Feldbus Grundlagen und Systeme für industrielle Kommunikation

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PEAK-System Technik GmbH

Feldbusse sind ein entscheidender Bestandteil industrieller Kommunikationssysteme. Insbesondere vor dem Hintergrund der wachsenden Digitalisierung von Produktionen gewinnen Feldbussystem an Bedeutung. Doch was ist ein Feldbus? Welche Feldbussysteme gibt es und worin liegen die wesentlichen Unterschiede?

Ein Feldbus dient in der Industrieautomatisierung als Bussystem zur Kommunikation zwischen Sensoren, Aktoren und Steuerungen wie z. B. speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS). Feldbusse liefern die entscheidende Basis für einen effizienten Austausch von Daten und Signalen in Echtzeit selbst über größere Distanzen und sind daher für die Automatisierung und Steuerung von Prozessen unerlässlich.

Welche Vorteile bieten Feldbusse?

Im Allgemeinen verfügten Feldbussysteme über eine ganze Reihe an Vorteilen. Zunächst sorgen sie für eine vereinheitlichte sowie zuverlässig Kommunikation und ermöglichen vor allem in industriellen Anwendungen eine störungsfreie Übertragung von digitalen Signalen über standardisierte Protokolle. Darüber hinaus sind Feldbusse echtzeitfähig, wodurch schnelle Übertragungsraten und niedrige Latenzzeiten für eine präzise Steuerung von Prozessen gewährleistet sind. Im Gegensatz zur traditionellen Parallelverdrahtung erfordern Feldbusse nur ein Kabel, was den Verdrahtungs- und Installationsaufwand entscheidend reduziert. Feldbussysteme lassen sich zudem in der Regel einfach skalieren und flexibel an unterschiedliche Anforderungen anpassen. Darüber hinaus bieten sie durch vielfältige Diagnosefunktionen eine hohe Sicherheit und erleichtern somit auch die Fehlersuche sowie Wartung.

Erklärung

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Welche Feldbussysteme gibt es?

In industriellen Anwendungen werden eine Vielzahl sehr unterschiedlicher Feldbussysteme eingesetzt, die sich sowohl in ihren Eigenschaften, Protokollen und Anwendungsbereichen unterscheiden.

Zu den geläufigsten bzw. ältesten Entwicklungen von Feldbussen gehören Profibus und Interbus. Profibus wurde 1987 in einem Verbundprojekt mit Siemens entwickelt. Phoenix Contact entwickelte bereits 1983 ein Pflichtenheft für einen industrietauglichen Feldbus, der 1987 auf der Hannover Messe unter der Bezeichnung Interbus-S vorgestellt wurde. Mit dem Einzug von Industrial Ethernet in die Automatisierung eröffneten sich in zahlreichen Applikationen jedoch neue Möglichkeiten, sodass auch Profibus und Interbus immer mehr in Profinet eingebunden wurden, z. B. durch eine Proxy-Lösung in das Echtzeit-Ethernet. Da es sich bei Profinet allerdings nicht um ein klassisches Feldbussystem handelt, soll in diesem Beitrag auf diese Thematik nicht näher eingegangen werden. Während Profibus weiterhin ein weitverbreitetes Feldbussystem darstellt, wird Interbus heutzutage nur noch eingeschränkt, insbesondere bei älteren Industrieanwendungen eingesetzt. Die Pflege von Interbus erfolgt hierbei von der PROFIBUS Nutzerorganisation (PNO) und PROFIBUS & PROFINET International (PI).

