Grundlagen industrieller Kommunikation

Stell dir eine Maschine mit fünfzig Sensoren und dreißig Aktoren vor. In der klassischen Verdrahtung bekommt jeder einzelne Sensor und jeder Aktor sein eigenes Kabel, das bis zur Steuerung im Schaltschrank zurückgeführt wird. Das ergibt schnell dicke Kabelbäume, volle Klemmleisten und einen Schaltschrank, in dem kaum noch Platz ist. Kommt ein Bauteil dazu, muss ein neues Kabel gezogen werden. Und wenn irgendwo ein Draht bricht, ist die Fehlersuche mühsam.

Hier setzt die industrielle Kommunikation an. Statt vieler einzelner Leitungen gibt es einen gemeinsamen Übertragungsweg, an den alle Teilnehmer angeschlossen werden. Dieser gemeinsame Weg heißt Bus — ein Übertragungsmedium, das sich mehrere Teilnehmer teilen und über das sie nacheinander ihre Daten austauschen. Der Begriff stammt ursprünglich aus der Rechentechnik; im mechatronischen Umfeld meint er meist eine Leitung (oder ein Leitungspaar), an der Steuerung, Sensoren, Antriebe und weitere Geräte parallel hängen.

Damit ändert sich die ganze Logik. Es fließen nicht mehr einzelne Signale über einzelne Drähte, sondern Daten über eine gemeinsame Leitung. Jede Information wird zu einer Nachricht, die eine Adresse trägt, damit klar ist, für wen sie bestimmt ist. Drei Begriffe genügen, um den Vorgang zu beschreiben: ein Sender schickt eine Nachricht über das Übertragungsmedium an einen Empfänger.

Der Gewinn ist handfest. Weniger Kabel, kleinere Schaltschränke, einfachere Erweiterung — ein neues Gerät wird an den Bus angeklemmt und bekommt eine Adresse, fertig. Dazu kommt die Diagnose: Über denselben Bus lassen sich nicht nur Prozesswerte, sondern auch Statusmeldungen und Fehlerinformationen abfragen. Ein moderner Sensor meldet so nicht nur „Teil erkannt“, sondern bei Bedarf auch „Verschmutzung erkannt, bitte reinigen“.

Über einen Bus laufen keine Spannungspegel im klassischen Sinn, sondern Daten — also Informationen in einer für die Übertragung passenden Form. Die kleinste Einheit ist das Bit, ein einzelner Zustand, der nur zwei Werte annehmen kann: 0 oder 1. Aus acht Bit wird ein Byte, und mehrere Bytes fasst man je nach System zu einem Wort zusammen (oft 16 oder 32 Bit).

Warum diese Stückelung? Weil sich jeder Zustand und jeder Zahlenwert in eine Folge solcher Bits übersetzen lässt. Ein einfacher Näherungsschalter liefert genau ein Bit: Teil da oder nicht. Ein Temperaturwert dagegen braucht mehrere Bit, um den ganzen Messbereich fein genug abzubilden. Die Übersetzung von analogen Messwerten in digitale Bitfolgen erfolgt über Analog-Digital-Umsetzer (ADU) im Sensor. Ein Temperaturwert wird dabei in eine mehrstellige Binärzahl umgewandelt, etwa in einen 16-Bit-Wert für hochgenaue Auflösungen.

Entscheidend für die Praxis ist, wie schnell diese Bits übertragen werden. Das beschreibt die Datenrate, gemessen in Bit pro Sekunde (Bit/s) und ihren Vielfachen Kilobit pro Sekunde (kBit/s) und Megabit pro Sekunde (MBit/s). Aus Datenmenge und Datenrate lässt sich die reine Übertragungszeit abschätzen:

Das ist eine vereinfachte Betrachtung — in echten Bussystemen kommen noch Adress- und Prüfdaten sowie Pausen hinzu. Für ein Gefühl, wie lange das Senden einer bestimmten Datenmenge dauert, reicht die Formel aber gut aus.

Wenn ein Byte von einem Gerät zum anderen soll, gibt es grundsätzlich zwei Wege. Bei der parallelen Übertragung bekommt jedes Bit seine eigene Leitung, und alle acht Bit gehen gleichzeitig los. Das ist schnell, braucht aber viele Adern und funktioniert nur über kurze Strecken zuverlässig. Bei der seriellen Übertragung geht es über eine einzige Leitung — die Bits werden nacheinander geschickt, eines nach dem anderen.

In der Industrie hat sich die serielle Übertragung durchgesetzt, und das aus guten Gründen. Eine einzelne Leitung (meist ein verdrilltes Aderpaar) ist günstig, leicht zu verlegen und über große Distanzen tauglich. Verdrillte Leitungen sind außerdem deutlich störfester gegen elektromagnetische Einkopplung — in einer Werkhalle voller Frequenzumrichter und Schaltschütze ein entscheidender Vorteil. Parallele Übertragung mit ihren vielen Adern wäre über zehn oder hundert Meter weder bezahlbar noch störungsfrei.

