Netzwerke vs. Busse: Klare Leitlinien zur Verkabelung in digitalen Systemen

Die Drähte zwischen dem Tank und der Überwachungsstelle werden als Bus oder Netzwerk bezeichnet. Die Unterscheidung zwischen diesen Begriffen ist mehr semantisch als technisch, und beide können für alle praktischen Zwecke austauschbar verwendet werden. Meiner Erfahrung nach wird „Bus“ meist für Drähte verwendet, die digitale Komponenten innerhalb eines Computergehäuses verbinden, während „Netzwerk“ für physisch ausgedehntere Strukturen steht.

In jüngerer Zeit hat jedoch „Bus“ an Popularität gewonnen, um Netze zu beschreiben, die diskrete Instrumentensensoren über große Entfernungen verbinden („Fieldbus“ und „Profibus“ sind zwei Beispiele). In jedem Fall beziehen wir uns auf das Mittel, mit dem zwei oder mehr digitale Geräte verbunden werden, damit Daten zwischen ihnen kommuniziert werden können.

Namen wie „Fieldbus“ oder „Profibus“ umfassen nicht nur die physische Verkabelung des Bus oder Netzwerks, sondern auch die spezifizierten Spannungspegel für die Kommunikation, ihre Timing-Sequenzen (insbesondere bei serieller Datenübertragung), Stecker-Pinout-Spezifikationen und alle anderen unterscheidenden technischen Merkmale des Netzwerks.

Mit anderen Worten: Wenn wir von einem bestimmten Bus- oder Netzwerktyp beim Namen sprechen, sprechen wir tatsächlich von einem Kommunikationsstandard, grob analog zu den Regeln und dem Vokabular einer geschriebenen Sprache. Beispielsweise müssen sich zwei Brieffreunde in einem gemeinsamen Format schreiben können, bevor sie sich Briefe schicken können.

Ein bloßes Postsystem, das ihre Briefe zustellt, reicht nicht aus. Wenn sie sich darauf einigen, auf Französisch zu schreiben, verpflichten sie sich zu den Konventionen von Zeichensatz, Vokabular, Rechtschreibung und Grammatik, die vom Standard der französischen Sprache festgelegt sind.

Ebenso können zwei Profibus-Geräte nur deshalb miteinander kommunizieren, weil der Profibus-Standard wichtige Details wie Spannungspegel, Timing-Sequenzen etc. spezifiziert. Bloß ein Satz Drähte zwischen mehreren Geräten zu haben, reicht nicht für ein funktionierendes System (insbesondere wenn die Geräte von verschiedenen Herstellern gebaut wurden!).

Zur detaillierten Illustration entwerfen wir unseren eigenen Bus-Standard. Nehmen wir das grobe Wasserstandsmesssystem mit fünf Schaltern zur Erkennung verschiedener Wasserstände und nutzen (mindestens) fünf Drähte zur Signalübertragung zum Ziel, können wir das Fundament für den mächtigen BogusBus legen:

 

 

Die physische Verkabelung für den BogusBus besteht aus sieben Drähten zwischen Sender (Schalter) und Empfänger (Lampen). Der Sender umfasst alle Komponenten und Verkabelungsverbindungen links der linken Steckverbinder (die „—>>—“ Symbole). Jedes Steckverbindersymbol repräsentiert ein komplementäres männliches und weibliches Element. Die Bus-Verkabelung besteht aus den sieben Drähten zwischen den Steckverbindpaaren.

Schließlich liegen der Empfänger und seine gesamte Verkabelung rechts der rechten Steckverbinder. Fünf der Netzwerkdrähte (beschriftet 1 bis 5) führen die Daten, während zwei Drähte (beschriftet +V und -V) Gleichstromversorgungsanschlüsse bereitstellen. Es gibt einen Standard für die 7-Pin-Steckverbinder. Das Pin-Layout ist asymmetrisch, um „rückwärts“ Verbinden zu verhindern.

Damit Hersteller die ehrfurchtgebietende „BogusBus-konform“ Zertifizierung erhalten, müssen sie den Spezifikationen der BogusBus-Designer entsprechen (wahrscheinlich eine andere Firma, die den Bus für eine spezifische Aufgabe entwarf und ihn schließlich für vielfältige Zwecke vermarktete). Beispielsweise müssen alle Geräte die 24-Volt-Gleichstromversorgung des BogusBus nutzen können: die Schalterkontakte im Sender müssen für das Schalten dieser Gleichspannung ausgelegt sein, die Lampen definitiv für die Speisung durch diese Spannung, und die Steckverbinder müssen das alles handhaben können.

Die Verkabelung muss natürlich demselben Standard entsprechen: Lampen 1 bis 5 müssen beispielsweise an die passenden Pins verdrahtet sein, damit beim Schließen von LS4 des Herstellers XYZ Lampe 4 des Herstellers ABC aufleuchtet, usw. Da sowohl Sender als auch Empfänger Gleichstromversorgungen mit 24 Volt Ausgang enthalten, müssen alle Sender/Empfänger-Kombinationen (aller zertifizierten Hersteller) Netzteile haben, die sicher parallel geschaltet werden können.

