Feldbus

Fieldbus ist der Name einer Familie von industriellen Computernetzwerken, die für die verteilte Echtzeitsteuerung verwendet werden. Die Feldbusprofile sind von der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) als IEC 61784/61158 standardisiert. ⓘ

Ein komplexes automatisiertes Industriesystem ist typischerweise in hierarchischen Ebenen als verteiltes Steuerungssystem (DCS) aufgebaut. In dieser Hierarchie sind die oberen Ebenen für die Produktionssteuerung über ein nicht zeitkritisches Kommunikationssystem (z.B. Ethernet) mit der direkten Steuerungsebene der speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) verbunden. Der Feldbus verbindet die SPS der direkten Leitebene mit den Anlagenkomponenten der Feldebene wie Sensoren, Aktoren, Elektromotoren, Pultleuchten, Schalter, Ventile und Schütze und ersetzt die direkten Verbindungen über Stromschleifen oder digitale E/A-Signale. Die Anforderungen an einen Feldbus sind daher zeitkritisch und kostensensitiv. Seit der Jahrtausendwende haben sich eine Reihe von Feldbussen etabliert, die auf Real-time Ethernet basieren. Diese haben das Potential, die traditionellen Feldbusse langfristig zu ersetzen. ⓘ

Ein Feldbus ist ein Bussystem, das in einer Anlage Feldgeräte wie Messfühler (Sensoren) und Stellglieder (Aktoren) zwecks Kommunikation mit einem Automatisierungsgerät verbindet. Wenn mehrere Kommunikationsteilnehmer ihre Nachrichten über dieselbe Leitung senden, dann muss festgelegt sein, wer (Kennung) was (Messwert, Befehl) wann (Initiative) sagt. Hierfür gibt es normierte Protokolle. ⓘ

Die erste Generation der Feldbustechnik wurde in den 1980er Jahren entwickelt, um die bis dahin übliche Parallelverdrahtung binärer Signale sowie die analoge Signalübertragung durch digitale Übertragungstechnik zu ersetzen. Heute sind viele unterschiedliche Feldbussysteme mit unterschiedlichen Eigenschaften am Markt etabliert. Seit 1999 werden Feldbusse in der Norm IEC 61158 (Digital data communication for measurement and control – Fieldbus for use in industrial control systems) weltweit standardisiert. Die zweite Generation der Feldbustechnik basiert auf Echtzeit-Ethernet. ⓘ

Beschreibung

Der Feldbus ist ein industrielles Netzwerksystem für die verteilte Echtzeitsteuerung. Es ist eine Möglichkeit, Instrumente in einer Produktionsanlage zu verbinden. Feldbus arbeitet mit einer Netzwerkstruktur, die typischerweise Daisy-Chain-, Stern-, Ring-, Zweig- und Baumnetztopologien ermöglicht. Früher wurden Computer über RS-232 (serielle Verbindungen) angeschlossen, über die nur zwei Geräte kommunizieren konnten. Dies wäre das Äquivalent des derzeit verwendeten 4-20-mA-Kommunikationsschemas, das für jedes Gerät einen eigenen Kommunikationspunkt auf der Steuerungsebene erfordert, während der Feldbus das Äquivalent der derzeitigen LAN-Verbindungen ist, die nur einen Kommunikationspunkt auf der Steuerungsebene erfordern und den gleichzeitigen Anschluss mehrerer (Hunderter) analoger und digitaler Punkte ermöglichen. Dies reduziert sowohl die Länge der benötigten Kabel als auch die Anzahl der benötigten Kabel. Da für Geräte, die über Feldbusse kommunizieren, ein Mikroprozessor erforderlich ist, werden außerdem in der Regel mehrere Punkte von ein und demselben Gerät bereitgestellt. Einige Feldbusgeräte unterstützen jetzt Regelungsschemata wie die PID-Regelung auf der Geräteseite, anstatt die Verarbeitung dem Controller zu überlassen. ⓘ

Geschichte

Für die Regelung oder Steuerung eines Systems sind mehrere bis viele Sensoren und Aktoren nötig. ⓘ

Falls die Automatisierung elektrisch erfolgt, stellt sich die Frage, wie die Sensoren und Aktoren mit dem Automatisierungsgerät verbunden werden sollen. Zwei Grundvarianten sind möglich:

1. Vom Automatisierungsgerät aus wird je ein Leitungspaar zu jedem Sensor und Aktor gezogen (parallele Verdrahtung, Stern-Topologie).
2. Vom Automatisierungsgerät aus wird nur ein einziges Leitungspaar gezogen: Das Leitungspaar wird an jeden Sensor und Aktor herangeführt (serielle Verdrahtung, Bus-Topologie). ⓘ

Mit steigendem Automatisierungsgrad einer Anlage oder Maschine wächst der Verkabelungsaufwand bei paralleler Verdrahtung aufgrund der größeren Anzahl der Ein-/Ausgabepunkte. Das ist mit großem Aufwand bei Projektierung, Installation, Inbetriebnahme und Wartung verbunden. ⓘ

Die Anforderungen an die Kabel sind oft hoch, z. B. müssen spezielle Leitungen für die Übertragung von Analogwerten eingesetzt werden. ⓘ

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 mittels sogenannter Feldbussysteme wesentlich kostengünstiger. ⓘ

Der Feldbus ersetzt die parallelen Leitungsbündel durch ein einziges Buskabel und verbindet alle Ebenen, von der Feld- bis zur Leitebene. Unabhängig von der Art des Automatisierungsgeräts, z. B. speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) unterschiedlicher Hersteller oder PC-basierte Steuerungen, vernetzt das Übertragungsmedium des Feldbusses die Komponenten im Feld. ⓘ

Anstelle mehrerer I/O-Karten wird eine Bus-Interface-Karte eingesetzt. Hierdurch wird der Platzbedarf im Schaltschrank verringert. ⓘ

Vorläufer des Feldbusses

General Purpose Interface Bus (GPIB)

Der Vorläufer der Feldbustechnologie ist wohl HP-IB, das 1975 in IEEE 488 beschrieben wurde. "Er wurde als General Purpose Interface Bus (GPIB) bekannt und wurde zu einem De-facto-Standard für die automatische und industrielle Gerätesteuerung. ⓘ

Die Hauptanwendung von GPIB sind automatisierte Messungen mit Geräten verschiedener Hersteller. Es handelt sich jedoch um einen parallelen Bus mit einem Kabel und Stecker mit 24 Adern und ist auf eine maximale Kabellänge von 20 Metern beschränkt. ⓘ

