Feldbus im Blick

Dipl.-Ing. Tim-Peter Henrichs

Während viele Anlagenbetreiber Leitsystemkomponenten, Feldgeräte oder Motoren heute schon in einem Asset-Management-System erfassen, wird die Infrastruktur zur Verbindung von Feldgeräten und Leitsystemen – der sogenannte Physical Layer – meist ausschließlich dokumentiert. Als typischer Physical-Layer-Hersteller hat Turck die Herausforderungen des Asset Managements früh erkannnt und sein Produktportfolio um „verwaltbare“ Lösungen in den Bereichen Interface und eigensicheres Remote I/O erweitert.

Um das Spektrum verwaltbarer Physical-Layer-Komponenten zu komplettieren, hat der Sensor-, Feldbus- und Interfacespezialist nun auch eine Lösung für die Bus-to-Bus-Kommunikation – also die Feldbustechnik – entwickelt. Dieses System basiert nicht nur optisch auf dem eigensicheren Remote I/O excom, sondern auch auf dessen Diagnosefunktionalitäten. Schon im Remote I/O hat Turck Wert darauf gelegt, dass die Diagnose-informationen auf standardisierten Wegen dem übergeordneten System übermittelt werden. Der Endanwender kann die Informationen über Profibus auswerten oder sich grafisch aufgearbeitet über einen von der FDT Group zertifizierten DTM darstellen.

Das Foundation Fieldbus Diagnostic Power Conditioner System (DPC) ist in der Lage, langfristig Störungen wie beispielsweise Jitter oder Rauschen in Foundation-Fieldbus-Segmenten zu erkennen. Mit der Möglichkeit, Fehlerquellen schnell lokalisieren zu können, unterstützt das DPC-System den Anwender zudem bei der Inbetriebnahme einer Feldbusanlage. Mit einer entsprechenden Alarmierung lassen sich feldbusbedingte Störungen oder sogar Ausfälle damit vollständig vermeiden.

Das DPC-System speist primär bis zu 16 Segmente redundant mit jeweils maximal 800-mA-Ausgangsstrom und 30-VDC-Ausgangsspannung. Damit lassen sich in der Praxis auch Long-Distance-Segmente bis zu 1900 m realisieren. Die Diagnoseeinheit ADU (Advance Diagnostic Unit) nimmt rückkopplungsfrei das Feldbussignal mit seinen Charakteristiken auf. Um dies zu gewährleisten, wurde eine allseitige galvanische Trennung realisiert. Schließlich wäre es nicht sinnvoll, den Bus zu diagnostizieren und gleichzeitig eine neue Fehlerquelle einzubauen. Daher ist es wichtig, konsequent nicht nur die einzelnen Segmente untereinander galvanisch zu trennen, sondern diese Trennung auch zwischen den Segmenten und der Energieeinspeisung, zwischen den Segmenten und der ADU und auch zwischen den Segmenten und dem Bussystem, das die Diagnosedaten zum übergeordneten System übermittelt, zu garantieren. Die Rohdaten der ADUs werden an einer zentralen Stelle zu verwertbaren Diagnosedaten weiterverarbeitet, so dass lediglich eine Diagnoseschnittstelle für die Informationen aller angeschlossenen Segmente notwendig ist.

Um eine sichere Übertragung der ermittelten Diagnosedaten an das übergeordnete System zu gewährleisten, darf nicht der Foundation Fieldbus H1 verwendet werden. Zum einen sollen ja gerade in den H1-Segmenten Fehler aufgedeckt werden, zum anderen würde die Vielzahl an Diagnoseinformationen über jedes H1-Segment die begrenzte Bandbreite von 31,25 kBit/s unnötig auslasten. Turck setzt deshalb auf High Speed Ethernet (HSE) als separaten Diagnosebus.

Dabei ändert sich nicht das Protokoll, sondern nur der Physical Layer. Heute wird Foundation Fieldbus High Speed Ethernet als Schnittstelle ins Leitsystem genutzt, um sehr viele H1-Segmente, die durch Linking Devices auf HSE umgesetzt werden, über eine Schnittstellenkarte an das Leitsystem anzuschließen. Ein zweites Einsatzgebiet ist der Anschluss von HSE Linking Devices an Asset-Management-Systeme. In diesem Fall werden nur die Diagnosedaten, Alarme und die Parametrierdaten aus den H1-Segmenten ausgekoppelt und über HSE an das Asset-Management-System übertragen. So kann das Asset-Management-System über eine Standard-Ethernet-Schnittstelle alle Daten mit den einzelnen Foundation-Fieldbus-Feldgeräten austauschen.

