Vernetzung von Steuerungssystemen: Vertrauenswürdige Kommunikationsschnittstellen für Position- und Bewegungssensoren

Kommunikationsschnittstellen bilden die unverzichtbare Verbindung zwischen Sensoren – den „Nerven“ eines Steuerungssystems – und den Controllern, dem „Gehirn“. Eine beeindruckende Vielfalt an Kommunikationstechnologien wurde entwickelt, um diese Verbindung herzustellen, meist mit auf bestimmte Steuerungssysteme zugeschnittenen Funktionen und Fähigkeiten. Sehen wir uns einige weit verbreitete Kommunikationstechnologien für die Bewegungssteuerung an.

Speziallösungen für Sonderfälle

Bei manchen Sensoren, die Rückmeldungen für die Bewegungssteuerung liefern, diktiert die Messtechnologie die Kommunikationsschnittstelle. Inkrementelle Geber liefern einen kontinuierlichen Strom von Signimpulsen – einen für jede Drehung der Geberwelle um einen bestimmten Winkel. Sie eignen sich hervorragend für die Drehzahlregelung, da der Controller die Drehgeschwindigkeit präzise aus dem Abstand zwischen den Impulsen bestimmen kann.

Viele inkrementelle Geber übertragen zwei Ausgangssignale, bezeichnet als A und B, mit einem Phasenunterschied von 90°, wodurch der Controller die Drehrichtung bestimmen kann. Einige geben zusätzlich ein Z-Signal pro Umdrehung an einem definierten Winkel aus, das einen präzisen Referenzpunkt liefert.

Die Verbindung zwischen einem inkrementellen Geber und seinem Controller muss Punkt-zu-Punkt erfolgen, mit einem dedizierten Kabel, das jeden Geber mit seinem Controller verbindet. Die Kommunikation basiert meist auf einem differenziellen Signal, das über verdrillte Adernpaare übertragen wird; die Anzahl der Adernpaare im Kabel hängt von der Anzahl der Signale (A, B und Z) ab.

Die Ausgangstreiber im Geber müssen mit der Schnittstelle am Controller kompatibel sein – Push-Pull (HTL) oder RS-422 (TTL) Ausgangstreiber sind gängige Standards, die die Signalspannung festlegen.

Absolutwertgeber

Der Rest dieses Artikels konzentriert sich auf Absolutwertgeber wie Geber und Neigungssensoren. Diese Geräte melden eine gemessene Position zu einem bestimmten Zeitpunkt, entweder als Spannungs-/Strompegel (analoge Geber) oder durch Übertragung eines digitalen Wortes oder „Telegramms“ (digitale Geber). Sie eignen sich ideal für Positioniersteuerungen.

Analoge Sensoren haben eine lange Geschichte; frühere Steuerungssysteme nutzten Potentiometer (variable Widerstände). In jüngerer Zeit wurden digitale Sensoren mit eingebauten D/A-Wandlern eingeführt, die entweder Spannungs- (z. B. 0–5 V) oder Stromausgänge (z. B. 0–20 mA) bieten. Sie verfügen über programmierbare D/A-Wandler, sodass ein vordefinierter Bereich mechanischer Bewegung (von einem Bruchteil einer Umdrehung bis zu mehreren Umdrehungen) den vollen elektrischen Ausgangsbereich des Systems (z. B. 0–5 V, 0–20 mA) abdecken kann. Dies verbessert Genauigkeit und Auflösung im wichtigsten Bewegungsbereich. Analoge Sensoren erfordern Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, oft mit relativ dicken Drähten, um den elektrischen Widerstand zu begrenzen.

Absolutwertgeber mit bitparalleler Schnittstelle geben Messwerte als digitales Wort aus, mit einem separaten Leiter für jedes Bit. Die Reaktion ist nahezu augenblicklich. Die Verbindung ist punkt-zu-punkt, typischerweise über ein Flachbandkabel. Da dieser Kabeltyp relativ sperrig und unflexibel ist, eignen sich bitparallele Systeme am besten für kurze Distanzen.

