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Offene Feldbus-Systeme im Vergleich Anforderungen an einen Feldbus Feldbusse gegenübergestellt Praktische Umsetzung Anforderungen an einen Feldbus Was ist neu an der Feldbustechnik? Um diese Frage zu erläutern, muß man sich zunächst vergegenwärtigen, was die unterschiedlichen Begriffe in dieser Thematik bedeuten. Neben Feldbus existieren Begriffe wie Remote I/O und Process I/O. Wo sind hier nun die Unterschiede und die Grenzen? In der Vergangenheit wurde die gesamte MSR-Technik von der Steuerung aus parallel verdrahtet, d.h. für jedes Signal existierte i.d.R. ein Adernpaar. Alle Signale wurden über Trenner-Schränke und Rangierverteiler im Schaltraum geführt. Remote I/O stellt nun einen busfähigen Anschluß von dezentralen I/O Karten her, womit allerdings lediglich der Rangierverteiler wegfällt. Echte Einsparungen erhält man erst durch den Einsatz von Process I/O, womit der Feldbus in die Anlage gebracht wird und dezentrale I/O Komponenten einen Anschluß an "traditionelle" Sensoren / Aktoren ermöglichen. Natürlich lassen sich ebenfalls feldbusfähige Feldgeräte in dieses System integrieren. Verfügt man allerdings ausschließlich über feldbusfähige Endgeräte, wird der Traum vom "echten" Feldbus real. Alle Sensoren / Aktoren können nun idealerweise einfach über nur 2 Drähte angeschlossen werden.  Bild 1: Von der Einzelverdrahtung bis zum Feldbus Bevor man auf spezielle Feldbusse und deren Gegenüberstellung eingehen kann, muß zunächst einmal genau definiert werden, worauf es bei "dem Feldbus" ankommt.  Bild 2: Definition eines Feldbusses Was bedeutet optimiert? Folgende Parameter können optimert werden: 1. Maximale Datenübertragungsrate oder maximale Systemflexibilität erreichen.2. Maximale Systemleistung in einer bestimmten Applikation erreichen (Geräte-, Regel- oder Systembus...).3. Vorhandene Technologien weiter verwenden.4. Bestimmte Leistungen erreichen.5. Marktstellungen sicherstellen oder beherrschen.Feldbus - Ein Standard? Wann kommt der einheitliche internationale Feldbusstandard? - Anbieter von Feldgeräten haben lange Zeit mit unterschiedlichen (inkompatiblen)Lösungen um Marktanteile gekämpft.- Erst als das HART®-Protokoll von Rosemount freigegeben wurde hat sich ein "quasi-Industriestandard" für Feldgeräte etabliert. (Interoperabilität)- Absicht ist, einen einheitlichen, international standardisierten Feldbus zu entwickeln. Wird sie in Zukunft erreicht werden? Wenn ja, wann? Feldbus: Interoperabilität - 4...20mA analoge Systeme bieten generell Interoperabilität. Warum? Die Buskommunikation erfordert kompatible Elemente in allen Kommunikationsschichten zwischen Meßumformer und empfangender Station - das ISO 7-Schichten Kommunikations-Modell. Aber auch spezielle technische Anforderungen für feldbusfähige Geräte existieren: Wenn man über den Feldbus spricht, muß auch die Spezifikation dieser Geräte den Anforderungen gerecht werden: - Temperaturbereich: -40 - +70ºC - Korrosionsbeständigkeit gegen aggressive Atmosphären - Vibrationsfestigkeit - Einsatz in explosionsgefährdeten Umgebungen - Mischung verschiedener Versorgungen (busgespeist, 24VDC/240VAC Hilfsenergie)
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Feldbusse gegenübergestellt Es gibt heute eine Vielzahl von unterschiedlichen Bussystemen für verschiedene Einsatzbereiche auf dem Markt. Einige wichtige werden im Folgenden näher betrachtet und diskutiert.  