Feldbus

Grundidee und Zweck

Ein Feldbus ist ein Bussystem in der Automatisierungstechnik. Er verbindet Feldgeräte wie Messfühler, also Sensoren, und Stellglieder, also Aktoren, mit einem Automatisierungsgerät. Sensoren liefern Messwerte, Aktoren führen Befehle aus. Wenn mehrere Teilnehmer über dieselbe Leitung kommunizieren, muss eindeutig geregelt sein, wer etwas sendet, was gesendet wird und wann gesendet werden darf. Dafür gibt es normierte Protokolle.

Feldbusse wurden in den 1980er Jahren entwickelt, um die bis dahin übliche Parallelverdrahtung binärer Signale und die analoge Signalübertragung durch digitale Übertragungstechnik zu ersetzen. Die zweite Generation der Feldbustechnik basiert auf Echtzeit-Ethernet. Echtzeit bedeutet hier, dass Daten innerhalb festgelegter Zeiten übertragen werden müssen, damit Steuerung und Regelung zuverlässig funktionieren.

Für die Steuerung oder Regelung einer Anlage werden oft viele Sensoren und Aktoren benötigt. Bei paralleler Verdrahtung führt vom Automatisierungsgerät jeweils ein eigenes Leitungspaar zu jedem Sensor und jedem Aktor. Das entspricht einer Stern-Topologie. Bei serieller Verdrahtung wird dagegen nur ein Leitungspaar verwendet, das nacheinander zu den Sensoren und Aktoren geführt wird. Das entspricht einer Bus-Topologie.

Mit wachsendem Automatisierungsgrad steigt bei paralleler Verdrahtung der Verkabelungsaufwand stark an, weil es immer mehr Ein- und Ausgabepunkte gibt. Dadurch entstehen hoher Aufwand bei Projektierung, Installation, Inbetriebnahme und Wartung. Außerdem sind die Anforderungen an Kabel oft hoch, zum Beispiel bei der Übertragung von Analogwerten. Feldbussysteme ersetzen viele parallele Leitungen durch ein einziges Buskabel und verbinden Ebenen von der Feld- bis zur Leitebene. Statt mehrerer I/O-Karten wird eine Bus-Interface-Karte eingesetzt, wodurch weniger Platz im Schaltschrank benötigt wird.

Vorteile im Betrieb

Ein wichtiger Vorteil eines Feldbusses ist der geringere Verkabelungsaufwand. Dadurch werden Planung und Installation zeitsparender. Auch Kabel, Rangierverteiler und die Ausmaße des Schaltschranks können reduziert werden.

Feldbusse ermöglichen außerdem Eigendiagnose durch das System. Das bedeutet, dass das System selbst Hinweise auf Fehler oder Störungen liefern kann. Durch kurze Signalwege können Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit steigen. Besonders bei analogen Werten verbessert sich der Schutz vor Störungen.

Offene Feldbusse vereinheitlichen die Datenübertragung und den Geräteanschluss über Herstellergrenzen hinweg. Komponenten verschiedener Hersteller sind dadurch zumindest hinsichtlich der Basiskommunikation leichter austauschbar. Erweiterungen oder Änderungen lassen sich einfacher durchführen, was die Flexibilität erhöht und Zukunftssicherheit unterstützt.

Bei Messumformern ist die Festlegung von Messbereichen nicht erforderlich. Die visuelle Anzeigeskala im Leitsystem kann jederzeit geändert werden. Das macht Anpassungen im Betrieb einfacher.

Nachteile und Risiken

Feldbusse machen ein Automatisierungssystem komplexer. Deshalb werden qualifiziertere Mitarbeiter benötigt. Auch Komponenten mit Feldbusfunktionalität sind teurer, und die benötigten Messgeräte können aufwendiger sein.

Ein weiterer Nachteil ist eine etwas längere Reaktionszeit. Außerdem wird die kleinste tauschbare Einheit teurer, weil mehr Funktionalität in einzelnen Komponenten steckt.

Problematisch ist auch die große Zahl verschiedener Feldbusse. Hersteller von Sensoren und Aktoren müssen deshalb oft mehrere Feldbusse unterstützen, was zusätzliche Kosten verursacht. Gleichzeitig ist schwer vorherzusagen, welche Feldbusse künftig wichtiger oder unwichtiger werden. Dadurch besteht die Gefahr von Fehlinvestitionen bei der Entwicklung von Feldbusankopplungen.

Durch das zentrale Anbindungsprinzip kann eine Busstörung schwerwiegende Folgen haben: Das Leitsystem kann dann von allen Sensoren und Aktoren abgeschnitten sein. Deshalb können redundante Bussysteme erforderlich sein. Redundanz bedeutet, dass wichtige Teile doppelt vorhanden sind, damit ein Ausfall besser aufgefangen werden kann.

Topologien und Standards

Feldbussysteme können in verschiedenen Netzwerktopologien auftreten. Genannt werden Baumtopologie oder erweiterter Stern, Bustopologie, Ringtopologie und Sterntopologie. Eine Topologie beschreibt die Struktur, in der Geräte miteinander verbunden sind.

