M-Bus

Ein Feldbus für die Verbrauchsdatenerfassung

In der Industrie hat sich der Fokus der Produktion innerhalb der letzten Jahrzehnte auf die Automatisierung von Prozessen und die systeminterne Kommunikation gelegt. Durch diese beiden Ziele soll es möglich werden, die Gewinne zu steigern, während die Kosten, durch Vermeidung von hohem Materialaufwand und Störungen sowie Stillständen von Netzwerken, gesenkt werden sollen. Für die Realisierung dieser Aufgaben hat sich innerhalb der Forschungsvorgänge und praktischen Anwendungen der Feldbus am Geeignetsten erwiesen. Hierbei handelt es sich um das Bindeglied zwischen den Aktoren und Sensoren mit dem Steuergerät in einem System. Bei den erhobenen Daten kann es sich um die unterschiedlichsten Informationen und Nachrichten handeln, so dass seitens eines Feldbusses neben den herkömmlichen Daten über den Zustand oder vorhandene Teilnehmer eines Netzwerks auch dokumentierte Daten zum Verbrauch erfasst werden können. Hierfür wurde speziell der Meter-Bus entworfen, welcher unter der Abkürzung M-Bus weitestgehend bekannt ist.

Der M-Bus im Detail

Seinen Ursprung findet der Meter-Bus in der Forschung von Horst Ziegler, der an der Uni Paderborn die Entwicklung des Feldbusses begann und zur Optimierung des gewünschten Standards eine Zusammenarbeit mit den Unternehmen „Techem“ und „Texas Instruments“ einging. Diese Technologie gilt dennoch als eine deutsche Entwicklung. Ursprünglich wurde der M-Bus innerhalb der Norm EN1434 für Wärmezähler definiert. Allerdings hat sich dieser Feldbus im Laufe der Zeit zu einem selbstständigen Standard entwickelt, welcher in der Norm En13757 etabliert ist. Durch diesen Standard wird die Technologie zur Verwendung über einen Zwei-Draht-Bus und die Möglichkeit zum Einsatz bei der Funkübertragung legitimiert. Kommt die Zweidrahtleitung zum Wirken, so erfolgt die Übermittlung der erfassten Verbrauchsdaten seriell von Mastern und den angeschlossenen Messgeräten, welche in der Fachsprache als Slaves bezeichnet werden. Die Zweidrahtleitung gilt als verpolungsgesichert. Grundsätzlich wird bei dieser Applikation das international anerkannte OSI-Modell herangezogen. Dieses besteht im Ursprung aus sieben verschiedenen Schichten, zwischen denen die netzinterne Kommunikation vonstattengeht. Beim M-Bus findet sich jedoch eine abgeleitete Version des herkömmlichen Modells, welches an dieser Stelle nur noch aus drei Schichten aufgebaut ist. Der Data Link Layer ist nach dem Vorbild der Norm IEC 870-5 strukturiert.

Die Datenübertragung mit dem M-Bus

Zunächst muss innerhalb des feldbusfähigen Systems ein Gerät als Master deklariert werden. Dieser ist ferner dafür verantwortlich, dass die Daten vom Slave zusammengetragen und bei Bedarf auch gespeichert oder weiterverarbeitet werden. Die Initialisierung einer Kommunikation erfolgt dann durch eine Anfrage des Zählerstandes, die vom Master an den Bus geschickt wird. Es darf deshalb in einem Netzwerk auch nur einen Master geben, da sonst das Risiko der falschen Adressierung besteht. Findet daraufhin eine Kommunikation zwischen den Komponenten statt, kann hierbei die Stromversorgung des Feldbusses über die Slaves ablaufen. Die Position des Masters nimmt entweder ein PC ein, welcher über einen Pegelwandler verfügt, oder ein eigenständiges Gerät. Im Regelfall wird bei der Übertragung der Verbrauchsdaten eine Geschwindigkeit erreicht, die innerhalb des Wertebereichs 300-9600 Baud liegt. Als vorteilhaft erweist sich bei der Verwendung des M-Busses das Wegfallen einer festen Topologie, da sich so die Teilnehmer beliebig als Strang formieren oder in Form der Sternstruktur wirksam werden. Innerhalb eines Segments ist die Anzahl der einsetzbaren Zähler auf 250 begrenzt, doch durch den Einsatz von Repeatern kann diese Summe problemlos auf ein Vielfaches erhöht werden, was besonders bei großen und komplexen Anlagen zum Tragen kommt. Hat der Master seine Anfrage an den Slave übermittelt, so antwortet er mittels der Modulation des Stromverbrauchs. Wichtig ist bei dieser Form der Datenübertragung, dass der Wert des Ruhestroms immer in einer Begrenzung konstant bleibt.

Stärken und Schwächen vom M-Bus

Die Verwendung der Feldbustechnologie hat sich als überaus effizient erwiesen, sodass auch der M-Bus einige Vorteile aufweisen kann.

Er ist preiswert, einfach zu realisieren und besitzt zudem eine verpolungsgesicherte Installation.
Die Endgeräte können allesamt über den Bus mit Strom versorgt werden und
es sind einfache, integrierte Interface-Schaltkreise durch die Zusammenarbeit mit „Texas Instruments“ verfügbar.
Dank der digitalen Kommunikation über den Meter-Bus wird es möglich gemacht, exakte Messwerte zu erheben und diese an die nachfolgenden Einrichtungen zur Auswertung weiter zu leiten.
Zudem können viele Slaves an einem einzigen Segment betrieben werden und
mithilfe von Repeatern lässt sich das Netzwerk beliebig ausbauen.
Der M-Bus ermöglicht letztlich, auch den Verbrauch weit entfernter Anlagen durch den Einsatz eines Modem-Masters zu erfassen.

Wie bei jeder Technologie, bei welcher es versucht wird, einen internationalen Standard zu formulieren, finden sich auch beim M-Bus gewisse Schwächen.

So ist die Standardisierung innerhalb der Protokollebene als lückenhaft anzusehen, wodurch vor dem Einsatz von neuen Slaves die allgemeine Kompatibilität zur Auswerteeinheit sichergestellt werden muss.
Die Stecker, die dem Anschluss dienen, sind nicht genormt und
die Datenübertragung ist für die Prozesssteuerung ungeeignet.

Dennoch hat sich der M-Bus bei den Herstellern von Messgeräten etabliert, sodass er mittlerweile bei zahlreichen Messaufgaben, wie dem Wärmezähler, dem Wasserzähler oder dem Strom-und Gaszähler aufzufinden ist.