Bitbus

Die älteste häufig verwendete Feldbustechnologie ist Bitbus. Bitbus wurde von der Intel Corporation entwickelt, um die Nutzung von Multibus-Systemen in industriellen Systemen zu verbessern, indem langsame E/A-Funktionen vom schnelleren Speicherzugriff getrennt werden. Im Jahr 1983 entwickelte Intel den 8044 Bitbus-Mikrocontroller, indem es seinem bestehenden 8051-Mikrocontroller eine Feldbus-Firmware hinzufügte. Bitbus verwendet EIA-485 auf der physikalischen Ebene, mit zwei verdrillten Paaren - eines für Daten und das andere für Takte und Signale. Die Verwendung von SDLC auf der Datenübertragungsschicht ermöglicht 250 Knoten auf einem Segment mit einer Gesamtstrecke von 13,2 km. Bitbus hat einen Masterknoten und mehrere Slaves, wobei die Slaves nur auf Anfragen des Masters reagieren. Bitbus definiert kein Routing auf der Netzwerkschicht. Die 8044 erlaubt nur ein relativ kleines Datenpaket (13 Byte), bietet aber eine effiziente Reihe von RAC-Aufgaben (Remote Access and Control) und die Möglichkeit, eigene RAC-Aufgaben zu entwickeln. 1990 nahm das IEEE Bitbus als Microcontroller System Serial Control Bus (IEEE-1118) an. ⓘ

Heute wird BITBUS von der BEUG - BITBUS European Users Group - gepflegt. ⓘ

Computernetzwerke für die Automatisierung

Büronetze sind für Automatisierungsanwendungen nicht wirklich geeignet, da ihnen die nach oben begrenzte Übertragungsverzögerung fehlt. ARCNET, das bereits 1975 für Büroverbindungen konzipiert wurde, verwendet einen Token-Mechanismus und fand daher später auch in der Industrie Verwendung, ⓘ

Fertigungsautomatisierungsprotokoll (MAP)

Das Manufacturing Automation Protocol (MAP) war eine Implementierung von OSI-konformen Protokollen in der Automatisierungstechnik, die 1984 von General Motors initiiert wurde. MAP wurde zu einem LAN-Standardisierungsvorschlag, der von vielen Herstellern unterstützt wurde, und wurde hauptsächlich in der Fabrikautomation eingesetzt. MAP hat den 10 Mbit/s IEEE 802.4 Token-Bus als Übertragungsmedium verwendet. ⓘ

Aufgrund seines Umfangs und seiner Komplexität gelang MAP nicht der große Durchbruch. Um die Komplexität zu reduzieren und eine schnellere Verarbeitung mit weniger Ressourcen zu erreichen, wurde 1988 die Enhanced Performance Architecture (EPA) MAP entwickelt. Diese MiniMap enthält nur die Ebenen 1, 2 und 7 des grundlegenden OSI-Referenzmodells (Open Systems Interconnection). Diese Abkürzung wurde von den späteren Feldbusdefinitionen übernommen. ⓘ

Die wichtigste Errungenschaft von MAP ist die Manufacturing Message Specification (MMS), die Anwendungsschicht von MAP. ⓘ

Spezifikation von Fertigungsnachrichten (MMS)

Die Manufacturing Message Specification (MMS) ist eine internationale Norm (ISO 9506), die sich mit einem Anwendungsprotokoll und Diensten für die Übertragung von Echtzeit-Prozessdaten und Überwachungsinformationen zwischen vernetzten Geräten oder Computeranwendungen befasst und 1986 in einer ersten Version veröffentlicht wurde. ⓘ

Sie diente als Vorbild für viele Weiterentwicklungen in anderen industriellen Kommunikationsstandardisierungen wie FMS für Profibus oder SDO für CANopen. Es wird immer noch als mögliche Anwendungsschicht z.B. für die Energieversorgungsautomatisierung in den IEC 61850-Normen verwendet. ⓘ

Feldbusse für die Fertigungsautomatisierung

Im Bereich der Fertigungsautomatisierung sind die Anforderungen an einen Feldbus die Unterstützung kurzer Reaktionszeiten mit nur wenigen Bits oder Bytes, die über nicht mehr als einige hundert Meter übertragen werden müssen. ⓘ

MODBUS

1979 definierte Modicon (heute Schneider Electric) einen seriellen Bus für den Anschluss ihrer speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) mit der Bezeichnung Modbus. In seiner ersten Version verwendete Modbus ein zweiadriges Kabel mit EIA 485 UART-Signalen. Das Protokoll selbst ist mit einem Master/Slave-Protokoll sehr einfach, und die Anzahl der Datentypen ist auf diejenigen beschränkt, die von den damaligen SPSen verstanden wurden. Dennoch ist Modbus (mit seiner Modbus-TCP-Version) immer noch eines der am häufigsten verwendeten Industrienetzwerke, vor allem im Bereich der Gebäudeautomatisierung. ⓘ

PROFIBUS

In einem von der deutschen Regierung finanziell unterstützten Forschungsprojekt wurde 1987 der Feldbus PROFIBUS auf der Grundlage der Fieldbus Message Specification (FMS) definiert. Es zeigte sich in der Praxis, dass er zu kompliziert war, um ihn im Feld zu handhaben. 1994 schlug Siemens eine modifizierte Anwendungsschicht mit dem Namen Decentralized Periphery (DP) vor, die eine gute Akzeptanz in der Fertigungsindustrie erreichte. 2016 ist der Profibus einer der meistinstallierten Feldbusse der Welt und erreicht 2018 60 Millionen installierte Teilnehmer. ⓘ

INTERBUS

1987 entwickelte Phoenix Contact einen seriellen Bus, um räumlich verteilte Ein- und Ausgänge mit einer zentralen Steuerung zu verbinden. Die Steuerung sendet einen Rahmen über einen physikalischen Ring, der alle Eingangs- und Ausgangsdaten enthält. Das Kabel hat 5 Adern: neben dem Massesignal zwei Adern für den ausgehenden Frame und zwei Adern für den zurückkehrenden Frame. Mit diesem Kabel ist es möglich, die gesamte Anlage in einer Baumtopologie zu betreiben. ⓘ

Der INTERBUS war in der Fertigungsindustrie mit mehr als 22,9 Millionen im Feld installierten Geräten sehr erfolgreich. Der Interbus hat sich der Profinet-Technologie für den Ethernet-basierten Feldbus Profinet angeschlossen und der INTERBUS wird nun von der Profibus Nutzerorganisation e.V. gepflegt. ⓘ

CAN

In den 1980er Jahren entwickelte das deutsche Unternehmen Robert Bosch GmbH das Controller Area Network (CAN), um Kommunikationsprobleme zwischen verschiedenen Steuerungssystemen in Autos zu lösen. Das Konzept von CAN bestand darin, dass jedes Gerät über einen einzigen Satz von Drähten angeschlossen werden kann, und jedes angeschlossene Gerät kann mit jedem anderen Gerät frei Daten austauschen. CAN hielt bald Einzug in den Markt der Fabrikautomatisierung (zusammen mit vielen anderen). ⓘ

DeviceNet wurde von dem amerikanischen Unternehmen Allen-Bradley (heute im Besitz von Rockwell Automation) und der ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) als offener Feldbusstandard auf der Grundlage des CAN-Protokolls entwickelt. DeviceNet ist in der europäischen Norm EN 50325 standardisiert. Die Spezifikation und Pflege des DeviceNet-Standards liegt in der Verantwortung der ODVA. Wie ControlNet und EtherNet/IP gehört DeviceNet zur Familie der CIP-basierten Netzwerke. CIP (Common Industrial Protocol) bildet die gemeinsame Anwendungsschicht dieser drei industriellen Netzwerke. DeviceNet, ControlNet und Ethernet/IP sind daher gut aufeinander abgestimmt und bieten dem Anwender ein abgestuftes Kommunikationssystem für die Managementebene (EtherNet/IP), Zellenebene (ControlNet) und Feldebene (DeviceNet). DeviceNet ist ein objektorientiertes Bussystem und arbeitet nach dem Producer/Consumer-Verfahren. DeviceNet-Geräte können Client (Master) oder Server (Slave) oder beides sein. Clients und Server können Producer, Consumer oder beides sein. ⓘ

