Feldbus

Ein Feldbus verbindet in einer Anlage Feldgeräte wie Messfühler (Sensoren) und Stellglieder (Aktoren) zwecks Kommunikation mit einem Steuerungsgerät. 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

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 alle Komponenten. Diese können beliebig im Feld verteilt sein, denn alle werden dezentral vor Ort angeschlossen. Damit steht ein leistungsfähiges Kommunikationsnetz für sogenannte Echtzeit-Rationalisierungskonzepte zur Verfügung. Anstelle 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 deutlich 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 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

Die Nachteile eines Feldbusses im Vergleich zur parallelen Verdrahtung:

• komplexeres System - qualifiziertere Mitarbeiter notwendig
• höherer Preis von Komponenten mit Feldbusfunktionalität
• aufwendige 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.
• 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

• Ringtopologie
• Sterntopologie
• Linientopologie
• Baumtopologie

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		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		PAPIEnet
CPF18		SafetyNet p
CPF19		MECHATROLINK

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),
• EtherNet/IP (Ethernet-basierendes, höheres Protokoll), zumindest ersteres 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 (Varianten: DP & PA), Profinet: Roboter, Maschinenbau, Anlagenbau, Prozessautomation
• SafetyBUS p sicherheitsrelevante Anwendungen
• SERCOS interface Motion Control, CNC, Roboter, Maschinenbau, Anlagenbau
• SmallCAN Integratives low-cost/low-power System, hauptsächlich für Gebäudeautomatisierung (aber auch allgemeine Automatisierungstechnik)
• SMI Standard Motor Interface zur Ansteuerung von elektronischen 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
• VARAN Ethernet-basierender Feldbus für die Automatisierung von Maschinen und Anlagen
• P-NET Der P-NET Feldbus

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.
• 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.

Weblinks

• www.feldbusse.de - Informationsseite von HMS Industrial Networks
• Gerd Kielburger, Sabine Mühlenkamp, Dr. Hasso Drathen: PROCESS-Roundtable-Gespräch: Quo vadis Feldbus?. In: Process. Vogel (Online-Artikel, abgerufen am 10. März 2009).