Was sind Bussysteme und Sensornetze? Dieser Beitrag gibt eine Erklärung, beschreibt die Funktionsweise und gibt einen Überblick über die relevanten Bussysteme, Schnittstellen (wie OPC UA) und Sensornetzwerke im Kontext von Industrie 4.0 und dem Internet der Dinge (IoT).
Die Anforderungen an die automatisierte Kommunikation steigen stetig. Bussysteme und Sensornetze spielen hierbei eine wichtige Rolle. Sie sind für die robuste und zuverlässige Datenübertragung verantwortlich. Ganz gleich, ob es sich um den Austausch zwischen Mensch und Gerät oder zwischen Geräten handelt.
Definition Bussysteme und Sensornetze
Bussysteme und Sensornetze sind unverzichtbar für hochentwickelte, flexible und komplexe Großserienproduktionen (Industrie 4.0), autonome Robotik und autonome Fahrzeugtechnik. Diese Anforderungen können nur durch den Einsatz intelligenter technischer Verfahren erreicht werden. Diese Verfahren zeichnen sich durch Selbstoptimierung, Selbstkonfiguration, Selbstdiagnose, Selbstreparatur und Autokommunikation (Internet der Dinge) aus.
Vergleich der Bussysteme: von PROFIBUS über CAN zu Ethernet und USB
Bussysteme müssen elektrisch und mechanisch robust sein, um in rauen industriellen Umgebungen zuverlässig zu funktionieren. Bei konventioneller Verdrahtung muss jedes Sensorsignal einzeln zum Eingang einer Steuerung geführt werden. Dies führt zu einem hohen Verdrahtungsaufwand, vielen Verteilerstellen und Klemmverbindungen, was die Fehleranfälligkeit erhöht.
Moderne Bussysteme verringern diesen Aufwand, indem alle Sensoren über eine einzige Leitung verbunden werden. Die Informationen werden nicht mehr simultan auf parallel verlaufenden Leitungen übertragen, sondern seriell auf einer gemeinsamen Leitung mit Hilfe einer Adressierung für die Identifikation.
Historisch bedingt bevorzugen verschiedene Branchen bestimmte Bussysteme:
- PROFIBUS-DP: Maschinenbau, Fertigungstechnik
- PROFIBUS-PA: Chemische und mechanische Verfahrenstechnik
- CAN: Fahrzeugtechnik, Antriebstechnik, Maschinensteuerung
- INTERBUS: Antriebstechnik, Maschinensteuerung, Automobilbau (Europa)
- LON (Local Operating Network) und KNX: Gebäudeautomatisierung
Hier sind einige bekannte Bussysteme:
- I²C (Inter-Integrated Circuit)
- SENT (Single Edge Nibble Transmission)
- LIN-Bus (Local Interconnect Network)
- Ethernet
- USB
- FireWire
- MOST-Bus (Media Oriented Systems Transport)
- RFID
- Bluetooth
- WPAN (Wireless Personal Area Network)
- GSM
- UMTS
Für unterschiedliche Anwendungsbereiche werden verschiedene Ebenen der Bussysteme unterschieden. In der Feldebene werden komplexe (intelligente) Sensoren und Aktoren angeschlossen. Im folgenden Abschnitt wird der in der Sensorik, Messtechnik, Automation und Mechatronik zunehmend eingesetzte CAN-Bus näher beschrieben.
Technische Daten des CAN-Busses
Der serielle CAN-Bus (Control Area Network) wurde in den 1980er-Jahren von Bosch und Intel für die Vernetzung von Sensoren, Aktoren und elektronischen Steuergeräten im Automobilbau entwickelt. Der CAN-Bus zeichnet sich durch seine Reduzierung des Verdrahtungsaufwandes, hohe Verfügbarkeit sowie störungsfreie und sichere Signal- und Datenübertragung aus. Das CAN-Protokoll enthält Maßnahmen zur Fehlererkennung und wird daher in der Industrieautomatisierung, Sensor/Aktor-Prozessorik und Sensorvernetzung eingesetzt.
Ein CAN-Bus besteht aus einer einzelnen Leitung, die durch alle Sensoren führt und die Informationen zeitversetzt seriell überträgt. Der CAN-Bus wird von verschiedenen Branchen eingesetzt, darunter der Kraftfahrzeugtechnik. Die Busleitung ist zweidrahtig verdrillt, abgeschirmt und mit Abschlusswiderständen versehen.
Einige technische Daten des CAN-Busses sind:
- Topologie: linear
- Reichweite: von 1 km bei 50 kBd bis 40 m bei 1 MBd
- Datenvolumen: 8 Byte pro Telegramm
- Maximale Teilnehmerzahl: theoretisch unendlich, begrenzt durch die Bustreiber-Leistung
- Übertragungsrate: 50 kBd bis 1 MBd
- Übertragungsverhalten: synchron
- Buszugriffsverfahren: CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)
- Physikalische Schicht: modifizierte RS485, 2-Draht-Leitung
Der CAN-Bus ist international genormt in ISO/DIN 11 898 und 11 519-1.
OPC-UA & Co. – Schnittstellen
Schnittstellen sind für die Kommunikation mit der Außenwelt verantwortlich. Heute werden standardisierte digitale Schnittstellen wie OPC-UA und Ethernet-TCP/IP zwischen Maschinen, Steuerungs- und Überwachungseinheiten verwendet. Ethernet ist die am häufigsten eingesetzte digitale Schnittstellentechnik für den Datenaustausch in Deutschland. TCP/IP steht für Transmission Control Protocol/Internet Protocol.
In Europa setzt sich der OPC-UA-Standard immer stärker durch. OPC steht für “Open Platform Communication” und UA für “Unified Architecture”. Mit dieser standardisierten Schnittstelle können ältere Schnittstellenkonzepte ersetzt werden. Der Vorteil dieser Standardisierung liegt in einer einheitlichen Protokollsprache und Datenstruktur, unabhängig von den unterschiedlichen Branchen.
Sensornetze und Sensorknoten
Ein drahtloses Sensornetz (Wireless Sensor Network, WSN) besteht aus vielen Sensorknoten, die über HF-Technik miteinander verbunden sind. Sie kommunizieren und arbeiten zusammen, um ihre Umwelt mittels Sensoren zu überwachen und Informationen zu sammeln und weiterzuleiten. Sensorknoten bestehen aus einem Mikrocontroller, Speicher, Sensoren, Transceiver und Energieversorgung.
Der kleinste Sensorknoten hat einen Durchmesser von einem Millimeter, das bisher größte Sensornetz besteht aus 1000 Sensorknoten. Vergleichbare Aktornetze sind noch nicht bekannt.
Ein Sensorknoten besteht aus einem Mikrocontroller, der den Sensorknoten steuert, Daten erfasst, Vorverarbeitung durchführt und die Kommunikation mit anderen Sensorknoten koordiniert. Sensoren erfassen Messgrößen und ein Transceiver überträgt die Daten zwischen den Sensorknoten. Die Energieversorgung ist wichtig, sie kann durch Batterien oder andere Technologien wie Energy Harvesting erfolgen.
Dieser Artikel basiert auf dem Buch “Industrie-Sensorik – Sensortechnik und Messwertaufnahme”, 2. aktualisierte und erweiterte Auflage.
