Kommunikationsnetz

19.40 Kommunikation

Netzwerke allgemein. Kommunikationsnetze werden seit vielen Jahren zur Übertragung von Anweisungen und Daten zur Prozessüberwachung und -steuerung eingesetzt. Prozesssteuerungsnetzwerke haben verschiedene Technologien und Topologien verwendet, ebenso wie Geschäfts- und Computernetzwerke in weniger kritischen Situationen. Prozessleitnetze erfordern Robustheit, Bestimmtheit und Kompatibilität.

Robustheit ist ein Maß für die Zuverlässigkeit des Netzwerks, seine Funktion während der gesamten Lebensdauer der Installation auszuführen. Der Konstrukteur eines Netzwerks muss die Notwendigkeit einer Redundanz von Netzwerkkomponenten und -kabeln sowie von Fehlertest- und Fehlerkorrektureinrichtungen bewerten, um ein Netzwerk bereitzustellen, das den Anforderungen des von ihm bedienten Systems entspricht. Bestimmtheit ist eine spezifische Garantie dafür, dass Nachrichten innerhalb bekannter Zeiten in das Netzwerk gelangen und ihr Ziel erreichen. Nicht deterministische Netzwerke können keine Nachrichtenübermittlung in einer bestimmten Zeit garantieren, aber neuere Technologien haben es einigen nicht deterministischen Netzwerken (wie Ethernet) ermöglicht, in der Prozesssteuerungsindustrie zufriedenstellend zu funktionieren. Kompatibilität beschreibt die Fähigkeit des Netzwerks, zwischen Geräten verschiedener Hersteller oder Lieferanten ohne Protokollkonflikte zu kommunizieren.

Der offensichtliche Vorteil der Verwendung eines Netzwerks anstelle einer herkömmlichen Verkabelung besteht darin, dass alle Daten über ein einziges Kabel übertragen werden, wodurch die Anzahl der zu installierenden Kabel erheblich reduziert wird.

Ethernet. Die CSMA / CD-Leistung (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection) hat sich seit ihrer Einführung im Jahr 1973 zu einem sehr hohen Standard entwickelt. Obwohl es nicht deterministisch ist, ermöglicht CSMA / CD jedem Gerät in einem Netzwerk zu überprüfen, ob ein anderes Gerät sendet, bevor es zu senden versucht, und wenn mehrere Geräte gleichzeitig senden, verwirft die Kollisionserkennung beschädigte Nachrichten (Pakete) und weist die Geräte an, ihre Nachrichten nach zufälligen Wartezeiten erneut zu senden. Das Netzwerk ist nicht deterministisch, da es keine Garantie dafür gibt, dass eine Nachricht ihr Ziel zu einem bestimmten Zeitpunkt erreicht. Industrialisierte Ethernet-Netzwerke sind jedoch so zuverlässig geworden, dass sie in der Branche der Standard für die Anbindung standortweiter Prozessleitsysteme sind. Die Ethernet-Designspezifikation muss in Bezug auf Konnektivität und Kabellängen befolgt werden, z. B. unter Verwendung von maximal 100 m Kupferkabel von einem Netzwerk-Switch.

Ethernet-Netzwerke können Teil von Local Area Networks (LAN) oder Wide Area Networks (WAN) sein. Obwohl es keine spezifischen Definitionen gibt, würde ein standortweites SCADA-System für eine Prozessanlage im Allgemeinen als LAN bezeichnet, und ein regionales Netzwerk, das mehrere Standorte verbindet, würde als WAN betrachtet.

Während Ethernet immer häufiger vorkommt, ist es unwahrscheinlich, dass es andere Netzwerkprotokolle in der Wasserindustrie vollständig ersetzt. Einer der Nachteile von Ethernet besteht darin, dass es sich nicht um ein Multi-Drop-System handelt, sodass jedes separate Gerät ein eigenes Kabel zum lokalen Kommunikationsschaltgerät benötigt. Während dies in einer Fabrik oder einem kleinen Gebäude möglicherweise kein Problem darstellt, kann es bei großen Filterbänken oder Tanks ein großes Problem sein. Die maximale Kabellänge vom Ethernet-Switch ist auch begrenzter als bei anderen Techniken (normalerweise 100 m). Ethernet-Kommunikationsgeschwindigkeiten betragen typischerweise 10-100 Mbit / s (Megabit pro Sekunde) und einige Netzwerke arbeiten derzeit mit 1000 Mbit / s.

Ein Busnetzwerk ist eine Anordnung in einem LAN, in der ein einzelnes mehradriges Kupferkabel mehrere Geräte verbindet. Das Kabel ist der ‚Bus‘, an den ‚Knoten‘ angeschlossen sind. Jeder Knoten entspricht im Allgemeinen einem bestimmten Gerät. Busnetze sind einfach und zuverlässig und vernünftig ausfallsicher. Wenn ein Knotengerät ausfällt, arbeitet der Bus mit den verbleibenden Funktionsgeräten weiter. Nur wenn das Buskabel selbst defekt ist, würde es ernsthafte Kommunikationsprobleme im Netzwerk geben. Busnetze bieten ein einfaches Mittel zur Erweiterung, da sie im Allgemeinen das Hinzufügen von Knoten relativ einfach ermöglichen.

