Feldbus

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Ein Feldbus ist ein industrielles Kommunikationssystem, das eine Vielzahl von Feldgeräten wie Messfühler (Sensoren), Stellglieder und Antriebe (Aktoren) mit einem Steuerungsgerät verbindet. Die Feldbustechnik wurde in den 80er Jahren entwickelt, um die bis dahin übliche Parallelverdrahtung binärer Signale sowie die analoge Signalübertragung durch digitale Übertragungstechnik zu ersetzen. Heute sind viele unterschiedliche Feldbussysteme mit unterschiedlichen Eigenschaften am Markt etabliert. Seit 1999 werden Feldbusse in der Norm IEC 61158 ("Digital data communication for measurement and control - Fieldbus for use in industrial control systems") weltweit standardisiert.

[Bearbeiten] Beschreibung

Für die Regelung eines Systems sind meist mehrere Sensoren und Aktoren nötig. Falls die Regelung elektrisch erfolgt, stellt sich die Frage, wie die Sensoren und Aktoren mit dem Regelungsgerät verbunden werden sollen. Zwei Grund-Varianten sind möglich:

1. Vom Regelungsgerät aus wird je ein Kabel zu jedem Sensor und Aktor gezogen (parallele Verdrahtung).
2. Vom Regelungsgerät aus wird nur ein Kabel gezogen: Das Kabel wird bei jedem Sensor und Aktor vorbeigeführt (serielle Verdrahtung).

Mit steigendem Automatisierungsgrad einer Anlage oder Maschine wächst der Verkabelungsaufwand bei paralleler Verdrahtung aufgrund der größeren Anzahl der Ein-/ Ausgabepunkte. Das ist mit großem Aufwand bei Projektierung, Installation, Inbetriebnahme und Wartung verbunden.

Die Anforderungen an die Kabel sind oft hoch, z. B. müssen spezielle Leitungen für die Übertragung von Analogwerten eingesetzt werden. So wird die parallele Feldverdrahtung zu einem gravierenden Kosten- und Zeitfaktor in der Automatisierungstechnik. Im Vergleich dazu ist die serielle Vernetzung der Komponenten im Feldbereich mittels so genannter Feldbussysteme wesentlich kostengünstiger.

Der Feldbus ersetzt die parallelen Leitungsbündel durch ein einziges Buskabel und verbindet alle Ebenen, von der Feld- bis zur Leitebene. Unabhängig von der Art des Automatisierungsgeräts, z. B. Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) unterschiedlicher Hersteller oder PC-basierte Steuerungen, vernetzt das Übertragungsmedium des Feldbusses alle Komponenten. Diese können beliebig im Feld verteilt sein, denn alle werden dezentral vor Ort angeschlossen. Damit steht ein leistungsfähiges Kommunikationsnetz für zeitgemäße Rationalisierungskonzepte zur Verfügung. An Stelle der Ein- / Ausgangsschaltungen wird eine Interface-Karte eingesetzt. Das spart I/O-Karten, reduziert den Platzbedarf im Schaltschrank und senkt die Kosten für die Verdrahtung nachhaltig.

Die Vorteile eines Feldbusses im Vergleich zur parallelen Verdrahtung:

• geringerer Verkabelungsaufwand spart Zeit bei Planung und Installation
• Kabel, Rangierverteiler und Ausmaße des Schaltschranks werden reduziert
• Eigendiagnose durch das System mit Klartextanzeige verkürzt Ausfall- und Wartungszeiten
• Höhere Zuverlässigkeit und bessere Verfügbarkeit durch kurze Signalwege
• gerade bei analogen Werten erhöht sich der Schutz vor Störungen
• offene Feldbusse vereinheitlichen herstellerübergreifend Datenübertragung und Geräteanschluss. Komponenten verschiedener Hersteller sind zumindest hinsichtlich der Basiskommunikation leichter austauschbar.
• Erweiterungen oder Änderungen sind einfach durchzuführen und garantieren Flexibilität und somit Zukunftssicherheit
• die Festlegung von Meßbereichen bei Meßumformern ist nicht erforderlich. Die (visuelle) Anzeigeskala im Leitsystem kann jederzeit geändert werden.

Nachteile:

• komplexeres System - qualifiziertere Mitarbeiter notwendig
• höherer Preis von Komponenten mit Feldbusfunktionalität
• Aufwändige Messgeräte
• Etwas längere Reaktionszeit
• Durch die Vielzahl verschiedener Feldbusse sind Sensor-/Aktor-Hersteller gezwungen, mehrere Feldbusse zu unterstützen, was zusätzliche Kosten verursacht. Außerdem ist die Vorhersage, welche Feldbusse in Zukunft an Bedeutung gewinnen bzw. verlieren werden, sehr schwierig. Dadurch besteht die Gefahr von Fehlinvestitionen bei der Entwicklung von Feldbusankopplungen.
• als zentrales Anbindungsprinzip kann bei einer Busstörung das Leitsystem von allen Sensoren und Aktoren abgeschnitten sein. Daher sind eventuell redundante Bussysteme erforderlich.

