IoT-Basics

Bussysteme, Schnittstellen und Sensornetze

| Autor / Redakteur: Edmund Schiessle / Nico Litzel

Bussysteme und Sensornetze spielen eine wesentliche Rolle im Rahmen der Industrie 4.0.
Bussysteme und Sensornetze spielen eine wesentliche Rolle im Rahmen der Industrie 4.0. (Bild: Pixabay / CC0)

Ob PROFIBUS, CAN, I²C oder Ethernet: Bussysteme sind für die Datenübertragung zuständig und müssen elektrisch und mechanisch sehr robust sein. Der Beitrag vermittelt einen Überblick über die für Industrie 4.0 und das IoT relevanten Bussysteme, Schnittstellen (z.B. OPC UA) und Sensornetzwerke.

Bussysteme und Sensornetzen sind echte Essentials, wenn es um die Realisierung einer hochentwickelten, flexiblen und damit komplexen Großserien-Produktion (Industrie 4.0), einer zunehmend autonomen Robotik und autonomen Fahrzeugtechnik geht. Die dazu notwendige Automation kann nur durch die Einführung von intelligenten technischen Verfahren – gekennzeichnet durch Selbstoptimierung, Selbstkonfiguration,Selbstdiagnose, Selbstreparatur und Autokommunikation (Internet der Dinge) – erreicht werden.

Bussysteme – von PROFIBUS über CAN zu Ethernet und USB

Bussysteme sind für die Datenübertragung zuständig und müssen elektrisch und mechanisch sehr robust sein, damit sie in einer rauen industriellen Umgebung zuverlässig funktionieren. Bei konventioneller Verdrahtung muss jedes Sensorsignal in Einzelverdrahtung auf den Eingang eines elektronischen Steuergerätes geführt werden.

Da jeder Sensor an eine externe Energieversorgungsleitung angeschlossen werden muss, entsteht sehr schnell ein großer Verdrahtungsaufwand mit vielen Verteilerstellen und Klemmverbindungen. Dieser umfangreiche technische Aufbau erzeugt eine hohe Fehleranfälligkeit. Aus der Praxis ist bekannt, dass ca. 95 Prozent aller Fehler in den Peripheriekomponenten und nur fünf Prozent in den eigentlichen Informationssystemen der Automatisierung auftreten.

Moderne Bussysteme zeichnen sich also dadurch aus, dass nicht jeder Sensor eine eigene Leitung z.B. zu einer Zentralsteuereinheit hat, sondern dass nur eine einzige Leitung existiert, die durch alle Sensoren geführt wird. Die Informationen werden daher nicht mehr gleichzeitig auf parallelen laufenden Leitungen, sondern zeitversetzt seriell auf einer gemeinsamen Leitung übertragen. Dazu muss jeder Information eine Adresse zur Identifikation mitgegeben werden. Dies kann durch ein vom Hersteller unabhängiges Protokoll sichergestellt werden.

Historisch bedingt, bevorzugen verschiedene Branchen folgende Bussysteme:

Im Folgenden werden die heute bekanntesten Bussysteme aufgelistet:

Für die Einsatzbereiche der unterschiedlichen Bussysteme werden verschiedene Ebenen unterschieden. In der sog. Feldebene werden auch komplexe (intelligente) Sensoren und Aktoren angeschlossen. Im Weiteren wird, gemäß der obigen Begründung, der zunehmend in der Sensorik, der Messtechnik, der Automation und der Mechatronik eingesetzte CANBUS, ein Feld-Bus, beschrieben.

Der serielle CAN-Bus (Control Area Network) wurde schon in den 1980er-Jahren von den Firmen Bosch und Intel zur Vernetzung von Sensoren, Aktoren und elektronischen Steuergeräten speziell im Automobilbau unter der Bezeichnung CAN (Car Area Network) entwickelt. Die entstandene massenhafte Anwendung des CANBusses in der Kraftfahrzeugtechnik (ab 1991) hat dann dazu geführt, dass der CANChip wesentlich einfacher und viel kostengünstiger als alle anderen Bus-Chips einsetzbar ist.

