Feldbus-Grundlagen

Stell dir eine Förderanlage mit fünfzig Sensoren und dreißig Ventilen vor. In der klassischen Verdrahtung führt von jedem dieser Geräte mindestens eine Ader zurück in den Schaltschrank — bei digitalen Signalen je Gerät eine Signalleitung plus gemeinsamer Rückleiter, bei manchen mehr. Das ergibt dicke Kabelbäume, lange Verdrahtungszeiten und eine Klemmenflut im Schrank. Kommt ein Gerät dazu, muss eine neue Leitung bis zur Steuerung gezogen werden.

Diese Art der Verkabelung nennt man Parallelverdrahtung oder sternförmige Verdrahtung: jeder Teilnehmer hat seine eigene, direkte Verbindung zur zentralen Steuerung. Sie ist einfach zu verstehen, skaliert aber schlecht. Material, Montagezeit und Fehlersuche wachsen ungefähr mit der Zahl der Geräte.

Der Feldbus verfolgt eine andere Idee. Alle Teilnehmer hängen an einer gemeinsamen Leitung und tauschen ihre Informationen digital aus — nicht mehr als Einzelsignal pro Ader, sondern als Datenpakete, die nacheinander über dieselbe Leitung geschickt werden. Damit jeder Teilnehmer weiß, welche Daten für ihn bestimmt sind, bekommt jedes Gerät eine eindeutige Adresse. Die Steuerung spricht die Teilnehmer über diese Adresse an, statt über eine physische Leitung.

Ein paar Begriffe, die im weiteren Verlauf gebraucht werden:

• Feldebene — die unterste Ebene der Automatisierung, dort wo Sensoren und Aktoren direkt am Prozess sitzen. Daher der Name „Feldbus“: der Bus, der bis ins Feld reicht.
• Feldgerät — ein Sensor, Aktor oder eine andere Komponente, die am Bus hängt.
• Busteilnehmer — jedes Gerät mit eigener Adresse, das am Bus Daten sendet oder empfängt.

Wie die Teilnehmer räumlich an den Bus angeschlossen werden, beschreibt die Topologie. Die wichtigsten Formen:

• Linie (Bus-Topologie) — ein durchgehender Leitungsstrang, von dem die Teilnehmer abzweigen. Einfach, materialsparend, leicht erweiterbar. Eine Unterbrechung des Strangs trennt aber alles dahinter ab.
• Stern — alle Teilnehmer laufen über einen zentralen Punkt (etwa einen Sternkoppler). Eine gestörte Stichleitung betrifft nur einen Teilnehmer, dafür ist der zentrale Punkt ein Engpass.
• Ring — die Leitung ist zu einem geschlossenen Kreis verbunden. Bei geeigneter Auslegung kann der Ring eine Leitungsunterbrechung verkraften, weil von beiden Seiten gesendet werden kann.
• Baum — eine Mischung: Hauptstrang mit verzweigten Ästen. Häufig bei größeren, räumlich verteilten Anlagen.

In der Feldbustechnik ist die Linie die häufigste Grundform. Von der durchgehenden Busleitung führen kurze Abzweigungen, sogenannte Stichleitungen, zu den einzelnen Geräten.

Warum ein Bus terminiert werden muss

Eine Busleitung darf an ihren beiden Enden nicht einfach offen aufhören. An einem offenen Leitungsende wird ein ankommendes Signal reflektiert — ein Teil der Energie läuft als Echo zurück über die Leitung. Diese reflektierten Anteile überlagern sich mit den eigentlichen Datensignalen und verfälschen sie. Bei höheren Übertragungsraten und längeren Leitungen reicht das aus, um einzelne Bits unlesbar zu machen.

Um das zu verhindern, wird die Leitung an beiden Enden mit einem Abschlusswiderstand (Terminierung) versehen, dessen Wert auf den Wellenwiderstand der Leitung abgestimmt ist. Die Leitung „sieht“ damit am Ende denselben Widerstand wie unterwegs — das Signal wird sauber aufgenommen statt zurückgeworfen.

• Wellenwiderstand – die für eine Leitung charakteristische Größe, die beschreibt, mit welchem Widerstand sich eine Signalwelle auf der Leitung ausbreitet. Stimmt der Abschluss damit überein, gibt es keine Reflexion.

Master-Slave und Multi-Master

Damit nicht mehrere Teilnehmer gleichzeitig auf die gemeinsame Leitung schreiben und sich gegenseitig stören, braucht ein Bus eine Regel, wer wann senden darf. Zwei Grundprinzipien:

• Master-Slave — ein Teilnehmer (der Master, meist die Steuerung) hat die Kontrolle und fragt die anderen Teilnehmer (Slaves) nacheinander ab. Ein Slave sendet nur, wenn er gefragt wird. Einfach und vorhersehbar.
• Multi-Master — mehrere Teilnehmer dürfen aktiv senden. Das erfordert ein Verfahren, das regelt, wer bei gleichzeitigem Sendewunsch Vorrang hat.

Ein zusammenhängender Abschnitt eines Busses mit einer bestimmten maximalen Teilnehmerzahl heißt Segment. Größere Anlagen werden über Koppelglieder aus mehreren Segmenten aufgebaut.

