Schnittstellen und Bussysteme

Zu den Schnittstellen im Bereich der Anlagen- und Prozesssteuerung zählen solche, die den Austausch von Informationen in Form von physikalischen (z.B. elektrische Spannung) oder logischen Größen (Daten) dienen. Die Übertragung kann dabei analog oder digital erfolgen. Je nach der Ebene, auf der die Kommunikation stattfindet, unterscheidet man verschiedene Arten von Schnittstellen.

  • So sind Hardwareschnittstellen beispielsweise Schnittstellen zwischen physikalischen Systemen in der Elektrotechnik und Elektronik. Sie sind in der Computertechnik weit verbreitet. Beispiele für Hardwareschnittstellen die in Computern eingesetzt werden sind der PCI-Bus, USB oder Firewire.
  • Über Softwareschnittstellen lassen sich Kommandos und Daten zwischen verschiedenen Prozessen und Komponenten austauschen. Dabei unterscheidet man Schnittstellen zum Zugriff auf Systemroutinen, zur Kommunikation mit anderen Prozessen und zum Verbinden einzelner Komponenten eines Programms bzw. programmübergreifende Schnittstellen.
  • Netzwerkschnittstellen ermöglichen einem Computer oder einer Netzwerkkomponente den Zugang zu einem Rechnernetz. Die typische Netzwerkschnittstelle für einen PC ist eine der Varianten des Ethernet-Standards.
  • Als Benutzerschnittstelle bezeichnet man die Schnittstelle zwischen Mensch und Gerät (oder Mensch-Maschine-Schnittstelle), an dem ein Mensch mit einem Gerät interagiert. Das können Schalter und andere Bedienelemente sein, Anzeigen von Geräten, aber auch die Grafische Benutzeroberfläche (GUI) eines modernen Computers. In modernen Geräten kommt dieser Schnittstelle eine wachsende Bedeutung zu.


Moderne Bedienelemente, wie z.B. Cockpits, dienen als Mensch-Maschine-Schnittstelle. Hier: Cockpit-Test mit HBM-Messvestärkern.

Zur Standardisierung jeder dieser Schnittstellen gehört, dass sie durch eine Reihe von Regeln beschrieben werden. Neben der Beschreibung, welche Funktionen vorhanden sind und wie sie benutzt werden, gehört auch die Semantik, die die einzelnen Funktionen beschreibt. Standardisierte Schnittstellen bieten den Vorteil, dass Komponenten oder Module, die die gleiche Schnittstelle unterstützen, ausgetauscht werden können, das heißt sie sind zueinander kompatibel.

Feldbusse im Automatisierungsumfeld

Für Steuerung bzw. Regelung einer Maschine oder Anlage sind mindestens eine Steuerung und meist mehrere Messfühler und Stellglieder notwendig. Die Anbindung von Messfühlern und Stellgliedern kann dabei entweder parallel oder seriell erfolgen.

Mit steigender Komplexität einer Maschine oder Anlage wächst der Verkabelungsaufwand bei paralleler Verdrahtung aufgrund der größeren Anzahl von Messfühlern und Stellgliedern. Das ist mit großem Aufwand bei Projektierung, Installation, Inbetriebnahme und Wartung verbunden. 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 über Feldbussysteme wesentlich kostengünstiger. Der Feldbus verbindet alle Ebenen, von der Feld- bis zur Leitebene, mit einem Buskabel. Unabhängig von der Art des Automatisierungsgeräts vernetzt das Übertragungsmedium des Feldbusses alle Komponenten. Diese können beliebig im Feld verteilt sein und werden dezentral vor Ort angeschlossen. Damit steht ein leistungsfähiges Kommunikationsnetz für zeitgemäße Automatisierungskonzepte zur Verfügung.

Auswahl von Feldbussen

Bei der Auswahl des einzusetzenden Feldbussystems spielen unterschiedliche Faktoren eine Rolle. Da jedes System bestimmte Anforderungen besonders gut erfüllt, haben die verschiedenen Feldbusse in einzelnen Branchen einen hohen Marktanteil, wohingegen sie in anderen Industriebereichen kaum oder gar nicht vertreten sind.

