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Feldbus-Kommunikation
Foundation Fieldbus
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2 Technisches Handbuch Feldbus-Kommunikation
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Technisches Handbuch Feldbus-Kommunikation 3
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung.................................................................................................. 4
1.1 Zielgruppe....................................................................................... 41.2 Allgemeine Sicherheitshinweise ..................................................... 41.3 Bedeutung der Warnhinweise......................................................... 4
2 Grundlagen der Foundation-Fieldbus-Technologie ............................. 5
2.1 HSE-Bus ......................................................................................... 62.2 Verbindungselemente..................................................................... 72.3 Grundlagen H1-Bus ........................................................................ 72.4 Buszugriff........................................................................................ 102.5 Gerätemanagement........................................................................ 152.6 Strom und Spannung im H1-Bus .................................................... 16
3 Installation im H1-Segment - Feldgeräte allgemein .............................. 19
3.1 Erdung und Schirmung ................................................................... 193.2 Terminierung................................................................................... 203.3 PD-Tag und Adressierung .............................................................. 21
4 Installation im H1-Segment - Polytron 8000 .......................................... 22
4.1 Gasmessgerät öffnen ..................................................................... 224.2 Gasmessgerät anschließen ............................................................ 234.3 Feldbus-Kabel anschließen ............................................................ 234.4 Erdung und Schirmung kontrollieren .............................................. 244.5 Terminierung vornehmen................................................................ 244.6 Stromversorgung anschließen........................................................ 254.7 Gasmessgerät schließen ................................................................ 25
5 Inbetriebnahme - Polytron 8000 ............................................................. 26
5.1 Installation kontrollieren .................................................................. 265.2 Konfiguration des Gasmessgeräts mit DTM ................................... 26
6 Störungsbeseitigung ............................................................................... 29
6.1 Störungsanalyse ............................................................................. 29
7 Anhang...................................................................................................... 30
7.1 Übersicht über Register und Parameter der Funktionsblöcke ........ 307.2 Anhang 1 Parameterliste Polytron 8000 ......................................... 30
4 Technisches Handbuch Feldbus-Kommunikation
Einleitung
1 Einleitung
Dieses Dokument ergänzt die Gebrauchsanweisungen der Gasmessgeräte:
– Dräger Polytron 8100
– Dräger Polytron 8300/ Dräger Polytron 8310
– Dräger Polytron 8700/ Dräger Polytron 8720
Das Dokument enthält weiterführende Informationen zur PROFIBUS-PA-Schnittstelle.
1.1 Zielgruppe
Dieses Handbuch richtet sich an Fachkräfte mit einer Ausbildung in der SPS-Programmierung, Elektrofachkräfte oder von Elektrofachkräften unterwiesene Personen, die außerdem mit den geltenden Normen vertraut sind.
1.2 Allgemeine Sicherheitshinweise
Vor Gebrauch des Produkts die dazugehörige Gebrauchsanweisung aufmerksam lesen. Dieses Dokument ersetzt nicht die Gebrauchsanweisung.
1.3 Bedeutung der Warnhinweise
Die folgenden Warnzeichen werden in diesem Dokument verwendet, um die zugehörigen Warntexte zu kennzeichnen und hervorzuheben, die eine erhöhte Aufmerksamkeit seitens des Anwenders erfordern. Die Bedeutungen der Warnzeichen sind wie folgt definiert:
Warnzeichen Signalwort Folgen bei Nichtbeachtung
WARNUNG Hinweis auf eine potenzielle Gefahrensitu-ation. Wenn diese nicht vermieden wird, können Tod oder schwere Verletzungen eintreten.
VORSICHT Hinweis auf eine potenzielle Gefahrensitu-ation. Wenn diese nicht vermieden wird, können Verletzungen eintreten. Kann auch als Warnung vor unsachgemäßem Gebrauch verwendet werden.
HINWEIS Hinweis auf eine potenzielle Gefahrensitu-ation. Wenn diese nicht vermieden wird, können Schädigungen am Produkt oder der Umwelt eintreten.
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Grundlagen der Foundation-Fieldbus-Technologie
2 Grundlagen der Foundation-Fieldbus-Technologie
Foundation Fieldbus (FF) ist ein international genormtes digitales Kommunikationssystem. Es ersetzt in vielen Bereichen die aufwendige analoge Signalübertragung mithilfe einer 4-20-mA-Schnittstelle. Die digitale Kommunikation bietet u. a. folgende Vorteile gegenüber der analogen Datenübertragung.
– Der Verdrahtungsaufwand ist wesentlich geringer. Digitale Signale und die Stromversorgung werden über ein Kabel übertragen.
– Die Inbetriebnahme und das Hinzufügen oder Entfernen von Feldgeräten sind einfacher. Durch Standardisierungen können Feldgeräte herstellerübergreifend ausgetauscht werden.
– Die Parametrierung, Diagnose und Wartung von Feldgeräten können zentral erfolgen.
– Die Datenübertragung ist bidirektional und liefert mehr Informationen, wie z. B. Status- und Fehlermeldungen.
Foundation Fieldbus (FF) arbeitet mit 2 Bussystemen. An einem schnellen Bussystem (HSE-Bus) mit High-Speed-Ethernet sind ein oder mehrere langsamere Busse (H1-Bus) mit Manchester-Coding (MBP) angeschlossen. Die Feldgeräte sind parallel am H1-Bus angeschlossen und werden von einem Speisegerät über die Busleitung mit Energie versorgt. Der Übergang zwischen H1 und HSE kann mit Verbindungselementen, wie Bridges oder Gateways, gebildet werden. Bei FF übernehmen einzelne Feldgeräte Automatisierungsaufgaben und sind nicht mehr nur Aktor oder Sensor. Dies ermöglicht eine dezentrale Prozessbearbeitung, wodurch der Bus entlastet wird.