Die Einschränkungen von Busnetzen sind in erster Linie die physikalischen Eigenschaften des Buskabels selbst. Mit zunehmender Kabellänge beeinträchtigen die Verluste die Zuverlässigkeit der übertragenen Daten. Daher braucht die Topologie des Busnetzes ein gutes Design. Andere Netzwerktopologien wie ‚Ring‘ oder ‚Stern‘ bieten manchmal eine bessere Flexibilität und sind möglicherweise billiger.

Wenn eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung erforderlich ist, kann eine Glasfaserverbindung verwendet werden, um die erreichbare Entfernung zu verlängern und Blitzschutz zu bieten, dies ist jedoch für Mehrfachverbindungen ohne zusätzliche Schaltgeräte ungeeignet.

Profibus ist eine Bustechnologie, die die Industrie im Allgemeinen angenommen hat. Profibus ist ein digitales Hochgeschwindigkeitskommunikationssystem, das ein einzelnes Kabel (Bus) verwendet, um Geräte zu verbinden. Viele Hersteller von elektrischen, elektromechanischen und messtechnischen Geräten bieten heute Profibus-kompatible Produkte an. Es ist üblich, eine Reihe von verwandten Anlagenelementen über ein Profibus-Netzwerk zu verbinden und diesen Anlagenbereich dann über ein anderes Netzwerk wie Ethernet mit anderen Anlagenbereichen zu verbinden. Wie bei Ethernet-Netzwerken ist es auch bei der Auslegung eines Profibus-Netzwerks wichtig, die Profibus-Spezifikationen einzuhalten.

Es gibt drei Arten von Profibus, nämlich Distributed Protocol (DP), Process Automation (PA) und ProfiNET. Die Profibus-Spezifikation besteht aus zwei Teilen: der verwendeten Sprache, die für die drei Profibus-Typen (als Application Layer Communications bezeichnet) üblich ist, und den jeweils unterschiedlichen physischen Medien. ProfiNET ist keine einzigartige Bustechnologie, da es über Ethernet läuft, aber es ermöglicht Profibus-Kommunikation über Ethernet-Netzwerke.

In Großbritannien schlägt WIMES 3.02 (2014) eine Profibus DP-Geschwindigkeit von 1,5 Mbit / s vor (was die Segmentkabellänge auf 200 m begrenzt), aber die meisten Werke können mit Netzwerkgeschwindigkeiten von 500 Kbit / s (500 m Kabellänge) oder sogar 187,5 Kbit / s (1000 m Kabellänge) erfolgreich arbeiten. Die Netzwerke mit niedrigerer Geschwindigkeit sind besser in der Lage, Rauschen und Interferenzen standzuhalten, aber die Übertragung von Daten über das Netzwerk dauert etwas länger (wahrscheinlich zusätzliche 0,5 Sekunden). Dies wird nicht als Problem bei einer Wasseraufbereitungsanlage angesehen, bei der die Probenahmezeiten von Instrumenten um viele Größenordnungen größer sein können.

Während die Netzwerkverkabelung relativ einfach ist (in beiden Fällen Twisted Pair), lohnt es sich, in ein Diagnosetestset zu investieren, das den Netzwerkzustand in Echtzeit überprüft. Verschiedene Versionen sind verfügbar: Profitrace2 von Procentec und das Feldbus-Diagnosemodul von Pepperl & Fuchs sind zwei Einheiten.

Es ist wichtig, SCADA-Bildschirme schnell von den auf dem lokalen PC gespeicherten Daten zu aktualisieren, da sonst die Bediener das System nicht verwenden können, wenn der Bildschirm beim Wechsel von einem Bildschirm zum anderen nicht schnell aktualisiert wird. Es ist jedoch kein Problem, dass die Felddaten 1-2 Sekunden benötigen, um vom Feldgerät zum PC zu gelangen (eine Profibus DP-Netzwerkgeschwindigkeit von nur 93,75 Kbit / s wird dies problemlos erreichen). Diese Verzögerung hat keine Auswirkungen auf die meisten Wasseraufbereitungsprozesse und kann die Installationskosten senken und das Netzwerk widerstandsfähiger gegen Lärm und Störungen machen.

Drahtlose Datenkommunikationsnetze sind für den geschäftlichen und häuslichen Gebrauch und für einige Prozessüberwachungsanwendungen sehr beliebt geworden, aber es gibt weiterhin viele Sicherheitsbedenken bei der Verwendung zur Steuerung von Anlagen. Aus diesen Gründen sollten drahtlose Netzwerke nur nach sorgfältiger Abwägung für die Steuerung von Anlagen verwendet werden und dort, wo direkt angeschlossene Systeme unpraktisch oder unmöglich zu installieren sind.

Drahtlose Technologien wie Low-Power-Radio und Mikrowelle wurden für die Steuerung einiger Geräte verwendet, sollten jedoch immer mit Vorsicht verwendet werden, da Risiken im Zusammenhang mit dem Pflanzenschutz und der Sicherheit des Personals immer berücksichtigt werden müssen. Typischerweise werden diese Technologien auf relativ kleinen Flächen und in erster Linie zur Übertragung von Zustandsüberwachungssignalen eingesetzt.

Fernkonfiguration. Die neuesten Implementierungen von Profibus und Ethernet ermöglichen es dem Techniker, alle Geräte im Netzwerk von einem zentralen Ort aus zu konfigurieren. Die beiden Hauptpakete verwenden entweder FDT/DTM (Field Device Type/ Device Type Manager) oder EDDL (Extended Device Description Language), um mit den Instrumenten zu kommunizieren.