Feldbus Grundlagen

Schlüsseltechnologie für die Automatisierung

Der erste Schritt in der industriellen Kommunikation war die Parallelverdrahtung, bei der alle Teilnehmer einzeln mit der Regel- und Steuerebene verdrahtet wurden. Doch mit steigendem Automatisierungsgrad stieg auch die Anzahl der Teilnehmer, was zu einem hohen Verkabelungsaufwand führte. Mittlerweile wurde die Parallelverdrahtung von den kostengünstigeren und schnelleren Feldbus-Systemen und den Ethernet-basierten Kommunikationsnetzwerken weitgehend abgelöst.

Die in den 1980er Jahren entstandenen Feldbus Systeme sind heutzutage nicht mehr aus der Industrie wegzudenken. Als fester Bestandteil komplexer Maschinen und Anlagen werden sie vorrangig in der Fertigungsautomatisierung eingesetzt. Doch auch in der Prozess- oder Gebäudeautomatisierung sowie der Automotive-Technik findet der Feldbus Anwendung.

Mithilfe des leitungsgebundenen und seriellen Feldbusses werden Sensoren und Aktoren (die so genannten „Feldgeräte“), wie Motoren, Schalter, Antriebe oder Lampen mit speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) und Leit- bzw. Prozessrechnern verbunden. Der Feldbus unterstützt folglich den raschen Datenaustausch zwischen den einzelnen Systemkomponenten auch über große Distanzen. Selbst starke äußere Belastungen können dem robusten digitalen Signalübertragungssystem nichts anhaben. Da der Feldbus nur über ein Kabel kommuniziert, konnte der Verkabelungsaufwand im Vergleich zur Parallelverdrahtung deutlich gesenkt werden. Ein Feldbus funktioniert im so genannten Master-Slave-Betrieb. Während der Master für die Steuerung der Prozesse zuständig ist, arbeiten die Slave-Stationen die einzelnen Teilaufgaben ab.

Feldbusse unterscheiden sich nach ihrer Topologie (Stern, Linie, Baum oder Ring), ihren Übertragungsmedien und – je nach Ausführung – verschiedenen Übertragungsprotokollen (nachrichtenorientiertes Verfahren oder Summenrahmenverfahren). Auch hinsichtlich der erreichbaren Kabellänge, der maximalen Anzahl von Datenbytes pro Telegramm und dem Funktionsumfang unterscheiden sich die einzelnen Feldbusse. So sind zusätzliche Funktionen wie Alarmhandling, Diagnose und Querverkehr zwischen einzelnen Busteilnehmern nicht bei jedem Feldbus möglich.

Beispiele für Feldbusse

1. Interbus:

Der Interbus mit Übertragungsraten von bis zu 2 Mbit/s zeichnet sich durch eine besonders hohe Übertragungssicherheit sowie eine kurze, konstante Zykluszeit aus. Er ist in Teilsysteme gegliedert und besteht aus dem Fernbus, dem Installationsfernbus und dem Lokalbus, angeordnet in einer Ringtopologie. Wie die Namen bereits vermuten lassen, dient der Fernbus dem Anschluss von bis zu 254 Teilnehmern, die räumlich weit voneinander entfernt liegen. Der Lokalbus hingegen schließt eng nebeneinander liegende Teilnehmer an das System an.

2. Profibus:

Der Profibus wird in der Fertigungstechnik und Automation eingesetzt. Er hat eine unbegrenzte Teilnehmerzahl und Datenübertragungsraten zwischen 9,6 kbit/s und 500 kbit/s. Er hat eine hierarchische Struktur mit den Ebenen Sensoren/Aktoren, Feld- und Prozessebene. Im Master-Slave-Betrieb wird mit dem Zugangsverfahren Token Passing gearbeitet, bei dem Slaves nur auf Anforderung des Masters auf den Profibus zugreifen dürfen. Neben den beiden genannten Beispielen gibt es noch weitere Feldbus-Varianten sowie Feldbusse auf Ethernet-Basis wie EtherNet/IP oder EtherCAT.

Feldbus: gutes Beispiel für funktionierende Kommunikation

Beim Feldbus funktioniert die Kommunikation sowohl in technischer Hinsicht als auch bei der Zusammenarbeit der beteiligten Partner. Zu Beginn der Feldbus-Geschichte war das jedoch ganz anders. Nachdem sich alle Parteien (Hersteller, Organisationen, Anwender) hinsichtlich verschiedener Anforderungen und Erwartungshaltungen miteinander ausgetauscht haben, gibt es heute sogar nationale und internationale Standardisierungen und Normierungen sowie regelmäßige Untersuchungen in Prüflabors.

Feldbus – Vor- und Nachteile im Vergleich mit der parallelen Verdrahtung

Feldbus Vorteile:

  • Schnelligkeit: Durch den reduzierten Verkabelungsaufwand können Feldbus-Systeme rascher geplant und installiert werden. Feldbusse kommunizieren lediglich über ein Kabel.
  • Zuverlässigkeit: Kurze Signalwege erhöhen sowohl die Verfügbarkeit als auch die Zuverlässigkeit der Systeme.
  • Störungssicherheit: Vor allem bei analogen Werten bieten Feldbusse einen erhöhten Schutz vor Störungen.
  • Einheitlichkeit: Durch genormte Busprotokolle und vereinheitlichte Anschlusstechnik können Geräte verschiedener Hersteller einfacher eingesetzt und ausgetauscht werden. Somit müssen nicht zwingend alle einzelnen Komponenten vom selben Hersteller stammen.
  • Flexibilität: Selbst Erweiterungen und Änderungen lassen sich bei Feldbussen einfach und schnell durchführen. So kann man die Systeme variabel an neue Anforderungen anpassen und auch in der Zukunft verwenden.

Feldbus Nachteile:

  • Komplexität: Da ein Feldbus ein komplexes System darstellt, sind für dessen Verwendung qualifizierte Mitarbeiter nötig.
  • Kosten: Die einzelnen Feldbus-Komponenten sind wesentlich teurer
  • Längere Reaktionszeit
  • Gefahr bei Busstörung: Das Leitsystem kann von den Sensoren und Aktoren abgeschnitten werden. Um dies zu vermeiden, sollten gegebenenfalls redundante Bussysteme eingesetzt werden.

Vom Feldbus zum Ethernet-basierten Kommunikationsnetzwerk

Ursprüngliches Ziel der Einführung des Industrial Ethernet war, die Kommunikationsinfrastruktur von der Führungsebene bis zum Sensor-/Aktor-Bus zu vereinheitlichen. Bedauerlicherweise ist genau das Gegenteil eingetreten: Momentan ist die Anzahl der bisher entwickelten Ethernet-Lösungen sogar weit höher als die Anzahl der Feldbusse. Dies macht einen Vergleich der verschiedenen Systeme für den Anwender nahezu unmöglich.

Entscheidet man sich für eine Ethernet-basierte Lösung, können bestehende Feldbus-Lösungen schrittweise darin integriert werden, was häufig durch Proxies oder Gateways realisiert wird. Einfach ist dies jedoch nicht. Die Aktoren müssen mit einer vorhersagbaren Verzögerungszeit gesteuert werden. Dazu verwenden die Feldbusse deterministische Zugangsverfahren wie beispielsweise den Time Division Multiple Access (TDMA). Das Ethernet hingegen benutzt ein stochastisches Zugangsverfahren und ist somit nicht deterministisch.