Bussysteme – die Basistechnologie der Industrie 4.0

Moderne Bussysteme sind die grundlegende Technologie der Industrie 4.0. Ein Überblick…

Überblick über moderne Bussysteme

Bei einem Bus handelt es sich um ein System, welches die Übertragung von Daten
zwischen mehreren Teilnehmern wie Computern, Maschinen, Sensoren und Aktoren ermöglicht.

Die in der industriellen Automatisierung angewendeten Busse werden meist als Feldbusse bezeichnet.

Moderne Feldbussysteme basieren auf Echtzeit-Ethernet, eine wichtige Voraussetzung für Systeme, die der vierten industriellen Revolution zugeordnet werden.

Funktionsweisen von Bus- und Feldbustechnologien

  • Bei Bussen handelt es sich um Systeme, die Datenpakete zwischen sogenannten Knoten, Komponenten oder Teilnehmern übertragen.

    Entscheidend bei der Übertragung ist dabei das angewendete Adressierungsverfahren. Grundsätzlich unterscheidet man parallele und serielle Bussysteme:

  • Bussysteme im Überblick

  • Parallele Bussysteme

    Parallele Bussysteme weisen mehrere Schaltkreise auf.

    Bei parallelen Bussen mit zentralem Adressdekoder gibt es einen aktiven Busmaster, welcher die Adressen der passiven Teilnehmer über den Adressdekoder anlegt. Die Daten werden nach der Zuweisung separat über den Datenbus versendet.

    Eine Variante dieses Verfahrens ist bei Bussystemen gegeben, bei welchen jeder Teilnehmer über einen eigenen Adressdekoder verfügt.

    Beim Multiplexing-Verfahren werden Leitungen für mehrere Aufgaben verwendet. Man nutzt hierbei jede Busphase für ein anderes Signal.

  • Serielle Bussysteme

    Beim seriellen Bussystem werden die Teilnehmer hintereinander, in einem Schaltkreis geschaltet.

    Die Datenübertragung erfolgt in Form von Datenpaketen oder Telegrammen. Diese Datenpakete sind in Felder unterteilt, unter anderem die Felder für Sende- und Empfängeradresse.

    Die Komponenten des seriellen Bussystems entscheiden anhand des Empfängerfelds des Datenpakets, ob sie es verarbeiten oder nicht. Hierfür werden normierte Protokolle angewendet.

Bussysteme für die Automatisierungsindustrie

Zu den wichtigsten Komponenten der Industrie 4.0, welche über den Feldbus verbunden werden, zählen Rechner bzw. Server, Sensoren, Aktoren und die in der Industrieproduktion angewendeten Maschinen und Roboter. Durch das Internet of Things können Systeme dieser Art bis zu den Produkten, die sich bereits beim Konsumenten befinden, verbunden werden. Dadurch ist im Grunde der gesamte Produktzyklus integriert.

Anwendungsbereiche von Bus- und Feldbussystemen

  • Bussysteme finden allgemein in sehr vielen Bereichen der Automatisierung Anwendung.

    Dazu zählt nicht zuletzt das Innenleben von Computern. Dort ermöglichen sie beispielsweise Komponenten wie CPU, Grafikkarte und Arbeitsspeicher den Datentransfer und die Kommunikation.

    Auch Peripheriegeräte von Computern werden über Busse verbunden.

    Bussysteme im Bereich der industriellen Automatisierung werden als Feldbussysteme bezeichnet.

    Hierbei sind ein oder mehrere Rechner, welche mit den weitern Komponenten kommunizieren, selbst Komponenten des Bussystems. Feldbusse sind in den meisten Fällen serielle Systeme.

    Das bedeutet die Komponenten werden seriell an eine einzelne Kabelleitung angeschlossen.

  • Bussysteme

  • Was bringt ein modernes Feldbussystem?

    Ein Unternehmen, das für die 4. industrielle Revolution gerüstet sein will, kommt an Feldbussystemen nicht vorbei.

    Da ein Feldbus die Teilnehmer seriell schaltet, sind die allgemeinen Kosten sowohl für die Planung, Umsetzung als auch den Materialaufwand wesentlich geringer als bei parallelen Bussystemen.

    Ein solches System ist in der Regel nicht nur einfacher zu realisieren: Auch die Wartungsarbeiten reduzieren sich in der Regel aufgrund der geringeren Komplexität.

    Weitere Vorteile sind die Fähigkeit eines solchen Systems zur Eigendiagnose, sowie eine herstellerübergreifende vereinheitlichte Datenübertragung.

    Solche Systeme sind daher zukunftssicher und garantieren eine hohe Flexibilität.

  • Herausforderungen an Feldbussysteme

    Feldbussysteme sind in ihrem Aufbau und der Funktionsweise grundsätzlich sehr komplex.

    Daher sind sie nur von entsprechend geschulten Fachkräften bedienbar.

    Zudem erfordert die Umstellung eines Industrieunternehmens zu einem Grad an Automatisierung, welcher der Bezeichnung Industrie 4.0 gerecht wird, relativ hohe Investitionskosten.

    Diese amortisieren sich in den meisten Fällen wohl erst über einen längeren Zeitraum.

    Eine Herausforderung für Feldbussysteme in technischer Hinsicht ist die für viele Unternehmen benötigte Fähigkeit, Daten im Bereich von Millisekunden zu übertragen.

    Die Reaktionszeit von digitalen Feldbussystemen ist derzeit noch teilweise höher, als es viele industrielle Produktionsanlagen erfordern (isochrone Zykluszeiten).

    Um in solchen Fällen die Synchronität betroffener Teile der Industrieanlage sicherzustellen, werden alternative Netzwerkprotokolle wie das Precision Time Protocol (PTP) angewendet.