So können z.B. in vielen prozesstechnischen Anlagen nur Bussysteme verwendet werden, die das Austauschen einzelner Komponenten bei laufendem Betrieb der anderen Busteilnehmer erlauben (Hot Swapping). Befinden sich in einer Maschine oder Anlage viele Antriebe oder Achsen, kann die Synchronisation der einzelnen Teilnehmer das Kriterium sein. Hier sind dann die Übertragungsgeschwindigkeit oder das deterministische Verhalten des Datenaustausches von Bedeutung. Bei der Fertigung von Serienmaschinen wird großer Wert auf die Installationseigenschaften gelegt, damit die Maschinen schnell und effizient gefertigt werden können.

Soll statt eines Feldbussystems Ethernet in der Automatisierungstechnik eingesetzt werden, kommt der Echtzeitfähigkeit eine besondere Bedeutung zu. Grundsätzlich ist der Begriff Echtzeit eine Frage der Definition. So kann die Echtzeit bei der Synchronisation von Antrieben Mikro-Sekunden betragen, wohingegen in verfahrenstechnischen Applikationen Reaktionszeiten im Sekundenbereich ausreichen. Das Echtzeitverhalten wird dabei nicht von der eigentlichen Übertragungsrate bestimmt sondern ergibt sich aus weiteren Faktoren, wie dem Nettodatendurchsatz und dem eingesetzten Protokoll.

Das folgende Diagramm zeigt die weltweite Verbreitung von Schnittstellen (Anzahl der neu installierten Knoten in 2006):

Vergleicht man die verschiedenen Feldbussysteme und Ethernet in Bezug auf die Effizienz der Datenübertragung, ergibt sich für Ethernet ein schlechter Wert. Dies resultiert aus dem verwendeten CSMA/CD-Verfahren, das aufgrund der unbedingten und sicheren Kollisionserkennung (Collision Detected) mit einer großen Mindesttelegrammlänge arbeiten muss. Allerdings wird dieses Manko durch die hohen Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 100 Mbit/s wieder ausgeglichen. Solche hohen Übertragungsraten lassen sich nur durch eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen den Geräten realisieren, über die neben Ethernet nur das Interbus-System verfügt. Bei Systemen mit einer variablen Übertragungsrate wie Profibus oder CAN ändert sich die maximale Entfernung zwischen den Teilnehmern mit steigender Taktzahl. Je höher also die Übertragungsgeschwindigkeit ist, desto geringer ist die Leitungslänge. Dies kann im ungünstigsten Fall dazu führen, dass die zu verlegende Kommunikationsstrecke nur wenige Meter beträgt, was in geschlossenen Systemen oder Anlagenteilen nicht zwangsläufig ein Nachteil sein muss. Sollen jedoch Anlagenteile oder Maschinenmodule verschaltet werden, ist die mögliche Ausdehnung auf jeden Fall zu berücksichtigen.

Systembruch

Aufgrund der unterschiedlichen technischen Möglichkeiten der einzelnen Bussysteme kann es in den Anlagen zu einem Systembruch kommen, d.h. der Anwender setzt verschiedene Varianten eines Bussystems oder verschiedene Bussysteme nebeneinander ein. Hier sollte sich der Anwender nicht nur von den technologischen Vorteilen leiten lassen, sondern auch eine detaillierte Kosten/Nutzen-Analyse durchführen, denn die Investitionen in Handhabung, Schulung und Wartung der einzelnen Systeme stellen einen erheblichen Kostenfaktor dar. Die einfache Integration sowie die Interoperabilität der eingesetzten Komponenten ist dabei ebenso wichtig wie ihre Anbindung an unter- und überlagerte Netzwerkstrukturen. Dies kann z.B. durch Gateways (Protokollumsetzer) erfolgen, die den Übergang zwischen den verwendeten Bussystemen ermöglichen.

Bereits heute spielt Ethernet eine entscheidende Rolle in überlagerten Strukturen, da die im Office-Bereiche eingesetzten Komponenten wie Hubs, Switches und Router auch zur Übertragung und Verarbeitung der Produktionsdaten genutzt werden können. Sind die Maschinen und Anlagen an das Internet angebunden, erschließt sich dem Anwender mit Hilfe der Fernwartung ein hohes Einsparpotenzial. Eine sinnvolle vertikale Integration erfordert allerdings die durchgängige Darstellung von Prozessdaten und Anlagenzuständen. Eine weitere Anforderung ist die Projektierung und Parametrierung des Feldbusses über das Internet.


Effizientes Anlagenmanagement durch standardisierte Softwareschnittstellen. Hier: IPM-Prozessdaten-Schnittstelle.

