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Foundation™ Feldbus: System- und Diagnosegrundlagen

25. Apr 2012 | Oszilloskope

Von Wim Nederhoff

Der aktuelle Trend in der Fabrikautomatisierung geht zum Ersatz traditioneller Regelungsverfahren, in denen jedes Gerät seine eigene Steuerverdrahtung hat, durch Bussysteme, die eine Reihe von Geräten über das gleiche Kabel verbinden. Ein Vorteil von Busnetzwerken besteht darin, dass sie weit weniger Kabel und Leitungen benötigen, um Geräte an Steuerungen anzuschließen. Eines der beliebtesten und gängigsten Bussysteme ist der Foundation Fieldbus.

Prinzipieller Aufbau eines Fieldbus-Systems

Die Fieldbus Foundation ist eine Gruppe von Herstellern von Geräten für die Fabrikautomatisierung, Sensoren und Aktoren und entwickelt und verwaltet dieses Steuerungssystem. Der Foundation Fieldbus umfasst zwei unterschiedliche Protokolle, um unterschiedliche Anforderungen innerhalb der Fabrikautomatisierung zu erfüllen. Die beiden nutzen unterschiedliche Medien und Kommunikationsgeschwindigkeiten.

Das erste Protokoll ist H1, operiert bei 31,25 kb/s und wird im Allgemeinen mit Feldgeräten verbunden – Sensoren, Aktuatoren, Ventile, Kontrollleuchten, Eingang/Ausgangsgeräte usw. - und ermöglicht die Zwei-Wege -Kommunikation zwischen Geräten und einem Steuergerät. H1 stellt sowohl Kommunikation als auch Spannung über ein Zweileitersystem bereit. Abgeschirmte, verdrillte Standardleiter werden empfohlen, um Störungen durch Rauschen im Netzwerk zu verringern.

Das zweite Protokoll ist das HSE-Protokoll (High-Speed Ethernet). Es arbeitet mit 100 MBit/s und verbindet üblicherweise Hochgeschwindigkeitssteuerungen wie SPS, mehrere H1-Teilsysteme (über ein Linking Device), Datenserver und Workstations. Dieser Anwendungsbericht behandelt schwerpunktmäßig das H1-Protokoll.

Netzwerkaufbau

Beispiel 1: Prinzipieller Aufbau eines Fieldbus-Systems.
Beispiel 1: Die Grundstruktur eines H1-Feldbus-Netzwerks

Das Netzwerk besteht aus dem Hauptnetzwerkkabel, das eine Reihe von Abzweigdosen oder Kopplern verbindet. Über die Koppler können die Geräte und die Steuerung an das Hauptkabel bzw. die Hauptverbindungsleitung angeschlossen werden. In der Regel werden die kürzeren Kabel zwischen Abzweigdosen und Geräten als Abzweigleitungen bezeichnet.

Über Abzweigdosen können einzelne oder mehrere Geräte an die Hauptverbindungsleitung angeschlossen werden. Wenn jedes Gerät eine eigene Abzweigdose hat, wird die Topologie als Linientopologie bezeichnet. Wenn mehrere Geräte an die gleiche Abzweigdose angeschlossen sind, wird die Anordnung üblicherweise als Stern- oder Baumtopologie bezeichnet. Am häufigsten sind gemischte Netzwerke mit Linien- und Baumtopologien, wie in Abbildung 1.

Obwohl es theoretisch möglich ist, die Hauptverbindungsleitung direkt von Gerät zu Gerät zu verlegen, ohne Abzweigdosen zu verwenden, rät die Foundation hiervon ab. Diese Topologie (als Daisy Chain bezeichnet) erfordert eine Unterbrechung der Hauptverbindungsleitung, wenn ein Gerät im Netzwerk entfernt oder hinzugefügt wird.

Die Feldbus-Technologie legt der Größe eines Netzwerks bestimmte Beschränkungen auf. Die maximale Länge aller Kabel in einer Hauptverbindungsleitung und ihren Abzweigleitungen zusammen genommen ist 1900 m pro Segment (etwa 6250 FT) pro Abschnitt. Wenn eine größere Länge erforderlich ist, kann ein Segment mithilfe eines Repeaters hinzugefügt werden. Ein Repeater wird anstelle eines Geräts eingefügt, durch ihn sind jedoch weitere 1900 m Kabel möglich. Ein Netzwerk kann bis zu vier Repeater für eine Gesamtlänge von 9500 m verwenden.

Zur Beachtung: die Abschirmung ist nur an einem Punkt im gesamten System an den Schutzleiter anzuschließen. Erdung der Abschirmung an mehreren Stellen kann Streuspannungen und -ströme in der Abschirmung induzieren, die die Datenkommunikation stören können.

Die maximale Anzahl angeschlossener Feldbusgeräte pro Segment ist 32.