Nachfolgend einige wichtige Feldbussysteme für die industrielle Automatisierung, die Automobilindustrie und die Prozessindustrie, ihre wesentlichen Eigenschaften sowie ihre Vor- und Nachteile:

Profibus

Profibus ist als modulares Baukastensystem konzipiert und wird zumeist dort eingesetzt, wo lange Kabelwege erforderlich sind. Profibus gehört in der Fertigungs- sowie Prozessautomatisierung zu den am meisten verbreiteten Feldbussystemen, das hohe Datenraten und Echtzeitkommunikation unterstützt. Die Topologie von Profibus besteht aus einer linearen Struktur, wobei das System auch Stern- und Baumtopologien ermöglicht. Profibus ist international nach IEC 61158 und IEC 61784 normiert und erreicht Übertragungsgeschwindigkeiten bis 12 Mbit/s. Je nach Anwendung und Ausbaustufe nutzt Profibus verschiedene Protokolle: Profibus DP (Decentralized Peripherals), Profibus PA (Process Automation), Profibus FMS (Fieldbus Message Specification) und FDL (Fieldbus Data Link).

Welche wesentlichen Vor- und Nachteile hat Profibus?

Profibus ist als Feldbus weltweit weit verbreitetet und verfügt über eine hohe Standardisierung, die zu einer hohen Kompatibilität zwischen Geräten verschiedener Hersteller führt. Durch den Einsatz eines zweiadrigen Bussystems können Einsparungen bei Verkabelung und Installation erzielt werden. Mit Übertragungsraten von bis zu 12 Mbit/s ermöglicht Profibus eine sehr schnelle und konstante sowie zuverlässige Kommunikation. Im Vergleich zu Lösungen wie bspw. Profinet, soll Profibus eine einfachere Installation und Konfiguration ermöglichen. Profibus ist vielseitig einsetzbar und unterstützt zudem sicherheitsrelevante Prozesse.

Da die maximale Datenbandbreite pro Knoten nur 244 Byte beträgt und lediglich 126 Adressen pro Netzwerk verfügbar sind, ist Profibus nur in einem begrenzten Umfang einsetzbar. Das Feldbussystem benötigt außerdem geschirmte Kabel, da es anfällig gegenüber elektromagnetischen Störungen ist.

Erklärung

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Modbus

Modbus ist ein offenes Feldbusprotokoll, das sich besonders für einfache Kommunikationsaufgaben u.a. in der Prozessautomatisierung eignet. Die Topologie von Modbus hängt maßgeblich von der verwendeten Variante (Modbus RTU/ASCII oder Modbus TCP) ab. Während Modbus RTU/ASCII über Schnittstellen wie RS-232, RS-422 und RS-485 kommunizieren, verfügt Modbus TCP über eine Ethernetschnittstelle (TCP/IP). Die Topologie bei Modbus RTU/ASCII besteht entweder aus einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung (RS-232) mit einer Master-Slave-Verbindung oder einer Linienstruktur mit einem Bus (RS-485), bei dem ein Master bis zu 247 Slaves ansprechen kann. Die Datenrate beträgt bis zu 115 kbit/s.

Die Übertragungsraten bei Modbus TCP sind mit bis zu 10 bzw. 100 Mbit/s und mehr weitaus höher als bei Modbus RTU/ASCII, wobei sowohl Stern-, Ring-, als auch Baumtopologien möglich sind. Modbus TCP ist eine Client-Server-Verbindung, wobei die IP-Adressen die Geräte im Netzwerk eindeutig identifizieren.

Welche wesentlichen Vor- und Nachteile hat Modbus?

Modbus ist ein sehr weit verbreitetes und offenes Protokoll, das sich leicht implementieren lässt. Es benötigt keine komplexe Hardware und ist daher kostengünstig in der Implementierung und Wartung. Das Protokoll unterstützt verschiedene physikalische Schichten (z. B. RS-485 für Modbus RTU und Ethernet für Modbus TCP/IP) und kann somit in unterschiedlichen Umgebungen eingesetzt werden. Bis zu 247 Geräte (Slaves) lassen sich an einen Master im RTU-Modus und eine nahezu unbegrenzte Anzahl an Geräten in der TCP/IP-Version anschließen. Als plattformunabhängige Lösung ist Modbus zudem mit einer Vielzahl an Steuerungen, Sensoren und Aktuatoren einsetzbar.

