Feldbus

Ein Feldbus ist ein Bussystem, das in einer Anlage Feldgeräte wie Messfühler (Sensoren) und Stellglieder (Aktoren) zur Kommunikation mit einem Automatisierungsgerät verbindet. 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 oder Steuerung eines Systems sind mehrere bis viele Sensoren und Aktoren nötig.

Falls die Automatisierung elektrisch erfolgt, stellt sich die Frage, wie die Sensoren und Aktoren mit dem Automatisierungsgerät verbunden werden sollen. Zwei Grundvarianten sind möglich:

Vom Automatisierungsgerät aus wird je ein Leitungspaar zu jedem Sensor und Aktor gezogen (parallele Verdrahtung, Stern-Topologie).
Vom Automatisierungsgerät aus wird nur ein einziges Leitungspaar gezogen: Das Leitungspaar wird an jeden Sensor und Aktor herangeführt (serielle Verdrahtung, Bus-Topologie).

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 die Komponenten im Feld.

Anstelle mehrerer I/O-Karten wird eine Bus-Interface-Karte eingesetzt. Hierdurch wird der Platzbedarf im Schaltschrank verringert.

Vorteile

Die Vorteile eines Feldbusses:

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:

komplexeres System – qualifiziertere Mitarbeiter notwendig
höherer Preis von Komponenten mit Feldbusfunktionalität
aufwendige Messgeräte
etwas längere Reaktionszeit
Die kleinste tauschbare Einheit wird teurer.
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.

Verschiedene Topologien

Verschiedene Topologien von Rechnernetzwerken sind:

Baumtopologie oder erweiterter Stern	Bustopologie	Ringtopologie	Sterntopologie

Normung

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 genormt. 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	deprecated
	CPF3/4	PROFINET IO Conformance Class A
	CPF3/5	PROFINET IO Conformance Class B
	CPF3/6	PROFINET IO Conformance Class C
	CPF3/7	PROFINET Conformance Class D
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		RAPIEnet
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 (Actuator-Sensor-Interface), zum Anschluss von Sensoren und Aktuatoren
BACnet, für Gebäudeleittechnik, aber auch teilweise bis zur Feldebene hinunter einsetzbar
BITBUS
CAN, z. B. im Automotive-Bereich
CANopen (CAN-basierendes, höheres Protokoll), Standard für die Aufzugstechnik, Automatisierungstechnik, Fahrzeugaufbauten, Medizintechnik, Schiffselektronik. Gepflegt von CAN in Automation (CiA)
CC-Link, im asiatischen Raum verbreiteter Bus für industrielle Applikationen
ControlNet
DALI, für Beleuchtungen in der Gebäudeautomatisierung
DeviceNet (CAN-basierendes, höheres Protokoll)
EIB, Europäischer Installationsbus, hauptsächlich für Hausinstallation, Vorgänger von KNX
EtherCAT, Ethernet-basierender Feldbus in der Automatisierungstechnik
Ethernet Powerlink, Ethernet-basierender Feldbus für den Maschinen- und Anlagenbau
EtherNet/IP (Ethernet-basierendes, höheres Protokoll)
FAIS-Bus, ein japanischer Feldbus-Standard
Foundation Fieldbus (FF) der Fieldbus Foundation (Prozessautomation)
FIP-Bus, französischer und italienischer Feldbus-Standard, Konkurrent zu Profibus
FlexRay-Bus, eingesetzt im Automotive-Bereich (X-by-Wire)
Hart Communication, für industrielle Feldgeräte
Interbus, für Maschinenbau, Anlagenbau in Sonderausführung für Sicherheitstechnik
KNX-Standard, für Gebäudeautomatisierung, Nachfolger von EIB
LCN Local Control Network, universelles Gebäudeleitsystem
LIN-Bus, eingesetzt im Automotive-Bereich
LocoNet, für Modelleisenbahnen
LON, hauptsächlich für Gebäudeautomation
M-Bus (Feldbus), wird bei Verbrauchsmessgeräten verwendet, z. B. Stromzähler, Gaszähler, Wärmezähler
MIL-STD-1553, eingesetzt hauptsächlich in der militärischen Luftfahrt
Modbus, für Industrie
MOST-Bus, eingesetzt im Automotive-Multimedia-Bereich
MVB (Multifunction Vehicle Bus), für Schienenfahrzeuge IEC 61375
P-NET
PROFIBUS und PROFINET, für Roboter, Maschinenbau, Anlagenbau, Prozessautomation
SafetyBUS p, für sicherheitsrelevante Anwendungen
SERCOS interface, für 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 Rollläden
Spacewire
T-Bus, hauptsächlich eingesetzt in Landwirtschaft, Bewässerungstechnik und Umwelt-Monitoring
Time-Triggered Protocol (TTP)
Traktionsbus
VARAN, Ethernet-basierender Feldbus für die Automatisierung von Maschinen und Anlagen

Sicherheitseigenschaften von Feldbussen

Sollen Feldbussysteme in Systemen eingesetzt werden, die einer Prüfung entsprechend 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. 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 von Feldbussen bezieht sich auf die Arbeitssicherheit, sofern Personen durch gefährliche Bewegungen bedroht sind. Hierfür werden Not-Aus-Betätigungen, Verriegelungen von Sicherheitstüren für Maschinen und Roboter, Lichtgitter und Lichtvorhänge sowie optische Scanner u. a. eingesetzt und vernetzt. Derartige Einrichtungen sind abnahmepflichtig (z. B. Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung in St. Augustin und TÜV). Die Realisierung erfolgt unter Verzicht auf zusätzliche konventionelle Verdrahtungen zunehmend durch innovative Feldbuslösungen, die ohne oben genannte Redundanzkonzepte auskommen und auf einem normalen Sensor-Aktuator-Feldbus realisierbar sind. Näheres zu einem System mit "Safety at Work" und seiner Entstehung findet sich in den Artikeln AS-Interface, Horst Saalbach und Werner Kriesel.

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 978-3-540-40183-4.
Gerhard Schnell: Bussysteme in der Automatisierungs- und Prozesstechnik. Grundlagen, Systeme und Trends der industriellen Kommunikation. Hrsg.: Bernhard Wiedemann. 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: Bussysteme in der Automatisierungs- und Prozesstechnik. Grundlagen, Systeme und Trends der industriellen Kommunikation. Hrsg.: Gerhard Schnell. 5. Auflage. Vieweg, Braunschweig, Wiesbaden 2003, ISBN 3-528-46569-7.
Jürgen Jasperneite: Echtzeit-Ethernet im Überblick In: Automatisierungstechnische Praxis (atp), Nr. 3, 2005, S. 29–34, ISSN 0178-2320
Frithjof Klasen, Volker Oestreich, Michael Volz (Hrsg.): Industrielle Kommunikation mit Feldbus und Ethernet. VDE Verlag, Berlin, Offenbach 2010, ISBN 978-3-8007-3297-5.
Werner Zimmermann, Ralf Schmidgall: Bussysteme in der Fahrzeugtechnik – Protokolle, Standards und Softwarearchitektur. 5. Auflage. Springer Vieweg, 2014, ISBN 978-3-658-02418-5.
Werner Kriesel, Frank Sokollik, Peter Helm und Ralph Seela: KNX / EIB für die Gebäudesystemtechnik in Wohn- und Zweckbau. Hüthig Jehle Rehm Verlag, Heidelberg, 5. Auflage 2009, ISBN 978-3-7785-4054-1.