industrieller Steuergeräte von Einzelkomponenten zu gemeinsam genutzten Systemen und Computernetzwerke von TOP/MAP zu Feldnetzwerken vorantreibt, benötigen Endanwender ein Steuerungssystem, das sich an industrielle Umgebungen anpassen lässt, hochzuverlässig, echtzeitfähig, kosteneffizient, einfach strukturiert und wartungsfreundlich ist. Dieses System bildet das zugrundeliegende Netzwerk der Fabrik und ermöglicht die digitale Mehrpunktkommunikation zwischen Feldautomatisierungsgeräten sowie den Informationsaustausch zwischen dem Automatisierungssystem und der Außenwelt. Feldbus entstand aus diesem praktischen Bedarf heraus. Es handelt sich um eine umfassende Technologie, die automatische Steuerung, Automatisierungsinstrumentierung, Computer, Kommunikation und Mikroelektronik vereint und ein Ergebnis der aktuellen technologischen Entwicklung ist. Feldbus integriert dedizierte Mikroprozessoren in herkömmliche Mess- und Steuergeräte, wodurch jedes Gerät bestimmte Steuerungs-, digitale Berechnungs- und Kommunikationsfunktionen unabhängig ausführen kann. Dies verbessert die Genauigkeit und Geschwindigkeit von Signalmessung, Steuerung und Übertragung und erweitert gleichzeitig den Informationsgehalt. Feldbussysteme können verschiedene Übertragungsmedien wie herkömmliche Kabel, verdrillte Adernpaare, Glasfasern, Infrarotstrahlung und sogar Stromleitungen nutzen, um mehrere Mess- und Steuergeräte sowie Computer als Knoten in einem Netzwerk zu verbinden. In einer Feldbusumgebung erfolgen Datenübertragung und Informationsaustausch über Feldbus-Netzwerksegmente und andere Netzwerksegmente mit Kommunikationsverbindungen. Dies ermöglicht die Fernsteuerung von verschiedenen Standorten aus. Im Vergleich zu herkömmlichen Automatisierungsanlagen erweitern Feldbusgeräte den Informationsgehalt und liefern Informationen, die mit herkömmlichen Instrumenten nicht verfügbar sind, wie z. B. Öffnungs- und Schließfrequenzen von Ventilen und Fehlerdiagnosen. Dadurch erhalten Bediener und Manager ein besseres und umfassenderes Verständnis der Produktionsanlage und des Betriebszustands der Automatisierungsanlagen. 2.2 Technische Merkmale von Feldbussystemen 2.2.1 Offenheit, Interoperabilität und Austauschbarkeit Durch die Einhaltung offener und einheitlicher technischer Standards erreichen Feldbusgeräte Interoperabilität und Austauschbarkeit. Dies bedeutet, dass Anwender Produkte verschiedener Hersteller und Marken mit gleichen Funktionen, die denselben Standards entsprechen, in dasselbe System integrieren und so ein Feldbus-Steuerungssystem (FCS) bilden können. Zudem können Produkte mit gleichen Funktionen ausgetauscht werden, wodurch Anwender die Möglichkeit haben, Automatisierungsanlagen eigenständig auszuwählen und zu integrieren. 2.2.2 Digitale Kommunikation: Feldgeräte verfügen über digitale Kommunikationsfähigkeiten. Die Verwendung digitaler statt analoger Signale bietet eine höhere Störfestigkeit und Messgenauigkeit, wodurch die Systemleistung deutlich verbessert wird. 2.2.3 Intelligenz und funktionale Autonomie: Intelligente Feldgeräte können verschiedene erweiterte Funktionen ausführen, wie z. B. einfache Steuerung, Detektion, Transformation, Diagnose und Berechnung. Informationen können lokal und zeitnah verarbeitet werden, wodurch der Bedarf an übermäßiger Netzwerkübertragung minimiert, die Übertragungsgeschwindigkeit erhöht und die Reaktionszeit der Steuerung verkürzt wird. 2.2.4 Hohe Dezentralisierung: Intelligente Feldgeräte ermöglichen eine vollständig dezentrale Steuerung. Systemfunktionen sind nicht von Computern oder Steuergeräten im Kontrollraum abhängig, sondern werden vor Ort ausgeführt, was die Systemstruktur vereinfacht und die Zuverlässigkeit erhöht. 