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Feldbus

Mit Feldbussen die Feldebene vernetzen


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.

Mehr zu Sensoren, Aktoren und der Feldebene erfahren

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:

VorteilErklärung
EinfachheitDie 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.
ZuverlässigkeitDie 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.
Zudem ist durch die Einfachheit des Systems eine Fehlersuche im Störungsfall leicht umzusetzen.

StandardisierungDie Protokolle der Feldbussysteme sind genormt und können mit verschiedenen Geräten von unterschiedlichen Herstellern funktionieren. Als Kunde ist man nicht auf einen einzelnen Hersteller festgelegt.
FlexibilitätDas System ist einfach erweiterbar, ein Hinzunehmen von Sensoren und Aktoren ist flexibel möglich.
UmrüstungDie 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.

Basis-Informationen zu Protokollstandards

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.

AS-i (Actuator-Sensor-Interface) ist weltweit das einzige Feldbussystem für die untere Prozessebene, das standardisiert wurde. Das einfache Verbindungssystem vernetzt mit nur einem Port und über nur eine einzige zweiadrige Leitung bis zu 31 Sensoren und Aktoren bzw. AS-i-Module mit der Steuerungsebene.
Die AS-i-Leitung ist dabei sowohl für den Datenaustausch als auch die Stromversorgung ihrer Slaves verantwortlich. Bei einer Leitungslänge von 100 m kann dabei eine zyklische Übertragungsrate von ≤ 5 ms erreicht werden. Der offene, herstellerunabhängige Industriestandard ermöglicht somit eine schnelle, effiziente und kostenreduzierende Verdrahtung in der industriellen Automatisierung.

Die Verbreitung und Standardisierung des Protokollstandards AS-i wird von der AS International Association e.V. gefördert. LAPP ist Mitglied des Verbands und beteiligt sich aktiv an der Weiterentwicklung.

Komplexere Netzwerkverdrahtung


PROFIBUS (Process Field Bus) ist ein Standard für die Feldbuskommunikation und heutzutage einer der Weltmarktführer unter den Feldbussen. Er ermöglicht den zyklischen Datenaustausch zwischen Geräten der unteren Feldebene (dezentrale Peripheriegeräte, Slaves) zu übergeordneten Steuerungseinheiten (zentrale/r Master) und ist zu einem wichtigen Kommunikationsprotokoll in der Fertigungs- sowie Prozess- und Verfahrenstechnik geworden. Im Master-Slave-System können sowohl Twisted-Pair-Kabel als auch Lichtwellenleiter verwendet werden.
Höhere Geschwindigkeiten werden durch den Nachfolger PROFINET mit seiner Ethernet-Lösung erreicht.
LAPP Kabel ist Mitglied der PROFIBUS Nutzerorganisation e.V. (PNO) und beteiligt sich aktiv an der Weiterentwicklung von PROFIBUS.
Von PROFIBUS werden im Wesentlichen die beiden nachfolgenden Varianten genutzt.

PROFIBUS DP
Die Feldbuskommunikation in der Fertigungstechnik kann über einen Mono-Master-Betrieb oder einen Multi-Master-Betrieb erfolgen, bei dem mehrere Master an einem Bus hängen. In zyklischen Abständen rufen die Master Eingangsinformationen bei den Slaves ab und senden Ausgangsinformationen zurück. Das PROFIBUS-

DP-System gibt es in verschiedenen Versionen:

  • DP-V0 für die zyklische Kommunikation,
  • DP-V1 zusätzlich für die azyklische Kommunikation,
  • DP-V2 zusätzlich für isochrone Echtzeitfunktionalität, Zeitstempel-Einsatz, Slave-to-Slave-Kommunikation.

PROFIBUS DP bietet eine Übertragungsrate von 12 Mbit/s und vereint bis zu 126 Geräte (Master und Slaves) in einem Netzwerk.

PROFIBUS PA
PROFIBUS PA wird zur Kommunikation in der Prozessautomation eingesetzt. PROFIBUS PA ist, durch die Leistungsbegrenzung bedingt, besonders geeignet für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen. Die Übertragungsrate von 31,25 kbit/s ermöglicht lange Kabelwege und eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen.

Die PROFIBUS-konformen Produkte der LAPP-Marke UNITRONIC® (Leitungen) sowie EPIC Data (Steckverbinder) enthalten im Produktnamen die Bezeichnung „BUS DP“ für PROFIBUS DP und „PA“ für PROFIBUS PA.

Mit CANopen wurde das initial für die Automobilindustrie entwickelte Feldbussystem CAN (Controller Area Network) um ein Kommunikationsprofil erweitert. Damit gilt CANopen als offener Protokollstandard sowohl für die Automatisierungstechnik als auch für viele andere Industrien wie Medizin, Eisenbahn u.a., vorwiegend in Europa.

Der Datenaustausch im seriellen CAN-System erfolgt in Form von Telegrammen, zyklisch und ereignisgesteuert und wird über die beiden ersten Schichten des OSI-Modells geregelt. Die gleichberechtigten Teilnehmer des Netzwerks übertragen ihre Nachrichten, bei einer sicheren Übertragungsgeschwindigkeit von bis zu 1 Mbit/s auf 40 m Leitungslänge, selbständig an den Bus, ein Echtzeitdatenaustausch findet statt.

Im höherschichtigen CANopen wird durch die Integration einer Anwendungsschicht ein Kommunikationsprofil bereitgestellt, das die Geräte- und Anwendungsprofile der im Netzwerk eingesetzten Geräteklassen über einheitliche Schnittstellen einzeln ansprechen kann. Das Kommunikationsprofil regelt demnach, über welche Telegramme welche Gerätedaten ausgetauscht werden sollen.

CANopen wird von der CiA (CAN in Automation) gepflegt.

CC-Link ist der in Asien führende, offene Industriestandard mit stark deterministischem Verhalten für den Datenaustausch zwischen Steuerungs- und Fertigungsebene und steht in verschiedenen Varianten zur Verfügung. In der Standard-Variante CC-Link als Feldbussystem, das eine Datenübertragungsrate von bis zu 10 Mbit/s auf 100 m Gesamtkabellänge und die Echtzeit-Kommunikation mit bis zu 64 Geräten im Netzwerk ermöglicht. Da sich die Übertragungsdistanz, bei geringerer Netzwerkgeschwindigkeit, auf bis zu 1.200 m verlängern lässt, eignet sich CC-Link auch für großräumige Applikationen. Die einfache Struktur des Standards ist für viele Aufgaben in der Automatisierungstechnik ausreichend. Auch in Europa findet diese Netzwerktechnologie immer weiter Verbreitung, da CC-Link-kompatible Produkte verschiedener Hersteller ganz einfach integriert werden können.

Mehr zur Ethernet-basierten Variante von CC-Link finden Sie unter CC-Link IE.

CC-Link wird von der Nutzerorganisation CLPA (CC-Link Partner Association) standardisiert.

LAPP ist Mitglied in der CLPA und arbeitet aktiv an der Weiterentwicklung von CC-Link mit.

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.