Seit 1999 werden Feldbusse für industrielle Anwendungen weltweit in der Norm IEC 61158 standardisiert. Der vollständige englische Titel lautet „Digital data communication for measurement and control – Fieldbus for use in industrial control systems“. Einzelne Feldbusse werden in IEC 61784-1 als „Communication Profile Families“, abgekürzt CPF, geführt. Neue echtzeitfähige Ethernet-basierte Feldbusse sind in IEC 61784-2 zusammengestellt. Jede Protokollfamilie kann weitere Feldbusse definieren.

Zu den in der Norm genannten Familien gehören unter anderem CPF1 mit FOUNDATION Fieldbus, darunter FF-H1, FF-HSE und FF-H2; CPF2 mit CIP, ControlNet, EtherNet/IP und DeviceNet; CPF3 mit PROFIBUS und PROFINET, darunter PROFIBUS DP, PROFIBUS PA sowie PROFINET IO Conformance Class A, B und C und PROFINET Conformance Class D. Weitere aufgeführte Familien sind unter anderem P-NET, WorldFIP, INTERBUS, SwiftNet, CC-Link, HART, VNET/IP, TCnet, EtherCAT, Ethernet POWERLINK, EPA, Modbus, SERCOS, RAPIEnet, SafetyNet p und MECHATROLINK.

Beispiele verbreiteter Feldbusse

Es gibt viele verbreitete Feldbusse, die je nach Anwendungsgebiet eingesetzt werden. ARCNET ist ein deterministischer, echtzeitfähiger Feldbus und wird unter anderem in Automotive, Industrieautomatisierung, besonders Druckmaschinen, und Medizintechnik verwendet. ARINC 629 ist ein schneller Avionik-Bus der Firma Arinc und wird in der Boeing 777 eingesetzt.

AS-Interface, also Actuator-Sensor-Interface, dient zum Anschluss von Sensoren und Aktuatoren. BACnet wird für Gebäudeleittechnik verwendet und ist teilweise bis zur Feldebene einsetzbar. CAN wird zum Beispiel im Automotive-Bereich genutzt; CANopen ist ein CAN-basierendes höheres Protokoll und Standard unter anderem für Aufzugstechnik, Automatisierungstechnik, Fahrzeugaufbauten, Medizintechnik und Schiffselektronik.

Weitere Beispiele sind DALI für Beleuchtungen in der Gebäudeautomatisierung, EIB als Europäischer Installationsbus und Vorgänger von KNX, EtherCAT und Ethernet Powerlink als Ethernet-basierende Feldbusse in der Automatisierungstechnik, Foundation Fieldbus für Prozessautomation, FlexRay-Bus im Automotive-Bereich für X-by-Wire, Interbus für Maschinenbau und Anlagenbau, KNX für Gebäudeautomatisierung, LIN-Bus im Automotive-Bereich, M-Bus für Verbrauchsmessgeräte wie Stromzähler, Gaszähler und Wärmezähler, PROFIBUS und PROFINET für Roboter, Maschinenbau, Anlagenbau und Prozessautomation sowie SERCOS interface für Motion Control, CNC, Roboter, Maschinenbau und Anlagenbau.

Funktionale Sicherheit und Arbeitssicherheit

Wenn Feldbussysteme in Anlagen eingesetzt werden, die Sicherheitsnormen wie IEC 61508 oder EN 954-1 erfüllen müssen, gelten besondere Anforderungen. Diese können zum Beispiel durch redundanten Aufbau von Software und Hardware der Endgeräte erfüllt werden. Je nach Busprotokoll kommen außerdem Maßnahmen wie laufende Zähler, CRCs, Quittierungen, Timeouts, Kennungen für Sender und Empfänger oder Redundanz mit Kreuzvergleich zum Einsatz. Ein CRC ist ein Prüfwert zur Erkennung von Übertragungsfehlern; eine Quittierung bestätigt den Empfang einer Nachricht; ein Timeout ist eine festgelegte Wartezeit, nach deren Ablauf ein Fehler angenommen werden kann.

In der weltweit gültigen internationalen Norm IEC 61784-3 „Industrial communication networks – Profiles – Part 3: Functional safety fieldbuses“ sind in der Ausgabe 2021 unterschiedliche Protokolle für sicherheitsgerichtete Feldbusse der Familien CPF 1, 2, 3, 6, 8, 12, 13, 14, 17 und 18 festgelegt.

Eine weitere Sicherheitsfunktion betrifft die Arbeitssicherheit, besonders wenn Personen durch gefährliche Bewegungen bedroht sind. Dazu werden zum Beispiel Not-Aus-Betätigungen, Verriegelungen von Sicherheitstüren für Maschinen und Roboter, Lichtgitter, Lichtvorhänge und optische Scanner vernetzt. Solche Einrichtungen sind abnahmepflichtig, zum Beispiel durch das Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung in St. Augustin oder durch den TÜV. Die Realisierung erfolgt zunehmend durch Feldbuslösungen, die ohne zusätzliche konventionelle Verdrahtung auskommen und auf einem normalen Sensor-Aktuator-Feldbus umsetzbar sind.