MESSEN - STEUERN -REGELN - AUTOMATISIERUNG IN DER PRODUKTION

Ausgabe 3/96 vom 1. Juni 1996

Bussysteme:

Warum Feldbustechnik ?

Konventionell werden Sensoren und Aktoren über ein analoges 4-20 mA Signal mit einer Steuerung oder Auswerteeinheit verbunden. Für jede Verbindung zwischen Sensor oder Aktor und der Steuerung ist bei dieser Technik ein 2-adriges Kabel notwendig. Zusätzlich muß für jeden Sensor und Aktor eine Ein- bzw. Ausgangschaltung (I/O) in der Steuerung (meist SPS oder PC) vorgesehen werden (Abb.1a).
Ganz anders sieht das Bild bei Einsatz eines Feldbussystems aus (Abb. 1b). Alle Geräte werden hier an ein Buskabel (je nach Feldbussystem 2,4, oder 5-adrig) angeschlossen. An Stelle der Ein- / Ausgangsschaltungen wird eine Interface-Karte eingesetzt. Das spart I/O-Karten, reduziert den Platzbedarf im Schaltschrank und senkt die Kosten für die Verdrahtung nachhaltig.
Bei konventionellen Systemen können Informationen (z.B. Meßwerte oder Störungssignal) nur in sehr eingeschränktem Maße in eine Richtung übertragen werden. Also nur vom Sensor zur Steuerung bzw. von der Steuerung zum Aktor. In einem Feldbussystem lassen sich hingegen über den digitalen Bus Informationen bidirektional austauschen. Neben den eigentlichen Prozeßdaten wie Meßwerte (z.B. Temperatur) und Steuergrößen (z.B. Drehzahl) können auch Parameter wie Meßbereich, Meßstellenkennzeichen (TAG), Filtereigenschaften, Wartungs- oder Störsignale, etc. übertragen werden. Die Vorteile, die sich daraus ergeben liegen auf der Hand. Die Inbetriebnahme und Wartung wird vereinfacht und die Flexibilität der Anlage (z.B. durch zentrale Meßbereichsumschaltung) verbessert. Auch hieraus lassen sich in aller Regel Kostenvorteile gegenüber konventionellen Lösungen ableiten.

Abb. 1: Konventionelle Installation (oben) und Feldbusistallation (unten)

Erfolgspotential Feldbus, auch ohne Standard

Die unterschiedlichen Anforderungen an Feldbussysteme, die Vielzahl der technischen Lösungsmöglichkeiten und letztendlich auch unternehmenspolitische Aspekte haben bis heute zu einer großen Anzahl an unterschiedlichen Feldbussen geführt und einen einheitlichen internationalen Standard verhindert.
Der Zeit bemüht sich der Interessenverband Fieldbus Foundation zwar um die Definition eines allgemein gültigen Standards. Wann und mit welchen Ergebnissen die Aktivitäten der Fieldbus Foundation abgeschlossen werden ist gegenwärtig noch nicht abzusehen.
Viele Fachleute bezweifeln inzwischen ein ernsthaftes Interesse der Gerätehersteller an einer einheitlichen Lösung und geben über dies zu bedenken, daß die unterschiedlichen Anforderungen ohnehin kaum über nur ein System zu befriedigen sind.
Unternehmen, die auf die Einführung einer allgemein anerkannten internationalen Norm warten, werden bis dahin wertvolle Erfolgspotentiale verschenken, zumal sich schon heute individuell, zukunftssichere Konzepte realisieren lassen. Hätte eine Firma z.B. die Einführung von EDV in den ´80 Jahren vom vorhandensein eines standardisierten Betriebssystems abhängig gemacht, so wäre diese Firma auch heute noch ohne EDV und damit sicherlich ohne Erfolgschancen im Wettbewerb.

Anforderungen und Systemlösungen

Nachfolgend sollen einige Anmerkungen zu unterschiedlichen Feldbussystemen den Einstieg und die Orientierung erleichtern.
Von zentraler Bedeutung bei der Bewertung von Feldbussystemen ist das OSI Referenzmodel Abb.2 (häufig auch als OSI 7-Schichtmodel bezeichnet), da alle mir bekannten Feldbusse nach dem OSI Referenzmodel aufgebaut sind und dieses so zu sagen den kleinsten gemeinsamen Nenner darstellt. Bei Feldbussen sind i.a.R. nur die Schicht 1 (physical layer), die Schicht 2 (datalink layer) und die Schicht 3 (application layer) von Bedeutung. Eine Ausnahme bildet LON und P-NET. Bei LON sind alle 7 Schichten ausgeprägt. Bei P-NET finden die Schichten 1,2,3,4 und 7 Anwendung.
Die Spezifikationen gehen für die verschiedenen Busse unterschiedlich weit. So wird beispielsweise bei ASI für die Physikalische Schicht (Schicht 1) neben den elektrischen Eigenschaften der Schnittstelle auch das Kabel, die Anschlußtechnik und der mechanische Aufbau festgelegt. Andere Spezifikationen lassen hier mehr Freiheitsgrade oder alternative Lösungen zu. Insbesondere auf der für die Praxis so wichtigen Anwenderschicht (Schicht 7) gehen die Definitionen sehr unterschiedlich weit und werden bei einigen Systemen durch Profile ergänzt.