Über die gemeinsame Leitung läuft immer nur ein Datenpaket zur Zeit. Ein solches Paket heißt Telegramm (auch Frame). Es enthält nicht nur die eigentlichen Nutzdaten, sondern auch Verwaltungsinformationen, damit Sender und Empfänger sich verstehen.

Grob besteht ein Telegramm aus:

• Adressfeld — wer ist Empfänger, von wem kommt das Telegramm?
• Nutzdaten — die eigentliche Information, etwa ein Sensorwert oder ein Stellbefehl.
• Prüfsumme — ein aus den Daten berechneter Wert, mit dem der Empfänger Übertragungsfehler erkennt.

Dazu kommen meist Start- und Endkennungen, die das Telegramm auf der Leitung abgrenzen. Adressfeld, Prüfsumme und Kennungen sind Overhead: notwendige Zusatzbits, die zwar übertragen werden, aber keine Nutzinformation tragen.

Wer darf wann senden?

Damit auf der gemeinsamen Leitung kein Durcheinander entsteht, regelt ein Buszugriffsverfahren, welcher Teilnehmer gerade senden darf. Die gebräuchlichen Verfahren:

• Polling (Master-Slave) — der Master fragt jeden Slave der Reihe nach ab. Der Ablauf ist streng vorhersehbar, weil immer dieselbe Reihenfolge durchlaufen wird.
• Token-Passing — ein „Senderecht“ (Token) wird von Teilnehmer zu Teilnehmer weitergereicht. Nur wer das Token besitzt, darf senden. Auch dieses Verfahren ist gut planbar.
• CSMA — die Teilnehmer hören die Leitung ab und senden, wenn sie frei ist. Senden zwei gleichzeitig, gibt es eine Kollision, die erkannt und aufgelöst wird. Flexibel, aber weniger streng vorhersehbar.

Ob der zeitliche Ablauf garantiert eingehalten wird, beschreibt der Determinismus eines Busses. Ein deterministischer Bus liefert eine Antwort innerhalb einer fest zugesicherten Zeit — wichtig überall dort, wo eine Steuerung sich auf pünktliche Daten verlassen muss.

Übertragungsdauer und Zykluszeit

Wie schnell Daten über den Bus laufen, hängt von der Übertragungsrate ab, angegeben in Bit pro Sekunde. Die Zeit für ein einzelnes Bit ist der Kehrwert der Übertragungsrate:

Die Dauer für ein ganzes Telegramm ergibt sich aus der Gesamtzahl der Bits — Nutzdaten plus Overhead — geteilt durch die Übertragungsrate:

Wenn ein Master in einem Buszyklus jeden Teilnehmer einmal abfragt, durchläuft er so viele Telegramme, wie es Teilnehmer gibt. Eine grobe Abschätzung der Zykluszeit — der Zeit, bis alle Teilnehmer einmal bedient wurden — ist daher:

Das ist eine vereinfachte Rechnung: in der Realität kommen noch Reaktionszeiten der Geräte, Pausen zwischen Telegrammen und protokollabhängige Details hinzu. Für ein Gefühl, wie Teilnehmerzahl, Datenmenge und Übertragungsrate zusammenspielen, reicht sie aber gut.

Es gibt nicht den einen Feldbus, sondern eine ganze Reihe von Systemen, die sich historisch und je nach Branche durchgesetzt haben. Welches System passt, entscheidet sich an einigen praktischen Kriterien:

• Echtzeitfähigkeit — wie schnell und wie zuverlässig pünktlich müssen die Daten ankommen? Eine schnelle Lageregelung stellt andere Anforderungen als das Einlesen langsamer Temperaturwerte.
• Teilnehmerzahl und Leitungslänge — wie viele Geräte hängen am Bus, über welche Distanz? Beides ist je nach System begrenzt.
• Kosten — Verkabelung, Anschaltbaugruppen und Engineering-Aufwand unterscheiden sich erheblich.
• Hersteller-Ökosystem — welche Steuerungen und Geräte sind im Betrieb bereits vorhanden, und welches System wird vom Anlagenlieferanten unterstützt?

Über die Jahre haben sich mehrere Systeme etabliert, jedes mit eigenem Schwerpunkt. Eine kurze Einordnung — die Details zu jedem System sind jeweils eigene Themen:

• PROFIBUS — weit verbreiteter klassischer Feldbus, vor allem im Umfeld großer Steuerungen.
• PROFINET und Industrial Ethernet / EtherCAT — die auf Ethernet aufbauende Generation, die höhere Datenraten und einfache Vernetzung mit der IT-Welt bringt.
• AS-Interface — bewusst einfach gehaltenes System für die unterste Sensor-Aktor-Ebene.
• IO-Link — Punkt-zu-Punkt-Verbindung für intelligente Sensoren und Aktoren, oft als Ergänzung unterhalb eines Feldbusses.
• CAN / CANopen — robustes System mit Ursprung in der Fahrzeugtechnik, auch im Maschinenbau verbreitet.
• Modbus — einfaches, herstellerübergreifendes Protokoll, häufig für unkritische Kommunikation.

Ein wichtiger Entwicklungsschritt ist der Übergang vom klassischen Feldbus zu Industrial Ethernet. Statt einer eigenen Bus-Hardware wird die bewährte Ethernet-Technik mit echtzeitfähigen Erweiterungen genutzt. Das vereinfacht die Verbindung zwischen Feldebene und übergeordneter IT, stellt aber eigene Anforderungen an Verkabelung und Netzaufbau.