Ratgeber
Buskabel: Ihr Helfer im IT-Bereich
Wie im analogen Leben übernimmt auch in der Elektronik ein Bus Transportaufgaben. Statt Menschen befördert er Daten, und zwar nach bestimmten Fahrplänen, den Protokollen. Ein solcher Datenbus definiert Ein- und Ausgänge der Signale über einen gemeinsamen Übertragungsweg und ist einer der wichtigsten Teile beispielsweise einer Prozesssteuerung. Hier laufen die Signale von Ethernet-Switches, Controllern, Schaltern, Sensoren, Aktoren und anderen Kommunikationskomponenten zusammen.
Da bei kabelgebundenenen externen Systemen die Leitungen eine wichtige Rolle spielen, informieren wir Sie in unserem Ratgeber über die entscheidenden Auswahlkriterien. Wir stellen Ihnen außerdem die populärsten industriellen Bussysteme vor.
In der Computertechnik wird ein Bus als ein Kommunikationssystem bezeichnet, das Daten zwischen Komponenten überträgt. Ein Beispiel wäre USB. USB steht für Universal Serial Bus. Viele Geräte verwenden dieses Kabel, diesen Anschluss und dieses Protokoll, um mit einem Computer zu kommunizieren.
Ein industrieller Bus ist ein Kommunikationssystem, das Daten zwischen Komponenten oder Geräten auf verschiedenen Ebenen in einer Produktionsanlage überträgt: der Informationsebene, der Steuerungsebene und der Feldebene.
Das Besondere an vielen Feldbussystemen ist die Master/Slave-Architektur. Eine ähnliche Systematik wurde in früher üblichen IDE-Festplatten verwendet, eine Platte musste als Master gejumpert sein, weitere Platten als Slaves. Die Topologie in Feldbussen sieht allerdings – im Gegensatz zu IDE-Festplatten – ein echtes Verhältnis zwischen Meister und Sklaven vor: Der Meister empfängt Signale von Sensoren und erteilt Aktoren entsprechende Befehle. Um zum Beispiel einen Flüssigkeitsstrom aufrechtzuerhalten, überwacht ein Sensor das Flüssigkeitsvolumen und ein Aktor stellt nach Anweisung durch den Master das Ventil so ein, dass es sich öffnet und schließt, um den gewünschten Füllstand zu erreichen.
Bei dieser Kommunikation sind grundsätzlich immer nur der Master und ein einziger Slave beteiligt, die anderen Slaves müssen warten, bis sie dran sind. Als Master fungiert in der Regel ein leistungsfähiges Computersystem, üblicherweise eine speicherprogrammierbare Steuerung, kurz SPS. Häufig sind auch mehrere Master zu einer Einheit gekoppelt, genutzt wird dabei oft die Vernetzungstechnik Token Ring. Bei dieser Topologie werden Daten-Kollisionen zwischen Computern vermieden, die gleichzeitig Signale senden wollen.
1. Smart Sensor | 2. Sensor | 3. Sensor | 4. Funksensoren | 5. Funkemfpänger | 6. Aktor | 7. Steuergerät | 8. Master
Auf der Feldebenen laufen die Signale in der Regel über Buskabel. In einigen Bereichen allerdings erfolgt die Kommunikation drahtlos, beispielsweise dann, wenn eine feste Verlegung der Busleitung nicht möglich ist. Dennoch ist auch der WLAN-Router über ein Datenkabel an den Bus angeschlossen.
Die Auswahl des richtigen Busleitung wird durch die Ader-Zahl, den Leiter-Durchmesser beziehungsweise -Querschnitt und die Abschirmung bestimmt. Hinzu kommt die Widerstandsfähigkeit gegenüber Umwelteinflüssen.
Die Anzahl der Adern ist naturgemäß von der Anzahl der Sensoren und Aktoren abhängig. Im einfachsten Fall besteht die Leitung aus lediglich 2 Adern, es gibt aber auch Bus-Leitungen mit 25 Adern. Zur vereinfachten Installation sind in einigen Kabeln jeweils zwei Adern miteinander verdrillt. So enthalten häufig eingesetzte Busleitungen 5 mal 2 oder 3 mal 2 Drähten mit zusätzlichen 3 weiteren Drähten. Je nach Leistungsbedarf der angeschlossenen Systeme sind auch die Querschnitte zu beachten, wobei dünnere Leitungen einen größeren Widerstand besitzen und nicht für hohe Stromstärken geeignet sind. Sie sind deshalb vorrangig für den Anschluss von Sensoren geeignet.
Die Skala der Querschnitte reicht von 0,08 bis zu 6 Quadratmillimeter, wobei die Mehrheit einen Querschnitt von 0,25 Quadratmillimeter aufweist. Das entspricht einem Durchmesser von 0,56 Millimeter. Ein Draht mit 6 Quadratmillimeter Querschnitt besitzt dagegen einen Durchmesser von 2,76 Millimeter.