[Bearbeiten] Feldbus-Topologien

• Ringtopologie
• Sterntopologie
• Linientopologie
• Baumtopologie

[Bearbeiten] Normierung

Seit 1999 werden Feldbusse für industrielle Anwednungen in der Norm IEC 61158 ("Digital data communication for measurement and control - Fieldbus for use in industrial control systems") weltweit standardisiert. Die einzelnen Feldbusse werden in der Norm IEC 61784-1 als Communication Profile Families (CPF) geführt. Die neuen echtzeitfähigen Ethernet basierten Feldbusse sind in der Norm IEC 61784-2 zusammengestellt. Jede Protokollfamilie kann weitere Feldbusse definieren. Die folgenden Protokollfamilien sind in der Norm aufgeführt:

[Bearbeiten] Verbreitete Feldbusse

• ARCNET Deterministischer, echtzeitfähiger Feldbus, eingesetzt in den Bereichen Automotive, Industrieautomatisierung (insb. Druckmaschinen) und Medizintechnik
• ARINC 629 Schneller Avionik-Bus, der Firma Arinc, eingesetzt in der Boeing 777
• AS-Interface zum Anschluss von Sensoren und Aktoren
• ControlNet
• CAN z.B. im Automotive-Bereich
• CANopen (CAN-basierendes, höheres Protokoll) Standard für die Aufzugstechnik, Automatisierungstechnik, Fahrzeugaufbauten, Medizintechnik, Schiffselektronik CAN in Automation (CiA)
• DeviceNet (CAN-basierendes, höheres Protokoll) vor allem in den USA
• EIB Europäischer Installationsbus Hauptsächlich Hausinstallation
• EtherCAT Ethernet basierender Feldbus in der Automatisierungstechnik
• Ethernet Powerlink Ethernet basierender Feldbus für den Maschinen- und Anlagenbau
• Fieldbus Foundation Fieldbus Foundation Prozessautomation
• FlexRay-Bus Im Automotive-Bereich (X-by-Wire)
• Hart Communication für industrielle Feldgeräte
• Interbus Maschinenbau, Anlagenbau in Sonderausführung für Sicherheitstechnik
• LCN Local Control Network Universelles Gebäudeleitsystem
• LIN-Bus Im Automotive-Bereich
• MIL-STD-1553 hauptsächlich in der militärischen Luftfahrt
• LON hauptsächlich für Gebäudeautomation
• Modbus Industrie
• MOST-Bus Im Automotive-Multimedia-Bereich
• Profibus Roboter, Maschinenbau, Anlagenbau, Prozessautomation (Varianten: DP & PA)
• SafetyBUS p sicherheitsrelevante Anwendungen
• SERCOS interface Motion Control, CNC, Roboter, Maschinenbau, Anlagenbau
• Spacewire
• Time-Triggered Protocol (TTP)
• BACnet Building Automation and Control Networks für Gebäudeleittechnik aber auch teilweise bis zur Feldebene hinunter einsetzbar

[Bearbeiten] Realtime-Ethernet

In den letzten Jahren etablieren sich im industriellen Bereich mehrere Kommunikationssysteme auf der Basis von Ethernet mit Erweiterungen für die Echtzeit, die das Potenzial zur künftigen Ablösung der bisherigen Feldbussysteme besitzen:

• EtherCAT
• Ethernet-Powerlink
• SERCOS III
• PROFINET
• ETHERNET/IP
• VARAN
• SafetyNET p

Siehe auch: Industrial Ethernet

Als gemeinsame Merkmale aller Systeme können die Unterstützung durch nur einen Steuerungshersteller und die Inkompatibilität angesehen werden. Das sind auch die Ursachen für die derzeit geringe Bedeutung dieser Systeme am Markt.

[Bearbeiten] Sicherheitseigenschaften von Feldbussen

Sollen Feldbussysteme in Systemen eingesetzt werden, die einer Prüfung entsprechen Sicherheitsnormen wie etwa IEC 61508 oder EN 954-1 standhalten müssen, werden dem Bussystem einige spezielle Anforderungen auferlegt. Diese Anforderungen werden befriedigt beispielsweise durch redundanten Aufbau von Soft- und Hardware der Endgeräte und je nach Busprotokoll Maßnahmen wie laufende Zähler, CRCs, Quittierungen, Timeouts, Kennungen für Sender und Empfänger oder Redundanz mit Kreuzvergleich. Siehe dazu auch Sicherheitsanforderungsstufe, Sicherheitskonzept, Sicherheit.

[Bearbeiten] Literatur

• [Udo Enste, Jochen Müller]: Datenkommunikation in der Prozessindustrie, Oldenbourg Industrieverlag, ISBN 978-3-8356-3116-8
• [N. P. Mahalik]: Fieldbus Technology, Springer Verlag, ISBN 978-3540401834
• [Gerhard Schnell, Bernhard Wiedemann]: Bussysteme in der Automatisierungs- und Prozesstechnik, Vieweg+Teubner Verlag, ISBN 978-3834804259

[Bearbeiten] Weblinks

• http://www.feldbusse.de
• http://www.infoside.de/infida/messtec/a39696-0.htm