Allerdings hat Modbus eine vergleichsweise niedrige Datenübertragungsrate, insbesondere bei Modbus RTU. Überdies wird die Übertragung komplexer Daten erschwert, da das Protokoll nur einfache Datenstrukturen (Register und Coils) unterstützt. Die Kommunikation hängt vor allem vom Master ab. Fällt dieser aus, kann das gesamte System negativ beeinflusst bzw. lahmgelegt werden. Modbus integriert zudem keine Sicherheitsmechanismen wie Verschlüsselung oder Authentifizierung, wodurch das Protokoll anfällig für Cyberangriffe wird.

EtherCAT

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) ist ein Ethernet-basierter Feldbus, der 2003 erstmals von Beckhoff vorgestellt wurde. EtherCAT bietet sich aufgrund der sehr niedrigen Latenz und hohen Echtzeitfähigkeit für besonders präzise Bewegungssteuerungen an. EtherCAT zeichnet sich durch eine außergewöhnlich flexible Topologie aus, die sich nahezu an jede erdenkliche Anforderung anpassen lässt. Als Topologievarianten unterstützt EtherCAT Linien-, Stern-, Ring- und Baumtopologien sowie deren Kombinationen, wodurch nahezu jede Netzwerkarchitektur möglich ist.

Zu den herausragenden Eigenschaften gehören sehr lange Leitungslängen in Linientopologien (100 Meter zwischen zwei Teilnehmern bei Twisted-Pair-Ethernet) und bis zu 20 Kilometer bei Lichtwellenleitern. EtherCAT benötigt keine Switches oder Hubs, da jeder Slave das physikalische Signal neu erzeugt. Geräte und Segmente innerhalb des Systems können im laufenden Betrieb, also ohne Unterbrechung der Netzwerkkommunikation, hinzugefügt oder entfernt werden (Hot Connect). Überdies können bis zu 65525 Geräte in einem Netzwerksegment betrieben werden.

Welche wesentlichen Vor- und Nachteile hat EtherCAT?

EtherCAT gehört wohl zu den erfolgreichsten und schnellsten Industrial-Ethernet-Technologien mit extrem kurzen Zykluszeiten und eignet sich daher ideal für Echtzeitanwendungen. Mittlerweile (Stand 2025) sind zirka 80 Millionen Knoten im Feld installiert, wobei die Nutzerorganisation rund 8.000 Mitglieder hat.

EtherCAT ermöglicht alle erdenklichen Topologien und deren Kombinationen. Darüber hinaus sind keine Switches oder Hubs erforderlich. Alles in allem macht das die Netzwerkkonfiguration sehr flexibel und anpassungsfähig. Das Protokoll ermöglicht Leitungsredundanz (z. B. durch Ringtopologien), wobei sich im Betrieb Geräte hinzufügen oder entfernen lassen (Hot Connect). Die automatische Adressvergabe, eine genaue Fehlerlokalisierung und robuste elektromagnetische Verträglichkeit vereinfachen die Fehlersuche und senken die Kosten für die Wartung. Last, but not least kann bei EtherCAT Standard-Ethernet-Hardware eingesetzt werden, wodurch die Implementierungskosten sinken.

Die Slave-Geräte bei EtherCAT erfordern spezielle Hardware (z. B. ASICs), was wiederum initiale Kosten erhöhen kann. Als Master-Slave-System ist die Kommunikation stark vom Master abhängig, dessen Ausfall mitunter das gesamte Netzwerk beeinträchtigt. Obwohl EtherCAT auf Ethernet basiert, handelt es sich hierbei nicht um ein reines TCP/IP-Protokoll, wodurch möglicherweise die Integration in IT-Netzwerke erschwert wird.

