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Industrielle Kommunikation: HART-Geräte für Feldbusse ertüchtigen

Eine in Geräte integrierbare und über ein Skript konfigurierbare Feldbus-Schnittstelle ermöglicht eine kostengünstige Aufrüstung zum Beispiel von analogen Messumformern mit HART-Interface auch für den Betrieb an Foundation Fieldbus und Profibus PA.

Konfigurierbare Feldbus-Schnittstelle, Softing Bildquelle: © Softing

Bereits vor 25 Jahren begann die Branche, Feldbusse für die speziellen Anforderungen der Prozessautomatisierung zu entwickeln. Foundation Fieldbus H1 und Profibus PA nutzen den ‚Manchester Bus-Powered‘ (MBP) genannten Physical Layer nach IEC 61158-2 Type 1. Dieser ermöglicht ebenso wie die analoge 4- bis 20-mA-Stromschleife eine Fernspeisung der Geräte und lässt die Entwicklung eigensicherer Geräte für explosionsgefährdete Bereiche zu.

Obwohl die digitalen Kommunikationsprotokolle funktional sehr mächtig sind und in der Anwendung viele Vorteile bieten, kommen nur in einem kleinen Teil der Anlagen Feldbusse zum Einsatz. Die Gründe für deren mangelnde Akzeptanz sind vielfältig: Die Leitsysteme nutzen nur die Prozesswerte und nicht die umfangreichen Diagnose- und Parametriermöglichkeiten digitaler Feldgeräte. Auch werden auf intelligenten Feldgeräten basierende Konzepte wie ‚Control in the Field‘ von den Leitsystemen nicht unterstützt. Deshalb sehen die Anwender auf der einen Seite kaum Vorteile im Einsatz von Feldbussen, während sie auf der anderen Seite nicht selten unter deren Komplexität bei Inbetriebnahme, Fehlersuche und Gerätetausch leiden. In Zukunft könnte sich das Blatt allerdings wenden, zumal Industrie 4.0 und daraus resultierende Konzepte wie ‚Namur Open Architecture‘ den Fokus auf die umfangreichen Daten legen, welche digitale Feldgeräte für Diagnose und Asset Management bereitstellen. Wie auch immer: Fakt ist, dass heute noch mindestens drei Viertel der neu installierten Messumformer und Stellungsregler mit der ‚guten alten‘ 4- bis 20-mA-Stromschleife ausgerüstet sind. Deshalb besitzen die Standardversionen der Feldgeräte in der Regel diese analoge Schnittstelle, die meist noch um ein HART-Interface für die Parametrierung ergänzt wird. Zusätzlich gibt es häufig herstellerspezifische Schnittstellen für Parametrierung und Diagnose.

Trotzdem werden auch neue und teilweise sehr große Anlagen in Feldbus-Technologie errichtet, was die Gerätehersteller zwingt, auch für dieses Marktsegment ein Angebot im Portfolio zu haben. Dazu sind wiederum die analoge Stromschnittstelle und das HART-Modem durch ein digitales Feldbus-Interface zu ersetzen, was entsprechende Entwicklungsaufwände für Hard- und Software erfordert.

Für die Generierung und den Empfang des Manchesterkodierten Übertragungs-signals und für die korrekte Einhaltung der Bustimings ist ein spezieller Feldbus-Controller nötig. Weiterhin ist eine sogenannte Medium Attachment Unit für die Signalmodulation, welche über eine Veränderung des eigenen Strombezugs realisiert wird, sowie für die Auskopplung der Versorgungsenergie aus dem Bus zuständig. Bei einfachen und kostengünstigen Sensoren ist es üblich, die Feldbus-Schnittstelle an den Mikrocontroller des Geräts anzubinden, was aber eine Portierung der sehr komplexen Feldbus-Protokollsoftware auf die Geräte-Architektur erfordert. Der einfachere Weg besteht darin, ein Feldbus-Interface mit eigenem Mikrocontroller zu entwickeln, welches optimal auf den Protokoll-Stack abgestimmt ist, oder das Feldbus-Interface komplett mit Firmware von einem der darauf spezialisierten Anbieter zu beziehen. So ist auch die Rückwirkungsfreiheit zwischen Geräte-Applikation und Feldbus-Kommunikation gewährleistet, da beide Komponenten zeitkritische Funktionen enthalten.

