Feldbus ist ein digitales, bidirektionales, mehrzweigiges Kommunikationsnetzwerk, das intelligente Feldgeräte und Automatisierungssysteme verbindet. Es vereint drei wichtige Technologien: Prozessleittechnik, Automatisierungstechnik und Computernetzwerktechnik und wird die Steuerungstechnik grundlegend verändern. 1 Einleitung Mit der Entwicklung von Computer-, Steuerungs-, Kommunikations- und Netzwerktechnologien hat sich auch die Feldbustechnologie als typischer Vertreter digitaler, intelligenter und vernetzter industrieller Steuerung rasant weiterentwickelt und einen enormen Einfluss ausgeübt. Sie hat in der Ingenieurs- und Technikgemeinschaft großes Interesse geweckt und die computergestützte Steuerung von verteilten Steuerungssystemen (DCS) hin zu verteilten Feldbus-Steuerungssystemen (FCS) auf Basis von Feldbusbits transformiert. Feldbus gilt als revolutionäre neue Technologie in der industriellen Automatisierung und ist heute eines der wichtigsten Themen in der Entwicklung der Automatisierungstechnik. 2 Feldbus wird als das lokale Computernetzwerk der Automatisierungstechnik bezeichnet. 2.1 Feldbus und seine Eigenschaften (1) Was ist ein Feldbus? Gemäß den Definitionen der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) und der Instrument Society of America (ISA) ist ein Feldbus ein digitales, bidirektionales, mehrzweigiges Kommunikationsnetzwerk, das intelligente Feldgeräte und Automatisierungssysteme verbindet. Sein Hauptmerkmal ist die Unterstützung bidirektionaler, volldigitaler Bus-Kommunikation zwischen mehreren Knoten. Er zeichnet sich durch hohe Zuverlässigkeit, gute Stabilität, starke Störfestigkeit, hohe Übertragungsgeschwindigkeit, Systemsicherheit, niedrige Kosten und geringen Wartungsaufwand aus. Das SP50-Komitee der IEC stellt folgende drei Anforderungen an Feldbusse: (1) Prozesssteuergeräte (PCUs), SPSen usw. sind mit digitalen E/A-Geräten auf derselben Datenkette verbunden; (2) der Feldbus-Controller kann auf Daten von mehreren Bedienerstationen, Sensoren und Aktoren im Bus zugreifen; (3) die Installationskosten der Kommunikationsmedien sind gering. Das SP50-Komitee schlägt zwei Feldbus-Architekturmodelle vor: ● Sternbus: Ersetzt analoge Signalübertragungsleitungen durch kurze, kostengünstige Kabel mit niedriger Übertragungsgeschwindigkeit. ● Bus-Bus: Große Datenübertragungsdistanzen und hohe Geschwindigkeiten durch Punkt-zu-Punkt-, Punkt-zu-Mehrpunkt- und Broadcast-Kommunikation. 2.2 Technische Merkmale des Feldbusses: Der Feldbus integriert Steuerungstechnik, Computertechnik und Kommunikationstechnik vollständig und weist folgende technische Merkmale auf: (1) Feldgeräte sind zu digitalen Geräten mit Mikroprozessoren als Kern geworden und werden über Übertragungsmedien (Zweipaarkabel, Koaxialkabel oder Glasfaser) in einer Bus-Topologie miteinander verbunden; (2) Die Netzwerkdatenkommunikation erfolgt mittels Basisbandübertragung (d. h. digitaler Datenübertragung) mit hoher Datenübertragungsrate (Mbit/s oder 10 Mbit/s), guter Echtzeitfähigkeit und hoher Störfestigkeit; (3) Die Abgasreinigung wird durch die E/A-Steuerstation im verteilten Steuerungssystem (DCS) ersetzt, und diese Funktionsebene wird dem Kommunikationsnetzwerk zugewiesen; (4) Verteilte Funktionsmodule erleichtern die Systemwartung, -verwaltung und -erweiterung und erhöhen die Zuverlässigkeit. (5) Offene Verbindungsstruktur, die sowohl mit Netzwerken derselben Schicht als auch über Netzwerkverbindungsgeräte mit Steuerungs- oder Managementinformationsnetzwerken verbunden werden kann; (6) Interoperabilität: Unter der Voraussetzung der Einhaltung desselben Kommunikationsprotokolls können Feldgeräte verschiedener Hersteller einheitlich konfiguriert werden, um das erforderliche Netzwerk zu bilden. 