Der Preis dafür ist, dass Sender und Empfänger sich einig sein müssen, wann ein Bit beginnt und endet und in welcher Reihenfolge die Bits kommen. Diese Abstimmung nennt man Synchronisation. Sie sorgt dafür, dass der Empfänger die einzeln eintreffenden Bits wieder korrekt zu Bytes zusammensetzt. Wie das konkrete serielle Schnittstellen technisch lösen, ist ein eigenes Thema — hier zählt das Grundprinzip: ein Draht, Bits nacheinander, klare Reihenfolge.

Sobald mehrere Geräte über einen Bus reden, stellt sich die Frage, wie sie räumlich miteinander verbunden werden. Diese Verbindungsstruktur heißt Topologie. Jedes angeschlossene Gerät ist dabei ein Teilnehmer oder Knoten. Vier Grundformen tauchen in der Praxis immer wieder auf.

Bei der Linie (auch Bus-Topologie) hängen alle Teilnehmer an einer durchgehenden Leitung, wie Häuser an einer Straße. Das spart Kabel und ist einfach zu erweitern. Reißt die Leitung aber an einer Stelle, ist alles dahinter abgeschnitten.

Beim Stern führt von jedem Teilnehmer eine eigene Leitung zu einem zentralen Punkt, meist einem Verteiler oder Switch. Fällt eine Leitung aus, betrifft das nur diesen einen Teilnehmer — die anderen laufen weiter. Dafür braucht man mehr Kabel und ist vom zentralen Knoten abhängig.

Beim Ring ist jeder Teilnehmer mit dem nächsten verbunden, und der letzte schließt wieder zum ersten. Ein Ring kann so ausgelegt werden, dass er bei einem einzelnen Leitungsbruch über den anderen Weg weiterarbeitet — das macht ihn ausfallsicher, aber aufwendiger.

Der Baum ist eine Mischform: von einem Hauptstrang zweigen weitere Linien oder Sterne ab. Damit lassen sich größere, verzweigte Anlagen übersichtlich strukturieren.

Ein Bus hat einen Haken: Wenn sich alle Teilnehmer eine Leitung teilen, kann immer nur einer gleichzeitig sprechen. Reden zwei zur selben Zeit, überlagern sich ihre Signale und die Nachricht wird unbrauchbar — man spricht von einer Kollision. Damit das geordnet abläuft, braucht es Regeln, wer wann senden darf. Diese Regeln heißen Buszugriffsverfahren. Drei Grundprinzipien sind verbreitet.

Beim Master-Slave-Verfahren gibt es einen übergeordneten Teilnehmer, den Master — typischerweise die Steuerung. Nur er beginnt die Kommunikation. Die untergeordneten Teilnehmer, die Slaves, antworten ausschließlich, wenn sie vom Master angesprochen werden. Von sich aus sendet kein Slave. Das ist einfach und vermeidet Kollisionen zuverlässig, weil immer klar ist, wer dran ist.

Beim Token-Verfahren wandert eine Art Sendeberechtigung — das Token — von Teilnehmer zu Teilnehmer. Nur wer das Token gerade hat, darf senden; danach gibt er es weiter. So bekommt jeder reihum seine Gelegenheit, und auch hier kann es nicht zu Kollisionen kommen, weil immer nur ein Teilnehmer das Token besitzt.

Das dritte Prinzip stammt aus der Ethernet-Welt und arbeitet nach dem CSMA-Gedanken: Jeder Teilnehmer hört zuerst, ob die Leitung frei ist, und sendet erst dann. Kommt es trotzdem zu einer Kollision, wird sie erkannt und das Senden nach einer kurzen Wartezeit wiederholt. Dieses Verfahren ist flexibel, weil jeder bei Bedarf senden kann, ohne auf einen Master oder ein Token zu warten.

Eine Nachricht über den Bus ist nicht einfach eine lose Bitfolge. Sie ist nach festen Regeln aufgebaut, damit jeder Empfänger weiß, wie er sie zu lesen hat. Eine solche strukturierte Nachricht heißt Telegramm (oder Rahmen). Im einfachsten Fall besteht sie aus drei Teilen: einer Adresse, die angibt, für welchen Teilnehmer die Nachricht bestimmt ist; den Nutzdaten, also der eigentlichen Information; und einer Prüfsumme, mit der sich Übertragungsfehler erkennen lassen.