CANopen wurde von der CiA (CAN in Automation), der Nutzer- und Herstellervereinigung für CANopen, entwickelt und ist seit Ende 2002 als europäische Norm EN 50325-4 genormt. CANopen nutzt die Schichten 1 und 2 des CAN-Standards (ISO 11898-2) sowie Erweiterungen hinsichtlich der Anschlussbelegung, der Übertragungsraten und der Anwendungsschicht. ⓘ

Feldbus für die Prozessautomatisierung

In der Prozessautomatisierung werden traditionell die meisten Feldtransmitter über eine Stromschleife mit 4-20 mA an das Steuergerät angeschlossen. Dies ermöglicht nicht nur die Übertragung des Messwertes mit der Höhe des Stromes, sondern auch die Bereitstellung der erforderlichen elektrischen Leistung an das Feldgerät mit nur einem zweiadrigen Kabel von mehr als tausend Metern Länge. Diese Systeme werden auch in explosionsgefährdeten Bereichen installiert. Nach NAMUR muss ein Feldbus in diesen Anwendungen diese Anforderungen erfüllen. Eine spezielle Norm für die Instrumentierung IEC/EN 60079-27 beschreibt die Anforderungen an das Fieldbus Intrinsically Safe Concept (FISCO) für Installationen in Zone 0, 1 oder 2. ⓘ

WeltFIP

Die FIP-Norm basiert auf einer französischen Initiative aus dem Jahr 1982 zur Erstellung einer Anforderungsanalyse für eine zukünftige Feldbusnorm. Die Studie führte im Juni 1986 zur europäischen Eureka-Initiative für eine Feldbusnorm, an der 13 Partner beteiligt waren. Die Entwicklungsgruppe (réseaux locaux industriels) erstellte den ersten Vorschlag, der in Frankreich genormt wurde. Der Name des FIP-Feldbusses war ursprünglich eine Abkürzung des französischen "Flux d'Information vers le Processus", später wurde FIP mit dem englischen Namen "Factory Instrumentation Protocol" bezeichnet. ⓘ

FIP hat gegenüber dem Profibus, der sich im folgenden Jahrzehnt in Europa durchsetzte, an Boden verloren - auf der WorldFIP-Homepage ist seit 2002 keine Pressemitteilung mehr zu finden. Der nächste Cousin der FIP-Familie ist heute der Wire Train Bus für Eisenbahnwagen. Eine spezielle Teilmenge von WorldFIP - das so genannte FIPIO-Protokoll - ist jedoch in vielen Maschinenkomponenten zu finden. ⓘ

Foundation Fieldbus (FF)

Foundation Fieldbus wurde über einen Zeitraum von vielen Jahren von der International Society of Automation (ISA) als SP50 entwickelt. Foundation Fieldbus erfreut sich heute einer wachsenden installierten Basis in vielen schweren Prozessanwendungen wie Raffinerie, Petrochemie, Energieerzeugung und sogar Lebensmittel- und Getränke-, Pharma- und Nuklearanwendungen. ⓘ

Mit Wirkung vom 1. Januar 2015 wurde die Fieldbus Foundation Teil der neuen FieldComm Group. ⓘ

PROFIBUS-PA

Profibus PA (Prozessautomatisierung) wird für die Kommunikation zwischen Mess- und Prozessgeräten, Aktoren und Prozessleitsystem oder SPS/DCS in der Verfahrenstechnik eingesetzt. Profibus PA ist eine für die Prozessautomatisierung geeignete Profibus-Variante mit Physical Layer, bei der mehrere Segmente (PA-Segmente) mit Feldgeräten über sogenannte Koppler an Profibus DP angeschlossen werden können. Die zweiadrige Busleitung dieser Segmente übernimmt nicht nur die Kommunikation, sondern auch die Stromversorgung der Teilnehmer (MBP-Übertragungstechnik). Eine weitere Besonderheit von Profibus PA ist das weit verbreitete Geräteprofil "PA-Geräte" (PA-Profil),

in dem die wichtigsten Funktionen der Feldgeräte herstellerübergreifend standardisiert sind. ⓘ

Feldbus für die Gebäudeautomation

Der Markt der Gebäudeautomation hat auch unterschiedliche Anforderungen an den Einsatz eines Feldbusses:

• Installationsbus mit vielen einfachen E/A, die über eine große Fläche verteilt sind.
• Automatisierungsfeldbus für die Steuerung von Heizung, Lüftung und Klimaanlagen (HVAC)
• Management-Netzwerk für das Gebäudemanagement ⓘ

Der BatiBUS wurde 1989 definiert und hauptsächlich in Frankreich eingesetzt, der Instabus, erweitert zum Europäischen Installationsbus (EIB) und das European Home Systems Protocol (EHS) fusionierten 1999 zum Konnex) (KNX) Standard EN 50090, (ISO/IEC 14543-3). Im Jahr 2020 bieten 495 Mitgliedsfirmen 8'000 Produkte mit KNX Schnittstellen in 190 Ländern weltweit an. ⓘ

LonWorks

Im Gegensatz zu anderen Netzwerken geht LonWorks auf die 1980er Jahre zurück und ist das Ergebnis der Arbeit von Informatikern der Echelon Corporation. Im Jahr 1999 wurde das Kommunikationsprotokoll (damals unter dem Namen LonTalk bekannt) bei ANSI eingereicht und als Norm für Steuerungsnetzwerke (ANSI/CEA-709.1-B) akzeptiert, 2005 als EN 14908 (europäische Norm für Gebäudeautomation). Das Protokoll ist auch eine von mehreren Datenverbindungs-/physikalischen Schichten des BACnet ASHRAE/ANSI-Standards für die Gebäudeautomation. ⓘ

BACnet

Der BACnet-Standard wurde ursprünglich von der American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) entwickelt und wird nun seit 1987 gepflegt. BACnet ist seit 1995 ein American National Standard (ANSI) 135, ein europäischer Standard, ein nationaler Standard in vielen Ländern und seit 2003 ein globaler ISO-Standard 16484. BACnet hat im Jahr 2017 einen Marktanteil von 60 % am Markt für Gebäudeautomation. ⓘ

Normung

Obwohl die Feldbustechnologie bereits seit 1988 mit der Fertigstellung des ISA S50.02-Standards existiert, dauerte die Entwicklung des internationalen Standards viele Jahre. Im Jahr 1999 traf sich das IEC SC65C/WG6-Normenkomitee, um Differenzen im Entwurf der IEC-Feldbusnorm zu beseitigen. Das Ergebnis dieser Sitzung war die ursprüngliche Form der Norm IEC 61158 mit acht verschiedenen Protokollsätzen, die als "Typen" bezeichnet werden. ⓘ

