Das Netzwerk-Kommunikationsprotokoll Foundation Fieldbus (FF) ist eines der vielen Protokolle, mit denen Sie Ihre Feldgeräte verbinden können. Dieses System verwendet eine digitale, Multidrop-, serielle Zweiweg-Kommunikation, um Ihre Geräte zu verbinden.

Eine kurze Geschichte von FOUNDATION Fieldbus

Die alte Fieldbus Foundation, nun als FieldComm Group bekannt, entwickelte dieses Protokoll, um analoge Verbindungen zu ersetzen. Die Gruppe gestaltete es so, dass es in vielen Industrien eingesetzt werden konnte und es hat sich in den Bereichen Petrochemie, Raffinerie, Nuklear und anderen Segmenten durchgesetzt. Foundation Fieldbus gibt es in zwei Geschmacksrichtungen, H1 und HSE (Hochgeschwindigkeits-Ethernet), und sie unterscheiden sich in physikalischen Medien und Kommunikationsgeschwindigkeit.

Wir werden uns beide in diesem Artikel ansehen. Heute muss FOUNDATION Fieldbus für seinen Platz in einer neuen Anwendung gegen neuere Protokolle kämpfen, die in der Automatisierungswelt auftauchen. Das Protokoll bringt jedoch noch viele Vorteile und einzigartige Funktionen, die Ihre Prozesssteuerung verbessern können. Finden wir heraus, wie es funktioniert, wie man es benutzt, und seine Vor- und Nachteile.

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FOUNDATION Fieldbus-Spezifikationen

Dieses digitale Protokoll ermöglicht die Zweiwege-Kommunikation zwischen Feldgeräten und Steuerungssystemen. Außerdem vereinfacht es die Inbetriebnahme und Konfiguration und ermöglicht den Zugriff auf Diagnosedaten, was Kosten und Zeit sparen kann. So können Sie eine neue Anwendung oder sogar eine ganze Anlage mit dieser Technologie unterstützen. Schauen wir uns jetzt an, wie es funktioniert und welche Typen es gibt.

Peer-to-Peer-Kommunikation

Das FOUNDATION Fieldbus-Netzwerk verwendet das Peer-to-Peer-Konzept, was bedeutet, dass Feldgeräte miteinander sprechen können, ohne auf einen Befehl eines Masters zu warten. Das bedeutet, dass sie Messungen, Diagnosen, Alarme und sogar die Steuerung im Feld austauschen können. Das Netzwerk erlaubt jedoch auch temporäre Master wie Handhelds, Laptops oder Tablets. Foundation Fieldbus verwendet Funktionsblöcke, um die Geräte und alle Steuerungslogiken zu konfigurieren. Diese Funktion bietet viel Freiheit bei der Nutzung. Kommen wir nun zu den Typen.

H1 und Manchester-Codierung

FOUNDATION Fieldbus H1 verwendet den IEC 61158-2 standard. Bei der Datenübertragung wird Manchester-Codierung mit einer Übertragungsrate von 31,25 Kilobit pro Sekunde (Kbps) verwendet. Sie werden H1 auf Feldgeräten verwenden, die keine Hochgeschwindigkeitskommunikation benötigen, da das Protokoll Signale und Spannung durch die gleichen Drähte sendet. Außerdem benötigt jedes Gerät mindestens neun Volt Saft und eine parallel zum Anschlusskabel installierte Stromversorgung. Wenn das Gerät mehr Energie braucht, dann sollte es eine eigene Stromversorgung außerhalb des Netzes haben. Um Ihr Netzwerk zu optimieren, kann einige Software die Spannung, den Stromwiderstand und die Versorgungsspannung auf Basis der Netztopologie berechnen. Sie müssen sicherstellen, dass das Netz weniger Strom und Spannung verbraucht, als die Stromversorgung zur Verfügung stellt.

