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Gateways

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Vernetzt im Feld und auf der Schiene

Text: Martin Jenkner, Moxa Foto: Moxa
Moderne Feldbusprotokolle wie Profinet, Ethernet/IP und ModbusTCP müssen mit klassischen Feldbusgeräten kommunizieren können. Eine Lösung sind Industrial Ethernet Gateways, die beide Welten miteinander verbinden. Der Einsatz in einem Steuerungssystemfür den Schienenverkehr zeigt, wie unterschiedliche Netzwerke gekoppelt werden können.

Feldbus-Gateways für die Anbindung an Scada-Systeme fördern die Kommunikation zwischen Geräten über verschiedene Medien und ermöglichen die Echtzeitsteuerung und -überwachung in der Prozessautomation. Viele Geräte und Systeme setzen dabei das Modbus-Protokoll zur Kommunikation ein. Allerdings wurden serielle sowie Industrial-Ethernet-Protokolle nicht darauf ausgelegt, mit Modbus zu kommunizieren. Die moderne Prozess- und Fabrikautomation muss jedoch oftmals Industrial-Ethernet-Standards wie Profinet, Ethernet/IP und ModbusTCP mit älteren Feldbuskomponenten kombinieren. Industrial Ethernet Gateways sind eine komfortable Lösung, um solche Geräte an die moderne Ethernet-Technik anzubinden. Jedes Feldbusprotokoll hat seine eigenen spezifischen Parameter und Werte, die für die Kalibrierung, Konfiguration, Diagnose und Überprüfung verwendet werden - eine für Anwender durchaus verwirrende Komplexität. Abhilfe schaffen flexible Kommunikationslösungen, die Installation und Wartung von Feldbusgeräten vereinfachen. Auch die rauen Umgebungsbedingungen in der Prozess- und Fabrikautomation stellen viele spezifische Anforderungen an Feldbus-Gateways. Darunter fallen der zuverlässige Betrieb in Bereichen, in denen entzündliche Konzentrationen brennbarer Gase, Dämpfe oder Flüssigkeiten vorhanden sind. In solch anspruchsvollen Umgebungen stellen speziell entwickelte Gateways den zuverlässigen Betrieb sicher.

Bestehende Grenzen überwinden

Gateways, die Feldbus- und Ethernet-Technik verbinden, stellen besondere Herausforderungen an die Anwendung und den Anwender. Die Konfiguration erfordert Expertise für diverse Protokolle. Die Einrichtung der Gateways ist zeitintensiv sowie aufwändig und setzt systematisches, oftmals sehr langwieriges Ausprobieren voraus. Die Software benötigt neue Treiber oder zusätzliche Gateways, um mit den ethernetbasierten Geräten zu kommunizieren. Große Datenmengen können eilige Befehle mit hoher Priorität verzögern. Um die Konfiguration zu vereinfachen und die Kommunikation zu rationalisieren, schafft moderne Technik Abhilfe. Zum Beispiel die Anbindung mit automatischer Lernfunktion: Typischerweise müssen alle Parameter eines Gateways konfiguriert werden, bevor das Gateway als I/O-Vermittler zwischen einem Gerät und dem Scada-System oder der SPS in einer Anwendung einsatzbereit ist. Die automatische Lernfunktion Auto Learning in Feldbus-Gateways von Moxa umgeht das zeitintensive Ausprobieren. Das Gateway erkennt, sobald es an eine bestehende Master-SPS angebunden wird selbständig die richtigen Befehlsparameter. Die einfache Anbindung sowie das intelligente Datenverkehrs-Management mithilfe der Prioritätssteuerung erleichtern Anwendern ebenfalls den Einsatz von Gateways. Moderne Gateways ermöglichen die einfache, direkte Kommunikation übers Ethernet-Netzwerk, ohne neue Treiber oder zusätzliche Software installieren zu müssen. Das ProCom-Konzept von Moxa erlaubt es, direkt über bestehende Modbus- oder DF1-Protokolle zu kommunizieren. Darüber hinaus steht eine Routing-Funktion zur Verfügung, sodass die Feldbus-Gateways Modbus- oder DF1-Datenpakete überprüfen und ans korrekte Ziel weiterleiten können; unabhängig davon, ob es sich um ein angebundenes serielles Gerät handelt oder ein weiteres Ethernet-Gerät. Mit der Kombination aus hoher Kompatibilität und intelligentem Datenverkehrs-Management lassen sich die Gateways der Serien EIP3000 und MB3000 nahtlos einbinden, um mit Geräten über DF1, Ethernet/IP, Modbus RTU/ASCII oder ModbusTCP zu kommunizieren.

Einsatz im Schienenverkehr

Herkömmliche Modbus-Gateways leiten Befehle auf Basis des First-in-, First-out-Prinzips weiter. Dies ist problematisch, wenn die Weiterleitung von Befehlen mit hoher Priorität aufgrund des hohen Datenverkehrsaufkommens verzögert wird. Durch den Priority Control, einer Funktion der Gateway-Serie MB3000, können bestimmte Befehle basierend auf IP-Adresse, Befehlstyp oder TCP als dringlich gekennzeichnet werden. Der Anwender kann sich dann auf ein einziges Netzwerk verlassen, anstatt ein komplettes zweites Steuerungssystem für die Übermittlung dringender Nachrichten einzurichten. Die Funktion reduziert überdies die Latenz und ermöglicht so die Echtzeit-Steuerung. Automatisierte Systeme zur Steuerung des Schienenverkehrs bestehen meist aus vielen Sub-Systemen, einschließlich eines Steuerungs- und Verteilungssystems, der Umgebungsüberwachung, eines Videoüberwachungssystems sowie der Energieversorgung. Meist sind diese Systeme an verschiedenen entfernt gelegenen Orten, den einzelnen Bahnhöfen, verteilt. Ein vielschichtiges Netzwerk verbindet die Einzelsysteme zu einem integrierten vollständigen Schienenverkehrssystem.Ein bahnhofsweites Steuerungsnetzwerk verbindet die wesentlichen Sub-Systeme jeder Station mit dem Ethernet. Das Steuerungsnetzwerk auf Geräteebene nutzt Feldbus-Gateways, um mit dem Ethernet-Netzwerk, dem so genannten Backbone, der an die Leitstelle angebunden ist, zu kommunizieren. Das Netzwerk auf Geräteebene sammelt alle Betriebsinformationen von Geräten wie SPSen, DCS-Systemen, I/O-Geräten sowie Scada- und CCTV-Systemen. Die Feldbus-Gateways übermitteln diese Informationen über Ethernet weiter an die oberste Netzwerkebene. Die Steuerungsnetzwerke werden schließlich an den Backbone angebunden, um Betriebsinformationen zwischen den Bahnhöfen zu übertragen. Der Backbone sammelt und überträgt alle Betriebsinformationen der Bahnhöfe an die Leitstelle, wo die Daten weiter ausgewertet werden können. Das Endergebnis ist ein Steuerungssystem, das alle Informationen integriert und schnell genug ist, um in Echtzeit zu reagieren und für ununterbrochenen Betrieb zu sorgen.

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