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Grundlagen der Foundation-Fieldbus-Technologie
2.1 HSE-Bus
High-Speed-Ethernet (HSE) basiert auf Ethernet-Technologie und arbeitet mit 100 Mbit/s. Der Buszugriff erfolgt willkürlich. Ein Gerät kann jederzeit auf den Bus zugreifen. Dies kann eine Echtzeitbearbeitung negativ beeinflussen und ist somit nur bedingt für Anwendungen in der Automatisierungstechnik geeignet. Wenn jedoch nur eine begrenzte Anzahl an Geräten angeschlossen ist, ermöglicht die schnelle Übertragungsgeschwindigkeit eine Echtzeitbearbeitung. Um eine hohe Busbelastung durch viele Geräte zu verringern, können mehrere HSE-Busse gebildet werden, die durch Switches miteinander verbunden sind. Switches lesen die Zieladresse der Datenpakete aus und geben Daten an das entsprechende Teilnetz weiter.
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2.2 Verbindungselemente
Verbindungselemente (Linking Devices) verbinden den schnellen HSE-Bus und einzelne H1-Busse. Sie setzen die unterschiedlichen Datenraten und Telegramme um. Verbindungselemente können Bridges oder Gateways sein.
2.3 Grundlagen H1-Bus
2.3.1 Übersicht H1-Bus
Am H1-Bus sind die Feldgeräte angeschlossen. Sie können selbständig Automatisierungsgaben ausführen und Daten zu definierten Zeitpunkten direkt miteinander austauschen. Dabei stellen verschiedene Vorkehrungen sicher, dass nicht mehrere Geräte gleichzeitig senden.
Norm IEC 61158
Datenübertragung (Physikalische Schicht)
Manchester Coding Bus Powered (MBP)
Max. Länge ab Seg-mentkoppler
– 1900 m: Eigensichere und Standard-Anwendungen der Kategorie ib
– 1000 m: Eigensicheren Anwendungen der Kategorie ia
– Mit 4 Repeatern bis zu 9,5 km
Anzahl Teilnehmer im Segment (max. 126 pro Netz)
– Nicht Ex: max. 32 Teilnehmer je Segment
– Ex ia: max. 10 Teilnehmer
– Ex ib: max. 24
Anzahl Repeater Max. 4 Repeater
Fernspeisung Alternativ über die Signaladern
Zündschutzarten Eigensicherheit (Ex ia/ib)
Übertragungsrate 31,25 kbit/s
Buszugriffsmethode Publisher/SubscriberClient/ServerReport/Distribution (Berichtsverteilung)
Protokoll Foundation Fieldbus H1 nach IEC 61158 und IEC 61784-1
Topologie Meistens Linienstruktur, mit Verbindungsbaugruppen (Junction Box) auch Stern-, Baum- und gemischte Topo-logien möglich
Busabschluss Jedes Segment muss an Anfang und Ende durch einen Busabschluss terminiert werden. Bei verzweigten Bus-segmenten wird das Busende durch den Teilnehmer gebildet, der am weitesten vom Übergang zu HSE ent-fernt ist.
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2.3.2 Kabeltyp
Feldgeräte und Feldbus-Netzwerk werden mit verdrillten zweiadrigen Kabeln verbunden. Mehrere Stromkreise an einem Kabel sind nicht zulässig. Die elektrischen Kenndaten der Feldbuskabel bestimmen wichtige Eigenschaften z. B. die Anzahl an Teilnehmern oder mögliche Entfernungen. Es können Kabeltyp B und Kabeltyp A verwendet werden. Beim Einsatz von Kabeltyp B können mehrere Feldbusse der gleichen Zündschutzart an einem Kabel angeschlossen sein. Für Dräger-Gasmessgeräte muss der abgeschirmte Kabeltyp A verwendet werden. Beim Einsatz von Kabeltyp B können mehrere Feldbusse der gleichen Zündschutzart an einem Kabel angeschlossen sein.
1) Abhängig von der Zündschutzart und den Kabelspezifikationen.
2) Zwischen Teilnehmer und Master sind max. 4 Repeater erlaubt.
2.3.3 Stichleitungen
Die Leitung zwischen Anschlussbox und Feldgerät wird Stichleitung genannt. Folgendes muss beachtet werden:
– In Ex-Bereichen darf eine Stichleitung maximal 30 m lang sein.
– Kurze Stichleitungen (< 1 m) gelten als Verbindungselemente und fließen nicht in die Berechnung der Gesamtkabellänge des Busses mit ein. Dies gilt nicht, wenn die Summe aller kurzen Stichleitungen 2 % der Gesamtlänge eines Busses ausmachen.
– In Nicht-Ex-Bereichen ist die max. Länge einer Stichleitung von der Anzahl der Feldgeräte abhängig.
Typ A Typ B
Kabelaufbau Verdrilltes Adernpaar, geschirmt
Eines oder mehrere verdrillte Adernpaare, Gesamtschirm
Adernquerschnitt 0,8 mm² (AWG 18) 0,32 mm² (AWG 22)
Schleifenwiderstand (DC) 44 Ω/km 112 Ω/km
Wellenwiderstand bei 31,25 kHz 100 Ω ± 20 % 100 Ω ± 30 %
Wellendämpfung bei 39 kHz 3 dB/km 5 dB/km
Kapazitive Unsymmetrie 2 nF/km 2 nF/km
Gruppenlaufzeitverzerrung 1,7 µs/km -
Bedeckungsgrad des Schirms 90 % -
Empfohlene maximale Netz-werkausdehnung (inklusive Stichleitungen) 1)
1900 m 1200 m
Empfohlene maximale Netz-werkausdehnung (inklusive Stichleitungen) mit Repeatern)
1900 *2 1200 *2
Anzahl der Feldgeräte 25-32 19-24 15-18 13-14 1-12
Stichleitungslänge ≤ 1 m 30 m 60 m 90 m 120 m
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2.3.4 Ex-Anwendung
Für die eigensichere Verwendung des H1-Bus müssen Sicherheitsbarrieren zwischen sicherem und Ex-Bereich installiert werden.