Einschlägige Regeln der physikalischen Schicht:

  • FOUNDATION Fieldbus-Geräte können mit zwei bis 32 Geräten kommunizieren, wenn Sie keine intrinsische Sicherheit benötigen und keine Schleifenleistung haben. Wie bereits erwähnt, können Sie bis zu 16 Knoten in Ihrem Netzwerk haben. Für Loop-Leistungen ohne Eigensicherheit können Sie von einem auf 24 Geräte gehen.
  • Die Länge des Segments darf 1900 Meter incl. Anschluss und Ausläufer mit Typ-A-Kabel und einer Baudrate von 31,25 Kbps nicht überschreiten.
  • Sie können nicht mehr als 4 Repeater im Netzwerk haben.
  • Das Netz mit FOUNDATION Fieldbus sollte weiterhin funktionieren, wenn Sie ein Gerät im Netzwerk verbinden oder trennen.
  • Bei einem Kommunikationsausfall kann es die Kommunikation nicht länger als eine Millisekunde beeinträchtigen.
  • Wenn Sie die Polarität beachten, um die Geräte mit Strom zu versorgen, werden die Geräte können nicht empfindlich auf Polaritätsumkehr reagieren.
  • Wenn Sie ein redundantes System haben, können  Sie kein nicht-redundantes Segment zwischen zwei redundanten Segmenten einschließen. Die Repeater sollten auch Redundanz haben.

HSE-Protokoll

Die Foundation Fieldbus HSE, basierend auf dem Ethernet-Protokoll, arbeitet mit 100 Megabits pro Sekunde (Mbit/s). Außerdem können Sie Ethernet-Kabel, Glasfaserkabel oder PoE (Power over Ethernet) -Technologie verwenden. PoE hat eine interessante Funktion – nativ liefert HSE keine Energie für das Gerät, aber es kann mit PoE funktionieren. Normalerweise sieht man Gateways, Verbindungsgeräte, Hostsysteme, Ein-/Ausgänge (I/O)-Systeme und ähnliche Geräte, die mit HSE verbunden sind. Es arbeitet mit einem zufälligen Carrier-Sense Multiple Access (CSMA) Bus-Zugriff. Darüber hinaus können Sie Ethernet-Schalter für ein partielles HSE-Netzwerk verwenden und später ein umfangreicheres Netzwerk erstellen.

Wie kann man H1 mit HSE verbinden?

Wir nennen die Verbindung zwischen H1 und HSE eine Brücke; diese Anwendung schafft eine Standard-Netzwerktopologie, die Sie hier sehen können: Die Brücken verbinden das H1-Netzwerk mit dem Hochgeschwindigkeits-Ethernet, um Datentelegramme und Datenübertragungsraten je nach Übertragungsrichtung umzuwandeln.

Die Komponenten eines FOUNDATION Fieldbus-Netzwerks

Lassen Sie uns nun die Komponenten besprechen, die Sie in einem FOUNDATION Fieldbus H1 zu HSE-Verbindungsnetzwerk benötigen, und die Funktion der einzelnen Komponenten beschreiben.

  • H1-Karten: Diese funktionieren als Schnittstelle zu den FF-Geräten. In einem mit H1 arbeitenden Steuerungssystem verfügen Sie über die H1-Karten, die Ihr Netzwerk an der Steuerung oder dem I/O-Subsystem verbinden. Hier können Sie redundante Karten haben, wenn Sie das Backup benötigen.
  • Energieversorgung: Foundation Fieldbus kann mehr als ein H1-Segment antreiben. Sie finden redundante Stromversorgungen, intrinsische Modelle, aber auch Modelle mit Signalkonditionierern und eingebauten Segmentabschlüssen.
  • Signalkonditionierer: Um eine robuste Kommunikation zu gewährleisten, müssen Sie die Netzteile konditionieren. FF fügt außerdem die Induktivität zwischen den Feldgeräten und der Stromversorgung hinzu und schützt das Signal vor der geringen Impedanz der Netzteile und mehr.
  • Segmentterminator: Das Netzwerk benötigt einen Segmentterminator an jedem Ende des Anschlusskabels. Der Segmentterminator passt zur Impedanz des Kabels und einer ausgewogenen Übertragungsleitung.  Sie benötigen nicht mehr als zwei Terminatoren im Netzwerk.
  • Verkabelung: Die FieldComm-Gruppe bietet Spezifika für Ihre Verkabelung (FF-844), aber in erster Linie sollten Sie ein abgeschirmtes und verdrehtes Kabel haben. Dieses Kabel kann die Netzwerklänge maximieren und Signalreflexionen reduzieren.
  • Gerätekoppler oder Anschlussbox: Diese Einheit verteilt das Netzwerk auf die Zuleitungen. Es dient auch als Anlaufstelle für Wartung, Diagnose und Stromkreisschutz. Darüber hinaus werden alle Geräte parallel in einem Anschlusskasten installiert.

FOUNDATION Fieldbus-Topologie

Werfen wir einen Blick auf einige Topologien und sprechen über ihre Eigenschaften.