Diese Form der Norm wurde zuerst für den Europäischen Gemeinsamen Markt entwickelt, konzentriert sich weniger auf Gemeinsamkeiten und erreicht ihren Hauptzweck - die Beseitigung von Handelsbeschränkungen zwischen Nationen. Fragen der Gemeinsamkeit werden nun den internationalen Konsortien überlassen, die die einzelnen Feldbus-Normtypen unterstützen. Fast unmittelbar nach der Verabschiedung wurde die Arbeit an der IEC-Normung eingestellt und der Ausschuss aufgelöst. Ein neues IEC-Komitee SC65C/MT-9 wurde gegründet, um die formalen und inhaltlichen Konflikte in den mehr als 4000 Seiten der IEC 61158 zu lösen. Die Arbeit an den oben genannten Protokolltypen ist im Wesentlichen abgeschlossen. Neue Protokolle, wie z. B. für Sicherheitsfeldbusse oder Echtzeit-Ethernet-Feldbusse, werden in einem typischen 5-Jahres-Wartungszyklus in die Definition der internationalen Feldbusnorm aufgenommen. In der Version 2008 der Norm werden die Feldbustypen in Communication Profile Families (CPFs) umorganisiert. ⓘ

Struktur der Feldbusnormen

Es gab viele konkurrierende Technologien für Feldbusse, und die ursprüngliche Hoffnung auf einen einzigen einheitlichen Kommunikationsmechanismus hat sich nicht erfüllt. Dies sollte nicht unerwartet sein, da die Feldbustechnologie in verschiedenen Anwendungen unterschiedlich implementiert werden muss; der Feldbus in der Automobilindustrie unterscheidet sich funktionell von der Steuerung von Prozessanlagen. ⓘ

IEC 61158: Industrielle Kommunikationsnetze - Feldbusspezifikation

Im Juni 1999 beschloss das Aktionskomitee (CA) der IEC, die Feldbusnormen neu zu strukturieren und rechtzeitig zum Jahrtausendwechsel eine erste Ausgabe zum 1. Januar 2000 in Kraft zu setzen: Es gibt eine große Norm IEC 61158, in der alle Feldbusse ihren Platz finden. Die Experten haben entschieden, dass die Struktur der IEC 61158 nach verschiedenen Schichten, unterteilt in Dienste und Protokolle, beibehalten wird. Die einzelnen Feldbusse werden als unterschiedliche Typen in diese Struktur eingebunden. ⓘ

Die Norm IEC 61158 Industrielle Kommunikationsnetze - Feldbus-Spezifikationen ist in folgende Teile gegliedert:

• IEC 61158-1 Teil 1: Übersicht und Anleitung für die Reihen IEC 61158 und IEC 61784
• IEC 61158-2 PhL: Teil 2: Spezifikation der physikalischen Schicht und Definition der Dienste
• IEC 61158-3-x DLL: Teil 3-x: Definition von Diensten der Datenübertragungsschicht - Elemente des Typs x
• IEC 61158-4-x DLL: Teil 4-x: Spezifikation des Datenübertragungsschichtprotokolls - Elemente des Typs x
• IEC 61158-5-x AL: Teil 5-x: Definition von Diensten der Anwendungsschicht - Elemente des Typs x
• IEC 61158-6-x AL: Teil 6-x: Spezifikation des Protokolls der Anwendungsschicht - Elemente des Typs x ⓘ

Jeder Teil umfasst immer noch mehrere tausend Seiten. Daher wurden diese Teile weiter in Unterteile untergliedert. Die einzelnen Protokolle wurden einfach mit einem Typ nummeriert. Jeder Protokolltyp hat also bei Bedarf einen eigenen Unterteil. ⓘ

Um den entsprechenden Unterteil der einzelnen Teile der Norm IEC 61158 zu finden, muss man den entsprechenden Protokolltyp für eine bestimmte Familie kennen. ⓘ

In der Ausgabe 2019 der IEC 61158 sind bis zu 26 verschiedene Arten von Protokollen spezifiziert. In der Normung der IEC 61158 wird die Verwendung von Markennamen vermieden und durch trockene Fachbegriffe und Abkürzungen ersetzt. So wird beispielsweise Ethernet durch das technisch korrekte CSMA/CD oder einen Verweis auf die entsprechende ISO-Norm 8802.3 ersetzt. Dies gilt auch für die Feldbusnamen, sie werden alle durch Typennummern ersetzt. Der Leser wird daher in der gesamten Feldbusnorm IEC 61158 nie eine Bezeichnung wie PROFIBUS oder DeviceNet finden. Im Abschnitt Konformität mit IEC 61784 wird eine vollständige Referenztabelle bereitgestellt. ⓘ

IEC 61784: Industrielle Kommunikationsnetze - Profile

Es ist klar, dass diese Sammlung von Feldbusnormen in der IEC 61158 nicht für die Umsetzung geeignet ist. Sie muss durch Gebrauchsanweisungen ergänzt werden. Diese Anleitung zeigt, wie und welche Teile der IEC 61158 zu einem funktionierenden System zusammengefügt werden können. Diese Montageanleitung wurde nachträglich als IEC 61784 Feldbusprofile zusammengestellt. ⓘ

Gemäß IEC 61158-1 ist die Norm IEC 61784 in die folgenden Teile aufgeteilt:

• IEC 61784-1 Profilsätze für die kontinuierliche und diskrete Fertigung in Bezug auf den Feldbuseinsatz in industriellen Steuerungssystemen
• IEC 61784-2 Zusätzliche Profile für ISO/IEC 8802 3 basierte Kommunikationsnetzwerke in Echtzeitanwendungen
• IEC 61784-3 Funktionale Sicherheitsfeldbusse - Allgemeine Regeln und Profildefinitionen
• IEC 61784-3-n Funktionale Sicherheitsfeldbusse - Zusätzliche Spezifikationen für CPF n
• IEC 61784-5-n Installation von Feldbussen - Installationsprofile für CPF n ⓘ

IEC 61784-1: Feldbus-Profile

Die Norm IEC 61784 Teil 1 mit dem Namen Profile sets for continuous and discrete manufacturing relative to fieldbus use in industrial control systems listet alle Feldbusse auf, die von den nationalen Normungsgremien vorgeschlagen werden. In der ersten Ausgabe von 2003 wurden 7 verschiedene Kommunikationsprofilfamilien (CPF) eingeführt:

• CPF 1 FOUNDATION Fieldbus
• CPF 2 ControlNet
• CPF 3 PROFIBUS
• CPF 4 P-NET
• CPF 5 WeltFIP
• CPF 6 INTERBUS
• CPF 7 SwiftNet ⓘ

Swiftnet, das im Flugzeugbau (Boeing) weit verbreitet ist, war in der ersten Ausgabe der Norm enthalten. Dies hat sich später als Fehler erwiesen, und in der Ausgabe 2 von 2007 wurde dieses Protokoll aus der Norm entfernt. Gleichzeitig wurden das CPF 8 CC-Link, das CPF 9 HART-Protokoll und CPF 16 SERCOS hinzugefügt. In der Ausgabe 4 im Jahr 2014 wurde der letzte Feldbus CPF 19 MECHATROLINK in die Norm aufgenommen. Die Ausgabe 5 im Jahr 2019 war nur eine Wartungsrevision, ohne dass ein neues Profil hinzugefügt wurde. ⓘ

