Erwartungen an Feldbussysteme
Der erste Gedanke beim Thema Feldbus besteht darin, dass nur mehr ein Buskabel für die gesamte Anlage erforderlich ist und damit einhergehend ein enormes Einsparungspotential an Schränken, Verkabelung und Verdrahtung besteht. Auch eine massive Reduktion des Dokumentations- und Inbetriebnahmeaufwandes sollte damit verbunden sein. Ein für den Betreiber der Anlage interessanter Faktor besteht auch in der Tatsache, dass heute viele Feldgeräte über eine hohe Intelligenz und somit dezentrale Intelligenz verfügen. Diese kann letztlich nur durch den Einsatz eines Feldbus-Systems (digitale Kommunikation) voll genutzt werden. Der Feldbus erlaubt es, alle zur Verfügung stehenden Informationen der Feldgeräte voll zu nutzen. 

Grundlegende Vorteile
Der Vorteil der durch Einsatz von Feldbus Feldgeräten auf jeden Fall erreicht werden kann, liegt in der digitalen Übertragungsform des Messwertes. Erreicht man durch Einsatz von 4…20mA Signalen maximal eine Auflösung von 0…65535 digits (bei 16bit-Auflösung), so bieten Feldbusgeräte eine Darstellung des Messwertes als 32bit Floating Point, das heißt der darstellbare Wertebereich beträgt somit 10-38 … 10+38. Eine bisher notwendige Einengung des physikalischen Messbereiches, um eine möglichst hohe Auflösung zu erreichen, ist somit nicht mehr erforderlich. Damit können die Grenzen des Sensors vollständig genutzt werden. Tatsächlich steht jedoch neben dem Messwert auch noch jede weitere Information die im Feldgerät vorliegt bei Bedarf zur Verfügung. TAG, SW-Version, Serien Nr., eventuell mehrere Prozesswerte (z.B. Temperatur und Widerstandswert bei einem Temperatur- Transmitter), Einheit, Status und Diagnosedaten sind in jedem Feldbus-Feldgerät verfügbar.

FISCO-Model
Das FISCO-Model (Fieldbus Intrinsically Safe Concept) erlaubt dem Anwender und Betreiber eine einfache und schnelle Auslegung von PROFIBUS PA und FOUNDATION Fieldbus- H1 Anlagen für den Einsatz im Ex-Bereich. Wenn nachfolgend angeführte Vorraussetzungen erfüllt werden, ist keine separate Systembescheinigung für ein PA / H1-Segment erforderlich. Die eingesetzten Geräte müssen nach FISCO bescheinigt sein (EC-Typ Konformitäts- Bescheinigung), U, I und P müssen der EN 50 020 entsprechen, die Kabelparameter (R, L, C) eingehalten (Type A- Kabel), die Leitungen gemäß Vorschrift abgeschlossen sein und die Gesamtlänge des Leitungssystems (inkl. Stichleitungen) weniger als 1000m betragen.

Profile / Blöcke
Um die notwendige Interoperability (Feldbus-Geräte unterschiedlichster Hersteller müssen an einem Bus problemlos laufen) und eine Interchangeability (ein Austausch von PROFIBUS Geräten gleichen Typs, aber unterschiedlichster Hersteller muss möglich sein) sowie die garantierte Verfügbarkeit von Basisfunktionalitäten (um eine einheitliche Bedienung der Anlage zu gewährleisten) sicherzustellen, wurden Profile und Blöcke festgelegt.

Gerätedarstellungen
Die Darstellung eines Feldgerätes erfolgt über unterschiedliche Sichten, durch Ressource-Block, Transducer- Block und Function-Block. Ressource Block für Wartungs-Informationen Der Ressource Block beinhaltet Daten, welche spezifisch für die Geräte Hard & Software sind (Hersteller, Geräte Typ, Software Version, Hardware Version, Diagnose usw.). Der Blockmode des Ressource Blocks kontrolliert alle anderen Modi der Funktionsblöcke des Gerätes.

Transducer Block als Schnittstelle für die Bedienung
Der Transducer Block isoliert die Funktionsblöcke von der gerätespezifischen Funktion, die Sensoren oder Aktuatoren aufzeigen. Der Transducer Block spezifiziert den Zugriff auf das Gerät durch ein Interface, und definiert dafür Funktionsblöcke. Es gibt unterschiedliche Transducer Blöcke für Füllstand, Durchfluss, Druck, Analyse, Temperatur, Ventil. Es werden Methoden für simple Geräteeinstellungen wie Linearisierung, Grundeinstellungen, Diagnose und Sicherheitseinstellungen damit bereitgestellt.

Function Block für die Anwendungssoftware
Die Funktionsblöcke sind der wesentliche Teil in den Foundation Fieldbus Spezifikationen und somit auch der Schlüssel für die Realisierung feldbasierender Regelung. Der Gerätehersteller kann selbst entscheiden, welche Funktionsblöcke für das Gerät zur Verfügung gestellt werden (z.B. analoge Inputs, analoge Outputs, diskrete Inputs, diskrete Outputs, PID Controller, Signal Anpassungen,…). Ein FB-AI kann z.B. eine Simulation durchführen, den Wert skalieren, Ersatzwerte weitergeben und eine Grenzwertüberwachung für LL, L, H, HH bereitstellen.