Betrachten Sie, was passieren könnte, wenn Hersteller XYZ einen Sender mit der negativen (-) Seite ihrer 24VDC-Versorgung an Erdpotenzial legt und Hersteller ABC einen Empfänger mit der positiven (+) Seite ihrer 24VDC-Versorgung an Erdpotenzial legt. Wenn beide Erdpotenziale relativ „solid“ sind (niedriger Widerstand zwischen ihnen, wie bei Erdung an der Metallstruktur eines Industriegebäudes), würden sich die beiden Netzteile kurzschließen!

BogusBus ist natürlich ein völlig hypothetisches und sehr unpraktisches Beispiel eines digitalen Netzwerks. Es hat extrem schlechte Datenauflösung, erfordert umfangreiche Verkabelung und kommuniziert nur in eine Richtung (von Sender zu Empfänger). Es dient jedoch als Tutorial-Beispiel dafür, was ein Netzwerk ist und welche Überlegungen mit Netzwerkauswahl und -betrieb verbunden sind.

Es gibt viele Bus- und Netzwerktypen, denen Sie in Ihrem Beruf begegnen könnten. Jeder hat seine eigenen Anwendungen, Vor- und Nachteile. Es lohnt sich, sich mit der „Alphabetsuppe“ vertraut zu machen, die die verschiedenen Designs kennzeichnet:

Kurzstrecken-Busse

PC/AT
Bus in frühen IBM-kompatiblen Computern zum Anschluss von Peripheriegeräten wie Laufwerken und Soundkarten an das Motherboard.

PCI
Ein weiterer Bus in PCs, nicht auf IBM-kompatible beschränkt. Deutlich schneller als PC/AT. Typische Datenrate 100 MByte/s (32 Bit) und 200 MByte/s (64 Bit).

PCMCIA
Bus zum Anschluss von Peripheriegeräten an Laptop- und Notebook-PCs. Sehr kleiner physischer „Footprint“, aber deutlich langsamer als andere populäre PC-Busse.

VME
Hochleistungsbus (ko-designet von Motorola, basierend auf Motorolas früherem Versa-Bus-Standard) für vielseitige Industrie- und Militärcomputer, wo mehrere Speicher-, Peripherie- und sogar Mikroprozessorkarten in ein passives „Rack“ oder „Card Cage“ gesteckt werden können, um kundenspezifische Systemdesigns zu erleichtern. Typische Datenrate 50 MByte/s (64 Bit breit).

VXI
Eigentlich eine Erweiterung des VME-Bus, VXI (VME eXtension for Instrumentation) umfasst den Standard-VME-Bus plus Steckverbinder für analoge Signale zwischen Karten im Rack.

S-100
Manchmal Altair-Bus genannt, war dieser Standard das Produkt einer Konferenz 1976, gedacht als Interface zum Intel 8080 Mikroprozessor. Ähnliche Philosophie wie VME, wo Mehrfach-Funktionskarten in ein passives „Rack“ gesteckt werden können, was den Bau kundenspezifischer Systeme erleichtert.

MC6800
Das Motorola-Äquivalent zum Intel-zentrierten S-100-Bus, designed zum Anbinden von Peripheriegeräten an den populären Motorola 6800 Mikroprozessor.

STD
Steht für Simple-To-Design, ein weiterer passiver „Rack“-Bus ähnlich PC/AT, eignet sich gut für Designs basierend auf IBM-kompatibler Hardware. Entwickelt von Pro-Log, 8 Bit breit (parallel), nimmt relativ kleine (4,5 x 6,5 Zoll) Schaltkarten auf.

Multibus I und II
Ein weiterer Bus für flexibles Design kundenspezifischer Computersysteme, von Intel designed. 16 Bit breit (parallel).

CompactPCI
Industrielle Adaption des PC-PCI-Standards, als höherleistungsfähige Alternative zum älteren VME-Bus konzipiert. Bei 66 MHz Bustakt erreichen Datenraten 200 MByte/s (32 Bit) oder 400 MByte/s (64 Bit).

Microchannel
Ein weiterer Bus, von IBM für ihre unglückliche PS/2-Serie entwickelt, zum Interface von PC-Motherboards zu Peripheriegeräten.

IDE
Bus primär zum Anschluss von PC-Festplatten an passende Peripheriekarten. Weit verbreitet in heutigen PCs für Festplatten- und CD-ROM-Laufwerksanbindung.

SCSI
Alternative (technisch überlegen zu IDE) Bus für PC-Laufwerke. SCSI steht für Small Computer System Interface. Verwendet in einigen IBM-kompatiblen PCs, Macintosh (Apple) und vielen Mini- und Mainframe-Business-Computers. Schnittstelle für Festplatten, CD-ROM, Floppy, Drucker, Scanner, Modems und viele weitere Peripheriegeräte. Geschwindigkeiten bis 1,5 MByte/s im Originalstandard.