Werden Netzwerke eigensicher ausgelegt, gilt die Zündschutzart „Ex i“. Diese Zündschutzart fordert nicht nur die Eigensicherheit der angeschlossenen Gerätschaften, sondern bezieht sich auf den gesamten Stromkreis. Die Eigensicherheit eines Netzwerks hängt von den angeschlossenen Stromkreisen ab. Der Stromkreis mit der geringsten Eigensicherheit gibt die Eigensicherheit des gesamten Netzwerks vor. Wenn ein angeschlossener Stromkreis in Zündschutzart Ex ib ausgeführt ist, gilt diese Zündschutzart für das gesamte Netzwerk.
Der Nachweis der Eigensicherheit wird mit dem FISCO-Modell erbracht.
2.3.5 FISCO-Modell
Das FISCO-Modell (Fieldbus Intrinsically Safe Concept) wurde von der Physikalisch Technischen Bundesanstalt entwickelt, um das Planen, Erweitern und Installieren von Netzwerken in explosionsgefährdeten Bereichen zu erleichtern. Die Auslegung nach FISCO ermöglicht z. B. den Feldgerätetausch oder einen Anlagenausbau ohne, dass Neuberechnungen nötig sind. Feldgeräte können nach dem Plug-and-Play-Prinzip ausgetauscht werden.
Um diese und mehr Vorteile zu gewährleisten, müssen gewisse Rahmenbedingungen beachtet werden. Alle Busteilnehmer müssen das FISCO-Modell erfüllen. Nur ein Gerät darf Energie in das Netzwerk einspeisen. Feldgeräte dürfen nur Energie entnehmen. Wenn ein Feldgerät sendet, wird keine zusätzliche Energie in den Bus gespeist. Feldgeräte, die zusätzlich Hilfsenergie benötigen, müssen mindestens eine Zündschutzart höher ausgelegt sein als der Feldbusstromkreis. Für die Installation nach FISCO sind entsprechende Kontrollzeichnungen in den Gebrauchsanweisungen des jeweiligen Gasmessgeräts enthalten.
Eigenschaften gemäß FISCO-Modell
Ex ia/ib IIC Ex ib IIB
Kabel
Schleifenwiderstand (DC) 15...150 Ω/km 15...150 Ω/km
Induktivitätsbelag 0,4...1 mH/km 0,4...1 mH/km
Kapazitätsbelag 45...200 nF/km 45...200 nF/km
Stichleitungslänge ≤ 60 m ≤ 60 m
Leitungslänge ≤ 1000 m ≤ 5000 m
Speisegeräte Typ A Typ B
Max. Strombedarf ≤ 110 mA ≤ 110 mA
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2.3.6 Spannungsversorgung und Kommunikation
Feldgeräte können eigene Stromversorgungen haben oder über den Bus durch ein Speisegerät mit Energie versorgt werden. Bei busgespeisten Netzwerken entnehmen die am H1-Segment angeschlossenen Feldgeräte den nötigen Strom aus dem Buskabel. Feldgeräte haben eine Stromaufnahme von 10 - 30 mA bei 9 -32 V. Wenn ein Feldgerät sendet, variiert es seinen Stromverbrauch um ±10 mA bei 31,25 kbit/s. Dadurch wird bei einer Impedanz von 50 Ω eine Spannungsänderung von ±0,5 V im Netzwerk hervorgerufen. Die Spannungsänderung wird auf die Gleichspannungsversorgung des H1-Bus aufmoduliert.
2.4 Buszugriff
2.4.1 Link Active Schelduler (LAS)
Link Active Scheduler (LAS) werden auch als Link-Master bezeichnet und steuern den zeitlichen Ablauf der Buskommunikation über Befehle, die sie an die Feldgeräte senden. Die Adressierung von Feldgeräten wird auch vom LAS gesteuert. Belegte und unbelegte Geräteadressen werden zyklisch vom LAS abgefragt. Dadurch können zu jeder Zeit neue Feldgeräte angeschlossen werden. Bussysteme können mehrere LAS enthalten, wodurch der Ausfall eines LAS schnell kompensiert werden kann.
2.4.2 Getakteter Datenverkehr
Zeitkritische Datenübertragungen erfolgen über den getakteten Datenverkehr. Dazu zählt z. B. die Regelung der Prozessgrößen. Getaktete Datenübertragungen folgen einem strikten Zeitplan, der zyklisch abgearbeitet wird. Dadurch werden alle Daten rechtzeitig übertragen und Zugriffskonflikte auf den Bus verhindert. Der LAS synchronisiert die Feldgeräte mit einem TD-Befehl (Timer Distribution). Jedes Feldgerät hat den Zeitplan im Systemmanagement. Dieser legt fest, welche Aufgabe abzuarbeiten ist und zu welchem Zeitpunkt Daten empfangen oder gesendet werden müssen. Der LAS kann mit dem CD-Befehl (Compell Data) auch zum Senden der Daten auffordern.
Publisher-Subscriber-Methode
Wenn ein Feldgerät Daten sendet, wird es zum Publisher und sendet die im Sendepuffer vorhandenen Daten. Die in den Bus gesendeten Daten können dann direkt von Feldgeräten gelesen und ausgewertet werden, die als Subscriber konfiguriert sind. Die Daten werden nicht erst an einen Master gesendet, der dann wiederum die entsprechenden Feldgeräte ansteuert. Dies reduziert die Anzahl der Datenübertragungen im Bus auf ein Minimum.
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Beispiel:
Ein Gasmessgerät misst fortlaufend Gaskonzentrationen und teilt seine Messwerte zyklisch mit. Ein Lüfter ist als Subscriber des Gasmessgeräts konfiguriert.