Die Prüfsumme ist der entscheidende Sicherheitsmechanismus. Der Sender berechnet aus den Nutzdaten einen Prüfwert und hängt ihn an. Der Empfänger rechnet denselben Wert aus den empfangenen Daten neu aus und vergleicht. Stimmen beide nicht überein, ist auf dem Weg etwas verfälscht worden — die Nachricht wird verworfen oder neu angefordert. So fällt ein gestörtes Bit nicht unbemerkt durch.

Die Gesamtheit dieser Regeln — Aufbau des Telegramms, Bedeutung der Felder, Ablauf des Austauschs — nennt man Protokoll. Ein Protokoll ist nichts anderes als die gemeinsame Sprachregelung zwischen den Teilnehmern. Nur wenn alle dasselbe Protokoll sprechen, verstehen sie einander. Diese Regeln sind in der Praxis übrigens in Schichten organisiert, von der reinen Bitübertragung bis zur Bedeutung der Daten — das ist ein Thema für sich.

So sieht ein einfaches Muster-Telegramm aus:

Zyklisch und azyklisch — zwei Arten der Übertragung

In der industriellen Praxis werden nicht alle Daten auf dieselbe Weise übertragen, und dieser Unterschied entscheidet darüber, ob eine Anlage zuverlässig läuft. Man unterscheidet zwei Arten.

Die zyklische Kommunikation überträgt Daten immer wieder in festen, kurzen Zeitabständen — automatisch, ohne dass sie jedes Mal angefordert werden müssen. Das sind die Prozessdaten, die laufend gebraucht werden: das Steuerwort an einen Antrieb, die Istgeschwindigkeit eines Motors, der Zustand eines Sensors. Weil diese Daten in einem garantierten Zeitraster ankommen, spricht man von Determinismus — man kann sich darauf verlassen, dass der Wert spätestens nach einer fest definierten Zeit da ist. Diese Eigenschaft heißt Echtzeitfähigkeit und ist die Voraussetzung dafür, dass eine Steuerung einen Antrieb sauber regeln kann. Die maximale zeitliche Abweichung vom idealen Sendezyklus wird als Jitter bezeichnet. Je kleiner dieser Jitter ist, desto präziser ist die Echtzeitfähigkeit des Systems.

Die azyklische Kommunikation läuft nur bei Bedarf, nicht in festem Takt. Dazu gehören Daten, die nicht ständig gebraucht werden: das einmalige Setzen eines Parameters bei der Inbetriebnahme, das Auslesen einer Diagnoseinformation, eine Konfigurationsänderung. Diese Übertragungen sind nicht zeitkritisch — es macht keinen Unterschied, ob ein Parameter ein paar Millisekunden früher oder später ankommt.

Fügt man alles zusammen, ergibt sich das Bild eines Feldbusses: ein serielles Bussystem, das die Geräte „im Feld“ — also Sensoren, Aktoren, Antriebe und dezentrale Module — über ein gemeinsames Medium mit der Steuerung verbindet, nach festen Zugriffsregeln, mit strukturierten Telegrammen und Fehlererkennung. Genau diese Bausteine aus den vorigen Kapiteln machen einen Feldbus aus.

In einer Anlage ordnet man die Kommunikation gedanklich in Ebenen. Ganz unten liegt die Sensor-/Aktor-Ebene, wo einfache Signale einzelner Geräte erfasst und ausgegeben werden. Darüber liegt die Feldebene, auf der Steuerungen mit den verteilten Geräten Daten austauschen — hier sitzen die klassischen Feldbusse. Über allem liegt die Leitebene, wo Anlagen übergeordnet überwacht und gesteuert werden. Diese Einordnung hilft zu verstehen, welches Kommunikationssystem an welcher Stelle sinnvoll ist: Ganz unten genügt oft eine einfache, schnelle Verbindung, weiter oben sind größere Datenmengen und Vernetzung gefragt.

Auf dieser Grundlage bauen die konkreten Systeme auf, die in der Praxis tatsächlich verkabelt werden. Serielle Schnittstellen wie RS232 und RS485 bilden die physikalische Basis vieler älterer und einfacher Busse. PROFIBUS und PROFINET sind in der Industrie weit verbreitet, CAN und CANopen stammen ursprünglich aus dem Fahrzeugbereich, IO-Link verbindet einzelne Sensoren intelligent, AS-Interface vernetzt einfache Geräte auf unterster Ebene, und Modbus sowie Industrial Ethernet und EtherCAT decken weitere Anwendungsfelder ab. Jedes dieser Systeme hat eigene Stärken und einen eigenen Einsatzbereich — und jeweils einen eigenen Beitrag. Wer die Grundbegriffe aus diesem Beitrag verstanden hat, findet sich in jedem dieser Systeme schnell zurecht, weil überall dieselben Prinzipien wiederkehren: Teilnehmer, Topologie, Zugriffsverfahren, Telegramm und Protokoll.