Feldbus-Integration via Ethernet

Dr. Hans Endl

Moderne Feldbussysteme sind weit mehr als nur serielle Kommunikationspfade. Feldbusse bilden das Nervensystem verteilter Automatisierungsanlagen und müssen deshalb nicht nur Kommunikationsfunktionen bereitstellen, sondern auch Lösungen für das gesamte Engineering und den Betrieb eines verteilten Systems anbieten. Am Beispiel wird die Aufgabenstellung in verteilten Systemen deutlich (Abb. 1). Ein Messwert wird von einem Analogsensor aufgenommen und dient dann einem PID-Regler als Prozessgröße, der damit einen Aktuator, z. B. ein Stellventil, ansteuert.

Wenn die drei Funktionsblöcke des kleinen Systems in der Anlage verteilt und über einen Feldbus verbunden sind, benötigt man eine ganze Reihe von Funktionen:

• Die Ein- und Ausgänge der Funktionsblöcke müssen sich über geeignete Managementfunktionen verschalten lassen

• Die Funktionsblöcke sind zyklisch, aber innerhalb eines Zyklus in einer bestimmten Reihenfolge abzuarbeiten

• Entsprechend der Verschaltung müssen die Funktionsblöcke, die Daten produzieren, zum richtigen Zeitpunkt ihre Daten publizieren, damit sich diese Daten weiterverarbeiten lassen

• Für die Interoperabilität unterschiedlicher Geräte ist eine Standardisierung der Funktionsblöcke und Anwendungsprofile notwendig

• Um mit einem Engineering-Tool verschiedene Geräte projektieren und parametrieren zu können, müssen die Funktionen der Geräte in einer standardisierten Gerätebeschreibung dokumentiert werden

Moderne Feldbussysteme bieten Lösungen für diese Aufgaben, während Ethernet zunächst nur die beiden untersten Schichten des ISO-Referenzmodells abdeckt und man mit IP und TCP bzw. UDP auch nur bis zur Schicht 4 kommt. Die Objektmodelle, die Applikationsprotokolle, die Profildefinitionen und die Engineeringkonzepte der Feldbussysteme leisten aber viel mehr. Deshalb versuchen Feldbusorganisationen und Hersteller die bestehenden Konzepte auch bei Ethernet-basierten Kommunikationssystemen weiter zu verwenden. Das führt zur Inkompatibilität der momentanen Lösungen.

Es gibt drei Protagonisten: Rockwell und die ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) mit Ethernet/IP, die IDA (Interface for Distributed Automation), eine Gruppe mit Schneider als großem Automatisierungshersteller, sowie Siemens und die PNO (Profibus Nutzerorganisation) mit Profinet. Obwohl die ersten beiden Gruppierungen unter dem Dach der Iaona (Industrial Automation Open Networking Alliance) zusammenarbeiten, unterscheiden sich ihre technischen Lösungen deutlich. Zudem gibt es eine vierte Lösung, die speziell auf Prozessautomatisierung abgestimmt ist: High Speed Ethernet (HSE) der Fieldbus Foundation.

Die Spezifikation des Foundation Fieldbus (FF) begann 1994 mit dem Zusammenschluss der beiden Konsortien Interoperable Systems Project (ISP) und WorldFIP zur Fieldbus Foundation. Beide hatten sich zum Ziel gesetzt, die zunächst rein auf die Steuerungstechnik ausgerichteten Feldbusse Profibus (ISP) bzw. FIP (WorldFIP) für die Verwendung in der Prozessautomatisierung zu erweitern. Dies tat man nun gemeinsam und setzte dabei auf eine Kombination von Bewährtem und Neuem. Für den Physical Layer und Data Link Layer wurden die bis dahin in der IEC spezifizierten Lösungen (IEC 61158) übernommen; als Application Layer kam Profibus FMS zur Verwendung und Hart steuerte die Device Description Language bei. Neu hinzu kamen System Management und vordefinierte Funktionsblöcke für die Verfahrenstechnik.

Die ersten Implementierungen für FF realisierten die mit 31,25 kBit/s langsame aber für den prozessnahen Bereich ausreichende H1-Variante der IEC 61158-2. Die H2-Varianten mit 1 und 2,5 MBit/s sollten bald folgen, es gab jedoch keine Asics für die erforderliche Hardware-Unterstützung des Protokolls. Zu diesem Zeitpunkt wurde immer intensiver der Einsatz von Ethernet und TCP/IP in der Automatisierungstechnik diskutiert. Deshalb entschied sich die Fieldbus Foundation 1998 für die zusätzliche Spezifkation eines Ethernet-basierten Protokolls, das man in der Fertigungsautomatisierung, als Backbone für H1-Netze und als reinen Ethernet-basierten Feldbus einsetzen kann.