2.4.3 Ungetakteter Datenverkehr
Zeitlich unkritische Datenübertragungen erfolgen ungetaktet. Dazu zählen z. B. die Parametrierung und die Diagnose der Feldgeräte. Freie Lücken im Zeitplan des getakteten Datenverkehrs werden für die ungetaktete Datenübertragung genutzt. Während solcher Zeitlücken gibt der LAS den Bus für den ungetakteten Datenverkehr frei. Für die Busfreigabe nutzt der LAS eine Live-Liste und den PT-Befehl (Pass Token). Wenn ein Gerät das Token erhält, kann es so lange auf den Bus zugreifen, bis die Zeit abgelaufen ist oder bis es den Token zurückgibt.
Live-Liste
Alle Geräte, die in der Live-Liste eingetragen sind, erhalten vom LAS nacheinander das Token für den ungetakteten Datenverkehr. Zum Aktualisieren der Geräte und Adressen in der Live-Liste sendet der LAS den PN-Befehl (Probe Node). Neuangeschlossene Geräte antworten daraufhin mit dem PR-Befehl (Probe Response) und werden in die Live-Liste eingetragen. Entsprechend der Listenreihenfolge erhält das Gerät dann den Token im ungetakteten Datenverkehr.Geräte werden aus der Live-Liste entfernt, wenn sie den PT-Befehl vom LAS nicht beantworten oder das Token nach 3 Versuchen sofort wieder zurückgeben. Änderungen an der Live-Liste werden allen Geräten mitgeteilt. Sollte ein LAS ausfallen, kann so ein Informationsverlust verhindert werden.
2.4.4 Ablaufsteuerung getakteter und ungetakteter Datenverkehr
Der LAS stellt mit einer Ablaufsteuerung sicher, dass der getaktete Datenverkehr nicht durch ungetaktete Datenübertragungen (PT-Token, TD- oder PN-Befehle usw.) gestört wird. Bevor eine ungetaktete Datenübertragung ausgeführt wird, prüft der LAS den Zeitplan des getakteten Datenverkehrs. Kann keine ungetaktete Datenübertragung erfolgen, wartet der LAS im Idle-Zustand auf eine Lücke im Zeitplan. Wenn eine Lücke vorhanden ist, gibt der LAS den CD-Befehl. Wenn genug Zeit für eine weitere ungetaktete Aktion ist, sendet der LAS weitere Befehle, z. B. den PN-, TD-, oder PT-Befehl.
Zeitpunkt 0: Das Gasmessgerät misst. Der Lüfter ist aus.
Zeitpunkt 10: Der LAS übergibt das Token an das Gasmessgerät.
Zeitpunkt 20: Das Gasmessgerät sendet seinen Messwert oder Alarm in den Bus.
Zeitpunkt 30: Der Lüfter empfängt die Daten des Gasmessgeräts. Handelt es sich um einen Alarm, schaltet sich der Lüfter ein.
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2.4.5 Fieldbus Access Sublayer (FAS)
Der Fieldbus Access Sublayer baut Kommunikationsbeziehungen (VCRs) zwischen den Busteilnehmern auf. Foundation Fieldbus arbeitet mit 3 VCRs. Sie beschreiben Kommunikationsprozesse, die eine schnelle Bearbeitung von Aufgaben ermöglichen.
Publisher/Subscriber
Senden und Empfangen von Prozessdaten im getakteten Datenverkehr.
Report Distribution (Berichtsverteilung)
Senden von Alarmen, Ereignissen und Trenddaten im ungetakteten Datenverkehr.
Client/Server
Diagnose und Änderungen von feldgeräteseitigen Einstellungen im ungetakteten Datenverkehr.
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2.4.6 Fieldbus Message Specification (FMS)
Die Datenübertragung zwischen den Busteilnehmern erfolgt über ein Set aus Standardtelegrammen, die in der FMS definiert sind. Die in Standardtelegrammen enthaltenen Daten werden Objektbeschreibungen zugeordnet. Jede Objektbeschreibung hat Daten aus bestimmten Blöcken und zugehörigen Objekten der Feldgeräte. Damit die Objektbeschreibung vom Empfänger korrekt interpretiert werden kann, befindet sich im Index 0 die Beschreibung der Objektbeschreibung selbst. Diese Beschreibung wird Objektwörterbuch genannt. Die Eintragungen der Indizes 1-255 enthalten Standard-Datentypen. Ab Index 256 enthalten die Telegramme applikationsspezifische Daten.
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2.4.7 Funktionsblockmodell
Damit Geräte verschiedener Hersteller miteinander kommunizieren können, wird eine offene Protokollspezifikation benötigt. Die Protokollspezifikation definiert einheitliche Gerätefunktionen und Anwendungsschnittstellen. Die allgemeine Struktur der Datenübertragung wird grob 3 verschiedenen Blöcken zugewiesen. Zusätzlich zu den Blöcken werden 4 Objekte definiert. Blöcke und Objekte sind in der Software des jeweiligen Feldgeräts abgebildet und machen die Funktionalität des Feldgeräts aus. Die weitere Unterteilung nach Objekten, verkürzt den Zugriff auf die Daten.
2.4.8 Übertragung von Messwerten und Status
Die Datenblöcke für die Übertragung von Messwerten und Status sind 5 Bytes lang. Die ersten 4 Bytes enthalten den Messwert als Gleitkommazahl nach IEEE-Standard. Im 5. Byte wird eine gerätespezifische Statusinformation mitgeteilt. Die gerätespezifische Statusinformation wird nach dem NAMUR-Standard NE 107 angegeben. Wenn ein Fehler vorliegt, kann dieser mit der DTM ausgelesen werden.
Blocktypen
Ressource Block (RB)
In jedem Feldgerät gibt es nur einen RB. Er enthält die Kenn-daten des Feldgeräts, wie z. B. Hersteller, Seriennummer jeder Baugruppe, Softwareversion, Befehl zur Rücksetzung der Werkseinstellungen, den Status des Feldgeräts.