Übertragungssicherheit

Ist der weltweite Zugriff auf Maschinen und Anlagen oft noch kein wesentliches Entscheidungskriterium, misst der Maschinen- und Anlagenbauer dem Diagnoseverhalten des eingesetzten Bussystems große Bedeutung bei. Da die in Automatisierungssystemen verwendete Elektronik ausgereift und leistungsfähig ist, sind laut einer ZVEI-Studie 85% aller Anlagenfehler auf Installationsmängel zurückzuführen. Dabei handelt es sich häufig um "schleichende" Fehler, die erst nach Monaten oder Jahren in Erscheinung treten. Auch in der Anlagenverfügbarkeit bzw. der damit verbundenen Minimierung von Stillstandszeiten liegt ein erhebliches Einsparpotenzial. Daher wird eine eindeutige Busdiagnose gefordert, die das schnelle Auffinden von Fehlern ermöglicht und damit nicht nur die Ausfallzeit, sondern auch die Personalkosten der Instandhaltung erheblich senkt.

Durch den stetig steigenden Einsatz intelligenter Geräte in rauer Industrieumgebung ist die Übertragungssicherheit ein weiterer Faktor, den es bei der Auswahl des am besten geeigneten Feldbussystems zu berücksichtigen gilt. Dabei muss sichergestellt werden, dass auch Einzelfehler (z.B. durch EMV-Einflüsse) eindeutig erkannt werden. Eine schnelle Fehlererkennung ist gut, die Vermeidung von Ausfällen jedoch besser. Zur Fehlerprävention wird daher die Lichtwellenleiter-Technik eingesetzt, wobei die einzelnen Bussysteme verschiedene technische Möglichkeiten zur Verfügung stellen.

Industrial Ethernet und Echtzeitanforderungen

Industrial Ethernet ist der Oberbegriff für alle Bestrebungen, den Ethernet-Standard für die Vernetzung von Geräten, die in der industriellen Fertigung eingesetzt werden, nutzbar zu machen. Im Rahmen von Industrial Ethernet werden Switches, Hubs und Medienkonverter geschaffen, die an industrielle Umgebungsbedingungen angepasst sind. Dazu gehören insbesondere die Befestigung auf einer Hutschiene, Gleichspannungsversorgung (DC 24 V), ein erweiterter Betriebstemperaturbereich, eine erhöhte Schutzart, Vibrationsfestigkeit und vielfach auch besondere Vorkehrungen zur Ausfallsicherheit.

Da die Netzwerkverbindung im industriellen Umfeld häufig von Maschine zu Maschine in Reihe erfolgt, werden Industrial-Ethernet-Netze oftmals in einem Ring realisiert. Dadurch kann ein Störfall auf maximal einen Switch beschränkt werden. Fällt eine Leitung aus, kann das Netzwerk vollständig weiterarbeiten. Die Netzwerktrennung im Ring erfolgt entweder durch Rapid Spanning Tree oder durch ein nicht standardisiertes Protokoll, das eine schnellere Reaktionszeit ermöglicht. Potentialfreie Meldekontakte ermöglichen eine schnelle Fehlererkennung.


Drahtlose Kommunikation: Der HBM-Prozesskontroller der Serie MP85A überträgt und meldet Produktionsdaten über WLAN.

Fazit

Der Kommunikation kommt in industriellen Anwendungen auf allen Ebenen eine hohe Bedeutung zu. Trotz vieler Bemühungen hat man es nicht geschafft, einen einheitlichen Standard zu definieren, der es ermöglicht, Geräte verschiedener Systeme gemeinsam zu betreiben. Durch die höheren Bandbreiten werden Feldbussysteme trotz wesentlich höherer Kosten in einzelnen Anwendungen durch Industrial Ethernet ersetzt.

Bei HBM legt man bereits während der Entwicklung großen Wert darauf, möglichst viele der gängigen Marktstandards anzubieten. Diese Bemühungen reichen von den Hardwareschnittstellen der Messgeräte über die Verwendung offener Software-Architekturen und Unterstützung von Technologien wie FDT bis hin zur Einbindung von Geräten, die in der Prozessüberwachung eingesetzt werden, in gängige Feldbussysteme. HBM setzt hier vor allem auf Firewire, Profinet und EtherCat. Die etwas höheren Kosten werden durch die Vorteile im Bezug auf Prozessgeschwindigkeit, erhöhte Datenmengen, weltweite Vernetzbarkeit und Fernwartung mehr als ausgeglichen.

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