Fieldbus Kit
für Ventil-Stellantriebe

Im Rahmen einer Weiterentwicklung suchte der Hersteller von Ventil-Stellantrieben Biffi nach einer Lösung für die Implementierung des Foundation fieldbus H1-Kommunikationsprotokolls. Die Zahl der Lösungsansätze schränkten die Entwickler stark ein, da es galt, spezielle technische Anforderungen zu erfüllen. Mit dem Fieldbus Kit von Softing fand das Unternehmen schließlich eine Plattform für eine schnelle und kostengünstige Durchführung der gewünschten Protokollimplementierung.
Die Firma Biffi stellt seit mehr als 50 Jahren Antriebe zur Automatisierung von Absperr-Armaturen in Rohrleitungssystemen, in Öl- und Gasanwendungen, in der chemischen Industrie und der Stromerzeugung her. Das weltweit agierende Unternehmen mit Stammsitz in Fiorenzuola d’Arda in Norditalien, ist bekannt für sein umfangreiches Sortiment an Standard- und Sonderlösungen elektrischer, pneumatischer, hydraulischer, gashydraulischer und elektrohydraulischer Antriebe bis hin zu Speziallösungen für Subsea-Anwendungen. Inzwischen bedient das Unternehmen auch individuelle Kundenwünsche mit kreativen Ideen in kürzester Zeit. Aus diesem Grund legt das Unternehmen höchstes Augenmerk auf eine stets aktuelle Produktpalette. Innovative Entwicklungen sowie die Implementierung neuester Technologien in alle Produktreihen sind eine Selbstverständlichkeit und Voraussetzung dafür, den technischen Herausforderungen stets gut gerüstet begegnen zu können. Eines der Kernprodukte im Sortiment des Unternehmens ist der elektrische Ventil-Stellantrieb ICON2000, der vor allem in Raffinerien, Tanklagern, Ölpipelines und auf Bohrinseln zum Einsatz kommt. Erst kürzlich stellte der Antriebshersteller eine neue Version des Stellantriebs vor, das einem völlig neuen technischen Konzept bei der Integration der Elektronikkarten folgt. Dazu integrierten die Entwickler die komplette Hauptfunktionalität in einer Basiskarte und ergänzten sie durch Erweiterungsmodule mit zusätzlichen Funktionalitäten. Mit entsprechenden Fieldbus-Modulen aus dem Biffi-Programm wird so die Anbindung an alle gängigen Feldbussysteme realisiert. Durch diese Technik lässt sich der Stellantrieb zusammen mit herstellerspezifischen wie auch mit herstellerunabhängigen Busprodukten einsetzen. Eine gezielte Anpassung des Gesamtsystems an die individuellen Anforderungen der Benutzer hinsichtlich Betrieb, Bedienung, Steuerung, Konfiguration und Wartung wird so auf einfache Art und Weise möglich.

2-Prozessor-Lösung für Anwendung und Kommunikation

Im Zuge der Weiterentwicklung des ICON2000 forderte der Hersteller, das Foundation fieldbus (FF) H1-Kommunikationsprotokoll in den Stellantrieb zu implementieren. Zu diesem Zweck suchte das Unternehmen nach einer Lösung, die sich möglichst ohne Änderungen des Gesamtdesigns integrieren lässt und gleichzeitig den hohen Ansprüchen an Leistungsfähigkeit und Qualität gerecht wird. Nach umfassender Prüfung fiel die Entscheidung auf das Fieldbus Kit von Softing. Das Kit stellt die notwendige Kommunikations-Hardware samt Firmware zur Implementierung von FF-Feldgeräten bereit und hat sich bereits in verschiedenen Projekten eine durch einfache und zeitsparende Feldbusimplementierung bewährt. Zudem benötigt der Gerätehersteller für den Einsatz kein tiefes Feldbus-Know-how, sondern kann sich ganz auf die Integration in seine Anwendung konzentrieren. Erfreulicherweise stellte sich bei der Produktauswahl ebenfalls heraus, dass sich das Fieldbus Kit aufgrund seiner kompakten Abmessungen direkt als Einsteckkarte in den Stellantrieb mit dem Fieldbus-Modul integrieren lässt. Dadurch reduziert diese Lösung Aufwand und Kosten bei der Feldbusimplementierung, denn die Entwicklung neuer Hardware oder die Portierung des Protokollstacks auf eine passende Zielplattform wird so minimiert. Für die FF-Implementierung wird bei Biffi durchgängig eine 2-Prozessor-Lösung eingesetzt: Während die Anwendung auf dem Fieldbus-Modul des ICON2000 ausgeführt wird, erfolgt die Kommunikation über den integrierten Prozessor des Fieldbus Kits. Die Lastverteilung auf zwei getrennten Prozessoren erfordert jedoch spezielle Maßnahmen um den notwendigen Datenaustausch sicher zu stellen. Hierzu wird einerseits ein schneller Kommunikationskanal verwendet und andererseits das serielle Modbus-Protokoll zur Synchronisierung der beiden Prozessoren genutzt. Der Datenaustausch mit dem Stellantrieb basiert dabei auf einer ausgefeilten Strategie, bei der Lese- und Schreibanfragen unterschiedlich gehandhabt werden. Alle Leseanfragen wickelt ein Automat ab, der zwischen dem zyklischen Lesen/Schreiben einzelner Datenpunkte bei Prozessdaten und dem Lesen einzelner azyklischer Daten (Resource/Transducer Block-Parameter) umschaltet, bevor die Daten gemäß der Function Block-Konfiguration verarbeitet werden. Die Übertragung der realen Prozesswerte des Stellantriebes an die jeweiligen Modbus-Register übernimmt der Modbus-Master des Fieldbus Kits bei der Abarbeitung der zyklischen Liste. Das Schreiben der Daten erfolgt hingegen auf eine externe Anfrage hin, die das Senden eines Modbus-Requests vom Stellantrieb an den Fieldbus Kit-Prozess auslöst. Da FF auf einem Float-Datentyp von 4-Byte-Gleitkomma basiert, während Modbus 16-Bit-Register verwendet, war für alle Schreib- und Lesezugriffe eine Anpassung der entsprechenden Werte erforderlich, einschließlich eines Austausches zwischen dem höher- und dem niederwertigen Byte. Durch diese Maßnahme wurde Biffis Foundation fieldbus-Implementierung sehr komplex. Dabei deckt das Fieldbus Kit zusätzlich zu dieser aufwändigen Variante auch die gesamte Bandbreite von einfachen bis komplexen FF-Implementierungen für eine Vielzahl unterschiedlicher Feldgeräte ab.