Transducer Block (TB)
Im TB sind Parameter zusammengefasst, die den Typ des Sensors beschreiben oder den Sensor beeinflussen. Auch sind Parameter zur Justierung, zum Messgaseinstellen, zur Alarmkonfiguration (Alarmschwellen), Wartungs- und Selbst-testfunktion, usw. integriert. Fast die komplette Menüfunktio-nalität ist enthalten. Die Rohdaten des Sensors werden im TB zu einem Messwert umgewandelt. Der Messwert wird dann im Funktionsblock verarbeitet.
Function Block (FB) Jedes Feldgerät hat mindestens einen Function Block. Er legt den Zugriff auf die Funktionen des Feldgeräts fest. Der FB bil-det auch die Grundlage für die Zeitpläne des getakteten Datenverkehrs.
Objekte
Link Link-Objekte definieren die Verbindungen zwischen Funkti-onsblöcken in einem Feldgerät und im Feldbusnetzwerk.
Alert Alert-Objekte dokumentieren Alarme und Ereignisse im Feld-busnetzwerk.
Trend Trend-Objekte unterstützen die Langzeitspeicherung von Funktionsblockdaten.
View View-Objekte unterstützen die Darstellung der Funktions-blockdaten und Parameter. Dazu werden die Daten und Parameter in verschiedene Gruppen unterteilt, die den jewei-ligen Aufgabengebieten entsprechen, z. B. Prozesskontrolle, Konfiguration, Wartung, Zusatzinformation.
Byte 1 Byte 2 Byte 3 Byte 4 Byte 5
Messwert als IEEE 754-Fließkommazahl Status
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2.5 Gerätemanagement
2.5.1 Gerätebeschreibung (DD)
Bei der Diagnose, Instandhaltung und Integration eines Feldgeräts in das Prozessleitsystem wird die Gerätebeschreibung (DD) des Feldgeräts benötigt. Die DD ist in einem genormten Dateiformat geschrieben und gehört zum Lieferumfang eines Feldgeräts. Sie enthält gerätespezifische Parameter, die zur Einbindung der Feldgeräte in den Feldbus benötigt werden, darunter: Eingangsdaten, Ausgangsdaten, Datenformat, Datenmenge und wenn erforderlich Gerätesymbole, die im Netzwerkbaum des Leitsystems abgebildet werden. Für den getakteten Austausch von Messwerten genügt die DD.
Standard-DD und herstellerspezifische DD
Es gibt Herstellerspezifische- und Standard-DDs. Die Standard-DD unterscheidet sich in der Anzahl der einzelnen Funktionsblöcke und ermöglicht ein herstellerunabhängiges Austauschen von Feldgeräten. Sie bietet somit nicht den vollen Funktionsumfang wie eine herstellerspezifische DD.
Dräger empfiehlt, die herstellerspezifische DD zu verwenden.
2.5.2 Gerätemanagement im getakteten Datenverkehr
Das Gerätemanagement im getakteten Datenverkehr wird vom LAS gesteuert. Hier werden der Messwert und der Status eines Feldgeräts abgefragt. Zur Integration eines Feldgeräts in den getakteten Datenverkehr wird die DD benötigt.
2.5.3 Gerätemanagement im ungetakteten Datenverkehr
Im ungetakteten Datenverkehr werden Feldgeräte mit einem PC oder Service-Tool eingestellt. Der PC ist über eine Schnittstelle mit dem HSE-Segment verbunden. Damit Gerätemerkmale und Bedienfunktionen der Feldgeräte herstellerübergreifend erfasst werden können, wurde die Schnittstellenbeschreibung FDT und DTM festgelegt:
FDT und DTM
Das FDT/DTM-Konzept dient der Integration und dem Management intelligenter Feldgeräte. Mit dem Konzept können Feldgeräte zentral konfiguriert, ihre Messwerte und ihr Verhalten dokumentiert und Gerätediagnosen durchgeführt werden.
DTMs (Device Type Manager) sind Softwarekomponenten, mit denen sämtliche Funktionen, Eigenschaften und Parameter des Gasmessgeräts implementiert werden können. Herstellerspezifische DTMs enthalten auch das komplette Bedienfeld und die Menüstruktur des Feldgeräts.
Das FDT (Field Device Tool) ist ein herstellerübergreifendes Konzept, das die Parametrierung unterschiedlicher Feldgeräte mit nur einer Software ermöglicht. Diese Software ist eine Rahmenapplikation, in die die benötigten DTMs geladen werden können. Dieses Konzept kann mit dem Laden von Druckertreibern in ein Betriebssystem verglichen werden.
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Kommunikations-DTM (COM_DTM)
Der Kommunikations-DTM ist ein Treiber, der die Schnittstelle zwischen Feldbuskabel und einem PC einrichtet. Diese Schnittstelle kann z. B. ein USB-Ethernet-Umwandler sein. Der Kommunikations-DTM wird in der FDT-Rahmenapplikation installiert.
2.6 Strom und Spannung im H1-Bus
2.6.1 Stromberechnung
Für die Berechnung müssen folgende Werte bekannt sein:
– IS = Speisestrom des Speisegeräts (Power Hub)
– IB = Basisstrom jedes Feldgeräts
– IFDE= Fehlerstrom jedes Feldgeräts
Die maximale Anzahl der Feldgeräte im H1-Bus wird durch den Speisestrom des verwendeten Power hubs und die Stromaufnahme der Feldgeräte gegeben.
Der Strombedarf des Segments ISEG wird berechnet aus: ISEG = ∑IB + max. IFDE
Ein Segment ist zulässig wenn IS ≥ ISEG.
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2.6.2 Spannung am letzten Feldgerät
Am vom Speisegerät am weitesten entfernten Feldgerät muss die minimale Betriebsspannung (9 V) überprüft werden, da durch den Kabelwiderstand ein Spannungsabfall verursacht wird.
Die Spannung wird mit dem Ohm'schen Gesetz berechnet:
UB = US – (ISEG * RSEG)
Wobei: UB = Spannung am letzten Gerät
US = Speisespannung des Speisegeräts (Daten des Herstellers)
ISEG = Strombedarf des Segments
RSEG = Kabelwiderstand = Buslänge * Widerstandsbelag
2.6.3 Spannungskalkulation und Leitungslänge
Mit der folgenden Formel wird die maximale Kabellänge für einen bestimmten Kabelwiderstand berechnet.