3 Feldbus-Steuerungstechnik 3.1 Feldbus-Steuerungssystem Das Feldbus-Steuerungssystem (FCS) ist die fortschrittlichste computergestützte Steuerungstechnologie der Gegenwart und integriert Computer-, Netzwerk- und Steuerungstechnik. Es handelt sich um ein vollständig verteiltes, volldigitales und offenes Steuerungssystem. Es findet Anwendung in der industriellen Prozesssteuerung, der Fertigung und der Gebäudeautomation und wird sich zum Standard moderner computergestützter Steuerungssysteme entwickeln. 3.2 Auswirkungen von FCS auf computergestützte Steuerungssysteme Traditionelle computergestützte Steuerungssysteme verwenden in der Regel eine DCS-Struktur. In einem DCS sind Punkt-zu-Punkt-Verbindungen für Feldsignale erforderlich, und die E/A-Anschlüsse befinden sich zusammen mit der SPS oder den Automatisierungsinstrumenten in einem Schaltschrank anstatt vor Ort. Dies erfordert die Verlegung einer großen Anzahl von Signalübertragungskabeln, was zu einer komplexen und sowohl material- als auch zeitaufwändigen Verkabelung führt. Signale sind anfällig für Dämpfung und Störungen, und die Wartung gestaltet sich schwierig. DCS besteht typischerweise aus Bedienerstationen, Leitstellen usw., was eine komplexe Struktur und hohe Kosten zur Folge hat. Darüber hinaus ist DCS kein offenes System, weist eine geringe Interoperabilität auf und erschwert den Datenaustausch. FCS-basierte Steuerungssysteme überwinden diese Nachteile vollständig. (1) FCS nutzt Feldbustechnologie, wodurch alle E/A-Module im Feld platziert werden. Alle Signale werden im Feld über verteilte intelligente E/A-Module in standardisierte digitale Signale umgewandelt. Nur ein Kabel (zwei oder vier Adern) ist erforderlich, um alle Feldstationen zu verbinden, was eine sehr einfache Übertragung der Feldsignale an die Leitwarte ermöglicht. Dies reduziert die Kosten und vereinfacht Installation und Wartung. Zudem bietet die digitale Datenübertragung dem System eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit und starke Störfestigkeit. (2) FCS ist offen. In FCS entsprechen sowohl Software als auch Hardware denselben Standards, was eine gute Austauschbarkeit und einfache Upgrades gewährleistet. Die Programmierung erfolgt unter Verwendung von fünf internationalen Standardprogrammiersprachen (IEC 11314), und die Programmier- und Entwicklungswerkzeuge sind vollständig offen. Die umfangreichen Software- und Hardware-Ressourcen des PCs können genutzt werden. (3) Das System ist hocheffizient. In FCS kann ein einzelner PC gleichzeitig SPS- und NC/CNC-Aufgaben ausführen, für die zuvor zwei Geräte erforderlich waren. Unter dem Multitasking-Betriebssystem Windows NT kann die PC-Software-SPS bis zu einem Dutzend SPS-Aufgaben gleichzeitig ausführen, was die Effizienz steigert und die Kosten senkt. Die SPS auf dem PC verfügt zudem über Online-Debugging- und Simulationsfunktionen, was die Programmierumgebung erheblich verbessert. (4) Die grundlegende Systemstruktur von FCS besteht aus: Industrie-Steuerungsrechner oder handelsüblicher PC, Feldbus-Masterstation-Schnittstellenkarte, Feldbus-E/A-Modul, SPS- oder NC/CNC-Echtzeit-Multitasking-Steuerungssoftwarepaket, Konfigurationssoftware und Anwendungssoftware. Zu