IEC 61158

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 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.

Inhaltsverzeichnis

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. Hierdurch werden I/O-Karten eingespart und somit der erforderliche Platzbedarf im Schaltschrank verringert. Außerdem werden die Kosten für die Verkabelung nachhaltig reduziert.

Vorteile

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

Die Nachteile eines Feldbusses im Vergleich zur parallelen Verdrahtung:

  • 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.

Feldbus-Topologien

Normierung

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 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:

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 ControlNet
CPF2/1 ControlNet
CPF2/2 Ethernet/IP
CPF2/3 DeviceNet
CPF3 PROFIBUS
CPF3/1 PROFIBUS-DP
CPF3/2 PROFIBUS-PA
CPF3/3 PROFINET CBA
CPF3/4 PROFINET IO Klasse A
CPF3/5 PROFINET IO Klasse B
CPF3/6 PROFINET IO Klasse 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
CPF15 Modbus
CPF15/1 MODBUS-TCP
CPF15/2 RTPS
CPF16 SERCOS
CPF16/1 SERCOS I
CPF16/2 SERCOS II
CPF16/3 SERCOS III

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
  • BITBUS
  • ControlNet
  • CAN z.B. im Automotive-Bereich
  • CANopen (CAN-basierendes, höheres Protokoll) Standard für die Aufzugstechnik, Automatisierungstechnik, Fahrzeugaufbauten, Medizintechnik, Schiffselektronik CAN in Automation (CiA)
  • DALI für Beleuchtungen in der Gebäudeautomatisierung
  • DeviceNet (CAN-basierendes, höheres Protokoll) vor allem in den USA
  • EIB Europäischer Installationsbus Hauptsächlich Hausinstallation, Vorgänger von KNX
  • EtherCAT Ethernet basierender Feldbus in der Automatisierungstechnik
  • Ethernet Powerlink Ethernet basierender Feldbus für den Maschinen- und Anlagenbau
  • FAIS-Bus, ein japanischer Feldbus-Standard
  • Fieldbus Foundation Fieldbus Foundation Prozessautomation
  • FIP-Bus, französischer und italienischer Feldbus-Standard, Konkurrent zu Profibus
  • FlexRay-Bus Im Automotive-Bereich (X-by-Wire)
  • Hart Communication für industrielle Feldgeräte
  • Interbus Maschinenbau, Anlagenbau in Sonderausführung für Sicherheitstechnik
  • KNX Standard für Gebäudeautomatisierung, Nachfolger von EIB
  • LCN Local Control Network Universelles Gebäudeleitsystem
  • LIN-Bus Im Automotive-Bereich
  • LON hauptsächlich für Gebäudeautomation
  • MIL-STD-1553 hauptsächlich in der militärischen Luftfahrt
  • 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
  • SMI Standard Motor Interface zur Ansteuerung von elektronisch Antrieben, z.B. für Jalousien oder Rolläden
  • Spacewire
  • Time-Triggered Protocol (TTP)
  • BACnet Building Automation and Control Networks für Gebäudeleittechnik aber auch teilweise bis zur Feldebene hinunter einsetzbar

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:

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.

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.

Literatur

  • 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. 

Weblinks


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