Feldbus

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Ein Feldbus ist ein Bussystem, das in einer Anlage Feldgeräte wie Messfühler (Sensoren) und Stellglieder (Aktoren) zwecks Kommunikation mit einem Steuerungsgerät verbindet. Wenn mehrere Kommunikationsteilnehmer ihre Nachrichten über dieselbe Leitung senden, dann muss festgelegt sein, wer (Kennung) was (Messwert, Befehl) wann (Initiative) sagt. Hierfür gibt es normierte Protokolle.

Die erste Generation der Feldbustechnik wurde in den 1980er 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. Die zweite Generation der Feldbustechnik basiert auf Echtzeit-Ethernet.

Beschreibung[Bearbeiten]

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 Grundvarianten sind möglich:

  1. Vom Regelungsgerät aus wird je eine Leitung zu jedem Sensor und Aktor gezogen (parallele Verdrahtung).
  2. Vom Regelungsgerät aus wird nur eine Leitung gezogen: Die Leitung 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 sogenannter 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 die Komponenten im Feld. Anstelle mehrerer I/O-Karten wird eine Bus-Interface-Karte eingesetzt. Hierdurch wird der Platzbedarf im Schaltschrank verringert.

Vorteile[Bearbeiten]

Die Vorteile eines Feldbusses:

  • geringerer Verkabelungsaufwand spart Zeit bei Planung und Installation
  • Kabel, Rangierverteiler und Ausmaße des Schaltschranks werden reduziert
  • Eigendiagnose durch das System möglich
  • 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[Bearbeiten]

Die Nachteile eines Feldbusses

  • komplexeres System - qualifiziertere Mitarbeiter notwendig
  • höherer Preis von Komponenten mit Feldbusfunktionalität
  • aufwändige Messgeräte
  • etwas längere Reaktionszeit
  • Die kleinste tauschbare Einheit wird teurer.
  • 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.
  • Durch das zentrale Anbindungsprinzip kann bei einer Busstörung das Leitsystem von allen Sensoren und Aktoren abgeschnitten sein. Daher sind eventuell redundante Bussysteme erforderlich.

Feldbus-Topologien[Bearbeiten]

Normung[Bearbeiten]

Seit 1999 werden Feldbusse für industrielle Anwendungen in der Norm IEC 61158 (Digital data communication for measurement and control - Fieldbus for use in industrial control systems) weltweit genormt. 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:

Familie Version Markenname
CPF1 FOUNDATION Fieldbus (FF)
CPF1/1 FF-H1 (Low Speed)
CPF1/2 FF-HSE (High Speed Ethernet)
CPF1/3 FF-H2 (High Speed)
CPF2 CIP (Common Industrial Protocol)
CPF2/1 ControlNet
CPF2/2 Ethernet/IP
CPF2/3 DeviceNet
CPF3 PROFIBUS und PROFINET
CPF3/1 PROFIBUS DP
CPF3/2 PROFIBUS PA
CPF3/3 PROFINET CBA
CPF3/4 PROFINET IO Conformance Class A
CPF3/5 PROFINET IO Conformance Class B
CPF3/6 PROFINET IO Conformance Class C
CPF4 P-NET
CPF5 WorldFIP
CPF6 INTERBUS
CPF7 SwiftNet
CPF8 CC-Link
CPF9 HART
CPF10 VNET/IP
CPF11 TCnet
CPF12 EtherCAT
CPF13 ETHERNET Powerlink
CPF14 EPA (Ethernet for Plant Automation)
CPF15 Modbus
CPF15/1 Modbus/TCP
CPF15/2 RTPS
CPF16 SERCOS
CPF16/1 SERCOS I
CPF16/2 SERCOS II
CPF16/3 SERCOS III
CPF17 RAPIEnet
CPF18 SafetyNet p
CPF19 MECHATROLINK

Verbreitete Feldbusse[Bearbeiten]

Sicherheitseigenschaften von Feldbussen[Bearbeiten]

Sollen Feldbussysteme in Systemen eingesetzt werden, die einer Prüfung entsprechend 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. In der weltweit gültigen internationalen Norm IEC 61784-3: Industrial communication networks – Profiles – Part 3: Functional safety fieldbuses sind neun unterschiedliche Protokolle für sicherheitsgerichtete Feldbusse der Familien CPF 1,2,3,6,8,12,13 und 14 festgelegt.

Eine weitere Sicherheitsfunktion von Feldbussen bezieht sich auf die Arbeitssicherheit, sofern Personen durch gefährliche Bewegungen bedroht sind. Hierfür werden Not-Aus-Betätigungen, Verriegelungen von Sicherheitstüren für Maschinen und Roboter, Lichtgitter und Lichtvorhänge sowie optische Scanner u. a. eingesetzt und vernetzt. Derartige Einrichtungen sind abnahmepflichtig (z. B. Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung in St. Augustin und TÜV). Die Realisierung erfolgt unter Verzicht auf zusätzliche konventionelle Verdrahtungen zunehmend durch innovative Feldbuslösungen, die ohne oben genannte Redundanzkonzepte auskommen und auf einem normalen Sensor-Aktuator-Feldbus realisierbar sind. Näheres zu einem System mit "Safety at Work" und seiner Entstehung findet sich in den Artikeln AS-Interface, Horst Saalbach und Werner Kriesel.

Literatur[Bearbeiten]

  •  Udo Enste, Jochen Müller: Datenkommunikation in der Prozessindustrie. Oldenbourg Industrieverlag, München 2007, ISBN 978-3-8356-3116-8.
  •  N. P. Mahalik: Fieldbus Technology. Springer Verlag, Berlin 2003, ISBN 978-3-5404-0183-4.
  •  Gerhard Schnell, Bernhard Wiedemann (Hrsg.): Bussysteme in der Automatisierungs- und Prozesstechnik. Grundlagen, Systeme und Trends der industriellen Kommunikation. 7. Auflage. Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden 2008, ISBN 978-3-8348-0425-9.
  •  Werner Kriesel, Tilo Heimbold, Dietmar Telschow: Bustechnologien für die Automation. Vernetzung, Auswahl und Anwendung von Kommunikationssystemen. 2. Auflage. Hüthig, Heidelberg 2000, ISBN 3-7785-2778-9.
  •  Michael Lupik, Gerhard Schnell (Hrsg.): Bussysteme in der Automatisierungs- und Prozesstechnik. Grundlagen, Systeme und Trends der industriellen Kommunikation. 5. Auflage. Vieweg, Braunschweig, Wiesbaden 2003, ISBN 3-528-46569-7.
  • Jasperneite, Jürgen:Echtzeit-Ethernet im Überblick In: Automatisierungstechnische Praxis (atp) Nr. 3, 2005, ISSN 0178-2320, S. 29–34
  •  Frithjof Klasen, Volker Oestreich, Michael Volz (Hrsg.): Industrielle Kommunikation mit Feldbus und Ethernet. VDE Verlag GmbH, Berlin, Offenbach 2010, ISBN 978-3-8007-3297-5.
  • Werner Zimmermann und Ralf Schmidgall: Bussysteme in der Fahrzeugtechnik – Protokolle, Standards und Softwarearchitektur. 5. Auflage, Springer Vieweg, 2014, ISBN 978-3-658-02418-5.

Weblinks[Bearbeiten]