Function Blocks
In der Struktur eines Funktionsblocks sind Eingänge, Ausgänge und Parameter (Standard-Block Parameter und Block-Parameter) zu finden. Deshalb ist eine einheitliche und einfache blockorientierte Konfiguration der Funktionen möglich. Weiters wird damit auch klar definiert welche Informationen und Funktionen kommuniziert werden müssen. Die Verteilung und Ausführung von den Funktionsblöcken in Feldgeräten und deren Abarbeitungsreihenfolge ist durch deren Zuweisung und Anordnung eindeutig festgelegt. Transducer Block und Funktions Block stellen immer Wert und Status zur Verfügung. Multi-Variablen -Transmitter verfügen über n TB/FB- Blöcke pro Feldgerät. Die Daten werden über zyklische (Messwert), azyklische oder spontane Dienste (Gerätediagnose) übertragen.

HART via PROFIBUS DP
Da die installierte Basis bei den Feldgeräten über 80% aus HART- Feldgeräten besteht, ist es klar, dass diese bei zukünftigen Überlegungen bezüglich Feldbustechnologie nicht unberücksichtigt bleiben können. Die Lösung bezüglich Integration besteht darin, dass durch HART- fähige I/OModule eine digitale Kommunikation mit dem Feldgerät ermöglicht wird und die Daten mittels Tunneling-Verfahren (virtuelle I/O-Kanäle) durch PROFIBUS DP transportiert werden. Damit ist auch ein zyklischer Zugriff auf multivariable HART Feldgeräte, Status und Diagnosedaten möglich. Die Übertragungsgeschwindigkeit ist natürlich aufgrund des bei HART verwendeten Modulations-Verfahren (FSK) relativ bescheiden. Basis für eine handhabbare Integration ist der Einsatz von FDT/DTM-Technologie. Hart-Geräte müssen häufig auch eingesetzt werden, da der Messwert mit dem konventionellen 4…20mA Signal sehr schnell zur Verfügung steht, bei Feldbus-Geräten dies vergleichsweise langsam abläuft.

Vergleich PROFIBUS / FOUNDATION Fieldbus
PROFIBUS punktet eindeutig bezüglich installierter Basis, einfachem Master- Salve-Prinzip und weitgehend etablierter FDT/DTM-Technologie. FOUNDATION Fieldbus verfügt dank Link Active Scheduler über ein Redundanzkonzept, über eine direkte Gerät-Gerät-Kommunikation und der Möglichkeit der Zeitstempelung im Gerät. Die leistungsfähigen Funktionsbausteine in den Feldgeräten ermöglichen neue Ansätze bezüglich Automatisierung in einigen Segmenten. FOUNDATION Fieldbus hat mit HSE den Weg in Richtung ETHERNET begonnen, PROFIBUS geht in die gleiche Richtung mit Profinet. Wie lange es noch dauert bis I/O-Module auf breiter Basis zur Verfügung stehen, wird bei beiden Feldbuslösungen die Zukunft zeigen.

PROFIBUS
Die aktuellen PROFIBUS Spezifikationen umfassen:
PROFIBUS DP (DP = Dezentrale Peripherie) für schnellen Datenaustausch mit z.B. FUs, Remote I/Os, Analysengeräten, wobei die Spezifikation als V0, V1 und V2 existiert. PROFIBUS PA (PA = Process Automation) wurde für die Anforderungen der Verfahrenstechnik entwickelt (Sensoren, Aktoren) und deckt die EEx- Anforderungen ab. Die Speisung und Kommunikation der Feldgeräte erfolgt in 2-Leiter-Technik. Für die PA-Geräte (z.B. Druck, Temperatur,…) existieren unterschiedliche Geräteprofile (Profil 3.0).
Master / Slave - Prinzip
PROFIBUS unterscheidet bei den Stationen zwischen Master und Slave, wobei letztere passiv sind und vom Master gepollt werden. Beim Master werden die Aufgaben nach zyklischen Aufgaben (Masterklasse 1) und azyklischen Aufgaben (Masterklasse 2) unterschieden. Der Zugriff bei Multimaster-Betrieb wird durch einen Token geregelt. Eine effektive Datenübertragung wird dadurch erreicht, dass der Master dem Slave die Ausgangsdaten sendet und als Antwort unmittelbar die Eingangsdaten des Slave erhält. GSD-Datei Die Gerätestammdatei (für PROFIBUS DP/ PA) wird vom Hersteller des Feldgerätes zur Verfügung gestellt und enthält alle kommunikationsrelevanten Daten. Über GSD-Import werden diese Informationen dem Controller zur Verfügung gestellt.