Individuelle Anpassung durch Hardware-Anbieter

Die Entwicklung der Anwendung erfolgte komplett von Biffi. Um bei dieser Aufgabe zu unterstützen, stellte Softing spezielle Vorlagen zur Verfügung, die von der Antriebshersteller dann individuell erweiterte. So galt es bei der Entwicklung der Anwendung bspw. auch diverse Resource/Transducer Block-Parameter zu definieren, die sich auf die entsprechenden ICON2000-Parameter beziehen. Die einzelnen Parameter werden in einer Struktur als Teil des Resource/Transducer-Blocks gespeichert. Zu den Aufgaben von Biffi gehörten außerdem die Definition des Status-Handling, das durch Zuordnung von Fehlertexten zu den einzelnen ICON2000-Merkern realisiert wurde, sowie die Definition der Device-Description-Datei. Bei all diesen Tätigkeiten erhielt das Unternehmen individuelle Unterstützung von Softing, um sicher zu stellen, dass die Ergebnisse den FF-Anforderungen entsprechen. Der Hardware-Hersteller prüfte bspw. die Definition des Resource/Transducer-Blocks, die in eine entsprechende Excel-Vorlage übernommen worden war, und unterstützte den Antriebshersteller im Rahmen der Definition der Device-Description-Datei bei deren Erstellung, Prüfung und Fehlerbeseitigung mit Hilfe des FF-Tokenizers. Entsprechend komplex zeigt sich die realisierte Anwendung: Sie basiert auf einer Kanalmatrix, die nicht nur die einzelnen von den verschiedenen FF-Function Blocks unterstützten Kanäle definiert, sondern auch die Auswirkungen auf die Kanäle anderer Function Blocks, wenn ein einzelner Kanal ausgewählt wird. Darüber hinaus lässt sich der ICON2000-Stellantrieb sowohl digital (Open, Close, …) als auch analog (festgelegter Sollwert) betreiben. Während bei Biffi die Entwicklung der Anwendung im Vordergrund stand, übernahm Softing die Anpassung der FF-Firmware des Fieldbus Kits an die individuellen Anforderungen der Implementierung. Diese Anpassungen betrafen vor allem die Zahl der virtuellen Kommunikationsbeziehungen oder Virtual Communication Relationships (VCR), die für die Datenübertragung zwischen den FF-Feldgeräten erforderlich sind. Während die Softing-Firmware standardmäßig 24VCRs unterstützt, die die meisten Feldgeräteanwendungen abdecken, benötigte die Biffi-Anwendung eine Vielzahl von Discrete Output-, Discrete Input-, Analog Output-, Analog Input- und PID-Function Blocks und I/Os, sodass eine höhere Anzahl von VCRs notwendig war. Softing erweiterte daher die VCR-Liste, die sich im EEPROM des Fieldbus Kits befindet, und passte deren Verwaltung an die Bedürfnisse des Stellantriebes an. Darüber hinaus sorgte der Embedded-Spezialist für die von der ICON2000-Firmware geforderte schnelle Ausführung der Function Blocks.

Rasche Zertifizierung aufgrund etablierter Anwendung

Da es sich beim Fieldbus Kit um eine bewährte, einsatzbereite Anwendung zur schnellen Implementierung von FF-Feldgeräten handelt, hat Softing für dieses Produkt bereits den Physical Layer-Test und Conformance-Test der Fieldbus Foundation durchgeführt. Daher müssen diese Prüfungen für die einzelnen Feldgeräte mit integriertem Fieldbus Kit nicht noch einmal wiederholt werden, sondern können die entsprechenden Zertifikate für den Interoperability-Test im Rahmen der abschließenden Geräteregistrierung bei der Fieldbus Foundation herangezogen werden. So erreichte Biffi eine schnelle und problemlose Zertifizierung seines Stellantriebes. Darüber hinaus führt dieser Lösungsansatz auch zu hohen Einsparungen bei den Zertifizierungskosten.