Bild 3: Was ist heute verfügbar? Sensorbus Optimiert zur Übertragung von geringen Datenmengen (1 bit bis zu wenigen Bytes) mit hoher Wiederholrate und kurzer Reaktionszeit AS Interface (Actuator-Sensor) - Ursprung in Deutschland (1992) - Siemens, Turck, P+F, IFM .... - Master-Slave (Single Master), 4 bits/Node, 32 Nodes max, 100m max - 167kbit/s Datenrate mit Puls Modulation - Nicht-Ex - Spannungsversorgung (2A max) - Zweidrahtleitung CAN - Bus (Controller Area Network) - CAN ist ein ISO-standardisierter Bus - entwickelt durch Bosch (1990) - In 1996 wurden 40 Millionen CAN-Interface-Chips produziert - Nicht-Ex Anwendungen - Weit verbreitet in der Fertigungs- und Automobilindustrie - DeviceNet und SDS sind Applikations-Protokolle, die auf CAN laufen DeviceNet - A-B Applikations Protokoll (1992) freigegeben über ODVA (1995) - Einzelne Datenpakete mit bis zu 8 Bytes - Maximal 64 Knoten - Master-Slave (erweitert zu einem System mit Multiple Masters und Punkt-zu-Punkt Kommunikation) - Bei 125kbit/s max. 500m Buslänge, bei 500kbit/s max. 39m Buslänge SDS-Bus (Smart Distributed Systems) - Honeywell Microswitch Application Layer (1993) - Einzelne Datenpakete mit bis zu 4 Bytes - 64 Nodes max. bei 500kbit/s, 32 Nodes max. bei 1Mbit/s - Master-Slave (Single Master) - Bei 125kbit/s max. 500m Buslänge, bei 1Mbit/s max. 25m Buslänge Interbus - Phoenix Bus 1987 eingeführt, Protokoll über Benutzerclub freigegeben - Token Passing Busring mit deterministischem Timing und hoher Buseffizienz - 500kbit/s über RS485 Schnittstelle - 400m max. zwischen entfernten Nodes, mit max. 10m max. Spurkabel - Max. Nodes : 64 Remote + 192 Lokal. - Vorschlag zur Berücksichtigung in EN50254 EuroNorm Gerätefeldbus Generell größere Funktionalität und größere Datenpakete als Sensorbussysteme Profibus (Process fieldbus) - Entwickelt von Siemens - deutscher DIN-Standard und EN50170 Euronorm - Marktführer in Europa mit mehr als 1 Mio. installierten Nodes - Es gibt 3 Versionen: - DP (Decentralised Peripherals) Eingeführt 1990, weit verbreitet, Europanorm EN50170- FMS (Fieldbus Messaging Service) Eingeführt 1990, verliert rasch an Bedeutung. Europanorm EN50170- PA (Process Automation) Eingeführt 1996. Basierend auf Technologien der ISPLonWorks (Local Operating NetWorks) - Einführung 1991 durch Echelon Corporation, Weiterentwicklungen werden durch LonUser Association vorangetrieben- Protokoll komplett in einem Neuron-Chip (von Motorola und Toshiba u.a.) - Punkt-zu-Punkt- und Master-Slave-Kommunikation - Verschiedenartigste physikalische Übertragungsmedien (78kbit/s, 1.25Mbit/s, LWL, Funkübertragung) - Nicht-deterministisch, außer für Nachrichten mit hoher Priorität - MTL hat eigensichere Zweidrahtlösung mit 78kbit/s 1995 eingeführt - Weit verbreitet in verschiedensten Industriebereichen - Viele SPS Hersteller (Schneider, etc.) bieten LonWorks-Schnittstellen FOUNDATION Fieldbus H1 - Fieldbus Foundation (mehr als 150 Mitglieder), 1994 gegründet - IEC1158 Standard Normenentwurf ist die Grundlage - BSI hat diesen Normenentwurf für den UK-Standard übernommen (1996) - 31.25kbit/s IEC physikalischer Übertragungskanal, einschl. Ex-Bus - LWL und Funkübertragung ist ebenso spezifiziert. - pro Datenpaket werden max. 256 Bytes übertragen - Multiple Master-Slave oder deterministisches Token-Passing-System - max. 240 Knoten pro Bussegment - Installierte Systeme in Brasilien (Smar) und in Kanada (Rosemount) - Wirkliche Interoperabilität durch User Layer einschl. FB- und DDL-Technologie - FF wird von mehr als 90% aller Lieferanten von Automatisierungskomponenten unterstützt, und hat damit die besten Chancen, der weltweite Standard zu werden.Systembus Hohe Datenübertragungsraten und erweiterte Datenpaketgröße sowie Redundanz ermöglichen anlagenweiten Einsatz Profibus -DP and -FMS WorldFIP (Factory Information Protocol) - 1990 als FIP dem Markt vorgestellt, französischer UTE Standard. - WorldFIP (1994) nutzt auch physikalischen Kanal gemäß IEC1158 - Vereinfachte Protokollversion wurde 1996 eingeführt und ermöglicht eine