2.2.5 Anpassungsfähigkeit: Dies bezieht sich auf die Anpassungsfähigkeit an die Feldumgebung, einschließlich elektromagnetischer, klimatischer und mechanischer Umgebungen. Die meisten Feldbusstrukturen sind linear und verwenden ein Zweidrahtsystem für Stromversorgung und Kommunikation. Dadurch werden Probleme im Zusammenhang mit der Netzwerkstromversorgung und den eigensicheren explosionsgeschützten Eigenschaften einfach gelöst, und es verfügen über eine hohe Störfestigkeit. 3. DCS 3.1 Die Entstehung von DCS Die industrielle Entwicklung der 1970er Jahre führte zu zunehmend komplexen und maßstabsgetreuen Produktionsprozessen. Die ursprünglich in der Produktion eingesetzten zentralisierten Steuerungssysteme wiesen eine geringe Zuverlässigkeit auf und unterbrachen die Produktion bei Störungen. Um die Zuverlässigkeit zu verbessern und den Anforderungen der Produktionsprozesssteuerung gerecht zu werden, begannen die USA, Japan und europäische Länder Anfang der 1970er Jahre mit der Entwicklung von verteilten Steuerungssystemen (DCS). DCS kombiniert Computer-, Kommunikations-, Bildschirm- und Steuerungstechnik. 3.2 Technische Merkmale von DCS Zu den Hauptmerkmalen des Systems gehören: (1) Leistungsstarke Steuerungsfunktionen. Es kann komplexe Steuerungsgesetze wie Kaskaden-, Vorsteuerungs-, Entkopplungs-, adaptive, optimale und nichtlineare Steuerung sowie sequentielle Steuerung realisieren. (2) Hohe Systemzuverlässigkeit. (3) Die Bildschirm-Bedienstation verfügt über eine benutzerfreundliche Mensch-Maschine-Schnittstelle. (4) Hardware und Software basieren auf einem modularen Bausteinaufbau. (5) Das System ist einfach zu entwickeln. (6) Es verwendet Konfigurationssoftware, die einfach zu programmieren und zu bedienen ist. (7) Es bietet ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis. Ein DCS (Distributed Control System) ist ein mikroprozessorgesteuertes System, das eine geografisch und funktional verteilte Steuerung ermöglicht. Es zentralisiert Informationen von verschiedenen verteilten Punkten über Datenkanäle für die zentrale Überwachung und den Betrieb. Es bietet Funktionen wie Unfallanalyse, Leistungsberechnung, Speicherung und Analyse historischer Daten, Berichtserstellung und -druck und ist derzeit im In- und Ausland weit verbreitet. In einem DCS-System werden Messumformer und Aktoren in der Regel durch analoge Instrumente realisiert. Diese bilden zusammen mit dem Überwachungsrechner im Kontrollraum das Steuerungssystem, ein hybrides analog-digitales System, das in der Lage ist, fortschrittliche und komplexe Systeme zu steuern. 4. Eine SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) ist ein automatisches Steuergerät, das in den 1960er Jahren entwickelt wurde. Es handelt sich um einen eingebetteten industriellen Steuerungsrechner, der primär sequentielle Steuerung mit Schleifenregelung als sekundärer Funktion verwendet. Er kann logische Entscheidungen treffen, Zeitmessungen durchführen, zählen, speichern und arithmetische Operationen ausführen. Er kann sowohl Ein/Aus- als auch analoge Steuerungen durchführen und verfügt über Kommunikationsfähigkeiten. Mit der rasanten Entwicklung von Automatisierungstechnik, Computertechnik und Mikroelektronik hat sich auch die SPS-Technologie (Speicherprogrammierbare Steuerung) rasant weiterentwickelt. Einerseits werden weiterhin einfache, kostengünstige und ultrakompakte Produkte entwickelt, andererseits verlagert sich der Fokus auf die Entwicklung großer, multifunktionaler, serienmäßiger, standardisierter und intelligenter Produkte. SPS spielen eine wichtige Rolle bei der Automatisierung einzelner Anlagen, Anlagenverbunde und ganzer Produktionsprozesse. 