Bussysteme in der Automatisierungstechnik

Kurzübersicht der gängigsten Bussysteme in der Automatisierungstechnik

Ausgangspunkt für die Darstellung der gängigsten Bussysteme, die heute in allen Bereichen (Maschinen, Anlagen, Gebäude, Fahrzeuge, Computer, …) zur Automatisierung verwendet werden, ist die „Automatisierungspyramide“. Diese Pyramide zeigt sehr übersichtlich die Organisationsprinzipien und die verwendeten Schlagwörter in modernen Unternehmen und Prozessabläufen. Jedem Automatisierungs-Techniker und jedem Spezialisten im Technikbereich ist die „Automatisierungspyramide“ bekannt.

Durch die definierten Arbeitsaufgaben innerhalb der einzelnen Ebenen erkennt man sehr schnell, dass für einen reibungslosen Arbeitsablauf die folgenden Punkte eine wichtige Rolle spielen:

Schnelle, sichere und unterbrechungsfreie Kommunikation
Jede Ebene hat ihren spezifischen Informationsbedarf
Erhalt der benötigten Informationen zur richtigen Zeit am richtigen Ort
Definierte Arbeitsabläufe und konkrete Verhaltensrichtlinien
Störungs- und fehlerfreier Prozessablauf

Soweit so klar. Doch was hat dies mit den Bussystemen in der Automatisierungstechnik zu tun?

Genau die gleichen Ebenen mit ihren spezifischen Arbeitsaufgaben und hierarchischen Strukturen finden sich bei genauem Hinschauen auch in den modernen Automatisierungssystemen und Prozessabläufen. Lediglich die Anzahl der Ebenen und deren Namen bzw. Begriffe sind leicht verändert und angepasst. Doch vom Prinzip her ändert sich nichts. Erkennt man die Ebenen mit denen die Aufgaben und Prozesse strukturiert werden, hat man das erste Etappenziel zum Verständnis der Zusammenhänge erreicht.

Schrittmacher für die Automatisierung sind intelligente Sensorik- und Aktorik-Bauelemente, hochdynamische Antriebssysteme, komfortable Programmierwerkzeuge, leistungsfähige Visualisierungs- und Rechnersysteme und die Verbindungsglieder zwischen allem – die „elektronischen Bussysteme“. Der heutige und erst recht der zukünftige Automatisierungsgrad ist ohne Bussysteme nicht erreichbar. Denn nur die elektronischen Bussysteme erlauben den Anschluss der vielen Bauteile und deren Datenaustausch über eine einfache Elektroleitung mit wenigen Adern (BUS) und dadurch die kurzen Zykluszeiten (Reaktionszeiten), anstelle eines dicken Kabelbaums mit hunderten und tausenden von Drähten, Relais und Schaltelementen.

Der technische Fortschritt sorgt auch dafür, dass die Kommunikation nicht mehr nur leitungsgebunden ist, sondern auch durch die Funktechnik immer flexibler und schneller wird.

Daraus folgt, Bussysteme können heute auf verschiedene Art und Weise ihre Daten übertragen (Funk, Buskabel oder als „auf moduliertes Signal“ über die normale Stromversorgungsleitung, oder optisch mit Lichtwellenleiter).

Eine Darstellung aller Bussysteme, die in der Industrie zum Einsatz kommen können, ist nicht möglich, da es weit über 100 verschiedene Bussysteme gibt. Die Übersicht beschränkt sich daher auf die „Busse“, die zurzeit auf dem Markt dominieren und die in den Lehrbüchern am häufigsten beschrieben werden bzw. dem Autor bekannt sind. Die Aufzählung der genannten Systeme ist keinerlei Wertung über Leistungsfähigkeit, Zukunftsfähigkeit und Eigenschaften oder deren technischen Daten. In einem modernen Automatisierungssystem sind auch verschiedene Bussysteme gleichzeitig und gleichberechtigt nebeneinander zu finden.

Dem aufmerksamen Betrachter wird jedoch eine Vorreiterrolle und Marktbeherrschung bestimmter Bussysteme nicht verborgen bleiben.

Elektronische Bussysteme

Bevor die Entscheidung für ein bestimmtes Bussystem getroffen wird, sind einige Vorüberlegungen zu treffen. Prinzipiell haben alle Bussysteme die gleichen Arbeitsaufgaben. Prozessdaten zu transportieren. Aber im Detail gibt es halt doch einige Unterschiede, die zu beachten sind. Doch der Reihe nach.

Was soll ich mir unter einem Bussystem vorstellen?