Low-Cost Version für relativ einfache Feldgeräte und 2.5Mbit/s Datenratenbei max. 256 Bytes Paketgröße- Master-Slave System (Single Master mit Back-Up Möglichkeit) - Deterministisches Zugriffsverfahren - Verbreitet in der Fertigungsindustrie in Frankreich und Italien - Mehr als 50.000 Knoten installiert ControlNET - Systembus von Allen-Bradley entwickelt (1994) - Technologie durch ControlNET User Association (1997) verfügbar - 5Mbit/s Datenrate über Koax-Kabel (galvanisch isoliert) oder LWL - max. 99 Nodes pro Bussegment - Datenübertragung durch Producer-Consumer-Technologie für hohe Effizienz - Normenentwurf zur Übernahme in EN50254 EuroNorm - Hohe Marktdurchdringung durch Rockwell zu erwarten FOUNDATION Fieldbus H2 - Redundanter Hochgeschwindigkeitsbus der Fieldbus Foundation nutzt gleiches Protokoll wie FOUNDATION Fieldbus H1- 1.0 und 2.5Mbit/s Datenrate, über Zweidrahtleitung oder LWL - Ex Lösung mit 1.0Mbit/s - Einfacher Anschluß von FOUNDATION Fieldbus H1 (Bridge kein Gateway) - Wirkliche Interoperabilität durch User Layer einschl. FB- und DDL-Technologie - Steigerungsmöglichkeiten der Busleistung und Funktionalität durch Komplettierung der Spezifikation - Die späte Markteinführung wird die Verdrängung etablierter Bussysteme sehr schwierig machen Weitere Informationen können unserem Poster ‚Der offene Feldbus' entnommen werden.
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Praktische Umsetzung MTL Instruments bietet selbst ein System zur Signalübertragung in verfahrenstechnischen Anlagen an: die Serie MTL8000 Process I/O. Dieses System schließt die Lücke zwischen Remote I/O und dem Feldbus für die Prozeßautomation. Process I/O stellt dem Anwender ein sehr flexibles und robustes Ein-/Ausgabesystem für die Verfahrenstechnik zur Verfügung.  Bild 4: MTL8000 Process I/O Wenn man nun die technischen Merkmale der einzelnen Konzepte miteinander vergleicht, kommt man zu der nachfolgenden Übersicht. - Während der Planungsphase: |
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Während der Engineering Phase erkennt man Vorteile für Feldbus und Process I/O. Die direkte Montage im Prozeß,
die daraus resultierenden räumlichen Vorteile in der Leitwarte, die reduzierte und übersichtliche Dokumentation und
ein schnelles Engineering sprechen für sich. Eine direkte Ansteuerung von Aktoren mit größerem Leistungsbedarf stellt
für den Feldbus zur Zeit noch ein Problem dar. - Feldgeräte-Ebene: |
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- Während des Betriebes:
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Die Vorteile der Process I/O erfüllen bereits heute die hohen Anforderungen wie Redundanz und Not-Aus-Konzept der Anwender. Hier befindet sich der Feldbus noch in der Konzeptionsphase und es wird noch keine Möglichkeit am Markt angeboten. Fazit: Durch die Weiterentwicklung in den Bereichen Eigensicherheit und Busspeisung hat die Feldbustechnik nun auch in der Verfahrenstechnik an Bedeutung gewonnen. Trotzdem sei vor den euphorischen Aussagen von der Marketingseite gewarnt. Die Entwicklungszeiten für die noch nicht verfügbaren Funktionen kann heute niemand realistisch abschätzen. Ebenso sind die Einsparungen, die durch Einsatz der eigensicheren Feldbustechnik vorhanden sein sollen, zu überprüfen, denn der finanzielle Mehraufwand durch die Feldbusanschaltungen in den Sensoren und Transmittern ist hoch. Die Process I/O versucht diese Lücke zu schließen! Diese Technik verbindet die Anforderungen des Marktes von morgen mit den vorhandenen Feldgeräten von heute. Auf der Feldgeräteseite bleiben die Anschaltkosten gering, die Funktionalität, bis hin zur Kommunikation über das HART®-Signal ist vergleichbar. |
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