Definition

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CAN-Bus

CAN-Bus (Controller Area Network) ist ein von der Robert Bosch GmbH 1983 entwickeltes und 1986 erstmals offiziell vorgestelltes serielles Kommunikationssystem. Das Grundprinzip basiert auf einem Nachrichten-basierten Protokoll, bei dem alle Knoten bzw. Steuergeräte gleichberechtigt sind und somit Signale senden oder empfangen können. CAN-Bus ermöglicht somit den Datenaustausch zwischen mehreren elektronischen Steuergeräten in Fahrzeugen, Maschinen oder industriellen Anwendungen ohne zentrale Steuerung. Die Daten werden hierbei über zwei Drähte (CAN High / CAN_H und CAN Low / CAN_L) übertragen. Die Topologie besteht daher in einer klassischen linearen Bus-Topologie. Darüber hinaus sind aber auch Sterntopologien als zentralisierte Kommunikation (z. B. Zentralverriegelung von Fahrzeugen) und flexibel erweiterbare Baumtopologien möglich, bei der die Busleitung durch Repeater in mehrere Segmente unterteilt werden. Die Übertragungsraten von CAN-Bus betragen bis zu 1 Mbit/s bei klassischen CAN-Systemen und bis zu 8 Mbit/s bei CAN-FD (Flexible Data Rate).

Welche wesentlichen Vor- und Nachteile hat CAN-Bus?

Der CAN-Bus bietet eine schnelle und zuverlässige Datenübertragung zwischen Steuergeräten, Sensoren und Aktuatoren, auch in Echtzeitanwendungen. Durch die Nutzung eines gemeinsamen Bus-Systems wird außerdem die Anzahl der Kabel im Vergleich zu Punkt-zu-Punkt-Verbindungen reduziert, wodurch Gewicht, Platzbedarf und Kosten eingespart werden. Geräte können einfach hinzugefügt oder entfernt werden, ohne den Betrieb des gesamten Netzwerks zu beeinträchtigen. Ein weiterer Pluspunkt ist die Widerstandsfähigkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen, sodass sich CAN-Bus für den Einsatz in rauen Umgebungen (z. B. in Fahrzeugen) eignet.

Der CAN-Bus verfügt jedoch nur über Datenübertragungsraten, die zwischen 1 Mbit/s (klassische CAN-Systeme) und 8 Mbit/s (CAN-FD) liegen, was möglicherweise für datenintensivere Anwendungen nicht ausreicht. CAN-Bus ist außerdem anfällig gegenüber Cyberangriffe, da er keine Sicherheitsmechanismen wie Verschlüsselung oder Authentifizierung integriert. Und auch die Reichweite ist beschränkt, da die maximale Kabellänge von der Übertragungsrate abhängt (z. B. 40 Meter bei 1 Mbit/s).

Foundation Fieldbus

Foundation Fieldbus wurde als digitales, serielles und bidirektionales Kommunikationssystem mit offener Architektur insbesondere für die Anforderungen der Prozessautomatisierung, speziell auch für den Einsatz in Ex-Bereiche, entwickelt. Foundation Fieldbus ermöglicht somit den direkten Datenaustausch zwischen Feldgeräten wie Sensoren und Aktoren und Steuerungssystemen wie SPS oder Prozessleitsystemen. Die Fieldbus Foundation in den USA wurde 1994 durch den Zusammenschluss der zwei bislang eigenständigen Organisationen WorldFIP North America und dem Interoperable Systems Project (ISP) gegründet. Fieldbus Foundation unterstützt Linien-, Stern- sowie Baumtopologien sowie deren freie Kombination untereinander. Für Foundation Fieldbus existieren im Grunde zwei Protokollvarianten: Foundation Fieldbus H1 und Foundation Fieldbus HSE (High-Speed Ethernet).

Das erste Protokoll verwendet Zweidrahtleitungen für die Kommunikation und Spannungsversorgung und erreicht Übertragungsraten von 31,25 kbit/s. Das für Anwendungen in explosionsgefährdeten Bereichen geeignete Foundation Fieldbus H1 unterstützt bis zu 32 Geräte pro Segment.

Foundation Fieldbus HSE verbindet Host-Systeme, Gateways sowie Subsysteme und arbeitet mit 100 bzw. 1000 Mbit/s. Das Protokoll unterstützt nicht die Spannungsversorgung über Zweidrahtleitungen, jedoch ist Power over Ethernet (PoE) möglich.

