Mehr als nur Kommunikation

Dipl.-Ing. Frank Wiedmann, Dipl.-Ing. Klaus Korsten

Heutzutage stellt die digitale Kommunikation ein sinnvolles Transportmittel zur Datenübertragung dar. Will man aber einen zusätzlichen Mehrwert für den Anwender erzeugen, ist es notwendig, Mechanismen zu schaffen, die die erzeugten und zu verwendenden Daten in einer einheitlichen und klar beschriebenen Weise kommunizieren. Überträgt man dies beispielsweise auf den Foundation Fieldbus, zeigt sich recht schnell, wie wichtig es ist, dass das Zusammenspiel aller Teilnehmer am Feldbus geregelt ist. Der Foundation Fieldbus bietet dabei mit der Möglichkeit der feldbasierten Regelung und der Vielzahl unterschiedlicher Funktionsblöcke wesentlich mehr als nur eine einfache Kommunikation zwischen den einzelnen Feldgeräten und einem übergeordneten System.

Die Verlagerung von Funktionsblöcken wie ein PID-Regler oder Totalisator erhöhen nicht nur den Mehrwert der einzelnen Geräte, sondern übergeben Regelfunktionen, die bisher in den Systemen verankert waren, ins Feld. Hierdurch werden Foundation-Fieldbus-Geräte ein fundamentaler Bestandteil einer Regelstrategie. Die einfachsten und in jedem Sensor vorhandenen Blöcke sind Analog-Eingabe-Funktionsblöcke. Ebenso gilt für Aktoren, dass dort mindestens ein Analog-Ausgabe-Funktionsblock vorhanden sein muss. Diese Blöcke stellen, bzw. nutzen nicht nur die Prozessvariablen, sondern erlauben es auch schon, die Variable, die im Prozess ermittelt wird, so anzupassen, dass sie den Bedürfnissen der Regelung gerecht wird. Beispiele hierfür sind Funktionalitäten wie die Skalierung der Prozessvariable und eine mögliche Prozesseinheiten-Konvertierung. Das sind natürlich Funktionen, die man schon von jeher in den Blöcken genutzt hat. Jedoch liegen diese nun nicht mehr im eigentlichen Leitsystem sondern direkt in den Geräten.

Betrachtet man exemplarisch den PID-Regelblock, ist festzustellen, dass der Trend der verteilten Intelligenz das Leitsystem von standardisierten und immer wiederkehrenden Aufgaben entlastet. Diese Aufgabenentlastung ist jedoch nicht der einzige Schritt, der für eine verteilte Intelligenz notwendig ist. Vielmehr ist es ebenso zwingend, die Funktion der Bussteuerung ins Feld zu verlagern, da Prozessvariablen nicht mehr zum Leitsystem kommuniziert werden müssen, sondern vielmehr direkt in einem Regelfunktionsblock eines Aktors oder Sensors verarbeitet werden. Um eine Kommunikation zwischen den Feldgeräten auch dann sicherzustellen, wenn das übergeordnete System ausgefallen ist, muss die Möglichkeit bestehen, dass andere Busteilnehmer – im Normalfall die Feldgeräte – die Funktionalität übernehmen. Hierzu wurde von der Fieldbus Foundation die Funktion des Link Active Scheduler (LAS) definiert.

Der LAS kann in jedem Foundation-Fieldbus-Gerät vorhanden sein. Im Standardfall ist das Leit- oder Automatisierungssystem ein Link Active Scheduler. Sollte er ausfallen, kann jedes weitere Gerät am Feldbus, das die Funktionalität besitzt, seine Aufgaben übernehmen. Dies ist nur möglich, da zum Zeitpunkt der Buskonfiguration alle wichtigen Daten wie die Verknüpfung der Prozessvariablen und der Kommunikationsparameter nicht nur dem aktiven Busmaster mitgeteilt werden, sondern auch allen Geräten, die die LAS-Funktion beinhalten. Sie dienen also als ein Backup in einem Foundation-Fieldbus-System.

Hierdurch wird zwar keine Redundanz für die Hardware geschaffen, jedoch für die Funktionalität der Software. Sollte ein Leitsystem ausfallen, werden wichtige Regelungen, die in die Feldgeräte verlagert wurden, weiter abgearbeitet.

Die Konfigurationssoftware spielt hierbei eine wichtige Rolle. War die Feldbuswelt und somit die Bediensoftware bisher entweder von der eigentlichen Systemsoftware getrennt oder ein integrierter Bestandteil des Systems, sind nun die Systemsoftware und die Buskonfiguration zwingend miteinander verbunden.

