Industrielle Netzwerke können komplex sein. Schon in den 80er Jahren war klar, dass zur digitalen Steuerung eines Systems eine möglichst fehlerfreie Kommunikation zwischen den Systemteilnehmern erfolgen muss. Zur schrittweisen Automatisierung eines Systems sollten daher möglichst viele Geräte mit der Systemsteuerung verbunden werden. Doch möglichst viele Geräte bedeuteten meist einen sehr hohen Verkabelungsaufwand, da die Verdrahtung stets parallel erfolgte und alle Teilnehmer einzeln mit der Steuerung verdrahtet wurden.
Der Wunsch nach einer seriellen Verkabelung rückte näher. Die damals ins Leben gerufene Feldbustechnik kommuniziert daher über nur ein Kabel und überträgt Informationen – in Form von Bits – nacheinander, statt parallel.
Als Feldbus bezeichnet man ein Bussystem, das Sensoren und Aktoren zum Informationsaustausch mit einem Steuerungsrechner (SPS) verbindet. Dabei wird also über Busleitungen eine Datenverbindung von einer SPS zu unterschiedlichen Geräteteilnehmern geschaffen.
Die meisten Feldbusse basieren dabei auf dem sogenannten Master-Slave-Verfahren. Der Master ist für die Prozesssteuerung zuständig, die Slaves wickeln die ihnen zugeteilten Kommunikationsaufgaben ab.
Die internationale Norm IEC 61158 (Industrial communication networks - Fieldbus specifications) definiert in Teil 1 das Konzept, das hinter Feldbussen zu verstehen ist und standardisiert in ihren anderen Teilen die diversen Systeme, die mit Feldbussen errichtet werden können.
Eine bequeme Lösung: Die Vorteile der Feldbustechnologie
Feldbusse kommunizieren lediglich über EIN Kabel. Das bietet folgende Vorteile:
| Vorteil | Erklärung |
|---|---|
| Einfachheit | Die Kommunikation erfolgt über EIN Kabel, was das Planungsprojekt rund um die Verlegung eines Feldbussystems schnell und einfach macht. Ein einziges Kabel bedeutet geringer Installationsaufwand und vereinfachte Schaltschränke. |
| Zuverlässigkeit | Die kurzen Signalwege innerhalb des Feldbussystems erhöhen die Zuverlässigkeit der Kommunikation. Durch den Master-zu-Slave-Kommunikationsweg ergibt sich fast automatisch eine Kollisionssicherheit. |
| Störungssicherheit | Besonders bei analogen Werten bietet ein Feldbussystem einen erhöhten Schutz vor Störungen. |
| Standardisierung | Die Protokolle der Feldbussysteme sind genormt und können mit verschiedenen Geräten von unterschiedlichen Herstellern funktionieren. Als Kunde ist man nicht auf einen einzelnen Hersteller festgelegt. |
| Flexibilität | Das System ist einfach erweiterbar, ein Hinzunehmen von Sensoren und Aktoren ist flexibel möglich. |
| Umrüstung | Die Feldbustechnik ist häufig gut in Ethernetsysteme integrierbar und ermöglicht somit einen leichten Technologiewechsel. |
Den Vorteilen entgegen stehen jedoch Nachteile, welche die Feldbustechnologie mit sich zieht.
Dazu gehören längere Reaktionszeiten und höhere Kosten, da die einzelnen Feldbus-Komponenten wesentlich teurer sind als alternative Komponenten zu Kommunikationssystemen.
Die richtige Wahl: Eigenschaften der Feldbusse
Ein Feldbussystem wird selten nach den technischen Kriterien ausgewählt, sondern vielmehr nach dem Typ der eingesetzten speicherprogrammierbaren Steuerung, kurz SPS. Jeder SPS-Hersteller favorisiert und optimiert darauf hin eine Feldbustechnologie für seine Anwendungen, damit Sensoren und Aktoren störungs- und verzögerungsfrei Informationen austauschen können.
Alle Feldbusse haben die gleiche Grundfunktion der zyklischen Übertragung von Ein- und Ausgangsdaten. Die technischen Unterschiede zwischen den verschiedenen Feldbussystemen liegen in:
- maximal erreichbare Kabellänge
- maximale Anzahl an Datenbytes pro Datenpaket
- Umfang der Funktionen
- Topologie-Form (z. B. Stern, Ring, Baum)
- Übertragungsmedium (Kupfer, Lichtwellen, Funk)
Paketorientierte Kommunikation via Feldbus-Protokollstandards
Damit Feldgeräte mit ihrer Steuerung sprechen können und andersherum, ist eine gemeinsame Sprache nötig. Die Rahmenbedingungen für einwandfreie Kommunikation werden in sogenannten (Netzwerk-)Protokollen definiert und standardisiert.
Je nachdem, welche technischen Anforderungen ein Netzwerk in Ihrer Applikationsumgebung erfüllen muss, können unterschiedliche Bussysteme zum Einsatz kommen.
Die folgenden Absätze betrachten dazu einfache S/A-Verdrahtung, die Sensoren und Aktoren miteinander verbindet sowie komplexere Feldbusse, die eine Vernetzung zwischen der dezentralen Peripherie und Steuerungsgeräten herstellen.
Informieren Sie sich im Folgenden über die wesentlichen Protokollstandards für die Feldbus-Technologie:
Einfache Sensor-Aktor-Verdrahtung
Für den Anschluss von konventionellen Sensoren und Aktoren an übergeordnete Netzebenen stehen in der Regel S/A-Leitungen aus Kupfer sowie diverse Buskomponenten zur Verfügung. Bei der einfachen Sensor-Aktor-Verdrahtung werden lediglich einfache Spannungspegel oder Ströme übertragen. Es findet keine paketorientierte Kommunikation über Protokolle statt.
Komplexere Netzwerkverdrahtung
Als smarte Erweiterung: IO-Link
IO-Link ist die erste, global standardisierte IO-Technologie und dient der Kommunikation zwischen Sensoren und Aktoren. International standardisiert und definiert wird diese Technologie in der Norm IEC 61131-9.
Die Technologie basiert auf Punkt-zu-Punkt Kommunikation mittels 3-Leiter-Sensor-Aktor-Anschluss. Dabei ist der IO-Link kein Feldbus, sondern eine Anschlusstechnik. Diese ist feldbusunabhängig und lässt sich in alle Feldbusse integrieren. Ein IO-Link-System besteht aus einem Master und einem oder mehreren Geräten (Sensoren und Aktoren). Der Master dient als Schnittstelle zur zentralen SPS und steuert die angebundenen Geräte. Durch die bidirektionale Kommunikation ermöglicht IO-Link eine erweiterte Diagnose von Sensoren und Aktoren. So ist beispielsweise eine Fernwartung von Geräten möglich.
IO-Link zeichnet sich durch seine schnelle Übertragungsgeschwindigkeit von 4.8kBaud, 38,4kBaud und 230,4kBaud aus. Die Daten werden mittels IO-Link-Protokoll rasch hintereinander versendet. Die Anschlusstechnik benötigt wenig Raum und ermöglicht so die Miniaturisierung smarter Kommunikation zwischen Sensor und Aktor.