Wie Beispiel 1 zeigt, wird eine DC-Spannungsversorgung benötigt, um die DC-Versorgungsspannung oder Vorspannung bereitzustellen. Würde die DC-Spannungsversorgung direkt an die Hauptverbindungsleitung angeschlossen, würde sie einen Kurzschluss für die AC-Signale erzeugen. Daher muss ein Netzwerk eine Feldbus-konforme Spannungsversorgung enthalten. Dies ist eine DC-Quelle sowie eine spezielle Filteranordnung. Das Filter lässt Gleichstrom mit minimalen Verlusten durch, bildet jedoch eine hohe Impedanz für das Wechselstromsignal, das von der Netzwerkseite kommt.

Beispiel 2: Der Feldbus enthält eine DC-Versorgungsspannung und das eigentliche Bussignal
Beispiel 2: Die Spannung am Feldbus enthält eine DC-Versorgungsspannung und das eigentliche Bussignal.

Die Hauptverbindungsleitung ist dann eine Übertragungsleitung, in der die propagierte Geschwindigkeit von Wechselstromsignalen eine wichtige Rolle spielt. Daher muss die Hauptverbindungsleitung an jedem Ende (und nur dort) einwandfrei für Wechselstromsignale abgeschlossen werden. Der Abschluss erfolgt über einen Widerstand mit einer Impedanz gleich dem Wellenwiderstand des Kabels, gewöhnlich 100±20 Ω. Da das Netzwerk ebenfalls eine DC-Versorgungsspannung überträgt, müssen die Abschlusswiderstände einen Vorschaltkondensator haben, um zu verhindern, dass Gleichstrom dorthin fließt.

Grundlagen der Diagnose

Bestimmte grundlegende Diagnose- und Problembeseitigungsverfahren können an einem Fieldbus H1-Netzwerk mit einem Fluke ScopeMeter durchgeführt werden. Im folgenden Abschnitt werden wir die Grundlagen einiger dieser Verfahren behandeln. Weitere Details finden Sie in den dedizierten Anwendungshinweisen: Verwendung eines Fluke-ScopeMeter 125 zur Fehlersuche in Fieldbus-Anlagen.

Erkennung von Reflexionen

Sogenannte Reflexionen in einem Netzwerk beeinflussen die Kommunikation. Im folgenden Beispiel wird eine Reflexion für ein Netzwerk erklärt, das an einem Ende kurzgeschlossen ist. Es ist jedoch wichtig, zu verstehen, dass jede Anomalie, einschließlich von Kurzschlüssen und unzureichender Busabschlüsse, Reflexionen erzeugt.

Überlegen wir, was geschieht, wenn eine Stufenspannung an einem Ende eines langen Kabels angelegt wird, bei dem das andere Ende kurzgeschlossen ist. Zunächst trifft die angelegte Spannung auf die Impedanz des Kabels und baut einen Spannungspegel zwischen den Leitern auf. Diese Stufenspannung geht mit einer Geschwindigkeit durch das Kabel, die von der Art und dem Aufbau des Kabels bestimmt wird. Bei Kabeln, die in Fieldbus H1-Netzwerken verwendet werden, ist diese Geschwindigkeit etwa zwei Drittel der Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum: 2/3 x 3 x 108 m/s = 2 x 108 m/s oder etwa 660 x 106 ft/s.

Wenn die Stufenspannung den Kurzschluss erreicht, ändert sich der Spannungspegel plötzlich auf 0. Diese Änderung kann als Stufenspannung entgegengesetzter Polarität, zurück zu 0, betrachtet werden, da an einem Kurzschluss keine Spannung anliegen kann. Zu diesem Zeitpunkt ist der Spannungspegel an jeder anderen Stelle entlang der Leitung immer noch der ursprünglich angelegte Spannungspegel.

Als Nächstes geht diese neue Stufenspannung entgegengesetzter Polarität zurück zur Spannungsquelle. Erst wenn sie den Hin- und Rückweg zurückgelegt hat (reflektiert worden ist), wird der Kurzschluss am anderen Ende auf der Einspeiseseite sichtbar. Der Reflexionsvorgang dauert jedoch eine bestimmte Zeit. Die genaue Zeit hängt von der Länge des Kabels ab. Die Laufzeit in einer Richtung ist die Kabellänge geteilt durch die Geschwindigkeit des Signals.



Die Zeit, die die Stufenspannung braucht, um über eine Hauptverbindungsleitung maximaler Länge und zurück zu gehen, ist daher 2 x 9,5 µs = 19 µs.

Wie erwähnt, arbeitet ein H1 Feldbusnetzwerk mit einer Geschwindigkeit von 31,25 kb/s, was einer Taktrate von 32 μs entspricht. Wenn also eine Kabelanomalie vorliegt, kann man Reflexionen von Impulsen erwarten, die um bis zu 19 μs verzögert sind. Die tatsächliche Zeit der Reflexion ist abhängig von der Entfernung zwischen Impulsquelle und Anomalität.

Während ein vollständiger Kurzschluss eine Reflexion voller Amplitude hervorruft, erzeugt jede Unterbrechung oder Abweichung von der homogenen Beschaffenheit der Leitung eine Reflexion. Die Amplitude der Reflexion hängt von der Art der Anomalie ab.