den Hauptfunktionen des Host-Computers gehören Systemkonfiguration, Konfiguration von Datenberichten, Konfiguration der historischen Bibliothek, grafische Konfiguration, Konfiguration von Steuerungsalgorithmen, Echtzeit-Datenanzeige, Anzeige historischer Daten, grafische Darstellung, Parameterliste, Datenausgabe, Dateneingabe und Parameteränderung, Anpassung der Steuerungsvorgänge, Alarmverarbeitung, Fehlerbehandlung, Kommunikationssteuerung und Mensch-Maschine-Schnittstelle usw. Dadurch werden die Anforderungen an zentrale Steuerung, dezentrale Gefahrenverteilung, Datenaustausch und vollständige Offenheit erfüllt. 3.3 Die 8 Busse und ihre in der internationalen Norm IEC 61158 spezifizierten Eigenschaften (1) Profibus wird hauptsächlich von Siemens (Deutschland) unterstützt und ist ein deutscher nationaler Standard für Feldbusse, der gemäß dem ISO/OSI-Referenzmodell formuliert wurde. Profibus besteht aus drei Teilen: Profibus-FMS, Profibus-DP und Profibus-PA. FMS dient hauptsächlich der Übertragung von Nicht-Steuerungsinformationen, PA der Signalerfassung und Steuerung der Prozessautomatisierung, und Profibus-DP ist das Protokoll für die Hauptanwendung in der Fertigungsautomatisierung. Es ist die optimale Lösung für die Anforderungen an schnelle Kommunikation mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 12 Mbit/s. Die Scanzeit für 1000 E/A-Punkte beträgt weniger als 1 ms. (2) Foundation Fieldbus FF (H1, IEC Technical Report) ist für die Prozessautomatisierung konzipiert. Es verbindet Feldgeräte über digitale, serielle und bidirektionale Kommunikationsmethoden. Die FF-Kommunikation ist kein einfaches digitales 4-20-mA-Signal, sondern verwendet ein komplexes Kommunikationsprotokoll. Es kann intelligente Feldgeräte verbinden, die einfache Regelalgorithmen (z. B. PID) ausführen können. Ein Kommunikationssegment kann mit 32 Feldgeräten konfiguriert werden, mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 31,25 kbit/s und einer maximalen Kommunikationsdistanz von 1900 m pro Segment. (3) Interbus wird hauptsächlich von Phoenix Contact in Deutschland unterstützt. Sein Netzwerk ist einfach und leicht zu installieren und zu konfigurieren. Die Knoten im Netzwerk ähneln einfachen Schieberegistern. Der Bitstrom wird beim Durchlaufen des Knotens invertiert. Interbus-S startet das Netzwerk und konfiguriert sich automatisch, ohne dass Knotenadressen benötigt werden. Über ein einziges Kabel gemäß IEEE 802.5 können bis zu 64 Geräte mit einer Geschwindigkeit von bis zu 500 K/s, einer maximalen Entfernung von 25.600 m und einer maximalen Distanz von 400 m zwischen mobilen Knoten vernetzt werden. (4) ControlNet wird hauptsächlich von Rockwell Automation in den USA unterstützt. Es bietet eine sehr hohe Echtzeitfähigkeit und positioniert sich zwischen Gerätebus- (wie DeviceNet) und Fabrikbus-Systemen (üblicherweise Ethernet-basiert). Es stellt Bandbreite bereit, die für E/A-Steuergeräte, Echtzeit-Verriegelungsreaktionen, Peer-Informationen und Programmübertragung über dieselbe Kommunikationsverbindung geeignet ist. Dadurch werden deterministische und wiederholbare Funktionen für diskontinuierliche und kontinuierliche Prozessleitsysteme ermöglicht. Mehrere Controller können E/A-Steuergeräte ansteuern. ControlNet bietet Mehrpunktübertragung zwischen Eingangs- und Peer-Daten, Redundanz und inhärente Sicherheit, die Auswahl von Übertragungsmedien, flexible Netzwerktopologie (Bus, Baum, Stern) und Übertragungsmedien (Koaxialkabel, Glasfaser usw.). (5) WorldFIP wird hauptsächlich von Alstom in Frankreich unterstützt. Es unterstützt den Betrieb mit doppelt redundanten Bussen, an die SPSen, E/A-Feldgeräte, Steuerungen, HMI-Systeme usw. angeschlossen werden können. Durch die doppelte Redundanz der Busse wird sichergestellt, dass das Steuerungssystem nicht durch Beschädigung der Steuerkabel zum Ausfall anderer Steuerungssysteme führt. Es gibt außerdem drei weitere Typen: FF HSE (hauptsächlich unterstützt von Fisher-Rosemount), Swift Net (unterstützt von Boeing, USA) und Process (Dänemark). 3.4 Weitere in der industriellen Steuerung weit verbreitete Busse: (1) CAN-Bus (Controller Area Network): Dieses serielle Kommunikationsnetzwerk wurde 1983 von Bosch in Deutschland für Automobilanwendungen entwickelt und unterstützt verteilte Steuerung und Echtzeitsteuerung. Es gehört zur Kategorie der Feldbusse. Im November 1993 veröffentlichte die ISO den internationalen Standard für Controller Area Networks (CAN) (ISO 11898). Als Kommunikationsmedium für den CAN-Bus können verdrillte Adernpaare, Koaxialkabel und Glasfasern verwendet werden. Die Kommunikationsdistanz hängt von der Strahlbreite ab. Die maximale Kommunikationsdistanz beträgt 10 km, die maximale Strahlbreite 1 Mdps. Die CAN-Bus-Arbitrierung verwendet einen 11-Bit-Identifikator (CAN 2.0A-Protokoll) bzw. 29-Bit-Identifikator (CAN 2.0B-Protokoll) und einen nicht-destruktiven Bit-Arbitrierungsmechanismus, um die Priorität von Datenblöcken festzulegen. Dadurch wird sichergestellt, dass bei Konflikten zwischen Netzwerkknoten der Knoten mit der höchsten Priorität nicht auf einen Konflikt warten muss. Das CAN-Strukturmodell orientiert sich an den Schichten 1, 2 und 7 des ISO/OSI-Modells: der Bitübertragungsschicht, der Sicherungsschicht und der Anwendungsschicht. Der CAN-Bus ist als Multi-Master-Bus mit Wettbewerbscharakteristik ausgelegt und zeichnet sich durch Multi-Master-Betrieb, verteilte Arbitrierung, serielle Bus- und Broadcast-Kommunikation aus. Jeder Knoten im CAN-Bus kann jederzeit aktiv Informationen an andere Knoten im Netzwerk senden, unabhängig davon, ob er Master ist oder nicht. Dies ermöglicht eine freie Kommunikation zwischen den Knoten. Das CAN-Bus-Protokoll ist von der Internationalen Organisation für Normung (ISO) zertifiziert. Die Technologie ist relativ ausgereift, und die Steuerungschips sind kommerziell erhältlich. Dank ihrer hohen Kosteneffizienz eignet sie sich besonders für die Datenkommunikation zwischen verteilten Mess- und Steuerungssystemen. (2) CC-Link (Control & Communication Link) ist ein offener Feldbus, der 1996 von Mitsubishi Electric eingeführt wurde. Er zeichnet sich durch hohe Datenkapazität, verschiedene wählbare Kommunikationsgeschwindigkeiten und ein offenes, hochgradig anpassungsfähiges Netzwerk aus, das sich für unterschiedliche Anwendungsbereiche eignet – von Netzwerken der höheren Managementschicht bis hin zu Netzwerken der unteren Sensorschicht. CC-Link ist ein geräteschichtbasiertes Netzwerk. Typischerweise besteht ein CC-Link-Netzwerk aus einer Masterstation und 64 Slavestationen. CC-Link bietet eine hohe Datenübertragungsgeschwindigkeit von bis zu 10 Mbit/s und basiert auf dem RS-485-Protokoll. Die CC-Link-Datenkommunikation kann in zwei Modi unterteilt werden: zyklische Kommunikation und Instantous Transmission. Bei der Datenübertragung von der Masterstation zur Slavestation werden die Daten in 150-Byte-Einheiten unterteilt und in 150-Byte-Blöcken