GPIB (IEEE 488)
General Purpose Interface Bus, auch HPIB oder IEEE 488, gedacht für den Anschluss elektronischer Testgeräte wie Oszilloskope und Multimeter an PCs. 8 Bit breiter Adress/Daten-„Pfad“ mit 8 zusätzlichen Leitungen für Kommunikationskontrolle.

Centronics Parallel
Weit verbreitet an PCs für Drucker- und Plotter-Anbindung. Manchmal auch für andere Peripheriegeräte wie externe ZIP-Laufwerke (100 MByte Floppy) und Tape-Drives.

USB
Universal Serial Bus, gedacht zum Verbinden vieler externer Peripheriegeräte (Tastaturen, Modems, Mäuse etc.) mit PCs. Lange auf Macintosh PCs genutzt, jetzt auch auf IBM-kompatiblen Maschinen Standard.

FireWire (IEEE 1394)
Hochgeschwindigkeits-Serialnetzwerk fähig zu 100, 200 oder 400 Mbit/s mit vielseitigen Features wie „Hot Swapping“ (Geräte bei laufendem Betrieb hinzufügen/entfernen) und flexibler Topologie. Für High-Performance-PC-Interfacing designed.

Bluetooth
Funkbasiertes Kommunikationsnetzwerk für Büro-Vernetzung von Computegeräten. Datensicherheitsvorschriften in den Standard integriert.

 

Fernstrecken-Netzwerke

20 mA Stromschleife
Nicht zu verwechseln mit dem gängigen Instrumentierungs-4-20-mA-Analogstandard, dies ist ein digitales Kommunikationsnetzwerk basierend auf Unterbrechung einer 20 mA (manchmal 60 mA) Stromschleife zur Darstellung binärer Daten. Obwohl die niedrige Impedanz gute Rauschimmunität gibt, ist es anfällig für Verkabelungsfehler (wie Brüche), die das gesamte Netzwerk ausfallen lassen.

RS-232C
Das gängigste serielle Netzwerk in Computersystemen, oft zum Verbinden von Peripheriegeräten wie Druckern und Mäusen mit einem PC. Begrenzt in Geschwindigkeit und Distanz (typisch 15 m und 20 kbit/s, obwohl höhere Geschwindigkeiten bei kürzeren Distanzen möglich). RS-232C wird oft einfach als RS-232 bezeichnet (ohne „C“).

RS-422A/RS-485
Zwei serielle Netzwerke, designed um Distanz- und Vielseitigkeitslimitationen von RS-232C zu überwinden. Weit verbreitet in der Industrie zum Verbinden serieller Geräte in elektrisch „rauhen“ Werksumgebungen. Deutlich größere Distanz- und Geschwindigkeitsgrenzen als RS-232C, typisch über 800 m und Geschwindigkeiten bis 10 Mbit/s.

Ethernet (IEEE 802.3)
Hochgeschwindigkeitsnetzwerk, das Computer und einige Peripherietypen verbindet. „Normales“ Ethernet läuft mit 10 Mbit/s, „Fast“ Ethernet mit 100 Mbit/s. Das langsamere (10 Mbit/s) Ethernet wurde vielfältig auf Kupfer realisiert (Dickkoax = „10BASE5“, Dünnkoax = „10BASE2“, Twisted Pair = „10BASE-T“), Funk und Glasfaser („10BASE-F“). Fast Ethernet ebenfalls auf verschiedenen Medien (Twisted Pair 2 Paar = 100BASE-TX; Twisted Pair 4 Paar = 100BASE-T4; Glasfaser = 100BASE-FX).

Token Ring
Ein weiteres Hochgeschwindigkeitsnetzwerk zum Verbinden von Computergeräten, mit einer Kommunikationsphilosophie, die sich stark von Ethernet unterscheidet, was präzisere Reaktionszeiten einzelner Netzwerkgeräte und größere Immunität gegen Verkabelungsschäden erlaubt.

FDDI
Sehr hochgeschwindiges Netzwerk ausschließlich auf Glasfaserkabel implementiert.

Modbus/Modbus Plus
Ursprünglich von der Modicon Corporation implementiert, einem großen PLC-Hersteller, zum Verbinden entfernter I/O-Racks mit einem PLC-Prozessor. Noch immer sehr populär.

Profibus
Ursprünglich von der Siemens Corporation implementiert, einem weiteren großen PLC-Ausrüster.

Foundation Fieldbus
Hochleistungsbus explizit designed, um mehrere Prozessgeräte (Messumformer, Regler, Ventilpositionierer) die Kommunikation mit Host-Computern und untereinander zu ermöglichen. Könnte langfristig das 4-20-mA-Analogsignal als Standard für Prozessleittechnik verdrängen.