Digitale Punkt-zu-Punkt-Verkabelung

Bei der Punkt-zu-Punkt-Verkabelung führt ein dediziertes Kabel vom Controller zu jedem einzelnen Sensor. SSI (Serial Synchronous Interface) und BiSS (Bidirectional Serial Synchronous) Schnittstellen für Absolutwertgeber nutzen Punkt-zu-Punkt-Verkabelungssysteme. Dies sind digitale Schnittstellen, die direkt an SPS oder andere Controller angeschlossen werden können. SSI-Verbindungen bieten gute Geschwindigkeit (Taktraten bis 2 MHz), hohe Auflösung, flexible Verkabelung und zuverlässige Kommunikation bis zu einigen hundert Metern (wobei Baudraten bei größeren Entfernungen reduziert werden). SSI-Protokolle bieten grundlegende Fehlererkennung (Kabelbruch, Kurzschluss, Datenkonsistenz).

BiSS ist eine erweiterte Version von SSI, die Echtzeitkommunikation zwischen Steuergeräten und Sensoren/Aktuatoren in Servomotoren, Robotern und anderen Automatisierungssystemen unterstützt. Die Schnittstelle ermöglicht dem Controller auch, Betriebsparameter in Slave-Geräten zu setzen. Es gibt mehrere BiSS-Varianten, darunter BiSS C (kontinuierliche Kommunikation) und BiSS Line (für Konfigurationen konzipiert, die Stromversorgung und Datenübertragung in einem einzigen Kabel kombinieren). Open-Source-SSI- und BiSS-Schnittstellenstandards sind nicht proprietär und lizenzkostenfrei.

SSI- und BiSS-Kommunikation nutzen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen – typischerweise RS-422. Mehrere Geräte können für effizientere Kabellayouts in Reihe geschaltet (daisy-chained) werden.

Feldbus: Gemeinsame Zugriffs-Verkabelungssysteme

Punkt-zu-Punkt-Verkabelung funktioniert gut für Systeme mit kurzen Distanzen und begrenzter Geräteanzahl, aber mit zunehmender Sensorzahl können Verdrahtungslayouts unübersichtlich werden. Als automatisierte Systeme komplexer wurden und die Anzahl der angeschlossenen Geräte wuchs, führten mehrere Hersteller Feldbussysteme ein. Diese basieren auf einer Bustopologie, bei der mehrere Geräte einen gemeinsamen Verkabelungs-Backbone teilen. Feldbussysteme sind zuverlässig, schnell und relativ kosteneffizient. Anwendungen reichen von Förderbändern und Fertigungsanlagen bis zu mobilen Geräten, Medizintechnik, Windkraftanlagen und Solarpaneelen.

Dass mehrere Geräte einen gemeinsamen Kommunikationskanal teilen, kann Probleme mit Antwortzeiten verursachen – bei hoher Buslast können einzelne Sensornachrichten um eine unvorhersehbare Zeit verzögert werden. Um dies zu umgehen, erlauben die meisten Feldbusdesigns dem Bediener, Geräte nach Wichtigkeit zu priorisieren. Dies stellt sicher, dass kritische Nachrichten Vorrang erhalten. Die physikalische Schicht von Feldbussystemen basiert meist auf verdrillten Adernpaaren (z. B. EIA-485).

Beliebte Feldbusstandards sind Controller Area Network (CAN) von Bosch, CANopen, Profibus (Process Field Bus) von Siemens und DeviceNet von Allen-Bradley/Rockwell. DeviceNET, in Nordamerika weit verbreitet, kombiniert die CAN-Physische Schicht mit CIP (Common Industrial Protocol) auf höherer Ebene. SAE J1939, das die CAN-Datentransportstandards nutzt, ist für schwere Fahrzeuge optimiert.

Netzwerke bestehen aus physischen Elementen (Kabel, Steckverbinder, elektronische Bauteile zur Signalsteuerung) und logischen Elementen (Adressierungsschemata, Kommunikationsprotokolle, Geräteprofile etc., die in Software implementiert sind). In der Feldbuswelt nutzen viele Systeme CAN-Standards zur Definition der physischen Netzwerkaspekte, während höhere Protokolle – wie CANopen, DeviceNet, J1939 etc. – die Ende-zu-Ende-Funktionalität bereitstellen.

Industrial Ethernet

Industrial Ethernet nutzt dieselben technischen Grundlagen wie Büro-Ethernet, jedoch mit Erweiterungen, die es besser für raue Fabrikbedingungen eignen. Industriegerechte Switches können robuste, wasser- und staubdichte Gehäuse aufweisen, während viele Geräte statt anfälliger RJ45-Steckverbinder robuste M12-Steckverbinder verwenden.