Mit der Spezifikation von High Speed Ethernet (HSE) hat die Fieldbus Foundation ihre Systemarchitektur konsequent und durchgängig in Richtung Ethernet erweitert. Hier tritt nicht Ethernet gegen den Feldbus an. Damit wird die eigensichere H1-Variante, die sich für den Feldbereich gut eignet, zur Systemseite hin durch die auf Ethernet basierende HSE-Variante ergänzt. Dienste und Objektmodell sind bei beiden Lösungen identisch und die Netzübergänge bleiben für den Anwender transparent.

Bei FF-HSE gibt es vier verschiedene Klassen von Geräten (Abb. 2). Host Devices sind PCs oder Leitsysteme mit Ethernet-Anschluss, die selbst keine Funktionsblöcke oder Managementobjekte gemäß FF-Spezifikation enthalten, aber über Ethernet mit HSE-Geräten kommunizieren. Weiterhin kann es einen Time Publisher geben, der über das Simple Network Time Protocol (SNTP) die systemweite Uhrzeit verteilt.

Neben Foreign-I/O-Gateways zu Feldbussen gibt es Ethernet Devices, die direkt ans Ethernet angeschlossen werden. Als standardisierte Applikationen solcher Geräte sind 21 Funktionsblöcke fester Funktionalität definiert. Es gibt aber auch – und dies ist besonders für HSE interessant – Multiple I/O Blocks, die modulare Klemmensysteme abbilden, und Flexible Function Blocks, die nach IEC 61131 frei programmierbar sind und somit eine SPS als Ethernetkomponente ins HSE-Netz integrieren (Abb. 3).

So genannte Linking Devices sind Gateways zwischen FF-HSE und FF-H1. Ein Linking Device wie das von Softing wird an einem Ethernet angeschlossen und bedient mehrere H1-Segmente. Es fungiert sowohl als Bridge zwischen den angeschlossenen H1-Segmenten wie auch als Gateway zwischen den H1-Geräten und den am Ethernet betriebenen Geräten. Zusätzlich kann es eine eigene Funktionsblockapplikation enthalten und damit eigene Verarbeitungsfunktionen im verteilten System übernehmen. Das zur Hannover Messe 2001 vorgestellte FF Linking Device von Softing koppelt vier H1-Segmente an HSE an (Abb. 4). Das Gerät eignet sich für Hutschienenmontage und benötigt eine Versorgungsspannung von 24 V. Bei der Spezifikation und der Realisierung der FF-Technologie waren u. a. deutsche Institute und Firmen beteiligt, z. B. das Fraunhofer-Institut für Informations- und Datenverarbeitung (IITB) in Karlsruhe, das Institut für Automation und Kommunikations e.V. (Ifak) in Magdeburg sowie die Softing AG.

Bei der Spezifikation von HSE setzte man auf bestehende Protokolle. Deshalb werden viele Protokolle der IP-Protokoll-Suite verwendet, wie TCP und UDP als Transport-Protokolle, IP als Network-Protokoll, SNTP zur Uhrzeitsynchronisierung und SNMP zum Management von Ethernet-Geräten. Damit unterscheidet sich HSE bis zur Schicht 4 nicht von den anderen Ethernet-basierten Automatisierungskonzepten wie Profinet, Ethernet/IP oder IDA. Der Unterschied liegt allein im Applikationsprotokoll. Hier verwendet HSE aus Gründen der Kompatibilität mit H1-Segmenten das von Profibus bekannte FMS-Protokoll, wobei FMS-Dienstaufrufe über einen FF-spezifischen Remote-Procedure-Call-Mechanismus übertragen werden. Natürlich stehen auch bei FF-HSE die von FF-H1 bekannten und bewährten Funktionen des System Management und Network Management zur Verfügung, die online das komplette Engineering aller im System vorhandenen Geräte ermöglichen.

Der Foundation Fieldbus ist ein in erster Linie auf die Bedürfnisse der Prozessautomatisierung ausgerichtetes Kommunikationssystem, das in seiner Funktionalität weit über einfache Feldbusse hinausgeht. Mit High Speed Ethernet bietet der Foundation Fieldbus auch auf Ethernet eine überzeugende Lösung mit einer durchgängigen Kommunikation bis zu den H1-Feldgeräten an. Damit gibt es für die Prozessautomatisierung eine ganz eindeutige Präferenz, was Industrial Ethernet betrifft, während man sich für die Fertigungsautomatisierung wohl auf die Koexistenz mehrere Lösung einstellen muss.

E cav 230