Siehe Liste von Automatisierungsprotokollen für Feldbusse, die nicht in dieser Norm enthalten sind. ⓘ

IEC 61784-2: Echtzeit-Ethernet

Bereits in Ausgabe 2 des Feldbusprofils sind erste Profile enthalten, die auf Ethernet als physikalische Schicht basieren. Alle diese neu entwickelten Real-time Ethernet (RTE) Protokolle sind in der IEC 61784 Teil 2 als Zusatzprofile für ISO/IEC 8802 3 basierte Kommunikationsnetze in Echtzeitanwendungen zusammengefasst. Hier finden wir die Lösungen Ethernet/IP, drei Versionen von PROFINET IO - die Klassen A, B und C - und die Lösungen von P-NET, Vnet/IP TCnet, EtherCAT, Ethernet POWERLINK, Ethernet for Plant Automation (EPA), und auch den MODBUS mit einem neuen Real-Time Publish-Subscribe MODBUS-RTPS und dem Legacy-Profil MODBUS-TCP. ⓘ

Interessant ist in diesem Zusammenhang die SERCOS-Lösung. Dieses Netzwerk aus dem Bereich der Achssteuerung hatte einen eigenen Standard IEC 61491. Mit der Einführung der Ethernet-basierten Lösung SERCOS III wurde dieser Standard aufgelöst und der Kommunikationsteil in die IEC 61158/61784 integriert. Der Anwendungsteil wurde zusammen mit anderen Antriebslösungen in eine spezielle Antriebsnorm IEC 61800-7 integriert. ⓘ

Die Liste der RTE für die erste Ausgabe im Jahr 2007 ist also bereits lang:

• CPF 2 CIP
• CPF 3 PROFIBUS & PROFINET
• CPF 4 P-NET
• CPF 6 INTERBUS
• CPF 10 Vnet/IP
• CPF 11 TCnet
• CPF 12 EtherCAT
• CPF 13 ETHERNET Powerlink
• CPF 14 Ethernet für die Anlagenautomatisierung (EPA)
• CPF 15 MODBUS
• CPF 16 SERCOS ⓘ

Bereits 2010 wurde eine zweite Auflage veröffentlicht, die CPF 17 RAPIEnet und CPF 18 SafetyNET p umfasst. In der dritten Auflage 2014 wurde die Industrial Ethernet (IE) Version von CC-Link hinzugefügt. Die beiden Profilfamilien CPF 20 ADS-net und CPF 21 FL-net werden in der vierten Ausgabe im Jahr 2019 hinzugefügt. ⓘ

Details zu diesen RTEs finden Sie im Artikel zu Industrial Ethernet. ⓘ

IEC 61784-3: Sicherheit

Für die funktionale Sicherheit haben verschiedene Konsortien unterschiedliche Protokolle für Sicherheitsanwendungen bis zum Safety Integrity Level 3 (SIL) nach IEC 61508 oder Performance Level "e" (PL) nach ISO 13849 entwickelt. Den meisten Lösungen ist gemeinsam, dass sie auf einem Black Channel basieren und somit über verschiedene Feldbusse und Netzwerke übertragen werden können. Je nach Profil bietet das Sicherheitsprotokoll Maßnahmen wie Zähler, CRCs, Echo, Timeout, eindeutige Absender- und Empfänger-IDs oder Cross-Check. ⓘ

Die erste Ausgabe der IEC 61784 Teil 3 aus dem Jahr 2007 mit dem Titel Industrielle Kommunikationsnetze - Profile - Feldbusse der funktionalen Sicherheit enthält die Kommunikationsprofilfamilien (CPF):

• CPF 1 FOUNDATION Fieldbus
• CPF 2 CIP mit CIP-Sicherheit
• CPF 3 PROFIBUS & PROFINET mit PROFIsafe
• CPF 6 INTERBUS ⓘ

SERCOS verwendet auch das CIP-Sicherheitsprotokoll. In der zweiten Ausgabe von 2010 wurden weitere CPF in die Norm aufgenommen:

• CPF 8 CC-Link
• CPF 12 EtherCAT mit Sicherheit über EtherCAT
• CPF 13 Ethernet POWERLINK mit openSAFETY
• CPF 14 EPA ⓘ

In der dritten Ausgabe im Jahr 2016 wurde das letzte Sicherheitsprofil CPF 17 SafetyNET p hinzugefügt. Eine neue Ausgabe 4 wird voraussichtlich im Jahr 2021 veröffentlicht werden. Die Norm umfasst nun 9 verschiedene Sicherheitsprofile. Sie sind alle in der globalen Konformitätstabelle im nächsten Abschnitt aufgeführt und referenziert. ⓘ

Übereinstimmung mit IEC 61784

Die Protokollfamilien der einzelnen Markennamen werden als Communication Profile Family bezeichnet und mit einer Nummer als CPF abgekürzt. Jede Protokollfamilie kann nun Feldbusse, Echtzeit-Ethernet-Lösungen, Installationsregeln und Protokolle für die funktionale Sicherheit definieren. Diese möglichen Profilfamilien sind in der IEC 61784 festgeschrieben und in der folgenden Tabelle zusammengestellt. ⓘ