Zu den Besonderheiten von Foundation Fieldbus zählen eine direkte Kommunikation der Geräte untereinander ohne zentralen Master (Peer-to-Peer-Kommunikation), die Möglichkeit der Echtzeitsteuerung durch eine Datenübertragung in festgelegten Intervallen (zyklische Kommunikation) und die Kompatibilität zwischen Geräten unterschiedlicher Hersteller. Foundation Fieldbus lässt sich mit wenig Verdrahtungsaufwand einfach in Prozessleitsysteme integrieren und eignet sich für anspruchsvolle Anwendungen z. B. in Raffinerien, Kraftwerken, der Pharma- und Chemie- sowie der Lebensmittelindustrie.

Welche wesentlichen Vor- und Nachteile hat Foundation Fieldbus?

Der Einsatz von Foundation Fieldbus reduziert die Anzahl an Kabeln im Schaltschrank, was Installationszeit und Kosten spart. Geräte verschiedener Hersteller können problemlos in Foundation Fieldbus integriert werden, da das Feldbussystem herstellerübergreifende Standards unterstützt. Foundation Fieldbus ermöglicht außerdem eine dezentrale Regelung direkt in den Feldgeräten, wodurch Steuerungen entlastet und schnellere Reaktionszeiten erzielt werden. Da sich Foundation Fieldbus in Ex-Bereichen einsetzen lässt, ist diese Technologie besonders interessant für die Prozessindustrie.

Die Installation und Konfiguration von Foundation Fieldbus erfordert qualifiziertes Personal, da das System komplexer ist als andere Technologien. Geräte mit Foundation Fieldbus-Funktionalität sind in der Regel teurer als solche mit herkömmlicher Kommunikation.

Der flexible Einsatz von Foundation Fieldbus wird durch physikalische Grenzen wie z. B. der maximalen Kabellänge oder Geräteanzahl pro Segment eingeschränkt.

HART

HART (Highway Addressable Remote Transducer) wurde ursprünglich zur Verarbeitung von analogen und digitalen Signalen als hybrides Feldbus-Kommunikationsprotokoll entwickelt. Seit 2007 ist HART Teil der Feldbus-Norm IEC 61158 und wird in der Prozessindustrie oftmals als Feldbusstandard verwendet. HART nutzt meist Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, unterstützt jedoch auch Bustopologien im Zusammenspiel mit Remote I/O-Systemen. Obwohl es sich rein technisch betrachtet bei HART um einen Feldbus handelt, unterscheidet sich das Protokoll durch seine hybride Struktur von rein digitalen Feldbussystemen wie Profibus und Foundation Fieldbus. HART wird weltweit in der Prozessindustrie eingesetzt und eignet sich insbesondere zur Integration in bereits bestehende Systeme. Da HART eine hohe Abwärtskompatibilität zu schon installierten 4…20mA-Infrastrukturen besitzt, kann die vorhandene Verkabelung verwendet werden.

Welche wesentlichen Vor- und Nachteile hat HART?

HART eignet sich besonders für die Nachrüstung, da es auf eine bereits vorhandene Verkabelung aufgesetzt werden kann. Das Protokoll erlaubt die Übertragung von digitalen Daten über das analoge 4…20mA-Signal, wodurch Prozess- und Diagnosedaten simultan verfügbar sind. Aufgrund von umfassenden Diagnosemöglichkeiten, ermöglicht HART eine frühzeitige Fehlererkennung und Zustandsüberwachung, wodurch Instandhaltungskosten reduziert werden und die Anlagenverfügbarkeit gesteigert werden kann. HART lässt sich außerdem auch in Ex-Bereichen einsetzen, was die Lösung besonders interessant für die Prozessindustrie macht.

Mit einer Übertragungsrate von lediglich 1200 Bit/s ist HART im Vergleich zu anderen Feldbusprotokollen wie bspw. Profibus deutlich langsamer. Obwohl digitale Daten übertragen werden, bleibt das Protokoll an die analoge 4…20mA-Technologie gebunden, was den Einsatz in modernen digitalen Netzwerken einschränken kann. Um die digitalen Funktionen auszuschöpfen, müssen oftmals bestehende I/O-Karten durch HART-fähige Komponenten ersetzt werden.