  • Punkt-zu-Punkt oder Daisy-Chain: In diesem Layout sind alle Feldgeräte in Reihe geschaltet. Das bedeutet, dass ein Gerät mit dem nächsten am Ende des Netzwerks verbunden ist, wobei es seine eigenen Terminals verwendet, um diese Verbindungen herzustellen. (Das werden Sie nicht oft sehen, weil diese Struktur während der Wartung zu Netzwerkproblemen führen kann.)
  • Bus mit Zuleitungen: Hier verbindet sich ein einzelner Bus direkt mit Zuleitungen und Geräten. Darüber hinaus können Sie viele Geräte an jede Zuleitung angeschlossen haben, und die Zuleiter-Länge hängt von der Anzahl der angeschlossenen Geräte und sogar von der Anzahl der Zuleitungen ab. Diese Tabelle kann als Richtlinie dienen, aber Sie sollten sie nicht als absolut ansehen.
Mit freundlicher Genehmigung der FieldComm Group
  • Baum: Das Anschlusskabel des Netzwerks verbindet sich mit mehreren Gerätekopplern oder Anschlussdosen, und dann hat jeder von ihnen viele Geräte mit ihnen verbunden. Manchmal wird dies auch als Hühnerfuß oder Sterntopologie bezeichnet.
  • Ende-zu-Ende: Diese Topologie liefert Ihnen zwei Szenarien. Im ersten wird Ihr Feldgerät direkt an die H1-Karte angeschlossen. In der zweiten verbindet sich Ihr Gerät mit dem Netzwerk, und dann verbindet sich ein anderes Gerät mit diesem Gerät im Netzwerk. So kann z.B. ein Drucksender direkt an sein Endsteuerelement angeschlossen werden.
  • Gemischt: Wie der Name schon sagt, kann man hier eine Mischung aus einigen oder allen dieser Topologien haben. Allerdings müssen Sie auf die maximale Länge des Segments achten, basierend auf der Anzahl der Geräte, Länge der Zuleitung, Stromverbrauch und mehr.

Funktionsbausteindiagramme (Function Block Diagrams, FBD)

FOUNDATION Fieldbus hat drei Arten von Blöcken für Daten, Funktionen und mehr. Jeder Gerätetyp hat eine auf seiner Funktion basierende Bezeichnung.

Bild von Foundation Fieldbus-Blöcken
Bild mit freundlicher Genehmigung von fieldbus.org
  • Ressourcenblock: Dieser Block enthält alle Eigenschaften des Feldgeräts, wie z.B. Seriennummer, Gerätename, Firmware-Version und Hardware.
  • Wandler-Block: Dieser Block erweitert Ihre Möglichkeiten um Daten, die Ein- und Ausgabeparameter beeinflussen können. Es bedeutet, dass Sie ihn verwenden können, um Einheiten zu kalibrieren, zu linearisieren, zu konvertieren und mehr.
  • Funktions-Block: Dieser Block gibt an, was das Gerät tut, und definiert, wie man darauf zugreift. Jedes Gerät hat mindestens einen Funktionsblock, und jeder Block hat eine besondere Aufgabe für die Eingabe und Ausgabe. Diese Liste benennt Funktionsblöcke, die von der FieldComm-Gruppe definiert wurden:

Worin besteht der Unterschied zwischen Foundation Fieldbus und PROFIBUS?

Beide Netzwerke haben viele Ähnlichkeiten, wenn FOUNDATION Fieldbus H1 und PROFIBUS PA auf Feldinstrumentierungsebene angewendet werden. Für beide nutzen Sie nur ein Twisted-Pair-Kabel, um mit dem Gerät zu kommunizieren. Sie haben auch ähnliche Architekturen, wenn man ihre Netzwerke skaliert. Aber auf der operativen Seite fanden wir einen großen Unterschied. Das PROFIBUS PA-Netzwerk nutzt das Master-Slave-Konzept, während FOUNDATION Fieldbus H1 Peer-to-Peer funktioniert.

Das bedeutet, dass PROFIBUS PA-Feldgeräte auf einen Masterbefehl warten müssen. Aber im FOUNDATION Fieldbus H1-Netzwerk können die Geräte frei miteinander sprechen. Theoretisch ist das PROFIBUS PA-Netzwerk einfacher zu konfigurieren, da man im Gegensatz zu FOUNDATION Fieldbus-Geräten weniger Blöcke hat.

Um mehr über FOUNDATION Fieldbus zu erfahren, fragen Sie gerne unsere Ingenieure!

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