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2.6.4 Worstcase-Berechnungsbeispiel
Die maximale Leitungslänge kann in bestimmten Fällen durch die Aufteilung der Busteilnehmer im Segment negativ beeinflusst werden.
RL = Leitungswiderstand des Leitungssegments χ
In = Stromaufnahme des n-ten Feldgerät
Gegebene Werte (aus Stromberechnung und Datenblatt des Kabeltyps):
ISEG = max. Gleichstrom (inkl. IFDE) = 100 mA
RL = Widerstandsbelag Kabeltyp A = 44 Ω/km.
Um das einwandfreie Funktionieren eines Feldgeräts zu gewährleisten, muss die Eingangsspannung an der Busleitung mindestens 9 V betragen.
Damit gilt für den maximalen Spannungsabfall über der Leitung: ULmax = US - 9 V.
Beispiel: Speisegerät mit Ex-Schnittstelle
Speisegeräte mit Ex-Schnittstelle liefern eine Spannung von 12,8 V.... 13,4 V.
Damit ergibt sich der maximale Spannungsabfall über der Leitung ULmax = US - 9 V = 12,8 V - 9 V = 3,8 V
Der max. Leitungswiderstand RLmax[Ω] = (ULmax/ ISEG) = 3,8 V / 0,1 A = 38 Ω.
Daraus ergibt sich die maximale Leitungslänge [km] = (RLmax/ RL) = 38 Ω/ 44 [Ω/km] = 0,863 km
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Installation im H1-Segment - Feldgeräte allgemein
3 Installation im H1-Segment - Feldgeräte allgemein
3.1 Erdung und Schirmung
Eigensichere Feldbusstromkreise werden potentialfrei betrieben, dennoch können einzelne Messstromkreise geerdet sein. In manchen Fällen muss ein Überspannungsschutz vorgeschaltet werden. Die Entscheidung über den Einsatz eines Überspannungsschutzes und die fachgerechte Anbindung an den Potentialausgleich liegt beim Kunden.
Für die Erdung des leitenden Schirms muss ein ausreichender Potentialausgleich vorhanden sein. Die Erdung des Schirms schützt die digitalen Signale auf dem Feldbus vor hochfrequenten elektromagnetischen Störungen.
Dräger-Gasmessgeräte sind nur für die kapazitive Erdung zugelassen. Die gesetzlichen EMV-Anforderungen werden nur mit einseitiger Erdung des Schirms an der Auswerteeinheit erfüllt.
Für die Erdung des Schirms gibt es 3 Methoden.
– Isolierte Installation
– Installation mit mehrfacher Erdung
– Kapazitive Installation
3.1.1 Isolierte Installation (IEC 61158-2)
Die Erdung des Kabelschirms ist von der Geräteerdung getrennt und wird nur am Speisegerät aufgelegt. Der Nachteil dabei ist, dass die Bussignale nicht optimal vor Störungen geschützt sind. Das Ausmaß der Störungen hängt dabei von der Länge und Topologie des Busses ab.
3.1.2 Installation mit Mehrfacherdung (IEC 79-13)
Alle Kabelschirme und Geräte sind lokal geerdet. Die Erdungsklemmen sind mit einem im sicheren Bereich geerdeten Potentialausgleichsleiter verbunden. Diese Erdung erreicht einen erhöhten Schutz der Signale vor Störungen und kann unter Beachtung von Auflagen im Ex-Bereich eingesetzt werden.
3.1.3 Kapazitive Installation
Die Kabelschirme werden über einen Kondensator geerdet. Hier werden Kondensatoren mit einer Spannungsfestigkeit von 1 nF/1500 V verwendet. Insgesamt darf die am Schirm angeschlossenen Kapazität 10 nF nicht überschreiten. Als Kabel muss ein geschirmtes und verdrilltes Kabel verwendet werden.
Kapazitive Erdung im Nicht-Ex-Bereich:
– Feldgeräte und Anschlussboxen sind kapazitiv zwischen Kabelschirm und Erde geerdet. Die Kondensatoren sind in die Anschlussboxen eingebaut.
– Das Speisegerät wird normal geerdet.
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Installation im H1-Segment - Feldgeräte allgemein
Kapazitive Erdung im Ex-Bereich:
– Die Anschlussbox ist konventionell geerdet.
– Das Speisegerät ist kapazitiv geerdet. Der Busschirm muss am Speisegerät direkt geerdet werden.
– Am Dräger-Gasmessgerät wird der Schirm in den dafür vorgesehenen PIN gesteckt.
3.2 Terminierung
Anfang und Ende eines Segments benötigen einen passiven Leitungsabschluss (Terminierung). Die Terminierung unterdrückt Signalreflexionen auf der Busleitung. Zur Terminierung wird eine Kombination aus einem Widerstand und einem Kondensator (R-C-Glied) verwendet.
3.2.1 Terminierung einer MBP-Schnittstelle (H1-seitig)
– Das Linking Device am Anfang des Segments hat einen eingebauten Busabschluss.
– Bei einem verzweigten Bussegment stellt das am weitesten vom Linking Device entfernte Feldgerät den Busabschluss dar und muss terminiert werden.
– Wenn die angeschlossenen Stichleitungen länger als 30 m sind, muss direkt am Feldgerät terminiert werden.
– Wenn der Bus mit einem Repeater verlängert wird, muss auch die Verlängerung an beiden Enden terminiert werden.
Terminierung im Nicht-Ex-Bereich
Der Busabschluss kann an den meisten Anschlussboxen per Schalter eingestellt werden. Wenn dies nicht der Fall ist, muss ein separater Busanschluss installiert werden.