Abb.2: OSI-Referenzmodel

CAN, DeviceNet, SDS, CAL und CANopen

CAN steht für Controler Area Network und würde von den Firmen Bosch und Intel ursprünglich als Bussystem für Fahrzeuge (Autobus) entwickelt. Inzwischen hat sich CAN aber auch im Bereich der Automatisierungstechnik als Feldbus bewährt. Wie praktisch alle Feldbusse setzt auch CAN auf dem OSI 7-Schichtmodel auf. CAN ist nur für die OSI Schichten 1 und 2 in der ISO 11898 genormt. Die "fehlende" Anwenderschicht wird durch die auf CAN aufsetzenden Schicht 7 Protokolle DeviceNet, SDS, CAL und die CANopen Profile definiert. Durch den hohen Bedarf an CAN-Kommunikationschips in der Automobilindustrie unterliegen CAN-Knoten einem starken Wettbewerb, was sich durchweg positiv auf den Preis und die Innovationsgeschwindigkeit auswirkt.
Bedingt durch das Zugriffsverfahren CSMA/CA und einer objektorientierten Adressierung lassen sich mit CAN besonders effektiv sehr leistungsfähige ereignisgesteuerte Systeme aufbauen. In dem Multimaster System CAN können Daten direkt zwischen beliebig vielen Teilnehmern ausgetauscht werden.
Die technischen Besonderheiten, geringe Kosten für die CAN-Kommunikationschips und die starken Nutzerorganisationen, CiA ("Dachverband") und ODVA (für DeviceNet), sind auch künftig ein sicherer Garant für hohe Marktpräsens und ein breites Produktangebot.

PROFIBUS, P-NET, FIP

Die Feldbusse PROFIBUS, P-NET und FIP zählen zu den Universalbussen, die einen relativ breiten Bereich der in MSR-Anlagen auftreten Kommunikationsaufgaben verarbeiten können. Alle drei Systeme sind in die EN50170, als alternative Universalbusse für die prozeßtechnische Anwendung, eingehgangen.

INTERBUS-S, ASI

Auf der untersten Ebene des Hierarchiemodells der Automatisierung (Abb.3) werden besondere Anforderungen an ein Kommunikationssystem gestellt. Anschaltkosten, Echtzeitfähigkeit und kurze Zykluszeiten sind von besonderer Bedeutung. Die zu übertragenden Daten, meist Meß- oder Steuerwerte sind typischerweise nur wenige Bits lang. Auf diese speziellen Anforderungen ist der in DIN E 19258 genormte INTERBUS-S mit seinem Summenrahmen-Protokoll spezialisiert. Mit einer Taktrate von 500 Kbit/s und einer Netto Datenrate von ca. 50% lassen sich auch zeitkritische Steuerungen über ein Bussystem realisieren. Mit ca. 1.000.000 INTERBUS-S Knoten, die weltweit im Einsatz sind, zählt das System mit zu den führenden Feldbussystemen. In einigen Bereichen, wie z.B. der Vernetzung von Frequenzumrichtern und in der Antriebstechnik kann sogar von einer Marktführerschaft ausgegangen werden.
Das Aktuator-Sensor-Interface ASI ist noch weiter spezialisiert. Über ein sehr einfaches Protokoll mit nur 4 Datenbit langen Telegrammen ist ASI auf die Übertragung der Daten binärer Sensoren und Aktoren spezialisiert. In vielen Automatisierungsprozessen wir überwiegend mit solchen schaltenden Elementen gearbeitet.

Abb.3: Ebenen des Herachiemodells der Automatisierung

"DIN-Meßbus"

Eine weitere deutsche Entwicklung ist der in DIN 66348 genormte "DIN-Meßbus". Der "DIN-Meßbus" wurde konzipiert als Schnittstelle für die industrielle Meß- und Prüftechnik, Fertigungsüberwachung, rechnergesteuerte Qualitätssicherung sowie zur Betriebs- und Maschinendatenerfassung. Insbesondere erfüllt er die Anforderungen an eichpflichtigen Meßeinrichtungen.

