Veraltete Parallelverdrahtung

Etwa bis 1980 wurden in der Automatisierungstechnik Sensoren und Aktoren mit der zentralen Steuereinheit parallel verdrahtet. Das bedeutet, jedes Gerät wurde bekam eine eigene, exklusive Punkt-zu-Punkt-Verbindungsleitung zum Steuergerät.

Parallelverdrahtung
Parallelverdrahtung

Nachteile
  • Bei steigender Geräteanzahl müssen sehr vielle Kabel in diecken Kabelbäumen verlegt werden, was zu hohen Kosten durch den Montageaufwand und großem Platzbedarf führt. 
  • Relativ unflexibel,
  • viele proprietäre Technologien verhindern herstellerübergreifenden Komponentenaustausch.

Feldbus

Daher ersetzen seit ca. 1980 sogenannte Feldbusse (1. Generation) die parallelen Leitungsbündel durch ein einziges Buskabel und verbindet alle Teilnehmer im Feld mit der Steuerung bzw. Leitebene (z.B. PROFIBUS der Fa. Siemens, DeviceNet der Fa. Rockwell Automation, FOUNDATION Fieldbus H1 der FieldComm Group uvm.).

Feldbusprinzip
Feldbus (Prinzip)

Vorteile
  • Geringer Verkabelungsaufwand mittels serieller Datenübertragung über meist nur zwei Drähte spart Kosten,
  • größere Zukunftssicherheit durch leichte Erweiter- und Änderbarkeit,
  • offene standardisierte Feldbusse vereinheitlichen Datenübertragung und Geräteanschluss. Komponenten lassen sich leichter herstellerübergreifend austauschen.
Nachteile
  • Etwas längere Reaktionszeit, weil beim Busprinzip nur eine Kommunikation gleichzeitig stattfinden kann,
  • hoher Preis der Feldbusfunktionalität,
  • Sensor-/Aktorhersteller müssen unterschiedliche Feldbusse unterstützen, da es weiterhin viele proprietäre Technologien gibt,
  • Busstörung führt zum Ausfall der gesamten Funktionalität, was Redundanzen erfordert.

Industrial Ethernet

Die Entwicklung des Ethernet zum alles beherrschenden Übertragungsstandard geht seit ca. 2000 nicht spurlos an den Feldbussen vorbei. Allgemein akzeptierte Protokolle wie z.B. TCP/IP und günstige Hardware durch hohe Stückzahlen bewirken derzeit eine Erweiterung der Feldbusse um diese Technologien. Feldbusprotokolle werden zu Industrial-Ethernet-Protokollen: PROFIBUS zu PROFINET, DeviceNet zu Ethernet/IP, FOUNDATION Fieldbus H1 zu FOUNDATION Fieldbus HSE (Highspeed Ethernet) usw.

Wegen der notwendigen Echtzeitfähigkeit der Feldbusse werden diese um Ethernet und z.B. TCP/IP erweitert und nicht ganz abgelöst. Echtzeitfähigkeit bedeutet, dass die Einhaltung geringer Latenzen bzw. Antwortzeiten garantiert ist, was in der Automatisierungstechnik häufig erforderlich ist, z.B. bei Bewegungssteuerung.  Ethernet und TCP/IP dagegen wurde so entworfen, dass ein Datenpaket auf unterschiedlichen Wegen 'gerouted' zuverlässig ankommt und gegebenenfalls erneut angefordert werden kann. Das kann durchaus unterschiedlich lange dauern.

Die linke Seite der untenstehenden Graphik zeigt wie sich die Industrial Ethernet integrierten Feldbustechnologien jetzt sowohl der bekannten Protokolle auf Layer 3 und 4 bedienen kann, als auch über einen Direct Layer 2 Access Echtzeitfähigkeit gewährleistet:

Feldbusprotokolle auf OSI-Level 5 bis 7 nutzen zunehmend Ethernet und TCP/IP (links)

Abb.1: Feldbusprotokolle auf OSI-Level 5 bis 7 nutzen zunehmend Ethernet und TCP/IP (links) (Schulze: „Vom Feldbus zum Ethernet“. S. 110).

PROFINET kann jedoch z.B. mittels isochroner Echtzeitkommunikation (IRT) in den Bereich von 100 Mikrosekunden vordringen. Dabei werden weniger dringliche bzw. weniger zeitkritische Daten über TCP/IP temporär zwischengespeichert.

Vorteile
  • Echtzeit- und IT-Anwendungen können die gleiche Infrastruktur nutzen,
  • große Netzwerkausdehnungen mittels Switche, Router und Gateways sind möglich,
  • größere Datenmengen können übertragen werden,
  • MAC und IP ermöglichen sehr große Geräteanzahl,
  • Ethernet macht Kupfer, Glasfaser und Wireless möglich.



[1] Schulze Uwe: „Vom Feldbus zum Ethernet“, in: iX extra 6/2024. S.110-113.



Last modified: Sunday, 8 September 2024, 4:02 PM