5. Entwicklung und Anwendung: Mit der zunehmenden Verbreitung von Computernetzwerken, insbesondere des Internets, steigen die Anforderungen an die Steuerung von Produktionsprozessen in Unternehmen. Der Umfang der Informationskommunikation zwischen Unternehmen und der Außenwelt erweitert sich stetig. Dies erfordert die Übermittlung großer Mengen an Felddaten nach außen sowie die Ferndiagnose, -wartung und -instandhaltung der Anlagen, um Informationsaustausch und -integration auf allen Ebenen – von der Feldsteuerung über Überwachung und Management bis hin zur Entscheidungsfindung – zu realisieren. Feldbusse erfüllen diese Anforderungen. Die Vorteile von Feldbussen sind: (1) Einfache Erweiterung der Systemfunktionen und strukturelle Anpassung. (2) Reduzierte Systemkosten. Spart Schaltschränke, reduziert den Bedarf an Kabeln, Kabeltrassen, Steckverbindern usw. erheblich und vereinfacht die Systemstruktur. (3) Hohe Systemzuverlässigkeit. Da die Genauigkeit volldigitaler Signale höher ist als die herkömmlicher analoger Signale, verteilt die hochgradig verteilte Steuerung das Risiko vollständig. (4) Gute Systemwartung. Intelligente Feldgeräte verfügen über eine Selbstdiagnosefunktion, die die vorbeugende Diagnose und Wartung der Geräte ermöglicht. (5) Hohe Eigenverantwortung der Anwender bei der Systemintegration. Die Probleme inkompatibler Protokolle und Schnittstellen, die bei der Integration herkömmlicher Steuerungssysteme auftraten, sind gelöst, und Anwender können Produkte verschiedener Hersteller frei in das System integrieren. (6) Umfassendere Feldinformationen ermöglichen ein tieferes Verständnis des Produktionsprozesses sowie der Geräte- und Instrumenteninformationen. Als offenes Verbindungssystem benötigt der Feldbus zunächst einen einheitlichen technischen Standard. Aus verschiedenen Gründen haben sich in unterschiedlichen Bereichen einflussreiche Feldbussysteme wie Foundation Fieldbus (FF), LonWorks, PROFIBUS, CAN und HART etabliert. Der gesunde Wettbewerb zwischen diesen Systemen fördert die Weiterentwicklung der Feldbustechnologie und senkt gleichzeitig Produktpreise und Investitionskosten für Anwender. Die Entwicklung eines einheitlichen, international anerkannten Standards ist jedoch die Zukunft der Feldbustechnologie und entspricht den Anforderungen der meisten Anwender. Feldbusse sind der Standard in der industriellen Prozessleittechnik. Die Entwicklung und Anwendung von Feldbussystemen revolutioniert die Automatisierung. Sie revolutionieren nicht nur traditionelle Instrumente, sondern stellen auch herkömmliche Prozessleitsysteme (DCS) infrage. Aufgrund von Mängeln früher Computersysteme waren die Produkte verschiedener Hersteller und Entwickler in sich geschlossen, was Austauschbarkeit und Interoperabilität erschwerte. Auch der Informationsaustausch mit externen Systemen war problematisch, was die Datenintegration für Anwender erschwerte. Darüber hinaus ist die Steuerung von DCS nicht vollständig dezentralisiert. Die Steuerungsfunktion wird über verschiedene zentrale Prozessleitsysteme wie SPS realisiert, und ihre Leistungsfähigkeit bleibt in vielerlei Hinsicht hinter der von FCS zurück. Dennoch ist DCS nach wie vor relevant. Die Gründe hierfür sind: (1) Die DCS-Technologie hat sich in den letzten Jahren weiterentwickelt und ist weit verbreitet. DCS hat große Fortschritte in Bezug auf Zuverlässigkeit, Offenheit und Standardisierung erzielt. (2) Die Preise für DCS sind deutlich gesunken. (3) DCS erfüllt die aktuellen Anforderungen an die Produktionssteuerung und ist anwenderfreundlich. (4) FCS befindet sich noch in der Entwicklung und weist in einigen Bereichen Schwächen auf. Beispielsweise führt die lineare Struktur des Feldbusses dazu, dass der Betrieb eines Zweigs lahmgelegt wird, sobald ein Kabel beschädigt ist. Ein weiteres Beispiel ist die zu komplexe Systemkonfiguration, die es erschwert, das System in den optimalen Zustand zu versetzen. (5) Feldbusgeräte sind derzeit noch teurer als konventionelle Geräte. Es ist unrealistisch, dem Trend blind zu folgen und bestehende, gut funktionierende, traditionelle Instrumente auf intelligente Instrumente aufzurüsten oder DCS durch FCS zu ersetzen. Aus den oben genannten Gründen ist DCS nach wie vor das von den meisten Anwendern bevorzugte Steuerungssystem. Als vollständiges Steuerungssystem benötigt auch FCS, ähnlich wie DCS, ein Überwachungs- und Managementsystem. Die Entwicklung von FCS stellt keine absolute Verdrängung von DCS dar. Sie übernimmt die Vorteile von DCS und durchläuft gleichzeitig eine eigene, einzigartige Transformation. Obwohl traditionelle DCS ein geschlossenes, dediziertes Netzwerk ist, wird DC3 gemäß der aktuellen Situation über ein spezielles Gateway oder als spezielles Subnetz im Unternehmensnetzwerk an das Feldbus-Netzwerksegment angebunden, wodurch eine Koexistenz von Feldbus und DCS entsteht. Während dieser Übergangsphase wird traditionelles DCS im Bereich der industriellen Steuerung noch lange eine wichtige Rolle spielen. Darüber hinaus bietet die Integration der Vorteile der FCS-Technologie in DCS vielversprechende Zukunftsperspektiven. In FCS ersetzen intelligente Instrumente traditionelle Instrumente, und die Steuerungsfunktionen werden dezentralisiert. Wird die Rolle der SPS dadurch ersetzt? Die Antwort lautet: Nein. Die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ist ein Steuergerät für industrielle Anlagen. Ihre Merkmale sind: (1) hohe Zuverlässigkeit und Störfestigkeit, wodurch sie sich für raue Industrieumgebungen eignet. (2) modulare und intelligente Ein-/Ausgänge, die eine einfache Kombination und Erweiterung ermöglichen. (3) einfache Bedienung und Programmierung. (4) umfassende Überwachungs- und Diagnosefunktionen. Zu den weiteren Vorteilen der SPS zählen intuitive Bedienbarkeit, Einfachheit, niedriger Preis, einfache Wartung und hohe Zuverlässigkeit. Moderne SPS beschränken sich jedoch nicht mehr nur auf die Steuerung von Schaltgrößen und die PID-Regelung. Dank der zunehmenden Reife von Technologien wie Fuzzy-Logik, neuronalen Netzen und genetischen Algorithmen integriert die SPS diese und weitere fortschrittliche Technologien kontinuierlich. Dadurch werden Steuerungs-, Kommunikations- und andere Funktionen stetig verbessert. Mittlerweile ist die Fuzzy-Logik in SPS integriert und entsprechende Produkte sind auf dem Markt erhältlich, was die Steuerungsfunktionen deutlich erweitert. Darüber hinaus kann die SPS als Knotenpunkt in Brennstoffzellensystemen (FCS) komplexe Steuerungsfunktionen vor Ort übernehmen und wird daher auch mit der Weiterentwicklung von FCS nicht ersetzt werden. Daher wird die SPS sowohl in FC3 als auch in DC3 weiterhin eine wichtige Rolle im System spielen, und ihre Entwicklungsperspektiven werden sich sogar noch erweitern. 6. Fazit: Feldbus stellt ein bahnbrechendes neues Steuerungskonzept dar und läutet eine neue Ära im Bereich der Steuerungstechnik ein. Feldbus ist der Standard in der industriellen Steuerungsentwicklung, DC3 wird noch lange unverzichtbar bleiben, und die SPS wird durch kontinuierliche Weiterentwicklung ihre wichtige Rolle in industriellen Steuerungssystemen weiterhin ausfüllen. Als Endanwender bevorzugen wir Steuerungssysteme, die den aktuellen Technologietrends entsprechen, niedrige Investitions- und Betriebskosten, hohe Zuverlässigkeit, einfache Verwaltung und Wartung, eine einfache Struktur, leichte Erweiterbarkeit und einen hohen Grad an Systemintegrationsautonomie aufweisen.