Kommunikationsprofilfamilien (CPF) und Dienste und Protokolltypen ⓘ

Kommunikationsprofil-Familien (CPF) in IEC 61784 (Unter-)Teil IEC 61158 Dienste und Protokolle CPF Familie Kommunikationsprofil (CP) & Handelsname 1 2 3 5 PhL DLL AL 1 Foundation Fieldbus (FF) CP 1/1 FF - H1 X -1 -1 Typ 1 Typ 1 Typ 9 CP 1/2 FF - HSE X -1 -1 8802-3 TCP/UDP/IP Typ 5 CP 1/3 FF - H2 X -1 -1 Typ 1 Typ 1 Typ 9 FSCP 1/1 FF-SIS -1 2 CIP CP 2/1 ControlNet X -2 Typ 2 Typ 2 Typ 2 CP 2/2 EtherNet/IP X X -2 -2 8802-3 Typ 2 Typ 2 CP 3/3 DeviceNet X -2 -2 Typ 2 Typ 2 Typ 2 FSCP 2/1 CIP Sicherheit -2 3 PROFIBUS & PROFINET CP 3/1 PROFIBUS DP X -3 -3 Typ 3 Typ 3 Typ 3 CP 3/2 PROFIBUS PA X -3 -3 Typ 1 Typ 3 Typ 3 CP 3/3 PROFINET CBA (ungültig seit 2014) 8802-3 TCP/IP Typ 10 CP 3/4 PROFINET IO Klasse A X -3 -3 8802-3 UDP/IP Typ 10 CP 3/5 PROFINET IO Klasse B X -3 -3 8802-3 UDP/IP Typ 10 CP 3/6 PROFINET IO Klasse C X -3 -3 8802-3 UDP/IP Typ 10 FSCP 3/1 PROFIsafe -3 4 P-NET CP 4/1 P-NET RS-485 X -4 Typ 4 Typ 4 Typ 4 CP 4/2 P-NET RS-232 (entfernt) Typ 4 Typ 4 Typ 4 CP 4/3 P-NET auf IP X -4 8802.3 Typ 4 Typ 4 5 WeltFIP CP 5/1 WeltFIP (MPS,MCS) X Typ 1 Typ 7 Typ 7 CP 5/2 WeltFIP (MPS, MCS, SubMMS) X Typ 1 Typ 7 Typ 7 CP 5/3 WeltFIP (MPS) X Typ 1 Typ 7 Typ 7 6 INTERBUS CP 6/1 INTERBUS X -6 -6 Typ 8 Typ 8 Typ 8 CP 6/2 INTERBUS TCP/IP X -6 -6 Typ 8 Typ 8 Typ 8 CP 6/3 INTERBUS Untergruppe X -6 -6 Typ 8 Typ 8 Typ 8 CP 6/4 Verknüpfung 3/4 mit INTERBUS X -6 Typ 8 Typ 8 Typ 10 CP 6/5 Verknüpfung 3/5 mit INTERBUS X -6 Typ 8 Typ 8 Typ 10 CP 6/6 Verknüpfung 3/6 mit INTERBUS X -6 Typ 8 Typ 8 Typ 10 FSCP 6/7 INTERBUS Sicherheit -6 7 Swiftnet Gestrichen wegen mangelnder Marktrelevanz Typ 6 8 CC-Link CP 8/1 CC-Link/V1 X -8 -8 Typ 18 Typ 18 Typ 18 CP 8/2 CC-Link/V2 X -8 Typ 18 Typ 18 Typ 18 CP 8/3 CC-Link/LT (Busgespeist - kostengünstig) X -8 Typ 18 Typ 18 Typ 18 CP 8/4 CC-Link IE Steuerung X -8 8802-3 Typ 23 CP 8/5 CC-Link IE Feldnetzwerk X -8 8802-3 Typ 23 FSCP 8/1 CC-Link Sicherheit -8 9 HART CP 9/1 Universeller Befehl (HART 6) X -- -- Typ 20 CP 9/2 Drahtloses HART (siehe IEC 62591) -- -- Typ 20 10 Vnet/IP CP 10/1 Vnet/IP X -10 8802-3 Typ 17 Typ 17 11 TCnet CP 11/1 TCnet-star X -11 8802-3 Typ 11 Typ 11 CP 11/2 TCnet-Schleife 100 X -11 8802-3 Typ 11 Typ 11 CP 11/3 TCnet-Schleife 1G X -11 8802-3 Typ 11 Typ 11 12 EtherCAT CP 12/1 Einfaches IO X -12 -12 Typ 12 Typ 12 Typ 12 CP 12/2 Mailbox & Zeitsynchronisation X -12 -12 Typ 12 Typ 12 Typ 12 FSCP 12/1 Sicherheit über EtherCAT -12 13 Ethernet POWERLINK CP 13/1 EPL X -13 -13 8802-3 Typ 13 Typ 13 FSCP 13/1 openSAFETY -13 14 Ethernet für die Anlagenautomatisierung (EPA) CP 14/1 EPA NRT X -14 -14 8802-3 Typ 14 Typ 14 CP 14/2 EPA RT X -14 -14 8802-3 Typ 14 Typ 14 CP 14/3 EPA FRT X 8802-3 Typ 14 Typ 14 CP 14/4 EPA MRT X -14 -14 8802-3 Typ 14 Typ 14 FSCP 14/1 EPA Sicherheit -14 15 MODBUS-RTPS CP 15/1 MODBUS TCP X -15 8802-3 TCP/IP Typ 15 CP 15/2 RTPS X -15 8802-3 TCP/IP Typ 15 16 SERCOS CP 16/1 SERCOS I X -16 Typ 16 Typ 16 Typ 16 CP 16/2 SERCOS II X -16 Typ 16 Typ 16 Typ 16 CP 16/3 SERCOS III X -2 -16 8802-3 Typ 16 Typ 16 SFCP 2/1 CIP Sicherheit -2 17 RAPIEnet CP 17/1 X -17 8802-3 Typ 21 Typ 21 18 SicherheitsNET p CP 18/1 RTFL (Real Time Frame Line) X -18 -18 8802-3 Typ 22 Typ 22 CP 18/2 RTFN (real time frame network) X -18 -18 8802-3 Typ 22 Typ 22 SFCP 18/1 SicherheitsNET p -18 19 MECHATROLINK CP 19/1 MECHATRILINK-II X -19 Typ 24 Typ 24 Typ 24 CP 19/2 MECHATRILINK-III X -19 Typ 24 Typ 24 Typ 24 20 ADS-net CP 20/1 NETZWERK-1000 X -20 8802-3 Typ 25 Typ 25 CP 20/2 NX X -20 8802-3 Typ 25 Typ 25 21 FL-net CP 21/1 FL-Netz X -21 8802-3 Bauform 26 Bauform 26

Als Beispiel werden wir nach den Normen für PROFIBUS-DP suchen. Dieser gehört zur CPF 3-Familie und hat das Profil CP 3/1. In Tabelle 5 finden wir, dass sein Protokollumfang in IEC 61784 Teil 1 definiert ist. Es verwendet den Protokolltyp 3, so dass die Dokumente IEC 61158-3-3, 61158-4-3, 61158-5-3 und 61158-6-3 für die Protokolldefinitionen erforderlich sind. Die physikalische Schnittstelle ist in der allgemeinen 61158-2 unter Typ 3 definiert. Die Installationsvorschriften sind in der IEC 61784-5-3 im Anhang A zu finden. Sie kann mit dem FSCP3/1 als PROFIsafe kombiniert werden, das in der Norm IEC 61784-3-3 definiert ist. ⓘ

Damit der Hersteller nicht alle diese Normen explizit auflisten muss, ist der Verweis auf das Profil in der Norm angegeben. Im Falle unseres Beispiels für den PROFIBUS-DP müsste die Angabe der relevanten Normen also lauten ⓘ

Einhaltung der IEC 61784-1 Ed.3:2019 CPF 3/1 ⓘ

IEC 62026: Controller-Device-Schnittstellen (CDIs)

Die Anforderungen an Feldbusnetze für Anwendungen in der Prozessautomatisierung (Durchflussmesser, Druckmessumformer und andere Messgeräte sowie Regelventile in Branchen wie der Kohlenwasserstoffverarbeitung und der Energieerzeugung) unterscheiden sich von den Anforderungen an Feldbusnetze in diskreten Fertigungsanwendungen wie der Automobilherstellung, wo eine große Anzahl diskreter Sensoren, einschließlich Bewegungssensoren, Positionssensoren usw., verwendet wird. Diskrete Feldbusnetzwerke werden oft als "Gerätenetzwerke" bezeichnet. ⓘ

Bereits im Jahr 2000 beschloss die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC), dass eine Reihe von Controller-Device-Interfaces (CDIs) vom Technischen Komitee TC 121 Niederspannungsschaltgeräte spezifiziert werden, um die Gerätenetzwerke abzudecken. Diese Normenreihe mit der Nummer IEC 62026 umfasst in der aktuellen Ausgabe von 2019 folgende Teile:

• IEC 62026-1: Teil 1: Allgemeine Regeln
• IEC 62026-2: Teil 2: Aktuator-Sensor-Schnittstelle (AS-i)
• IEC 62026-3: Teil 3: DeviceNet
• IEC 62026-7: Teil 7: CompoNet ⓘ

Die folgenden Teile wurden im Jahr 2006 zurückgezogen und werden nicht mehr gepflegt:

• IEC 62026-5: Teil 5: Smart Distributed System (SDS)
• IEC 62026-6: Teil 6: Seriplex (Serieller Multiplex-Steuerungsbus) ⓘ

Kostenvorteil

Der Verkabelungsaufwand ist bei Feldbussen viel geringer als bei 4-20 mA-Installationen. Dies liegt daran, dass sich viele Geräte denselben Kabelsatz in einer Mehrfachverbindung teilen und nicht wie bei 4-20-mA-Geräten ein eigener Kabelsatz pro Gerät erforderlich ist. Außerdem können in einem Feldbusnetz mehrere Parameter pro Gerät übertragen werden, während bei einer 4-20-mA-Verbindung nur ein Parameter übertragen werden kann. Feldbus bietet auch eine gute Grundlage für die Erstellung einer vorausschauenden und proaktiven Wartungsstrategie. Die von Feldbusgeräten zur Verfügung gestellten Diagnosemöglichkeiten können genutzt werden, um Probleme mit Geräten anzugehen, bevor sie zu kritischen Problemen werden. ⓘ

Vernetzung

Obwohl jede Technologie den allgemeinen Namen Feldbus trägt, sind die verschiedenen Feldbusse nicht ohne weiteres austauschbar. Die Unterschiede zwischen ihnen sind so tiefgreifend, dass sie nicht einfach miteinander verbunden werden können. Um die Unterschiede zwischen den Feldbusstandards zu verstehen, muss man wissen, wie Feldbusnetzwerke aufgebaut sind. Unter Bezugnahme auf das OSI-Modell werden die Feldbusstandards durch das physikalische Medium der Verkabelung und die Schichten eins, zwei und sieben des Referenzmodells bestimmt. ⓘ

Für jede Technologie beschreiben das physikalische Medium und die Standards der physikalischen Schicht im Detail die Implementierung von Bit-Timing, Synchronisation, Kodierung/Dekodierung, Bandrate, Buslänge und die physikalische Verbindung des Transceivers mit den Kommunikationsleitungen. Die Norm für die Datenübertragungsschicht ist dafür verantwortlich, vollständig zu spezifizieren, wie Nachrichten für die Übertragung durch die physikalische Schicht zusammengesetzt werden, wie die Fehlerbehandlung, die Nachrichtenfilterung und die Busarbitrierung erfolgt und wie diese Normen in der Hardware zu implementieren sind. Die Norm für die Anwendungsschicht legt im Allgemeinen fest, wie die Datenübertragungsschichten mit der Anwendung, die kommunizieren möchte, verbunden sind. Sie beschreibt Nachrichtenspezifikationen, Netzverwaltungsimplementierungen und die Reaktion auf die Anforderung von Diensten durch die Anwendung. Die Schichten drei bis sechs werden in den Feldbusnormen nicht beschrieben. ⓘ

Merkmale

Verschiedene Feldbusse bieten unterschiedliche Funktionen und Leistungen. Ein allgemeiner Vergleich der Leistung von Feldbussen ist aufgrund der grundlegenden Unterschiede in der Datenübertragungsmethodik schwierig. In der nachstehenden Vergleichstabelle ist lediglich vermerkt, ob der betreffende Feldbus typischerweise Datenaktualisierungszyklen von 1 Millisekunde oder schneller unterstützt. ⓘ

Feldbus	Busleistung	Redundanz der Verkabelung	Max Geräte	Synchronisierung	Sub-Millisekunden-Zyklus ⓘ
AFDX	Nein	Ja	Fast unbegrenzt	Nein	Ja
AS-Interface	Ja	Nein	62	Nein	Nein
CANopen	Nein	Nein	127	Ja	Nein
CompoNet	Ja	Nein	384	Nein	Ja
ControlNet	Nein	Ja	99	Nein	Nein
CC-Link	Nein	Nein	64	Nein	Nein
DeviceNet	Ja	Nein	64	Nein	Nein
EtherCAT	Ja	Ja	65,536	Ja	Ja
Ethernet Leistungsanbindung	Nein	Wahlweise	240	Ja	Ja
EtherNet/IP	Nein	Wahlweise	Fast unbegrenzt	Ja	Ja
Interbus	Nein	Nein	511	Nein	Nein
LonWorks	Nein	Nein	32,000	Nein	Nein
Modbus	Nein	Nein	246	Nein	Nein
PROFIBUS DP	Nein	Wahlweise	126	Ja	Nein
PROFIBUS PA	Ja	Nein	126	Nein	Nein
PROFINET IO	Nein	Wahlweise	Fast unbegrenzt	Nein	Nein
PROFINET IRT	Nein	Wahlweise	Fast unbegrenzt	Ja	Ja
SERCOS III	Nein	Ja	511	Ja	Ja
SERCOS Schnittstelle	Nein	Nein	254	Ja	Ja
Stiftung Feldbus H1	Ja	Nein	240	Ja	Nein
Gründung HSE	Nein	Ja	Fast unbegrenzt	Ja	Nein
RAPIEnet	Nein	Ja	256	In Entwicklung	Bedingt
Feldbus	Busleistung	Redundanz der Verkabelung	Max Geräte	Synchronisierung	Sub-Millisekunden-Zyklus

Markt

Bei den Prozessleitsystemen wird der Markt von Foundation Fieldbus und Profibus PA beherrscht. Beide Technologien verwenden die gleiche physikalische Schicht (2-Draht manchestercodierte Strommodulation bei 31,25 kHz), sind aber nicht austauschbar. Als allgemeine Richtlinie gilt, dass Anwendungen, die von SPS (speicherprogrammierbare Steuerungen) gesteuert und überwacht werden, eher zu PROFIBUS und Anwendungen, die von einem DCS (digitales/verteiltes Steuerungssystem) gesteuert und überwacht werden, eher zu Foundation Fieldbus tendieren. Die PROFIBUS-Technologie wird von Profibus International mit Sitz in Karlsruhe, Deutschland, zur Verfügung gestellt. Die Foundation Fieldbus-Technologie ist Eigentum der Fieldbus Foundation in Austin, Texas, und wird von ihr vertrieben. ⓘ

Vorteile

Die Vorteile eines Feldbusses:

• geringerer Verkabelungsaufwand spart Zeit bei Planung und Installation
• Kabel, Rangierverteiler und Ausmaße des Schaltschranks werden reduziert
• Eigendiagnose durch das System möglich
• Höhere Zuverlässigkeit und bessere Verfügbarkeit durch kurze Signalwege
• Gerade bei analogen Werten erhöht sich der Schutz vor Störungen.
• Offene Feldbusse vereinheitlichen herstellerübergreifend Datenübertragung und Geräteanschluss. Komponenten verschiedener Hersteller sind zumindest hinsichtlich der Basiskommunikation leichter austauschbar.
• Erweiterungen oder Änderungen sind einfach durchzuführen und garantieren Flexibilität und somit Zukunftssicherheit.
• Die Festlegung von Messbereichen bei Messumformern ist nicht erforderlich. Die (visuelle) Anzeigeskala im Leitsystem kann jederzeit geändert werden. ⓘ