Um eine einwandfreie Netzwerkkommunikation zu erhalten, müssen Reflexionen vermieden und Kabel einwandfrei abgeschlossen werden. Um es zu wiederholen: Ein einwandfreier Busabschluss erfordert einen einzigen Abschlusswiderstand am Ende jedes Hauptkabelsegments.

Codierung

Beim Fieldbus werden digitale Daten mittels Manchester-Codierung übertragen. Dies heißt, dass eine digitale 1 als ansteigende Flanke in der Mitte eines Taktzyklus (Bitmitte) übertragen wird, während eine digitale 0 als abfallende Flanke übertragen wird. Dieser Codiermechanismus hat verschiedene Vorteile gegenüber der Übertragung direkter binärer Daten. Ein wichtiger Vorteil ist, dass er eine einfache Wiederherstellung des Takts am empfangenden Ende ermöglicht (siehe Beispiel 3).

Beispiel 3: Manchester-Codierung, -Übertragung und Decodierung
Beispiel 3: Manchester-Codierung, -Übertragung und Decodierung.
Beispiel 4: Impulsfolge, gemessen mit einem Oszilloskop an einem Feldbussystem
Beispiel 4: Impulsfolge, gemessen mit einem Oszilloskop an einem Feldbussystem.

Eine weitere Folge ist, dass Impulse erzeugt werden, die eine Dauer von entweder einem halben oder vollständigen Taktzyklus haben, während der ursprüngliche Bitstrom mit Impulsen kommt, die einen oder mehrere vollständige Taktzyklen breit sind. Die sich ergebende Busspannung ist schematisch in Beispiel 2 dargestellt. Eine echte Kurvenformaufzeichnung eines Datenpakets zeigt Beispiel 4, in der die DC-Vorspannung herausgefiltert worden ist.

Elektrische Signalerzeugung

Würde man das Kabel an einer beliebigen Stelle entlang der Hauptverbindungsleitung öffnen und auf die zwei Leiter zugreifen, könnte man zwei Kabelabschnitte sehen, die in entgegengesetzter Richtung vom Zugangspunkt weg gehen. Elektrisch gesehen wären diese beiden Abschnitte parallel geschaltet. Die Impedanz an einer beliebigen Stelle entlang der Leitung ist daher gleich der Impedanz der beiden parallel geschalteten Kabelabschnitte. Daher beträgt die Impedanz, die man an jeder Abzweigdose findet, 50 Ω oder die Hälfte des Wellenwiderstands des Kabels.

Das Bussignal wird elektrisch erzeugt, indem man einen Differenzstrom im Zweileiter-Bussystem anlegt. Dadurch wird eine Differenzspannung von 800 oder 900 mVpp (wobei „pp“ für „Peak-to-Peak“, den Spitzenwert steht) am Bus erzeugt. Dies ist dann auch die Amplitude der Nennspannung (Vpp) des Signals, das jedes Feldbusgerät erzeugt. Laut Fieldbus-Spezifikationen müssen Geräte in der Lage sein, ein Ausgangssignal mit einer Amplitude von mindestens 750 mVpp zu erzeugen.

Idealerweise wäre dies dann auch die Amplitude des Signals, das Feldbusgeräte empfangen. Da im Netzwerk jedoch Signaldämpfung auftritt, hat ein eingehendes Signal gewöhnlich eine niedrigere Amplitude. Fieldbus-Spezifikationen verlangen, dass ein Gerät auch bei einem Eingangssignal von nur 150 mVpp einwandfrei weiterarbeitet. Wenn die Amplitude 1.000 mVpp übersteigt, deutet dies gewöhnlich einen Netzwerkfehler an, z. B. einen fehlenden Abschlusswiderstand.

Anomalien

Wenn an einer Stelle im Netzwerk ein zusätzliches Gerät mit niedriger Impedanz an den Bus angeschlossen ist, ist die Gesamtimpedanz an der Abzweigdose niedriger, da die zusätzliche Last parallel zur Kabelimpedanz geschaltet ist. Eine niedrigere Busimpedanz bedeutet automatisch eine kleinere Amplitude der Bussignale. Da Bussignale mehr oder weniger zufällige Impulse sind, zeigt sich eine solche zusätzliche Last als Lücke in der Übertragungsleitung und verursacht Reflexionen der ursprünglichen Impulse, wo die Last hinzugefügt wurde. Diese Reflexionen führen zur Verzerrung der Wellenform des Impulses, die wiederum zur falschen Signalerkennung führen kann.

Wird zum Beispiel ein dritter Abschlusswiderstand angeschlossen, sinken die Gesamtnetzwerkimpedanz und die Signalamplitude auf drei Drittel der Nennwerte. Dieser Signalverlust führt zu weiteren verzerrten Impulsen und macht die richtige Signalerkennung noch schwieriger. Erfahrungen im Feld zeigen, dass eine der häufigsten Fehlerquellen in industriellen Netzwerken durch Abzweig zu weniger oder zu vieler Netzwerkabschlusswiderstände entsteht.

„Foundation Fieldbus“ ist ein eingetragenes Warenzeichen der Fieldbus Foundation