Da in zahlreichen Produktionsumgebungen elektromagnetisch betriebene Stellwerke und Maschinen zu finden sind, spielt die Abschirmung des Kabels gegenüber Störfeldern eine bedeutende Rolle. Sie ist im Allgemeinen durch eine die Adern umhüllende Metallfolie oder ein Metallgeflecht gewährleistet.
Industrielle Automatisierungsbereiche befinden sich oft in Reinräumen oder in rauen Umgebungen. Chemische Abwaschungen, Biegevorgänge durch Roboter, große Hitze oder Petroleumöle sind allesamt Kandidaten für Leitungsschäden. In diesen Anwendungen und Umgebungen fallen handelsübliche Kabel oft aus und verursachen ungeplante und ungewollte Abschaltungen.
Bei der Auswahl der Busleitung ist daher auf die Widerstandsfähigkeit des Kabelmantels zu achten. Einige Hersteller versehen ihre Kabel zur leichteren Selektion mit dem Begriff ‚robust‘.
Profibus
Der Profibus ist ein typisches Master/Slave-Netzwerk und besteht aus einer Vielzahl von Protokollen, die auf demselben Feldbustechnologiepaket aufbauen. Benutzer können verschiedene Protokolle mit ihrer eigenen Software und anderen Anforderungen kombinieren. Im Einsatz sind aktuell zwei Varianten: DP und PA.
Die DP-Version wird verwendet, um Sensoren und Aktoren über eine zentrale Steuerung in der Produktionsautomatisierung zu betreiben.
Die PA-Variante – PA steht für Prozessautomatisierung – wird zur Überwachung von Messgeräten über ein Prozessleitsystem in Anwendungen der Prozessautomatisierung eingesetzt. Diese Version ist für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen konzipiert.
Die Buskabel müssen der Norm IEC 61158-2 entsprechen, da die Spannungsversorgung der Feldgeräte über den Bus bei gleichzeitiger Strombegrenzung erfolgen muss. Im Fall einer Störung dürfen keine explosiven Bedingungen entstehen. Die PA-Variante verfügt über eine Datenübertragungsrate von 31,25 Kilobit pro Sekunde, verwendet das gleiche Protokoll wie DP und lässt sich mit Hilfe eines Kopplers an ein DP-Netzwerk anschließen. Das viel schnellere DP fungiert dabei als Backbone-Netzwerk für die Übertragung von Prozesssignalen an die Steuerung.
KNX
Der KNX-Bus wurde bekannt als EIB, als Europäischer Installations-Bus. Dieser Bus findet sich recht häufig in der Gebäudeautomation und wird parallel zur elektrischen Stromversorgung zu allen Geräten und Systemen im Netzwerk verlegt. Die verschiedenen Elemente der Gebäudetechnik sind über die KNX-Busleitung – überwiegend eine sogenannte MSR-Leitung zur festen Verlegung – miteinander verbunden.
Über die Konfiguration und Programmierung kann das Verhalten des Systems definiert und verändert werden. Das KNX-System weiß, wo sich jedes Gerät befindet, was es tut und wie man mit ihm kommunizieren kann. KNX-Kabel verfügen über eine flammwidrige, nicht korrosive, raucharme und halogenfreie Ummantelung. Sie können daher sowohl in Privathäusern als auch in öffentlichen Einrichtungen eingesetzt werden.
CAN
Ein Controller Area Network – kurz CAN – ist ein hochintegriertes serielles Bussystem zur Vernetzung intelligenter Geräte. CAN-Busse, CAN-Bus-Kabel und -Geräte sind gängige Komponenten in Automobil- und Industriesystemen. CAN wurde ursprünglich für die Verkabelung in Kraftfahrzeugen entwickelt, seine häufigste Anwendung ist daher die elektronische Vernetzung im Fahrzeug. Da jedoch in den letzten 20 Jahren auch andere Branchen die Zuverlässigkeit und die Vorteile von CAN erkannt haben, wurde der Bus für eine Vielzahl von Applikationen eingesetzt. CAN-Geräte finden sich zum Beispiel bei Bussen und Bahnen in Türsteuerungen, Bremssteuerungen und Fahrgastzählgeräten aber auch im medizinischen Bereich. Einige Krankenhäuser verwenden CAN sogar zur Steuerung kompletter Operationssäle. Viele Unternehmen nutzen das CANopen-Protokoll, um Steuerungen, Türen und Lichtschranken miteinander zu verbinden. CANopen wird auch in nicht-industriellen Anwendungen wie Laborgeräten, Sportkameras, Teleskopen, automatischen Türen und sogar Kaffeemaschinen eingesetzt.