Mit der Hardware-Entwicklung alleine ist die Aufgabe jedoch noch nicht gelöst. Foundation Fieldbus und Profibus PA spezifizieren nicht nur das Kommunikationsverhalten auf dem Feldbus, sondern auch viele Aspekte der Anwendung, die in den Feldgeräten läuft. Dabei nutzen beide Feldbusse sehr ähnliche Funktionsblockmodelle, wobei drei Kategorien von Blöcken zu unterscheiden sind:

  • Generische, das heißt auf jedem Gerät identisch implementierte Funktionsblöcke realisieren die Eingabe- und Ausgabefunktionen für die Prozessgrößen sowie bestimmte Steuerungs- oder Verarbeitungsfunktionen wie PID-Regler oder Totalizer. So hat ein Analog-Input-Block, der den Messwert liefert, einen festen Satz von Parametern – egal ob es sich um einen einfachen Temperatursensor oder einen komplexen Radarfüllstandsmesser handelt. 
  • Parameter, die vom Messprinzip abhängen oder spezielle Funktionen eines Feldgeräts steuern beziehungsweise zur Verfügung stellen, werden über Transducer-Blöcke abgebildet. Zu jedem Eingabe- oder Ausgabefunktionsblock gehört mindestens ein Transducer-Block, der den Prozesswert bei Sensoren generiert oder bei Aktoren verarbeitet. Weiterhin lassen sich Transducer-Blöcke zum Beispiel für den Zugriff auf Diagnosefunktionen oder die lokale Bedienschnittstelle benutzen.
  • Weiterhin hat jedes Feldgerät genau einen Resource Block (Foundation Fieldbus) oder Physical Block (Profibus PA), der den Zugriff auf bestimmte Gerätedaten wie Hersteller-ID, Seriennummer, Versionsstand usw. ermöglicht.

Die Software-Aufgabe einer Feldbus-Integration besteht also darin, die Gerätefunktionen auf das Funktionsblockmodell abzubilden, damit sich das Gerät feldbusseitig spezifikationskonform und interoperabel darstellt. Wird über den Feldbus ein Parameter eines Funktionsblocks gelesen, dann ist der entsprechende Wert über die Geräte-Applikation zu generieren. Umgekehrt muss bei einem Schreibzugriff der neue Wert an die Applikation übergeben werden. Dabei sind Abhängigkeiten zwischen den Parametern zu berücksichtigen. Wird zum Beispiel die physikalische Einheit einer Temperatur von Kelvin auf Fahrenheit umgestellt, dann wird von Feldbus-Seite nur der Parameter im Transducer-Block beschrieben, der diese physikalische Einheit repräsentiert.

Als Folge dieser Änderung sind aber im Gerät alle mit dieser Einheit behafteten Größen umzurechnen – zum Beispiel der Prozesswert, die obere und untere Grenze des Messbereichs, Alarmgrenzen und vieles mehr. Da Feldgeräte häufig Hunderte von Parametern haben, entstehen hier hohe Aufwände für die Entwicklung einer geräteinternen Applikation, welche die Verbindung zwischen der Gerätefunktion und der Protokoll-Software herstellt. Dies erfordert auch eine intensive Zusammenarbeit zwischen dem Stack- und dem Geräte-Entwickler, falls die Expertisen für die Kommunikation und die Geräte-Architektur nicht in einer Person konzentriert sind.

Der Gesamtaufwand für eine Feldbus-Integration summiert sich so schnell auf einen sechsstelligen Betrag, die Laufzeit eines solchen Projekts liegt typischerweise zwischen sechs und zwölf Monaten. Dieser Aufwand mag für große Hersteller vertretbar sein. Für kleinere Anbieter hingegen, die nur geringe Gerätestückzahlen in Feldbus-Anlagen verkaufen, lohnt sich eine solche Vorgehensweise nicht.