Feldbus

Ein Feldbus verbindet Sensoren, Aktoren und Steuerungen in einer Anlage über eine gemeinsame Leitung. Der Name kommt von der Feldebene der Automatisierungspyramide — dort, wo gemessen und bewegt wird.

Was der Felddbus abgelöst hat

Vor dem Feldbus führte von jedem Signal eine eigene Leitung in den Schaltschrank. Ein Endschalter brauchte zwei Adern, ein Ventil zwei, ein analoger Messwert ein geschirmtes Paar. Bei einigen hundert Signalen ergab das Kabelbäume, die mehr kosteten als die Steuerung, und Klemmenpläne, deren Pflege eine eigene Tätigkeit war.

Der Feldbus ersetzt das durch eine Leitung, die an allen Geräten vorbeiläuft. Zwei Folgen davon sind größer als die Materialeinsparung:

• Geräte senden mehr als ihren Messwert. Ein Sensor meldet zusätzlich seinen Zustand — Verschmutzung, Temperatur, Betriebsstunden. Das 4-20-mA-Signal konnte nur eine Zahl.
• Die Steuerung kennt ihre Peripherie. Ein ausgefallenes Gerät meldet sich ab, statt stillschweigend einen Wert von null zu liefern. Genau das ist bei Parallelverdrahtung die gefürchtete Fehlerart.

Warum ein Büronetz nicht genügt

Hier liegt der Unterschied, der Feldbusse zu einer eigenen Gerätegattung macht. In der IT zählt Durchsatz, in der Automatisierung Vorhersagbarkeit.

Eine Steuerung arbeitet zyklisch: Eingänge lesen, rechnen, Ausgänge schreiben — und das in gleichbleibendem Takt. Ein Feldbus muss deshalb garantieren, dass alle Prozessdaten innerhalb der Zykluszeit eintreffen. Nicht im Mittel, sondern im schlechtesten Fall.

Daraus ergeben sich drei Forderungen, die ein gewöhnliches Netz nicht erfüllt:

• Determinismus. Die Übertragungsdauer muss eine obere Grenze haben.
• Geringer Jitter. Die Schwankung der Laufzeit ist bei Antrieben wichtiger als die Laufzeit selbst.
• Kleine Datenmengen, hohe Wiederholrate. Ein Feldbus überträgt pro Teilnehmer wenige Byte, dafür tausende Male je Sekunde. Das ist das Gegenteil dessen, worauf Ethernet ursprünglich optimiert war.

Dazu kommen Anforderungen der Umgebung: Störfestigkeit neben Frequenzumrichtern, Temperaturbereich, und bei vielen Anlagen die Versorgung der Geräte über dieselben zwei Drähte.

Die gängigen Vertreter

• PROFIBUS DP arbeitet über RS485 im Master-Slave-Verfahren: Der Master fragt alle Teilnehmer der Reihe nach ab, niemand sendet unaufgefordert. Dadurch ist die Zykluszeit exakt berechenbar. Der verbreitetste klassische Feldbus.
• Modbus ist der einfachste und deshalb überall zu finden, kennt aber keine Gerätebeschreibung und keine Sicherheit. Für Messwerte gut, für Bewegungsführung nicht gedacht.
• CAN und die darauf aufsetzenden Profile arbeiten ereignisgesteuert: Jeder darf senden, und bei gleichzeitigem Zugriff setzt sich die wichtigere Nachricht während des Sendens durch. Stark bei verteilten Ereignissen, nicht bei starrem Takt.
• PROFIBUS PA ist die Variante für die Verfahrenstechnik. Sie überträgt mit 31,25 kbit/s über zwei Drähte, versorgt die Geräte darüber mit und lässt sich eigensicher ausführen — damit auch im explosionsgefährdeten Bereich.

Eine Zwischenstufe ist HART, das digitale Daten auf das bestehende 4-20-mA-Signal aufmoduliert. Kein Feldbus im eigentlichen Sinn, aber der Weg, auf dem viele Altanlagen Gerätedaten bekommen haben, ohne neu verkabelt zu werden.

Der Feldbuskrieg und sein Ergebnis

In den Neunzigern konkurrierten die Verfahren offen, jedes von einem Herstellerlager getragen. Der Versuch, einen einzigen internationalen Feldbus zu normen, endete nicht mit einer Entscheidung, sondern mit einem Kompromiss: IEC 61158 nennt mehrere Typen nebeneinander, und die Zählung ist bis heute die Liste der Beteiligten, nicht die Auswahl der Besten.

Für den Anwender hieß das: Die Wahl des Feldbusses legt die Lieferanten fest. Diese Bindung ist der wesentliche Grund, warum Industrial Ethernet so schnell angenommen wurde — es versprach, das Problem von der Protokollebene in die Software zu verschieben. Eingehalten hat es dieses Versprechen nur zum Teil.

Industrial Ethernet

Die heutigen Nachfolger nutzen Ethernet-Hardware, lösen das Echtzeitproblem aber unterschiedlich — denn Ethernet allein ist nicht deterministisch: Ein Switch speichert Rahmen zwischen, und bei gleichzeitigem Verkehr entsteht Wartezeit, die niemand nach oben begrenzt.

• PROFINET behält Switches und reserviert in der Ausprägung IRT feste Zeitfenster, benötigt dafür aber besondere Switches.
• EtherCAT schickt ein Telegramm durch alle Teilnehmer, die es im Durchlauf lesen und beschreiben. Sehr schnell, dafür braucht jeder Teilnehmer einen eigenen Baustein.
• Ethernet Powerlink teilt die Sendezeit zentral zu und kommt ohne besondere Bausteine aus.

Die allgemeine Lösung heißt TSN (Time-Sensitive Networking): eine Sammlung von Ergänzungen zu Ethernet selbst, die reservierte Zeitfenster und gemeinsame Uhren in die Norm holt, statt sie herstellerweise nachzubauen. Zusammen mit OPC UA ist das der Ansatz, Prozessdaten und übergeordnete Kommunikation auf einer Infrastruktur zu führen.

Sicherheit über denselben Bus

Lange brauchten Nothalt und Schutztür eine eigene, fest verdrahtete Ebene. Heute führen zertifizierte Verfahren solche Signale über den bestehenden Feldbus: PROFIsafe bei PROFIBUS und PROFINET, Safety over EtherCAT bei EtherCAT.

Das Prinzip ist in allen Fällen dasselbe — ein zusätzliches Protokoll über dem Bus mit eigener Prüfsumme, Laufnummer und Zeitüberwachung. Dem Bus darf man misstrauen; die Sicherheitsfunktion erkennt verlorene, verzögerte oder vertauschte Nachrichten selbst.

Abgrenzung

In Gebäuden erfüllen KNX und BACnet eine vergleichbare Aufgabe, brauchen aber keine Mikrosekunden — eine Jalousie verzeiht zehn Millisekunden, eine Servoachse nicht. Im Fahrzeug übernimmt CAN die Rolle. Das allgemeine Prinzip hinter allen dreien ist im Bussystem beschrieben.

Normen

• IEC 61158 – Industrielle Kommunikationsnetze, Feldbusse; mehrere Typen nebeneinander
• IEC 61784 – Kommunikationsprofile auf Grundlage von IEC 61158
• IEC 61784-3 – Funktionale Sicherheit über Feldbusse
• IEC 61131-3 – Programmiersprachen der Steuerungen, die am Feldbus hängen