Wichtig sind auch Protokoll-Upgrades. Industrielle Anwendungen – besonders Bewegungssteuerung – erfordern oft Echtzeitbetrieb ohne die unvorhersehbaren Übertragungsverzögerungen (Latenz oder Jitter), die in normalen Ethernet-Netzen auftreten können. Industrial-Ethernet-Systeme wie Profinet IRT, EtherNet/IP und Ethernet Powerlink adressieren dies durch modifizierte Protokollstapels und spezielle Hardware, die kritischen Nachrichten priorisierten Zugriff auf Netzwerkbandbreite gewähren. Die dafür nötigen Spezialkomponenten können Systemkomplexität und Kosten erhöhen.

Zu beachten ist, dass Ethernet zwar eine Vision von unbegrenzter Geräteanzahl und flexiblen Topologieoptionen bietet, Fragen der Systemleistung – besonders für Echtzeit-Bewegungssteuerung – jedoch Designkompromisse erfordern können, die lokalen Datenverkehr reduzieren und direkte Kommunikationspfade für kritische Komponenten schaffen.

IO-Link ist ein kostengünstiges, einfach zu implementierendes Kommunikationssystem, das Verbindungen zwischen Feldbus- oder Industrial-Ethernet-Netzwerken und einfachen Sensoren oder Aktoren auf der Fabrikhalle vereinfacht. An einer Seite eines IO-Link-Master-Gateways befindet sich eine Schnittstelle zum werksweiten Netzwerk, die andere Seite hat mehrere Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zu einzelnen Sensoreinheiten.

Die IO-Link-Schnittstelle für Endgeräte ist relativ einfach, wodurch die Notwendigkeit entfällt, komplexe Kommunikationsprotokolle auf Sensor/Aktor-Ebene zu unterstützen. IO-Link unterstützt verschiedene Datentypen einschließlich Messdaten, Gerätekonfigurationsanweisungen und Informationen über Betriebsparameter wie Temperatur.

Drahtlose Kommunikation

Drahtlose Technologien ermöglichen Kommunikation mit mobilen Maschinen (z. B. fahrerlosen Transportsystemen) oder Geräten, die häufig umpositioniert werden müssen. Wi-Fi (IEEE 802.11) und Bluetooth sind weit verbreitete Standards für kurzreichweitige drahtlose Kommunikation. Andere Standards stehen für größere Reichweiten zur Verfügung, können jedoch niedrigere Datenraten haben. Aufkommende 5G-Netze versprechen hohe Datenraten und niedrige Latenz.

Drahtlose Kommunikation kann in elektrisch rauschenden Umgebungen weniger zuverlässig sein als kabelgebundene Verbindungen und für hochgradig zeitabhängige Rückmeldesignale ungeeignet sein. Bei einem Lagerroboter kann beispielsweise ein Funksignal die Anweisung geben, Material von einem bestimmten Ort zu holen. Sensoren für Lenkung, Geschwindigkeitsregelung und Kollisionsvermeidung wären jedoch typischerweise fest mit dem Steuerungssystem verdrahtet, um zuverlässige, sofortige Reaktion zu gewährleisten.

Offene Standards für Kompatibilität

Kein einzelner Anbieter kann Best-in-Class-Ausrüstung für jeden Teil eines komplexen Automatisierungssystems liefern, weshalb Lieferanten industrieller Netzwerktechnologien von proprietären Netzwerksystemen zu offenen (herstellerneutralen) Schnittstellen- und Netzwerkstandards übergegangen sind. Mit diesen Standards können Käufer von Bewegungssteuerungsausrüstung zertifizierte Komponenten verschiedener Anbieter kombinieren, in der Erwartung, dass alles zusammen funktioniert.

Wichtige Branchenstandardisierungsorganisationen sind die Open Device Vendors Association (Sponsoren von DeviceNet und Ethernet/IP), die CAN in Automation Association (Sponsoren der CANopen-Protokolle) und die Profibus Nutzerorganisation (Sponsoren von Profibus- und Profinet-Schnittstellen).

Dieser Artikel wurde von Christian Fell, General Manager bei FRABA Inc., Hamilton, NJ, verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier.