Li Xiaoguang und Zhu Linlin, Shandong Laiwu Steel Group Co., Ltd. Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt die Hauptprodukte von Feldbussen sowie die Typen und Strukturen ihrer Steuerungssysteme und erörtert das physikalische Medium und das Netzwerkprotokoll für die Netzwerkübertragung im Hinblick auf die Netzwerktopologie. Schlüsselwörter: Feldbus, Netzwerktopologie, Netzwerkprotokoll 1 Einleitung Feldbusse sind erst seit Kurzem im Bereich der Steuerungstechnik etabliert, erfreuen sich aber großer Beliebtheit und wachsen rasant. Die technische Grundlage von Feldbussen bildet ein volldigitales, bidirektionales Mehrstations-Kommunikationssystem – ein Industriebus, der in verschiedenen Bereichen der computergestützten Steuerung eingesetzt wird. Feldbusse verbinden verschiedene Steuerungen und Instrumente im Feld zu einem Feldbus-Steuerungssystem und delegieren dabei die Steuerungsfunktionen vollständig an das Feld, wodurch Installations- und Wartungskosten gesenkt werden. Die Feldbustechnologie ist derzeit ein hart umkämpfter Bereich unter großen internationalen Unternehmen. Dank kontinuierlicher Innovationen in der Feldbustechnologie haben sich Prozessleitsysteme von der vierten Generation der DCS (Direct Control Systems) zur heutigen FCS (Fieldbus Control System) weiterentwickelt, die heute als Prozessleitsystem der fünften Generation gilt. Der wesentliche Unterschied zwischen FCS und DCS liegt in ihrer Feldbustechnologie. Die Feldbustechnologie ersetzt analoge durch digitale Signale. Basierend auf der 3C-Technologie (Computer, Steuerung, Kommunikation) ermöglicht sie die lokale Erfassung, Verarbeitung und Nutzung großer Mengen an Feldmess- und Steuerungsinformationen und verlagert viele Steuerungsfunktionen vom Kontrollraum auf die Feldgeräte. 2. Arten von Feldbus-Steuerungssystemen: Mit der Entwicklung der Netzwerktechnologie und den sich ändernden Marktanforderungen ist die vernetzte Verwaltung und Steuerung von Industrieanlagen zu einem unvermeidlichen Trend geworden. Die Verbesserung industrieller Steuerungssysteme erfordert zudem eine effiziente, zuverlässige und standardisierte Verbindung zwischen verschiedenen Produktionsanlagen. Beispielsweise wird USB zur Verbindung von Peripheriegeräten und dem Steuerhost verwendet, während Ethernet und CAN (Controller Area Network) eine grundlegende Netzwerkarchitektur bilden. Dies hat zahlreiche Fragen hinsichtlich der Feldbusstandards aufgeworfen. 2.1 Zwei gängige Bussysteme: Profibus und DeviceNet: Profibus hat weltweit die meisten Anbieter und war in China das erste System, das den Industriestandard JB/10308.3-2001 erhielt. In China gibt es mehr als zehn Hersteller von Profibus-Produkten sowie Labore, die internationale Zertifizierungen durchführen können. Die oben beschriebene Situation zeigt, dass Profibus in China eine gute Entwicklung durchlaufen hat und derzeit den größten Marktanteil besitzt. Es ist absehbar, dass Profibus den chinesischen Markt in den nächsten Jahren weiterhin dominieren wird. DeviceNet ist die ausgereifteste Feldbustechnologie. Da DeviceNet später als Profibus auf den Markt kam, ist die Anzahl der Anbieter derzeit die zweithöchste unter den verschiedenen Bustechnologien. Dennoch hält DeviceNet in den beiden größten Märkten der Welt, den USA und Japan, einen Marktanteil von über 50 %. Weltweit ist die Anzahl der jährlich neu hinzugefügten Knoten vergleichbar mit der von Profibus. Darüber hinaus erhielt DeviceNet als erstes System in China die nationale Norm GB/T 18858.2-2002. Derzeit gibt es in China etwa sieben bis acht DeviceNet-Entwickler. Da die Preise von RA für DeviceNet-Produkte jedoch deutlich höher sind als die von Siemens für Profibus-Produkte, wird allgemein angenommen, dass DeviceNet keinen Preisvorteil hat. 2.2 Der Einsatz der Lonworks-Gebäudeautomationstechnologie in Gebäudeleittechniksystemen bietet deutliche technologische Vorteile: · Direkte Interkonnektivität. Unterschiedliche Marken und Funktionen von DDCs bilden ein einheitliches Steuerungsnetzwerk für den reibungslosen Zusammenspiel. • Autonome Kommunikation: Mehrere kleine DDCs sind verteilt und arbeiten zusammen. Sie ersetzen vollständig die Funktionen einer einzelnen CPU und mehrerer E/A-Punkte in mittelgroßen und großen DDCs. • Vielfältige Netzwerkstruktur, die sich leicht an unterschiedliche Benutzeranforderungen anpassen lässt. • Hohe Systemreaktionsgeschwindigkeit: Bei sinnvoller Konfiguration der Netzwerkgeräte und Wahl einer geeigneten Netzwerkstruktur weisen LONWORKS-Systeme eine relativ hohe Reaktionsgeschwindigkeit und Datenübertragungsrate auf. Aktuell lassen sich die sogenannten LONWORKS-Systeme anhand ihrer Vernetzung grob in drei Kategorien einteilen: (1) Systeme, die LONWORKS-Geräte verwenden. Diese Systeme nutzen die LONWORKS-Technologie üblicherweise nur auf der physikalischen Schicht des Feldbus-Kommunikationsports, beispielsweise mit FTT-10-Transceivern, TP/XT-10- oder TP/XF-78-Netzwerkschnittstellen. Daher können diese Systeme denselben Bus mit anderen LONWORKS-Systemen nutzen, d. h. DDCs können an einen Bus angeschlossen werden. Diese Systeme nutzen den Master-Slave-Token-Netzwerkmodus zur Realisierung der Systemantwort und verfügen meist nicht über eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsfunktion. (2) Nicht-LONMARK-Produkte mit LONWORKS-Entwicklungssystemen. Diese Systeme nutzen typischerweise die LONWORKS-Entwicklungsplattform vollständig, verwenden jedoch nicht die von der LONMARK Association spezifizierten Netzwerkvariablen zur Definition der Kommunikation zwischen DDCs. Da sie das LONMARK-Protokoll vollständig implementieren, verwenden sie üblicherweise benutzerdefinierte Pakete für die Datenkommunikation. Die Feldbus-Kommunikationseffizienz des Systems ist hoch, die DDC-Funktionalität ist leistungsstark, und nahezu alle technischen Merkmale der LONWORKS-Technologie werden vollständig abgebildet, mit Ausnahme der Interkonnektivität. Aufgrund der fehlenden Standardisierung der Netzwerkübertragungsvariablen ist die Interkonnektivität dieser Systeme jedoch stark eingeschränkt. Netzwerkvariablen, die nicht den LONMARK-Spezifikationen entsprechen, können nur innerhalb des Systems selbst übertragen werden und werden von externen Systemen nicht korrekt empfangen. (3) Produkte, die vollständig der LONMARK-Spezifikation entsprechen. Aufgrund der rasanten Entwicklung der LONWORKS-Netzwerktechnologie und der Vielzahl an Herstellern, die im LONMARK-Bereich Weiterentwicklungen betreiben, ist die vollständige Interkonnektivität selbst bei Produkten, die heute noch nicht der LONMARK-Spezifikation entsprechen, nicht gewährleistet. Die grundlegende Programmiersoftware für LONWORKS-Systeme im Rechenzentrum (Data Center, DDC) umfasst derzeit Visual Control, Lonbuilder, Neuron C und Visio. Aufgrund der Unterschiede in den DDC-Programmierwerkzeugen verschiedener Hersteller variieren auch die Verbindungsdarstellungsdateien der DDCs, was mitunter dazu führt, dass bestimmte Netzwerkvariablen in unterschiedlichen Systemen nicht nutzbar sind. Diese Probleme lassen sich jedoch in der Regel durch Anpassung der Verbindungsdarstellungsdateien oder der Ausdrücke für Netzwerkvariablen beheben. Für den effektiven Betrieb von LONWORKS-Systemen ist neben der Interkonnektivität zwischen den DDCs auch die Systemnetzwerktopologie entscheidend, insbesondere die Verbindung zwischen dem LONWORKS-Feldbus und dem übergeordneten Hochgeschwindigkeits-Netzwerkmanagementbus. Dies ist ein Schlüsselaspekt für LONWORKS-Systemanwendungen. Als Feldbus für Steuerungssysteme benötigt LONWORKS große Mengen an Felddaten, die über das übergeordnete Hochgeschwindigkeitsnetzwerk – den Managementbus – übertragen werden müssen. Dies ist wichtig für die Reaktionsgeschwindigkeit des Gesamtsystems sowie den Datenaustausch mit dem Managementbus (üblicherweise Ethernet). Der CAN-Feldbus (Controller Area Network) hat sich als neuer Standard für die Kommunikation in Messgeräten etabliert. Er ermöglicht eine schnelle Datenübertragung mit einer Übertragungsrate von bis zu 1 Mbit/s über kurze Distanzen (bis zu 40 m) und bis zu 5 kbit/s über eine maximale Entfernung von 10.000 m. Damit eignet er sich ideal für Anwendungen in der industriellen Automatisierung mit hohen Übertragungsgeschwindigkeiten. 2.3 CAN-Bus (Controller Area Network) Im Vergleich zu anderen Bussen zeichnet sich der CAN-Bus durch folgende Merkmale aus: • Er ist ein Multi-Master-Bus, d. h. jeder Knoten kann als Master fungieren und die Knoten können miteinander kommunizieren. • Als Kommunikationsmedium können Twisted-Pair-Kabel, Koaxialkabel oder Glasfaser verwendet werden, mit einer Übertragungsrate von bis zu 1 Mbit/s. Die CAN-Bus-Schnittstelle integriert die Funktionen der Bitübertragungsschicht und der Sicherungsschicht des CAN-Protokolls und ermöglicht die Strukturierung von Kommunikationsdaten, einschließlich Bit-Stuffing, Datenblockkodierung, zyklischer Redundanzprüfung (CRC), Prioritätsbestimmung usw. Ein Hauptmerkmal des CAN-Protokolls ist der Wegfall der herkömmlichen Stationsadressenkodierung und deren Ersetzung durch die Kodierung von Kommunikationsdatenblöcken. Der Vorteil dieser Methode liegt darin, dass sie theoretisch eine unbegrenzte Anzahl von Knoten im Netzwerk ermöglicht. Datenblockkennungen können aus 11 oder 29 Bit Binärdaten bestehen, wodurch die Definition von 2^11 bzw. 2^29 verschiedenen Datenblöcken möglich ist. Diese blockbasierte Kodierung ermöglicht es zudem verschiedenen Knoten, gleichzeitig dieselben Daten zu empfangen, was für die verteilte Steuerung entscheidend ist. Die maximale Datensegmentlänge beträgt 8 Byte und erfüllt damit die allgemeinen Anforderungen an Steuerbefehle, Betriebszustand und Testdaten in industriellen Anwendungen. Darüber hinaus beanspruchen 8 Byte nicht übermäßig viel Buszeit und gewährleisten so Echtzeitkommunikation. Das CAN-Protokoll verwendet CRC-Prüfungen und bietet entsprechende Fehlerbehandlungsfunktionen, um die Zuverlässigkeit der Datenkommunikation zu gewährleisten. Die überlegene Leistung, hohe Zuverlässigkeit und das einzigartige Design des CAN-Busses machen ihn besonders geeignet für die Vernetzung von Mess- und Steuergeräten in Industrieanlagen. Daher hat er in der Industrie große Beachtung gefunden und gilt weithin als einer der vielversprechendsten Feldbusse. Darüber hinaus wird der CAN-Bus von keiner Organisation verwaltet (obwohl DeviceNet auf CAN basiert), was zu extrem niedrigen Systementwicklungskosten führt und ihn besonders für Systeme mit reinen E/A-Schnittstellen geeignet macht. 2.4 Zwei häufig verwendete Busse für SPS-Systeme: Modbus und CC-Link. Modbus ist einer der ältesten Feldbusse (HART ist sogar noch älter). Nach 20 Jahren Entwicklung hat er eine große Anzahl von Geräteherstellern hervorgebracht. Daher gibt es in China viele Beispiele für Großprojekte, die Modbus verwenden. Modbus wird jedoch zukünftig hauptsächlich als Zubehör für Schneider-Hostsysteme eingesetzt und bietet nur begrenzten Entwicklungsspielraum. CC-Link ist ein Feldbus, der etwa zur gleichen Zeit wie DeviceNet eingeführt wurde. Technisch gesehen ist CC-Link im Grunde eine Weiterentwicklung von RS485, und viele sind der Ansicht, dass CC-Link technologisch nicht fortschrittlich genug ist. Ungeachtet der Feldbustechnologie stehen Praktikabilität und Zuverlässigkeit an erster Stelle. Da CC-Link auf RS485 basiert, ist sein Produktpreis relativ niedrig, was es besonders für Anwender geeignet macht, die von RS485-Netzwerken wechseln. 2.5 FF-Feldbus: Der Name FF ist nicht schlecht, und die Technologie ist auch nicht veraltet, aber aufgrund mangelnder Unterstützung durch große Hersteller konnte sie sich international nie durchsetzen. Tatsächlich ist bei Feldbussen der De-facto-Standard entscheidend; und was ist dieser? Es ist der Anbieter mit dem größten Marktanteil. Viele FF-Produkte wurden bereits im Inland entwickelt, vor allem dank staatlicher Förderung. 2.6 HART hat in China ebenfalls bedeutende Fortschritte gemacht, wird aber heutzutage weniger häufig erwähnt, und sein technologischer Rückstand ist unbestreitbar. 3. Struktur und Eigenschaften von Feldbus-Steuerungssystemen. Das IEC-SP50-Komitee definiert drei Anforderungen an Feldbusse: die Vernetzung von Prozesssteuergeräten (PCUs), SPSen und anderen digitalen E/A-Geräten über dieselbe Datenverbindung; die Fähigkeit des Feldbus-Controllers, auf Daten von mehreren Bedienerstationen, Sensoren und Aktoren im Bus zuzugreifen; und geringere Installationskosten für die Kommunikationsmedien. Ein Feldbus ist eine serielle digitale Datenverbindung, die die Basis-Steuerungstechnik (Feldgeräte) im Produktionsprozess mit übergeordneten Automatisierungs-Steuerungseinrichtungen (Werkstattgeräte) verbindet. Feldbus-Steuerungssysteme umfassen hauptsächlich praktische Anwendungen wie SPSen, Scanner, Netzteile, Ein-/Ausgabestationen und Abschlusswiderstände. Weitere Systeme können Frequenzumrichter, intelligente Zähler und Mensch-Maschine-Schnittstellen beinhalten. Der Host im System kann eine SPS oder ein PC sein, der das gesamte System über die Busschnittstelle verwaltet und steuert. Diese Busschnittstelle, auch Scanner genannt, kann als separate Karte ausgeführt oder in die SPS integriert sein. Die Busschnittstelle fungiert als Netzwerkmanager und Gateway zwischen Master-Controller und Bus. Sie verwaltet Informationsberichte von Busknoten und wandelt diese in ein für den Master-Controller verständliches Datenformat um, bevor sie weitergeleitet werden. Die Standardadresse der Busschnittstelle ist üblicherweise auf „0“ gesetzt. Jeder Knoten im Netzwerk benötigt Strom, um Informationen zu senden und zu empfangen. Eingangskanäle teilen sich typischerweise die Stromversorgung mit den internen Chips, die als Bus-Stromversorgung bezeichnet wird. Ausgangskanäle verwenden eine separate Stromversorgung, die Hilfsstromversorgung. Obwohl das System viele verschiedene Arten von Eingangs-/Ausgangsknoten enthält, werden in Anwendungen am häufigsten 24-V-DC-Sensoren (2- oder 3-Draht) oder mechanische Kontakte eingesetzt. Diese Knoten sind nach Schutzart IP67 geschützt und somit wasser-, staub- und vibrationsfest und eignen sich daher für die direkte Feldinstallation. Ein weiterer Knotentyp ist der Klemmenblockknoten. Hierbei werden unabhängige Eingangs-/Ausgangsklemmenblöcke auf einer DIN-Schiene montiert und mit einem Buskoppler verbunden. Dieser DC-Buskoppler dient als Gateway zum Bus. Dieser Knotentyp ist offen aufgebaut, hat die Schutzart IP20 und muss in einem Gehäuse installiert werden. Terminal-E/A-Systeme umfassen verschiedene digitale und analoge E/A-Module sowie Module für serielle Kommunikation, Hochgeschwindigkeitszählung und Überwachung. Terminal-E/A-Systeme können einzeln oder kombiniert eingesetzt werden. Ein Knoten ist an eine Hilfsstromversorgung angeschlossen, die Magnetventile und andere elektrische Geräte versorgt. Die Trennung der Hilfskomponenten von der Busstromversorgung reduziert das Rauschen im Bussignal erheblich. Darüber hinaus können die meisten Busknoten Kurzschlüsse in elektrischen Geräten erkennen und an die Hauptsteuerung melden. Selbst im Falle eines Kurzschlusses wird die Systemkommunikation nicht beeinträchtigt. Gängige Sensoren und andere Feldgeräte können über E/A-Module an das Feldbussystem angeschlossen oder separat an der Busschnittstelle installiert werden. Buskabel und Abschlusswiderstände: Buskabel werden in der Regel in Haupt- und Abzweigkabel unterteilt. Verschiedene Busprotokolle legen die Länge der Buskabel fest; unterschiedliche Baudraten erfordern unterschiedliche Kabellängen. Auch die Länge der Abzweigkabel ist begrenzt. Der letzte Teil des Netzwerks ist der Abschlusswiderstand. In manchen Bussystemen ist dieser Abschlusswiderstand einfach ein Widerstand, der zwischen den beiden Datenleitungen angeschlossen ist, um Restenergie während der Signalübertragung zu absorbieren. 3.1 Feldbus-Eigenschaften Im Vergleich zu herkömmlichen Punkt-zu-Punkt-Steuerungsmethoden mit SPS bieten Feldbus-Steuerungssysteme unübertroffene Vorteile. Diese Vorteile umfassen: • Hohes Preis-Leistungs-Verhältnis, wodurch die Gesamtsystemkosten und die anfänglichen Installationskosten um 40 % gesenkt werden. Die deutliche Reduzierung von Kabeln und Steckverbindern verringert die Anzahl der Steuerkabel (von Hunderten oder sogar Tausenden) auf ein einziges Buskabel und folglich auch die Anzahl der Klemmen, Kabelrinnen und sonstigen Zubehörteile. Dies reduziert die Kosten für Planung, Installation, Inbetriebnahme und Wartung sowie die Ausfallzeiten für Wartung und Änderungen um 60 %. Zuvor komplexe Schaltpläne und Verdrahtungsdiagramme werden einfacher und übersichtlicher; Standardsteckverbinder ermöglichen eine schnelle und einfache Installation, wodurch Personal- und Materialkosten erheblich reduziert werden; und leistungsstarke Fehlerdiagnosefunktionen reduzieren den Aufwand bei der Systeminbetriebnahme und -wartung deutlich. • Deutlich verbesserte Systemleistung. Zuverlässige Datenübertragung, schnelle Datenreaktion und hohe Störfestigkeit heben das Steuerungssystem auf ein neues Niveau. Viele Busse unterliegen strengen Vorschriften hinsichtlich Kommunikationsmedien, Informationsverifizierung, Fehlerkorrektur und Erkennung doppelter Adressen, um eine schnelle und absolut zuverlässige Buskommunikation zu gewährleisten. • Leistungsstarke automatische Diagnose- und Fehleranzeigefunktionen. Die Diagnosefunktionen umfassen Kommunikations- und Stromausfälle an Busknoten sowie offene und Kurzschlüsse in Feldgeräten und Steckverbindern und ermöglichen so die schnelle Identifizierung verschiedener Fehlerorte und -zustände im System. • Digitale Signalkommunikation verbessert die Mess- und Regelgenauigkeit des Systems deutlich. Verschiedene Schalt- und Analogsignale werden bereits am nächstgelegenen Punkt in digitale Signale umgewandelt, wodurch Signaldämpfung und -verzerrung vermieden werden. • Die Busknoten verfügen über die Schutzart IP67 und sind somit wasserdicht, staubdicht und vibrationsfest. Sie können direkt an Industrieanlagen installiert werden, wodurch der Bedarf an Feldverteilerkästen deutlich reduziert und die Systemzuverlässigkeit erhöht wird. • Eigensicheres Busdesign. Ideal für die direkte Installation in explosionsgefährdeten Bereichen wie Erdöl- und Chemieanlagen, wodurch das Risiko von Systemgefahren minimiert wird. • Die Möglichkeit, PID-Regler in Messumformer oder Aktoren zu integrieren, verkürzt den Regelzyklus erheblich. Die Anpassungsfrequenz kann von 2-3 Mal pro Sekunde in einem Prozessleitsystem auf 10-20 Mal pro Sekunde erhöht werden, wodurch die Regelgenauigkeit verbessert wird. • Die Beseitigung von Engpässen am Eingang des Hauptsystems erhöht die Systemsicherheit und -zuverlässigkeit und entlastet das Hauptsystem für Optimierungen und andere effizienzsteigernde Aufgaben. • Einfache Konfiguration, Installation, Bedienung und Wartung. • Anwender können die optimale Integrationsoption wählen. 3.2 Topologie Die Netzwerktopologie kennt im Wesentlichen zwei Strukturen: Bus-Topologie und freie Topologie: (1) Bus-Topologie Die Bus-Topologie ist in Abbildung 1 dargestellt. Alle Stationen benötigen keine Vermittlungseinrichtungen und können direkt an das Übertragungsmedium (den Bus) angeschlossen werden. Das heißt, alle Stationen nutzen ein gemeinsames Übertragungsmedium. Jede Station kann über dieses Medium senden und Daten verbreiten, die von allen anderen Stationen empfangen werden können. Da alle Stationen ein gemeinsames Übertragungsmedium nutzen, kann jeweils nur eine Station senden und mit den Übertragungen anderer Stationen konkurrieren. Daher wird es vom Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection Media Access Controller (CSMA/CD-MC) gesteuert. Die Bustopologie besteht aus einer Hauptleitung, mehreren Nebenleitungen und zwei Bus-Terminal-Matchern. (2) Freie Topologie: Die freie Topologie ist in Abbildung 2 dargestellt. Ihr Kommunikationskanal verfügt nur über einen Terminal-Matcher. Der Kommunikationskanal kann als Stern-, Ring- oder Hybridtopologie ausgeführt sein. Alle Stationen können sich direkt mit dem Übertragungsmedium (Ring) verbinden. Eine bestimmte Bitfolge (Token) wird zyklisch im Ring übertragen. Nur die Station, die das Token erhält, ist zum Senden berechtigt; kann sie nicht senden, wird das Token an die nächste Station weitergegeben. Lonworks unterstützt beispielsweise mehrere Topologien. Durch die Auswahl verschiedener Transceiver lassen sich Stern-, Ring-, Baum- und Hybridtopologien realisieren. Die Adressierung erfolgt über Protokolle, wodurch die Feldvernetzung flexibler wird. 3.3 Physikalisches Übertragungsmedium: Beim Aufbau eines Netzwerks ist es unerlässlich, die Eigenschaften des physikalischen Übertragungsmediums zu verstehen, es korrekt auszuwählen und eine optimierte Verkabelung, Installation und Prüfung durchzuführen, um ein optimales Preis-Leistungs-Verhältnis zu gewährleisten. Typische Übertragungsmedien sind Twisted-Pair-Kabel (geschirmt und ungeschirmt), Koaxialkabel (dünn und dick) und Glasfasern. Der Einsatz hochwertiger ungeschirmter Twisted-Pair-Kabel anstelle von Koaxialkabeln in Feldbusnetzwerken bietet Vorteile wie hohe Datenübertragungsraten, reduziertes Übersprechen und elektromagnetische Strahlung sowie die einfache Erweiterung des Managementsystems. Glasfaserkabel zeichnen sich durch hohe Vertraulichkeit, geringe Größe, niedriges Gewicht, Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen, hohe Übertragungskapazität und große Reichweite aus. Der Einsatz kostengünstiger Kunststoff-Glasfaserkabel in Feldbusnetzwerken ist eine wirtschaftliche Lösung. Die wichtigste Überlegung bei der Netzwerkarchitektur ist jedoch das vom Feldbus unterstützte physikalische Übertragungsmedium. Beispielsweise ist die Unterstützung mehrerer Medien eine der wichtigsten technischen Eigenschaften von London-KS. Die Unterstützung verschiedener Übertragungsmedien wird durch Transceiver realisiert. Für die direkte Verbindung über einen Kommunikationskanal können nur Transceiver desselben Typs verwendet werden. Aktuell sind die am häufigsten verwendeten Transceiver FTT-10 (nicht busgespeist) und LPT-10 (busgespeist). Der Einsatz von Abschlussadaptern sollte besonders bei kurzen Kommunikationskabeln beachtet werden. Ohne Abschlussadapter kann der Netzwerkdurchsatz um 20–30 % sinken. Die Anzahl der Abschlussadapter hängt von der Netzwerkbustopologie ab; unterschiedliche Bustopologien führen zu deutlich unterschiedlicher Netzwerkabdeckung. 3.4 Netzwerkprotokolle Netzwerkprotokolle bezeichnen die grundlegenden Prinzipien, die Netzwerke für die Kommunikation und Informationsübertragung einhalten müssen. Sie lassen sich in dedizierte und nicht-dedizierte (Standard-)Netzwerkprotokolle unterteilen. Feldbus-Kommunikationsprotokolle orientieren sich weitgehend am ISO/OSI-Referenzmodell und implementieren primär die Funktionen der Schichten 1 (Bitübertragungsschicht), 2 (Sicherungsschicht) und 7 (Anwendungsschicht). Das OSI-Modell basiert auf einem Sieben-Schichten-Protokoll und dient als Ausgangspunkt für die Entwicklung von Standards für die Computerkommunikation. Jede Schicht verfügt über einen bestimmten Funktionsumfang und definierte Schnittstellen zu höheren oder niedrigeren Schichten; nicht alle Schichten müssen zwingend einen spezifischen Kommunikationsstandard bereitstellen. In Verbindung mit klar definierten Programmmodulen, die Bedeutung und Format der Daten festlegen, bietet das OSI-Modell ein übergeordnetes Werkzeug für die Interoperabilität verschiedener Hersteller. Eine