übertragen. Sendet die Slavestation an die Masterstation oder andere Slaves, beträgt die maximale Datenpaketgröße 34 Byte. Für die Instant-Übertragung sind spezielle Anweisungen erforderlich. Die Instant-Übertragung hat keinen Einfluss auf die Taktung der zyklischen Kommunikation. (3) LonWorks-Bus: Diese Feldbustechnologie wurde von der ECHELON Corporation in den USA entwickelt und gemeinsam von Motorola und Toshiba vermarktet. Sie verwendet die vollständige siebenschichtige Protokollstruktur des OSI-Referenzmodells. Kernstück der LonWorks-Technologie ist der Neuron-Chip mit Kommunikations- und Steuerungsfunktionen. Der Neuron-Chip implementiert das vollständige LonTalk-Kommunikationsprotokoll von LonWorks. Er integriert drei 8-Bit-CPUs. Eine CPU übernimmt die Funktionen der ersten und zweiten Schicht des OSI-Modells und wird als Medienzugriffsprozessor bezeichnet. Die dritte CPU ist der Anwendungsprozessor, der das Betriebssystem und den Benutzercode ausführt. Die dritte CPU ist der Netzwerkprozessor, der als Schnittstelle zwischen den beiden vorherigen fungiert und Netzwerkvariablen adressiert, aktualisiert, Pfade auswählt, die Netzwerkkommunikation verwaltet usw. Knoten, die aus Neuron-Chips bestehen, können Peer-to-Peer kommunizieren. LonWorks unterstützt verschiedene physikalische Medien und Topologien und bietet flexible Netzwerkmethoden. LonWorks wird hauptsächlich in der Gebäudeautomation und industriellen Steuerung eingesetzt und zeichnet sich durch seine hohe Leistungsfähigkeit beim Aufbau verteilter Überwachungsnetzwerke aus. 3.5 Der Kommunikationsstandard des Feldbus-Steuerungssystems FCS verwendet die Schichten 1, 2 und 7 der siebenschichtigen Architektur des ISO-OSI-Modells: die Bitübertragungsschicht, die Sicherungsschicht und die Anwendungsschicht. Zusätzlich wird eine achte Schicht, die Benutzerschicht, verwendet, die den Buskommunikationsstandard bildet. Die Benutzerschicht ist eine zusätzliche Schicht außerhalb des OSI-Schichtenmodells und macht den Feldbusstandard somit zu mehr als nur einem Kommunikationsstandard – sie ist ein Systemstandard. Sie ist entscheidend für die Offenheit und Interoperabilität von FCS. Die Benutzerschicht definiert 29 standardisierte Funktionsmodule für die Datenverarbeitung und die Komposition von Steuerungsalgorithmen. Die Anzahl der Standardfunktionsmodule ist geringer als bei einem typischen Prozessleitsystem (DCS). Es ermöglicht Anwendern, eigene Algorithmusmodule zu definieren. Zudem definiert es zwei Werkzeuge: die Gerätebeschreibungssprache (DDL) und das Objektwörterbuch (OD), die zur Registrierung „sichtbarer Objekte“ im Netzwerk und damit zur Gewährleistung der Interoperabilität verwendet werden. 4. Zusammenfassung: Derzeit existieren im Steuerungsbereich verschiedene Feldbusprotokolle parallel. In der Gebäudeautomation bieten LonWorks und CAN gewisse Vorteile; in der Prozessautomation sind CAN, Foundation Fieldbus (FF) und PROFIBUS die wichtigsten Protokolle. Angesichts des langwierigen und aufwendigen Entwicklungsprozesses eines einheitlichen, offenen Feldbusprotokollstandards wird die Ablösung traditioneller DCS schrittweise erfolgen. Zeitweise wird es vorkommen, dass mehrere Feldbusse parallel existieren und verschiedene heterogene Netzwerke innerhalb desselben Produktionsstandorts kommunizieren. Die Entwicklung eines einheitlichen Standards, an den sich alle halten, und die Schaffung eines wirklich offenen, vernetzten Systems ist jedoch der unaufhaltsame Trend.