Was sind Bussysteme? Bussysteme sind die Grundlage der Kommunikation in den verschiedensten Applikationen. Sie ermöglichen eine effiziente Vernetzung von Antrieben, Sensoren oder Steuerungen. Aktuelle Entwicklungen ermöglichen dabei immer höhere Übertragungsleistungen – und erlauben auch die Kommunikation zwischen Geräten verschiedener Hersteller.
Lange Zeit – und auch heute noch in konventionellen Applikationen – wurden Sensoren und Antriebe über analoge Signale mit einer Steuerung oder auch untereinander verbunden.
Dazu war für jede Verbindung zwischen einem Antrieb und einem anderen Gerät ein separates Kabel notwendig.
Bei großen Anlagen oder komplexen Antriebssystemen waren entsprechend viele Kabel notwendig. Mit den heutigen Bussystemen, wird eine neue Grundlage der Kommunikation geschaffen.
Weniger Kabel, mehr Leistung
Diesen Verkabelungsaufwand konnte die Einführung von Bussystemen erheblich reduzieren.
Hierüber werden innerhalb eines Netzwerkes – gleich ob kabelgebunden oder per Funk – Daten zwischen den einzelnen Teilnehmern übertragen. Über den digitalen Bus lassen sich die Informationen bidirektional austauschen.
Dabei werden neben grundlegenden Prozessdaten wie zum Beispiel Umdrehungszahl auch Betriebsparameter, Stör- oder Wartungssignale übertragen.
Jede Branche hat ihre Bussysteme
Heute existiert eine große Anzahl von Bussystemen. Jede Branche und Anwendung hat andere Anforderungen an die Datenübertragung, wodurch es verschiedene technische Lösungsmöglichkeiten für Bussysteme gibt.
Letztendlich haben auch verschiedene Hersteller eigene Bussysteme auf den Markt gebracht.
Einige Systeme haben sich aber im Laufe der Zeit als führend in verschiedenen Applikationen der Antriebstechnik durchgesetzt.
So wurde der CAN-Bus (Control Area Network) ursprünglich für den Einsatz in Fahrzeugen entwickelt.
Denn auch in den Autos nimmt die Zahl von Sensoren und Aktoren kontinuierlich zu.
Schon heute sind neben dem Antriebsmotor bis zu 40 weitere Elektromotoren zum Beispiel für die Wischwasserpumpe, die Scheibenwischer oder zur Sitzeinstellung im Einsatz.
Mit dem Trend zum vollautomatisierten Fahren wird diese Zahl noch zunehmen und so eine effiziente Vernetzung der Komponenten immer wichtiger. Inzwischen hat sich CAN-Bus aber auch im industriellen Einsatz bewährt.
Daneben werden heute weitere Bussysteme im Automotive-Sektor eingesetzt. Jeder hat spezielle Anforderungen im Fokus:
LIN (Local Interconnect Network) ermöglicht eine kostengünstige Integration von Sensoren und Aktoren in Fahrzeugnetzwerken. FlexRay kann in sicherheitsrelevanten verteilten Regelungen eingesetzt werden.
In industriellen Anwendungen bzw. in der Automatisierungstechnik haben sich Systeme wie Profibus, Modbus, CC-Link oder DeviceNet (das auf CAN basiert) etabliert.
Andere Branchen setzen wiederum andere Lösungen ein: In der Gebäudetechnik sind das zum Beispiel KNX, LON (Local Operating Network), BACnet oder auch sehr spezielle Bussysteme wie Standard Motor Interface (SMI) zur Ansteuerung von elektronischen Antrieben.
Ethernet gewinnt an Anteilen
Die bisher eingesetzten Bussysteme punkten mit Einfachheit, niedrigen Kosten und mit Zuverlässigkeit.
Doch die zunehmende Digitalisierung in allen Bereichen führt auch in Sachen Kommunikation zu immer höheren Anforderungen.
Eine Lösung versprechen hier Bussysteme, die auf dem Ethernet-Standard basieren.
Dieser Bus wurde bereits in der ersten Hälfte der 1970er Jahre entwickelt und ist heute der Übertragungsstandard in der IT-Welt.
Millionen von Computern und Bürogeräten sind bereits mit dieser Schnittstelle vernetzt. Durch die große Verbreitung sind die Kosten niedrig und die Akzeptanz hoch.
Für industrielle Anwendungen wurde Ethernet so angepasst, dass das System schnell genug ist für die hohen Anforderungen in der industriellen Automatisierung.
Zu diesen „Industrial Ethernet“-Protokollen zählt zum Beispiel Profinet, EtherCAT oder Ethernet IP.
Wachstumstreiber bei Industrial-Ethernet-Systemen sind höhere Leistung, größere Datenmengen, bessere Echtzeiteigenschaften, die Integration von Safety Protokollen sowie die Durchgängigkeit in die Büronetzwerke.
Damit auch die einfachere Anbindung ans Internet der Dinge und an die Cloud.
Gerade wo es wie bei der Antriebssteuerung sehr stark auf die Taktzeit und auf die Synchronisation von verschiedenen Antrieben ankommt, bieten Ethernet-basierte Systeme Vorteile.
Neueste Systeme schaffen dabei Übertragungsraten von 1 Gbit/s, wie zum Beispiel das jüngst entwickelte EtherCAT G; die als Technologiestudie vorgestellte Variante EtherCAT G10 schafft sogar 10 Gbit/s.
Damit ist man auch für zukünftige, extrem große Applikationen sowie die vermehrte Einbindung besonders datenintensiver Geräte, wie z.B. komplexe Motion-Systeme, gerüstet.
Echtzeit plus Herstellerunabhängigkeit
Dennoch bleibt das Problem, dass Geräte verschiedener Hersteller nicht unbedingt miteinander kommunizieren können.
Daher wurde in enger Zusammenarbeit zwischen Herstellern, Anwendern, Forschungsinstituten und Konsortien der Datenaustausch-Standard OPC-Unified Architecture (OPC-UA) entwickelt.
OPC-UA schlägt die Brücke zwischen der IP-basierten IT-Welt und der Produktionswelt.
Parallel wurde Ethernet erweitert, um eine sichere Datenübertragung sowie Echtzeitfunktionen bieten zu können.
Dazu wurden mit TSN (Time Sensitive Networking) eine Reihe von Standards zusammengefasst, die das Ethernet um Funktionen für die Echtzeitübertragung von Daten erweitert.
Wichtige Ziele der Technik sind die Verringerung von Latenzzeiten, präzise Zeitbezüge und höhere Verfügbarkeiten.
Aktuell werden beide Entwicklungen zusammengefasst, um mit OPC-UA over TSN einen einheitlichen Kommunikationsstandard im Industrial IoT zu schaffen.
Damit sollen zukünftig „Plug-and-produce“-fähige Netzwerke möglich sein, die sich einfach administrieren und konfigurieren lassen.
Zugleich können Netzwerkteilnehmer bis zu 18-mal schneller kommunizieren als mit allen heute am Markt verfügbaren Protokollen.
Das eröffnet unter anderem neue Möglichkeiten im Bereich hochsynchroner Antriebsapplikationen und Steuerungsaufgaben.