LON

Das LON-Konzept wurde von der Firma Echelon entwickelt und hebt sich durch einige Besonderheiten von den übrigen Bussystemen ab. So wird für den Buszugriff bei LON eine Variante des CSMA verwendet. Nur der CAN-Bus verwendet in der Welt der Feldbusse auch eine Variante dieses Zugriffsverfahrens. Alle anderen Systeme arbeiten nach dem Master-Slave-Prinzip, bzw. einer Kombination aus Master-Slave und Token Passing (z.B. Profibus). Der Vorteil des Master-Slave-Prinzips liegt in der berechenbaren Reaktionszeit, der Echtzeitfähigkeit. Der Vorteil des CSMA-Verfahren ist vor allem in der wesentlich effizienteren Kommunikation zwischen zwei oder mehreren Teilnehmern zu sehen. Das liegt daran, daß kein Polling (zyklisches Anfragen aller Meßstellen durch die Masterstation) notwendig ist und Daten zwischen Geräten immer direkt ausgetauscht werden können. Also nicht, wie beim Master-Slave-Systemen über den Master weiter verteilt werden müssen.

Eine weitere Besonderheit von LON ist, daß alle 7 Schichten des OSI-Referenzmodels ausgeprägt sind und LON unabhängig vom Übertragungsmedium arbeitet. LON bittet so die Voraussetzungen für komplexe Netzwerkstrukturen, die z.B. insbesondere in der Gebäude und Haustechnik entscheidend sind, aber auch in vielen industriellen Automationssystemen Vorteile mit sich bringen können.

HART

HART wird primär nicht als Feldbus eingesetzt sondern als Kommunikatiionsschnittstelle zu "intelligenten Feldgeräten" die Meßwerte bzw. Steuersignale über eine analoge 4-20 mA Schnittstelle versenden bzw. empfangen. Über HART wird auf dieses 4-20 mA Signal ein Frequenzsignal moduliert das die analoge Signalübertragung nicht beeinflußt, aber dennoch eine bidirektionale Kommunikation mit dem Feldgerät ermöglicht. Im Multidrop Modus können auch über HART bis zu 16 Geräte an einer 2-adrigen Busleitung betrieben werden. Aufgrund der niedrigen Übertragungsrate (ca. 2 Meßwerte pro Sekunde) kommen solche Anordnungen aber nur in Anwendungen mit großer Zeitkonstante vor.

Information und Beratung als Schlüssel zum Erfolg

Mit der Entscheidung für den Einsatz eines Feldbussystems sind schnell Investition in 6- bis 7-stelliger Größenordnung verbunden. Solch eine Entscheidung vorzubereiten ist mit einem erheblichen Arbeitsaufwand verbunden, der durch die Inanspruchnahme einer auf Feldbustechnologie spezialisierten Consulting Firma wie der BestWeb GmbH deutlich reduziert werden kann. Technische und wirtschaftliche Aspekte aber auch firmen- und marktpolitische Faktoren müssen zur Investitionssicherung berücksichtigt werden, denn nicht immer setzen sich die technisch Besten und preiswertesten Lösungen auch am Markt durch. Die Entscheidungssicherheit, die eine gute Beratung oder der Besuch eines geeigneten Seminarangebotes bringt, zahlt sich meist schnell aus.
Studien [1] und praktische Erfahrungen zeigen, das in vielen MSR-Anlagen durch den Einsatz von Feldbustechnologie erhebliche Kostenvorteile gegenüber konventionellen Lösungen erzielt werden. Unternehmen die diese Kostenvorteile nicht rechtzeitig nutzen verschenken wertvolle Erfolgspotentiale und gefährden mittelfristig ihre Wettbewerbsfähigkeit.

Literatur: [1] VDI Bericht 1144, J.Rathje [2] Bussysteme in der Automatisierungstechnik, Gerhard Schnell (Hrsg.) [3] Einsatz von Feldbussystemen, VDMA [4] Feldbus-Systeme, Karl Walter Bonfig und 7 Mitautoren [5] Prozeßleittechnik, M.Polke [6] DIN 66348 [7] DIN E 19258 [8] ISO 11898 [9] ISO 7498 [10] DIN 19245 [11] HART Feld-Kommunikationsprotokoll, HART Communication Foundation Weiter Informationen über

Dipl. Ing. Christian Eilmes, Jahrgang 1964, studierte von 1985-1991 Physikalische Technik an der Fachhochschule Wedel, noch während des Studium begann er bei der IMC Data Systems GmbH mit der Entwicklung von rechnergestützten Meß- und Warnsystemen. Danach war er bei der Drägerwerk AG in Lübeck als Produkt- und Marketingmanager im Bereich Stationäre Gaswarntechnik beschäftigt. Der Aufgabenschwerpunkt lag hier bei der Betreuung und Vermarktung von Auswertesystemen und Gasmeßgeräten mit Feldbus und Kommunikationsschnittstellen. Im Oktober 1995 gründete er die BestWeb GmbH, um sich als Selbständiger ganz auf Schulungen, Beratungen und Planungen im Bereich Feldbustechnik und Onlinedienste konzentrieren zu können.

Hompage