Die Schnittstelle zum Asset Management im Diagnostic Power Conditioner System ist ein HSE Field Device. Dieses ist im wahrsten Sinn ein Feldgerät, dessen Sensoren als ADUs bezeichnet werden. Auch dieses Feldgerät besitzt Foundation-Fieldbus-Funktionsblöcke, in dem die einzelnen Diagnosewerte abgebildet werden. Somit lassen sich die Physical-Layer-Diagnosedaten über die gleiche Blockbibliothek an das übergeordnete System übertragen wie schon seit Jahren von Druck-, Temperatur-, Füllstand- oder Durchflußtransmittern bekannt. Die Segment-Diagnosedaten werden über das gleiche Protokoll, aber über einen separaten Bus (HSE) an das übergeordnete System übermittelt. Da die Segmentdiagnose von einem HSE Field Device bereit gestellt wird, erfolgt die Übermittlung der Werte über Standard-Funktionsblöcke, die Alarmierung durch Standard-FF-Alarme. Das DPC-System kann einfach über Standard-Ethernet-Komponenten angebunden werden, so dass eine vorhandene Ethernetstruktur für die Segmentdiagnose einsetzbar ist. Dank des Ethernet- einsatzes sind weder die Anzahl anzuschließender HSE Field Devices noch die Länge von HSE limitiert.

Bei einem digitalen Bus kann viel gemessen werden. Um den Anwender nicht vom Wesentlichen abzulenken und langfristig Schwachstellen aufdecken zu können, sind die einzelnen Werte in unterschiedliche Gruppen unterteilt. Generell liefert das DPC-System Diagnosedaten aus drei Bereichen:

Der Schwerpunkt liegt auf der Diagnose des Foundation Fieldbus H1. Die Ergebnisse werden in die Gruppen „Elektrische Messwerte“ und „Kommunikations-Messwerte“ unterteilt. Zur ersten Gruppe zählen Jitter, Rauschen, Welligkeit und Signalamplitude, die Aufschluss über die Güte eines Segmentes geben. Diese „elektrischen Messwerte“ ändern sich meist während der Laufzeit von Anlagen (meist über 20 Jahre) und weichen dann von den Werten während und nach der Inbetriebnahme ab. Das zuverlässige Erkennen dieser Abweichungen ist die Hauptaufgabe des DPC-Systems. Es kann nicht nur den Gutzustand eines Segmentes während der Inbetriebnahme ermitteln, sondern beobachtet kontinuierlich die Vielzahl an Messwerten jedes einzelnen Segmentes. Ähnliches gilt auch für die Kommunikationsparameter. So erkennt das DPC-System, ob die Anzahl an Frame Errors und Token Sequence Errors steigt. Für den Anlagenbetreiber ist es zudem hilfreich, online zu sehen, ob noch genügend freie Kommunikationszeit für ein weiteres Feldgerät auf einem Segment vorhanden ist.

Alle relevanten Werte – auf Wunsch noch deutlich mehr – kann sich der Anlagenbetreiber online über eine Device Description (DD) oder einen DTM anzeigen lassen. In der Praxis wird allerdings niemand alle Segmente auf deren Güte überprüfen oder sich mit ihren Charakteristika beschäftigen wollen. Diese Aufgaben übernimmt das HSE Field Device im DPC-System. Es überwacht alle Segmente und generiert bei einer Grenzwertverletzung einen Vor- oder Hauptalarm, so dass der Anlagenfahrer durch einen Standard-FF-Alarm über eine Veränderung im Physical Layer frühzeitig informiert wird. In den Blöcken sind bereits sinnvolle Alarmgrenzen hinterlegt, die jederzeit vom Wartungsteam ediert werden können. Das HSE Field Device übermittelt nicht nur die Diagnosewerte, sondern wertet das von der ADU aufgenommene Bussignal aus, bildet die Diagnoseinformationen und bewertet diese. Damit sind die einzelnen Daten aufbereitet und werden über eine Standard-Kommunikation (Foundation Fieldbus High Speed Ethernet) an das übergeordnete System übermittelt.

Um dem Betreiber die nicht triviale Feldbusdiagnose anschaulich zu machen, werden die einzelnen Werte und Parameter über einen von Turck entwickelten HSE Field Device DTM grafisch dargestellt. Dieser kann in den unterschiedlichsten FDT Frames dargestellt werden. FDT Frames lassen sich als Stand-alone-Tools nutzen oder in modernen Asset-Management-Systemen verankern. Der DTM ermöglicht die Off- und Online-Parametrierung, eine Darstellung der einzelnen Messwerte und die Visualisierung der unterschiedlichsten Statistiken über Tortendiagramme.

cav 402

Gerätebeschreibung Power Conditioner

Hannover Messe

FDT-Tool Field Device Group