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Technisches Handbuch Feldbus-Kommunikation 21
Installation im H1-Segment - Feldgeräte allgemein
Terminierung im Ex-Bereich
Anschlussboxen mit zuschaltbaren Abschlusswiderständen sind nicht zulässig. Der Abschlusswiderstand benötigt eine entsprechende Zulassung und wird separat gesetzt.
3.3 PD-Tag und Adressierung
PD-Tags (Physical Device Tags) sind alphanumerische Bezeichner für Feldgeräte. PD-Tags können 32 Zeichen umfassen. Jeder Busteilnehmer benötigt darüber hinaus eine eindeutige Adresse. Die Einstellung der Adresse erfolgt zentral mit FDT und DTM. Adressen teilen sich in Bereiche zwischen 0 und 255 auf. LAS erhalten Adressen zwischen 1-15. Basic Devices werden im Bereich 16-247 adressiert. Feldgeräte werden durch den LAS automatisch erkannt und erhalten dann eine Adresse aus dem Default-Adressbereich, 248-255. Gasmessgeräte von Dräger sind nur als Basic Devices einsetzbar und werden ab Werk mit der Adresseinstellung 247 und dem PD-Tag (Produktname Seriennummer, z. B. Polytron 8000______ ERHK-0214) ausgeliefert. Wenn sich 2 Dräger-Gasmessgeräte am gleichen Segment befinden, behält ein Gerät seine Adresse, dem 2. Gerät wird eine Adresse aus dem Defaultbereich zugewiesen.
Während der Einstellung können die Feldgeräte 3 Zustände annehmen. Befindet sich das Feldgerät nicht im Zustand SM_OPERATIONAL, kann kein Funktionsblock ausgeführt werden. Wenn die Adresse eines Feldgeräts gelöscht wird, erhält das Feldgerät eine zufällige Adresse aus dem Default-Adressbereich, bis es neu eingestellt wird. Zu jeder Zeit muss dafür die Device-ID bekannt sein.
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22 Technisches Handbuch Feldbus-Kommunikation
Installation im H1-Segment - Polytron 8000
4 Installation im H1-Segment - Polytron 8000
Bei der Installation müssen die Vorgaben durch das FISCO-Modell, die Gebrauchsanweisung und die darin enthaltenen Kontrollzeichnungen des jeweiligen Gasmessgeräts beachtet werden. Bei Verwendung einer Dräger Docking Station FB, die zugehörige Gebrauchsanweisung beachten.
Nur geeignete Kabeltypen verwenden (siehe 2.3.2 Kabeltyp). Dräger empfiehlt Kabeltyp A.
Die gesetzlichen EMV Anforderungen werden nur mit einseitiger Erdung des Schirms an der Auswerteeinheit erfüllt.
4.1 Gasmessgerät öffnen
1 Feststellschraube (6) lösen.
2 Deckel (1) vom Gasmessgerät abschrauben und abheben.
3 Bügel (2) nach oben klappen und die PCB-Einheit (3) mit der Hauptelektronik herausziehen.
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Technisches Handbuch Feldbus-Kommunikation 23
Installation im H1-Segment - Polytron 8000
4.2 Gasmessgerät anschließen
Voraussetzung:
– Kabeldurchführungen sind am Gasmessgerät installiert, wie in den jeweiligen Gebrauchsanweisungen beschrieben.
1 Das Feldbuskabel und das Kabel für die Stromversorgung in die Kabeldurchführung einführen.
2 Die Adern der Kabel abisolieren.
3 Den Schirm des Feldbuskabels verdrillen.
4 Wenn erforderlich, Aderendhülsen aufstecken und festpressen.
4.3 Feldbus-Kabel anschließen
1 Die Adern des Feldbuskabels mit Anschluss 1 und 2 des 4-poligen-Steckers verbinden.
2 Den Schirm des Feldbuskabels mit Anschluss 4 des 4-poligen-Steckers verbinden.
3 Den 4-poligen-Stecker in die Buchse auf der Rückseite der PCB-Einheit stecken und die Schrauben des Steckers anziehen.
Anschlussbelegung des 4-poligen-Steckers auf der Rückseite der PCB-Einheit.
4-poliger Stecker
Anschluss 1 2 3 4
Belegung Data-A Data-B N.C. Shield
Funktion Signal A Signal B Not Connected Kabelschirm
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24 Technisches Handbuch Feldbus-Kommunikation
Installation im H1-Segment - Polytron 8000
4.4 Erdung und Schirmung kontrollieren
Die gesetzlichen EMV Anforderungen werden nur mit einseitiger Erdung des Schirms an der Auswerteeinheit erfüllt.
Polytron 8000 erfüllt die FISCO-Vorgaben nur mit kapazitiver Erdung.
1 Kontrollieren, ob der Schirm des Feldbuskabels am Gasmessgerät mit Pin 4 (Shield) verbunden ist.
2 Die Erdung und Schirmung am anderen Ende des Feldbuskabels kontrollieren.
– Das Linking Device muss kapazitiv geerdet sein.
– Der Busschirm muss am Linking Device direkt geerdet sein.
– Das Buskabel bzw. die Anschlussbox muss direkt geerdet sein.
4.5 Terminierung vornehmen
Zur Terminierung ein R-C-Glied verwenden.
Eigenschaften des R-C-Glieds:
1 Die Terminierung je nach Standort des Gasmessgeräts im H1-Segment vornehmen.
Parameter Nom. Wert Toleranz Einheit
Terminierungswiderstand 100 +/- 2 % Ω
Terminierungskondensator 1-2 +/- 20 % µF
Linking Device terminieren Wenn sich das Gasmessgerät am Busanfang befin-det
Anschlussbox terminieren Wenn sich das Gasmessgerät am Busende befin-det
Gasmessgerät terminieren Wenn sich das Gasmessgerät am Busende befin-det und eine Terminierung an der Anschlussbox nicht möglich ist.