DeviceNet

DeviceNet ist ein vor allem in Nordamerika und Asien in der Automatisierung weit verbreitetes CAN-basiertes Feldbusprotokoll und wurde ursprünglich von Allen-Bradley (heute Rockwell Automation) entwickelt. Als offener Standard wurde das Protokoll später an die ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) übergeben. DeviceNet unterstützt sowohl die Master-Slave-Kommunikation als auch eine Peer-to-Peer-Kommunikation in Busstrukturen mit Hauptleitung und Stichleitungen. Die Daten- als auch Stromversorgung erfolgt über ein einziges Kabel. Die Übertragungsraten von DeviceNet sind von den jeweiligen Leitungslängen abhängig 125 kbit/s (bis 500 Meter), 250 kbit/s (bis 250 Meter) und 500 kbit/s (bis 100 Meter).

Die spezifischen Vorteile von DeviceNet bestehen in einer herstellerübergreifenden Interoperabilität und einer einfachen Installation (Daten und Strom über eine Leitung). DeviceNet wird vorzugsweise für die Anbindung von I/O-Geräten an Steuerungen, zur Echtzeitsteuerung von Maschinen und Prozessen sowie zur Integration von Sensorik und Aktorik in Automatisierungssystemen eingesetzt.

Welche wesentlichen Vor- und Nachteile hat DeviceNet?

DeviceNet nutzt ein Plug-and-Play-System, um die Einrichtung und den Anschluss von Geräten ohne komplexe Programmierung zu erleichtern. Das Protokoll ist vielseitig einsetzbar, da es u.a. bis zu 63 Knoten in einem Netzwerk und eine Vielzahl von Geräten wie Sensoren, Aktoren und Steuerungen unterstützt. Als Industriestandard hat sich DeviceNet in den USA in vielen Steuerungssystemen etabliert und wird von zahlreichen Herstellern unterstützt. Mit einer Übertragungsrate von bis zu 500 kbit/s ermöglicht DeviceNet außerdem die Steuerung und Überwachung in Echtzeitanwendungen.

Die maximale Datenrate von 500 kbit/s reicht indes für datenintensivere Anwendungen meist nicht aus. Und auch die in diesem Zusammenhang mögliche maximale Kabellänge von 500 Metern schränkt die Realisierung größerer Topologien mit längeren Leitungswegen ein. Die Notwendigkeit für den Einsatz spezieller Hard- und Software kann außerdem die Gesamtkosten für Systeme mit DeviceNet erhöhen. Im Vergleich zu moderneren Protokollen wie Ethernet/IP oder Profinet wird DeviceNet zudem mehr und mehr durch leistungsfähigere Alternativen ersetzt.

Anbieter von Feldbussystemen (Auszug)

• ABB

• Actronic-Solutions

• Beckhoff

• Bitland

• Deutschmann Automation

• Endress & Hauser

• Fieldcomm Group

• Heinen Electronik

• I4 Automation

• Kithara

• Kvaser

• Meister Automation

• Murrelektronik

• Pepperl+Fuchs

• Phoenix Contact

• Pilz

• Posital

• Rockwell Automation

• Schneider Electric

• Siemens

• Spectra (Schweiz)

• Stäubli

• Wachendorff

Quellen:

Heinen ElektronikWikipediaLappStudysmarterTranslators4IndustryMeister AutomationPhoenix ContactPositalMaschinenmarktIP-InsiderElektrotechnikAUTOMATISIERUNGethercat.orgKitharaBeckhoffBeckhoffKvaserEuropean Space AgencyCSS ElectronicsThorsis TechnologiesPepperl+FuchsFieldcomm GroupEndress+HauserThinktankABBPCMDevicebaseProcentecgutefrage.netAlotcerPusrIPC2UYekta ITkfz-tech.deFuji ElectricWatlow

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