Nachteile

Die Nachteile eines Feldbusses:

• komplexeres System – qualifiziertere Mitarbeiter notwendig
• höherer Preis von Komponenten mit Feldbusfunktionalität
• aufwendige Messgeräte
• etwas längere Reaktionszeit
• Die kleinste tauschbare Einheit wird teurer.
• Durch die Vielzahl verschiedener Feldbusse sind Sensor-/Aktor-Hersteller gezwungen, mehrere Feldbusse zu unterstützen, was zusätzliche Kosten verursacht. Außerdem ist die Vorhersage, welche Feldbusse in Zukunft an Bedeutung gewinnen bzw. verlieren werden, sehr schwierig. Dadurch besteht die Gefahr von Fehlinvestitionen bei der Entwicklung von Feldbusankopplungen.
• Durch das zentrale Anbindungsprinzip kann bei einer Busstörung das Leitsystem von allen Sensoren und Aktoren abgeschnitten sein. Daher sind eventuell redundante Bussysteme erforderlich. ⓘ

Verschiedene Topologien

Baumtopologie oder erweiterter Stern	Bustopologie	Ringtopologie	Sterntopologie ⓘ

Verbreitete Feldbusse

• ARCNET Deterministischer, echtzeitfähiger Feldbus, eingesetzt in den Bereichen Automotive, Industrieautomatisierung (insb. Druckmaschinen) und Medizintechnik
• ARINC 629 Schneller Avionik-Bus, der Firma Arinc, eingesetzt in der Boeing 777
• AS-Interface (Aktuator-Sensor-Interface) zum Anschluss von Sensoren und Aktuatoren
• BACnet Building Automation and Control Networks für Gebäudeleittechnik, aber auch teilweise bis zur Feldebene hinunter einsetzbar
• BITBUS
• CAN z. B. im Automotive-Bereich
• CANopen (CAN-basierendes, höheres Protokoll) Standard für die Aufzugstechnik, Automatisierungstechnik, Fahrzeugaufbauten, Medizintechnik, Schiffselektronik. Gepflegt von CAN in Automation (CiA)
• CC-Link im asiatischen Raum verbreiteter Bus für industrielle Applikationen
• ControlNet
• DALI für Beleuchtungen in der Gebäudeautomatisierung
• DeviceNet (CAN-basierendes, höheres Protokoll)
• EIB Europäischer Installationsbus Hauptsächlich Hausinstallation, Vorgänger von KNX
• EtherCAT Ethernet-basierender Feldbus in der Automatisierungstechnik
• Ethernet Powerlink Ethernet-basierender Feldbus für den Maschinen- und Anlagenbau
• EtherNet/IP (Ethernet-basierendes, höheres Protokoll), zumindest ersteres vor allem in den USA
• FAIS-Bus, ein japanischer Feldbus-Standard
• Foundation Fieldbus (FF) der Fieldbus Foundation (Prozessautomation)
• FIP-Bus, französischer und italienischer Feldbus-Standard, Konkurrent zu Profibus
• FlexRay-Bus Im Automotive-Bereich (X-by-Wire)
• Hart Communication für industrielle Feldgeräte
• INTERBUS Maschinenbau, Anlagenbau in Sonderausführung für Sicherheitstechnik
• KNX-Standard für Gebäudeautomatisierung, Nachfolger von EIB
• LCN Local Control Network Universelles Gebäudeleitsystem
• LIN-Bus Im Automotive-Bereich
• LocoNet für Modelleisenbahnen
• LON hauptsächlich für Gebäudeautomation
• M-Bus (Feldbus)
• MIL-STD-1553 hauptsächlich in der militärischen Luftfahrt
• Modbus Industrie
• MOST-Bus Im Automotive-Multimedia-Bereich
• MVB (Multifunction Vehicle Bus) Schienenfahrzeuge IEC 61375
• P-NET Der P-NET Feldbus
• PROFIBUS (Varianten: DP & PA), PROFINET: Roboter, Maschinenbau, Anlagenbau, Prozessautomation
• SafetyBUS p sicherheitsrelevante Anwendungen
• SERCOS interface Motion Control, CNC, Roboter, Maschinenbau, Anlagenbau
• SmallCAN Integratives low-cost/low-power System, hauptsächlich für Gebäudeautomatisierung (aber auch allgemeine Automatisierungstechnik)
• SMI Standard Motor Interface zur Ansteuerung von elektronischen Antrieben, z. B. für Jalousien oder Rollläden
• Spacewire
• T-Bus Hauptsächlich eingesetzt in Landwirtschaft, Bewässerungstechnik und Umwelt-Monitoring
• Time-Triggered Protocol (TTP)
• Traktionsbus
• VARAN Ethernet-basierender Feldbus für die Automatisierung von Maschinen und Anlagen ⓘ

Sicherheitseigenschaften von Feldbussen

Sollen Feldbussysteme in Systemen eingesetzt werden, die einer Prüfung entsprechend Sicherheitsnormen wie etwa IEC 61508 oder EN 954-1 standhalten müssen, werden dem Bussystem einige spezielle Anforderungen auferlegt. Diese Anforderungen werden befriedigt beispielsweise durch redundanten Aufbau von Soft- und Hardware der Endgeräte und je nach Busprotokoll Maßnahmen wie laufende Zähler, CRCs, Quittierungen, Timeouts, Kennungen für Sender und Empfänger oder Redundanz mit Kreuzvergleich. Siehe dazu auch Sicherheitsanforderungsstufe, Sicherheitskonzept, Sicherheit. In der weltweit gültigen internationalen Norm IEC 61784-3: Industrial communication networks – Profiles – Part 3: Functional safety fieldbuses sind neun unterschiedliche Protokolle für sicherheitsgerichtete Feldbusse der Familien CPF 1, 2, 3, 6, 8, 12, 13 und 14 festgelegt. ⓘ

Eine weitere Sicherheitsfunktion von Feldbussen bezieht sich auf die Arbeitssicherheit, sofern Personen durch gefährliche Bewegungen bedroht sind. Hierfür werden Not-Aus-Betätigungen, Verriegelungen von Sicherheitstüren für Maschinen und Roboter, Lichtgitter und Lichtvorhänge sowie optische Scanner u. a. eingesetzt und vernetzt. Derartige Einrichtungen sind abnahmepflichtig (z. B. Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung in St. Augustin und TÜV). Die Realisierung erfolgt unter Verzicht auf zusätzliche konventionelle Verdrahtungen zunehmend durch innovative Feldbuslösungen, die ohne oben genannte Redundanzkonzepte auskommen und auf einem normalen Sensor-Aktuator-Feldbus realisierbar sind. Näheres zu einem System mit "Safety at Work" und seiner Entstehung findet sich in den Artikeln AS-Interface, Horst Saalbach und Werner Kriesel. ⓘ