Technisches Handbuch Feldbus-Kommunikation 25
Installation im H1-Segment - Polytron 8000
4.6 Stromversorgung anschließen
1 Die 2 Adern des Kabels für die Stromversorgung mit dem 2-poligen Stecker verbinden.
2 Den 2-poligen-Stecker auf die Buchse für die Stromversorgung stecken und die Schrauben des Steckers anziehen.
4.7 Gasmessgerät schließen
1 PCB-Einheit (3) ins Gehäuse einsetzen.
2 Deckel (1) bis zum Anschlag festschrauben.
3 Feststellschraube anziehen (6).
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2-poliger Stecker
Anschluss 1 2
Belegung PWR+ PWR-
Funktion V+ V-
VDC+-
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26 Technisches Handbuch Feldbus-Kommunikation
Inbetriebnahme - Polytron 8000
5 Inbetriebnahme - Polytron 8000
5.1 Installation kontrollieren
1 Richtigen Anschluss der Kabel prüfen (siehe 4.3 Feldbus-Kabel anschließen)
2 Spannung am Gasmessgerät prüfen.Die minimale Betriebsspannung beträgt 10-32 V.
5.2 Konfiguration des Gasmessgeräts mit DTM
Gasmessgeräte können mit dem DrägerServicetool oder einem PC mit installierter FDT-Rahmenapplikation und DTM konfiguriert werden.
5.2.1 Konfiguration mit FDT/DTM vorbereiten
1 Die benötigte Software beschaffen.Software ist unter www.draeger.com kostenfrei erhältlich bzw. verlinkt. Benötigt wird:
– FDT-Rahmenapplikation (z. B. PactWare)
– Kommunikations-DTM (z. B. ProfiTrace)
– Polytron-8000-DTM
2 Software lokal speichern und entpacken.
3 Software installieren, dazu dem jeweiligen Installationsassistenten folgen.
4 Den PC über eine H1-Schnittstelle mit dem Feldbuskabel verbinden.
5.2.2 Verbindung zum Feldbus herstellen
Um die Verbindung zum Feldbus herzustellen, muss die H1-Schnittstelle der FDT-Rahmenapplikation hinzugefügt werden und die Kommunikations-DTM eingerichtet werden.
Voraussetzungen:
– FDT-Rahmenapplikation installiert
– Kommunikations-DTM installiert
– USB-H1-Umwandler angeschlossen
1 FDT-Rahmenapplikation starten
2 Die H1-Schnittstelle hinzufügen.Wenn PactWare verwendet wird:
a Rechtsklick auf HOST PC (2) und Gerät hinzufügen wählen.
b Treiber für die angeschlossene Profibus-Schnittstelle markieren.
c OK wählen.
Technisches Handbuch Feldbus-Kommunikation 27
Inbetriebnahme - Polytron 8000
5.2.3 Verbindung zum Gasmessgerät herstellen
Um die Verbindung zum Gasmessgerät herzustellen, muss das Gasmessgerät in der Kommunikations-DTM hinzugefügt werden.
Voraussetzungen:
– FDT-Rahmenapplikation geöffnet
– Kommunikations-DTM eingerichtet
– Gasmessgerät mit Feldbus verbunden
– Polytron 8000-DTM installiert
1 FDT-Rahmenapplikation starten.
2 Node des Feldgeräts suchen.Wenn PactWare verwendet wird:
a Rechtsklick auf die angeschlossene H1-Schnittstelle (3).
b Weitere Funktionen wählen.
c Live Liste anzeigen wählen.
d Scan starten wählen.
e Gasmessgerät anhand der Seriennummer identifizieren und die Node-ID notieren.
f Schließen wählen.
3 Gasmessgerät hinzufügen, dabei die Node-ID beachten.Wenn PactWare verwendet wird:
a Rechtsklick auf die angeschlossene H1-Schnittstelle (3).
b Verbindung aufbauen wählen.
c Rechtsklick auf die angeschlossene H1-Schnittstelle (3).
d Gerät hinzufügen wählen.
e Gasmessgerät mit Doppelklick auswählen.
f Rechtsklick auf die angeschlossene H1-Schnittstelle (3).
g Weitere Funktionen wählen.
h DTM-Adresse bearbeiten wählen.
i Gasmessgerät mit Doppelklick auswählen.
j Im Feld Node ID die Node-ID des Gasmessgeräts eintragen und Übernehmen wählen.
k Schließen wählen.
l Gasmessgerät mit Doppelklick auswählen.
Verbindung wird aufgebaut.
28 Technisches Handbuch Feldbus-Kommunikation
Inbetriebnahme - Polytron 8000
Wenn alles korrekt eingestellt ist, wechselt der Verbindungsstatus (1) zu verbunden/connected
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Technisches Handbuch Feldbus-Kommunikation 29
Störungsbeseitigung
6 Störungsbeseitigung
6.1 Störungsanalyse
Wenn mit dem Gasmessgerät keine Kommunikation aufgebaut werden kann, folgende Punkte überprüfen:
– Die Übereinstimmung der Adresse (Node) des Feldgeräts mit der in der DTM angegebenen Adresse prüfen.
– Prüfen, ob der USB-Ethernet-Umwandler korrekt mit dem PC und dem Feldbuskabel verbunden ist.
– Die Terminierung an beiden Enden und ggf. an Übergängen des Feldbuskabels (Linking Device, Anschlussbox) prüfen.
Um eine Verbindung herstellen zu können, müssen alle Parameter im Gasmessgerät und in der Kommunikations-DTM übereinstimmen.
30 Technisches Handbuch Feldbus-Kommunikation
Anhang
7 Anhang
7.1 Übersicht über Register und Parameter der Funktionsblöcke
Die folgenden Seiten zeigen eine Übersicht über die Register und Parameter mit einer Beschreibung der Funktionen.
7.2 Anhang 1 Parameterliste Polytron 8000
Technisches Handbuch Feldbus-Kommunikation 31
Anhang
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32 Technisches Handbuch Feldbus-Kommunikation
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40 Technisches Handbuch Feldbus-Kommunikation
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