Dieser Systemansatz bietet die Möglichkeit, die einzelnen Funktionseinheiten eines Gerätes als getrennte Funktionsblöcke zu betrachten, und dann mit weiteren Blöcken anderer Geräte zu virtuellen Instrumenten zu verknüpfen. Hierfür ist eine Software erforderlich, die eine komplette grafische Umsetzung des Foundation-Fieldbus-Systems mit seinen Funktionsblöcken ermöglicht. Dadurch entstehen intuitive Blockschaltbilder, die das Gesamtsystem repräsentieren. Aber nicht nur die Verknüpfung der Funktionsblöcke, und somit die Festlegung einer Regelstrategie, sind Bestandteil einer feldbasierten Regelung. Genauso wichtig sind die Parametrierung der Geräteeigenschaften sowie das Festlegen zeitlicher Abläufe und Abhängigkeiten. Anhand eines Projektes lassen sich die einzelnen Konfigurationsschritte sehr einfach exemplarisch erläutern.

Abbildung 1 zeigt das Projektfenster einer typischen Applikation, in dem alle im Projekt eingesetzten Geräte und ihre Blöcke aufgelistet sind. Jeder Funktionsblock ist einzeln konfigurierbar, und Einstellungen für Alarmlimits, Prioritäten, Skalierung etc. lassen sich vornehmen. Als Basis hierfür dienen u. a. symbolische und funktionelle Informationen (Menüs und Methoden) aus der vom Gerätehersteller zur Verfügung gestellten Gerätebeschreibung in Form einer DD-Datei (Device Description).

Neben den Funktionsblöcken zur Signalaufnahme und -ausgabe hat die Fieldbus Foundation eine Vielzahl weiterer Funktionsblöcke spezifiziert, die auch komplexe Steuerungs- und Regelungsaufgaben ermöglichen. Jedoch sind keine Extrabaugruppen im System erforderlich, da auch diese als Funktionsblöcke in den Geräten implementiert sind. Die Konfiguration einer Regelung und die Verknüpfung der Funktionsblöcke erfolgt in Form eines Blockschaltbildes (Abb. 2). Die verschiedenen Geräte stellen die Funktionsblöcke zur Verfügung , die erst mit Hilfe der Konfigurationssoftware zu einer Einheit verschmelzen. Üblicherweise existiert eine Vielzahl von Reglern, die in einer komplexen Regelstrategie zusammengefasst werden. Hierfür gibt es parallele Strukturen, die sich auch in unterschiedlicher zeitlicher Abfolge anstoßen lassen. Mit Hilfe grafischer Elemente wie Schleifen sind sie einfach und intuitiv realisierbar.

Bis hierher wurden die Geräte mit ihren Funktionsblöcken entsprechend der Applikation konfiguriert und die für die Regelungen erforderlichen Verbindungen der jeweiligen Funktionsblöcke hergestellt. Um aber solche Regelungen in der Feldebene vornehmen zu können, bedarf es mehr. Die feldbasierten Regelungen müssen zu jedem Zeitpunkt deterministisch stattfinden und eine gezielte zeitliche Abfolge erlauben. Die Regelung des Datentransfers erfolgt durch den Link Active Scheduler (LAS). Er überwacht die komplette Zeitabfolge (Scheduling). Dabei werden der sogenannte Function Block Schedule – die Zeit, die ein Funktionsblock für seine Ausführung benötigt – und der Publishing Schedule unterschieden. Der Publishing Schedule repräsentiert die Zeit, in der die Prozesswerte auf dem Feldbus offen zur Verfügung stehen, bzw. die Übertragungsdauer, die die Prozesswerte zu einem anderen Gerät benötigen. Neben dem aktiven Busmaster erhalten auch alle anderen Geräte mit LAS-Funktionalität diese Information. Da oftmals die Funktionsblöcke verschiedener Geräte verknüpft werden, kann die Ausführung dieser Funktionsblöcke durchaus parallel erfolgen. Im Gegensatz dazu unterbindet der Konfigurator die Überlagerung der Busnutzung und verhindert somit eine Datenkollision auf dem Bus (Abb. 3).

Die bisherige H1-Implementation des Foundation Fieldbus erlaubt einen Datenverkehr mit 31,25 kB/s, was für Anwendungen in der Prozessautomation meist ausreichend ist. Jedoch wird mehr und mehr eine schnellere Datenübertragung gefordert, mit der es auch möglich sein wird, die FF-Technologie auf andere Bereiche auszudehnen. Das war ein wesentlicher Grund für die Fieldbus Foundation, ein auf Ethernet basiertes Protokoll zu spezifizieren. Mit dem so genannten HSE (High Speed Ethernet) Application Protocol sind Datenübertragungsraten von 1 MB/s bis zu 1 GB/s und mehr möglich. Die Feldgeräte werden über HSE-Links angekoppelt (Abb. 4).

Die ersten Prototypen von HSE-Links wurden bereits im letzten Jahr auf der Interkama vorgestellt. Weitere Bestandteile der HSE-Spezifikation sind applikationsbezogene, flexible Funktionsblöcke. Das intelligente Konzept einer feldbasierten Regelung gewinnt zunehmend an Bedeutung. Sowohl Fachdiskussionen als auch bereits erfolgte Erweiterungen der Foundation-Fieldbus-Spezifikation lassen den Schluss zu, dass der Foundation Fieldbus in immer mehr industrielle Anwendungen verschiedenster Bereiche vordringen wird.

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