Elektronische Bussysteme transportieren Informationen und Daten.
Mögliche Arten von Daten, die transportiert werden können: Texte, Bilder, Filme (Videodaten), Musik bzw. Töne (Audiodaten), Prozessdaten (Maschinenzustände, I/O Daten und Befehle)
Die Anschlusspunkte der Busleitungen an den „Controllern und Busadaptern“ sind die Haltestellen für den Informationsaustausch.
Die Busleitungen sind das Transportmedium.
Das Protokoll beschreibt die Art und Weise, wie die Daten „verpackt und transportiert“ werden und wie sie interpretiert werden müssen.
Die Geschwindigkeit der Datenübertragung ist durch die Übertragungskapazität in Bit pro Sekunde (bps) definiert.
Aufgrund der unterschiedlichen Protokolle und der Systemeigenschaften hat jedes Bussystem seine Vor- und Nachteile.

Welche Vorüberlegungen sind zu treffen?

Einsatzort und Betriebsbedingungen (Heiß, Kalt, Vibration, Strahlung, …)
Anzahl der Teilnehmer, Datenart und Datenmenge, Zeitverhalten
Zugriffsverfahren, Protokollart und Datensicherheit
Übertragungsmedium (Kupferleitung, Lichtleiter, Funk) und Topologie (räumliche Anordnung)
Integration vorhandener Lösungen
Modularität und einfache, überschaubare Strukturen
Verfügbarkeit von Komponenten, Ausfallstrategien
Wirtschaftlichkeit und Offenheit (normiertes System)

Welche Vorteile bietet der Einsatz eines Bussystems?

Reduzierung des Verdrahtungsaufwands (Zeitersparnis)
Kosten, Platz und Gewichtsreduzierung (weniger Kupfer)
Schnellere und bessere Fehlerdiagnose bei Störungen
Schnell zu erweitern und zu ändern (Flexibilität, Modularität)
Kommunikationsmöglichkeit zu anderen Systemen (Vernetzung)
Anschlussmöglichkeit intelligenter Sensorik / Aktorik (Selbsttest, Signalvorverarbeitung, …)
Aufbau redundanter Systeme (Sicherheit gegen Ausfall)
Hohe Datensicherheit bzw. Störschutz

Um den Wildwuchs der Bussysteme zu verhindern, unterliegen die Bussysteme trotz ihrer Vielfalt einer Norm bzw. Regeln (OSI-Referenzmodell). Vorteil, auch die Kommunikation zwischen unterschiedlichen Bussystemen mit unterschiedlichem Protokoll wird und ist dadurch möglich.

Doch trotz OSI-Model ist es sehr schwer, die vielen verschiedenen Bussysteme miteinander zu vergleichen. Zu unterschiedlich sind die Architekturen, Funktionalitäten und die verwendeten Protokolle. Daher werden eigentlich nur bestimmte bzw. die wichtigsten Eckdaten zum Vergleich herangezogen.

Um die Akzeptanz, die Standardisierung und Markteinführung zu erleichtern, haben sich die verschiedenen Hersteller zu sog. Nutzerorganisationen zusammengeschlossen, um unter ihrer Dachorganisation „Ihr Bussystem“ bei den Anwendern zu etablieren und die Entwicklungsaktivitäten zu organisieren. Natürlich gehört zu jedem Bussystem auch die Kennzeichnung mit einem entsprechenden Logo.

Übersicht einiger interessanter WEB-Adressen für weitere Informationen:

www.interbusclub.com/index.html Interbus Nutzerorganisation

www.profibus.de Profibus Nutzerorganisation

www.as-interface.net ASI-Bus Nutzerorganisation

www.sercos.de Sercos Nutzerorganisation

www.can-cia.org CAN-Bus Nutzerorganisation

www.single-pair-ethernet.com SPE Industrial Partner Network

https://www.beckhoff.com/de-de/produkte/i-o/uebersicht-feldbussysteme/ Übersicht verschiedener Feldbussysteme

Mögliche Bus-Topologien

Die Anordnung der einzelnen Busteilnehmer im Raum (Topologie) ist mit entscheidend, über die Funktionalität, die Eigenschaften und der Sicherheit eines Bussystems. Ebenso beeinflusst sie die Kosten für die Verdrahtung und Leitungsverlegung. Auch auf die Leistungsfähigkeit und Ausführung der Hardware hat die Topologie einen Einfluss.

Große Netzwerke bestehen oft aus einer Mischung von einzelnen Topologien.

Durch die Verwendung eines Gateways (Koppelmodul) besteht die Möglichkeit unterschiedliche Bussysteme mit unterschiedlichen Protokollen zu verbinden.

Sollen Bussysteme der gleichen Art und Protokoll verbunden werden, dann ist eine Bridge (Brücke) das richtige Bauteil.

Und sollte die Notwendigkeit bestehen, die Segmentlänge (Leitungslänge zwischen zwei Anschlusspunkten) vergrößern zu müssen, hilft ein Repeater (Signalverstärker) weiter.