PROFIBUS Topologie
Bedingt durch die RS-485 Technologie können auf einem PROFIBUS DP-Segment maximal 32 Teilnehmer angeschaltet werden. Maximal 4 Segmente dürfen kaskadiert werden. Es existieren heute jedoch Repeater am Markt, welche wesentlich höhere Kaskadierungsstufen zulassen. Der Adressbereich liegt jedoch trotzdem immer im Bereich 0…125 (gilt für Master & Slave), wobei jeder Master & Slave über eine eindeutige Adresse verfügen muss.
Segmentlänge bei PROFIBUS DP
PROFIBUS DP verwendet RS-485 (mit Kupferkabeln) und kann damit abhängig von der Übertragungsgeschwindigkeit (9,6 kbit/s…12Mbit/s) eine Strecke von 1200m bzw. 100m überbrücken. Bei der empfohlenen, unkritischen Übertragungsgeschwindigkeit von 500 kbit/s sind 400m möglich. Durch Einsatz von Repeatern mit LWL- Ports sind Längen von 15km und mehr möglich. Die Ausführung des Busses erfolgt in Linienstruktur, da Stichleitungen zu vermeiden sind (Stecker für Anschaltung mit Kabel Ein- und Ausgang).
PROFIBUS PA – nicht Ex
PROFIBUS PA – Segmente können bis zu 32 PA-Feldgeräte umfassen, wobei als Speisung 24V/400mA für das Segment bereitgestellt werden. Die Segmentlänge beträgt dabei maximal 1900m. Die Ausführung des Busses bei PA erfolgt in Linienstruktur oder Baustruktur, wobei die zulässige Länge von Stichleitungen von den verwendeten Komponenten abhängig ist. PROFIBUS PA –EExi PROFIBUS PA/EExi – Segmente können 6-8 PA-Feldgeräte umfassen, wobei als Speisung max. 12,6V/100mA für das Segment bereitgestellt werden. Die Segmentlänge beträgt dabei maximal 1000m. Zu beachten ist hier das Anlaufstrom-Verhalten der Feldgeräte bzw. der Strombedarf der einzelnen Feldgeräte, wodurch anstatt des theoretischen Wertes von 10 Feldgeräten meist nur 6-8 realisierbar sind.
Buszykluszeit bei PROFIBUS
Grundsätzlich gilt, dass der langsamste Teilnehmer am Bus die Übertragungsgeschwindigkeit bestimmt. Bei PROFIBUS DP-Slaves mit 12 Mbit/s Übertragung wird um die maximal möglichen 244 Bytes/ Slave zu übertragen, weniger als 1ms am Bus benötigt. Bei PROFIBUS PA ist die Übertragungsgeschwindigkeit auf 31,25kbit/s festgelegt, der zyklische Datenaustausch (4Byte Messwert und 1Byte Status) benötigt typisch 10…20ms/ Slave. In der Praxis bedeutet dies, dass PA-Segmente mit 20 Feldgeräten alle 200…400ms gepollt werden.

Ausführungs-Hinweise
DP- Anschaltungen
Ausgangspunkt ist der PROFIBUSDP Master im Controller auf Basis RS-485. Damit können beliebige DPSlaves bedient werden. Eigensichere und hartfähige Ein- und Ausgänge können damit ebenfalls aufgebaut werden. Durch Einsatz geeigneter Repeater ist auch ein Betrieb dieser Geräte in der Ex- Zone1 möglich. Die mögliche Übertragungsgeschwindigkeit liegt dabei im Bereich 9,6 kbit/s…12Mbit/s, bei eigensicherer Ausführung liegt die Grenze bei 1,5 Mbit/s. Wie bei ETHERNET TCP/IP kann durch den Einsatz von Medienkonvertern (Schnittstellenwandler elektrisch/ optisch für PROFIBUS DP) ein LWL-Ring aufgebaut werden. Im Falle einer Unterbrechung besteht dann immer noch ein alternativer Weg. Diese Repeater dienen auch dazu, Segmente die über mehr oder weniger große Entfernungen verstreut sind zusammenzufassen. Diese Repeater mit LWL-Ports erreichen eine vollständige galvanische Trennung (Blitzschutz bei Gebaüde überschreitender Busführung) der Segmente.

PA- Anschaltungen
basieren auf der Tatsache, dass das PA-Segment nur mit 31,25 kbit/s Übertragungsrate betrieben werden kann. Die Anschaltung von PA an DP ist nur mit einem Segmentkoppler (DP/PA-Koppler) möglich. Segmentkoppler der ersten Generation (SK1) verdreifachen die Übertragungsgeschwindigkeit (von 31,25 auf 93,75 kbit/s), trennen DP und PA galvanisch voneinander und speisen das (eigensichere) PA-Sement. Auf diese Weise können nicht-Ex und Ex-Segmente an nicht-Ex DP-Segmente anschaltet werden. Segmentkoppler der zweiten Generation (SK2) sind als transparente Gateways ausgeführt und können mit bis zu 12Mbit/s betrieben werden. Profibus DP / Profibus PA / HART DP/PA-Links sind aufgrund fehlender Durchgängigkeit keine Basis für gute Feldbuslösungen. Durch den Einsatz von am Markt verfügbarem Zubehör, kann man Rückwirkungsfreiheit auf PA-Segmente im Falle eines Kurzschlusses einer Stichleitung erreichen. Ebenso kann die Beschränkung auf <10 Geräte im Falle EExi-Lösungen umgangen werden.