typische offene Systemarchitektur findet Anwendung in industriellen und kommerziellen Steuerungssystemen. Gemäß diesem Aufbau verwenden alle Komponenten des offenen Systems Standardprotokolle als Systemsprache, wodurch keine Übersetzung erforderlich ist und die gegenseitige Kommunikation ermöglicht wird. Die physikalische Schicht nutzt Protokolle wie EIA-RS232 und EIA-RS422/RS485. Da Feldsensoren und -transmitter in manchen Fällen Strom vom Feldbus beziehen müssen, werden bestimmte Anforderungen an die Stärke (Ansteuerbarkeit), die Übertragungsrate, das Signal-Rausch-Verhältnis, den Kabelquerschnitt und die Leitungslänge der digitalen Signale auf dem Bus gestellt. Angesichts der häufigen Ausfälle und des notwendigen Austauschs von Feldgeräten verwendet die Sicherungsschicht oft Protokolle mit kontrolliertem Zugriff (einschließlich Polling und Token) zur Medienzugriffskontrolle. Typischerweise fungiert jede PCU/SPS als Masterstation, Sensoren und Sender als Slavestationen. Zusätzlich müssen Punkt-zu-Punkt-, Punkt-zu-Mehrpunkt- und Broadcast-Kommunikationsverfahren unterstützt werden. Die Anwendungsschicht regelt die Auswahl der geeigneten Programmiersprache (oder Prozesssteuerungssprache) für die benutzerorientierte Programmierung (oder Konfiguration). Dies umfasst Gerätenamen, Netzwerkvariablen und Konfigurationsbeziehungen (Bindungen), Parameter und Funktionsaufrufe sowie zugehörige Beschreibungen. Im Allgemeinen sollte sie über eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) gemäß IEC 1131-3 verfügen. 4 Vergleich von Ethernet- und Feldbustechnologien (1) Vergleich der physikalischen Schicht (2) Vergleich der Medienzugriffsverfahren Feldbus-Medienzugriffsverfahren: Das Medienzugriffsverfahren von Feldbussen muss die Anforderungen industrieller Steuerungsnetzwerke erfüllen, insbesondere die Echtzeitfähigkeit und Deterministik der Kommunikation. Deterministik bedeutet, dass das Intervall und der Zeitpunkt, zu dem eine Station Netzwerkdienste empfängt, jedes Mal festgelegt sind; Echtzeitfähigkeit bedeutet, dass die der Station vom Netzwerk zugewiesene Dienstzeit und das Intervall gewährleisten, dass die Station ihre zugewiesene Aufgabe erfüllen kann. Aktuell werden in der Feldbustechnologie hauptsächlich folgende Medienzugriffsverfahren eingesetzt: Token, Master-Slave und Producer/Consumer. Ethernet-Medienzugriffsverfahren: CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) ist das von Ethernet (bzw. IEEE 802.3) verwendete Medienzugriffsverfahren. 5. Fazit: Jeder Feldbus hat seinen spezifischen Anwendungsbereich, und jeder Bereich weist seine eigenen Merkmale auf. Führende Hersteller investieren stark in die entsprechenden Technologien. Beispielsweise bieten ABB und Siemens eigene Feldbusprodukte an. Markt und Technologie sind die richtungsweisenden Faktoren. Ethernet wird sich letztendlich im industriellen Bereich bis hin zur Fertigungsebene etablieren und sich vom reinen Managementnetzwerk der Vergangenheit zum Fertigungssteuerungsnetzwerk entwickeln. Daher besteht das Ziel der nächsten Generation der Steuerung darin, von der makroökonomischen Produktsteuerung (z. B. Kosten-, Betriebs-, Qualitäts- und Finanzkontrolle) zur detaillierten Steuerung (z. B. Fertigungssteuerung) überzugehen, d. h. die Mensch-Maschine-Schnittstellen und Managementinformationssysteme umfassend zu integrieren.