Da der CAN-Bus historisch für den Einsatz in der Kraftfahrzeugtechnik entwickelt wurde, sind naturgemäß sehr hohe Anforderungen an eine Reduzierung des Verdrahtungsaufwandes, an eine erhöhte Verfügbarkeit sowie an eine hohe störungsfreie und sichere Signal- und Datenübertragung gestellt worden. Das CANProtokoll enthält dadurch auch verschiedene Maßnahmen zur Fehlererkennung. Das wiederum hat auch dazu geführt, dass der CAN-Bus in der Industrieautomatisierung, der Sensor/Aktor-Prozessorik und allgemein in der Sensorvernetzung eingesetzt wird. Die Busleitung ist 2-adrig verdrillt, abgeschirmt und mit Abschlusswiderständen (150 Ω) auf beiden Enden versehen.

Technische Daten des CAN-Busses

Es folgt ein einfaches Beispiel zur Veranschaulichung der Arbeitsweise des CANBusses. Ein sendungswilliges Gerät 1 (Smart-Sensor 1) hört das Trägermedium (CANBus) ab und beginnt mit einer Signalübertragung, wenn das Medium signalfrei ist. Ist das Medium jedoch schon mit einem Signal von einem anderen Gerät 2 (Smart-Sensor 2) beaufschlagt, wird das Ende der aktuell laufenden Signalübertragung des Gerätes 2 (Smart-Sensor 2) abgewartet und erst unmittelbar nach Abschluss seiner Signalübertragung mit der Signalübertragung des Gerätes 1 (Smart-Sensor 1) begonnen.

Die gesendeten Signale werden also immer überwacht. Sollten zwei Geräte zufällig zeitgleich mit ihrer Signalübertragung beginnen, sind Prioritäten vergeben so, dass das Gerät mit der niedrigeren Priorität seine Signalübertragung unterbricht. Damit wird eine Kollision der Signale verhindert (Collision Avoidance, CA). Das Gerät mit der niedrigeren Priorität bricht die Signalübertragung ab und versucht seine Daten im Anschluss an die aktuell laufende Signalübertragung zu senden.

Im Folgenden werden die allgemeinen technischen Daten des CAN-Busses dargestellt.

  • Topologie: linear
  • Reichweite: von 1 km bei 50 kBd und 40 m bei 1 MBd (1 Bd = 1 bit/s)
  • 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: RS485 modifiziert, 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 zuständig. Verwendung finden heute die digitalen standardisierten Schnittstellen OPC-UA und Ethernet-TCP-IP zwischen Maschinen, Steuerungs- und Überwachungseinheiten. Ethernet ist die in Deutschland am häufigsten eingesetzte digitale Schnittstellentechnik für einen Datenaustausch zwischen Geräten und Rechnernetzwerk (LAN). TCP/IP ist das Kürzel für transmission control protocol/internet protocol.

In Europa setzt sich immer stärker der OPC-UA-Standard durch. OPC ist das Kürzel für «open platform communication» und UA für «unified architecture». Mit dieser neuen digitalen standardisierten Schnittstelle können ältere Schnittstellenkonzepte ersetzt werden. Ein Vorteil dieser Standardisierung ist eine einheitliche Protokollsprache mit einheitlicher Datenstruktur, unabhängig von den einzelnen Branchen.

Sensornetze und Sensorknoten

Ein drahtloses Sensornetz («Wireless Sensor Network», WSN) ist Rechnernetz bestehend aus vielen Sensorknoten. Die Sensorknoten sind per HF-Technik miteinander verbunden. Sie kommunizieren und arbeiten zusammen, entweder als Infrastrukturbasierte Netze oder sich selbst organisierende Sensornetze, um ihre technische Umwelt mittels Sensoren abzufragen und die gewünschten Informationen zu erhalten und weiterzuleiten

Der kleinste existierende Sensorknoten hat einen Durchmesser von einem Millimeter (2015), das bisher größte Sensornetz besteht aus 1000 Sensorknoten. Vergleichbare Aktornetze sind 2015 noch nicht bekannt, da die notwendige Energie von Aktoren und der Schutz vor Fehlfunktionen zu kompliziert sind.

Technischer Aufbau und Funktion eines Sensorknotens

Auch wenn sich Hardware-Plattformen im Detail unterscheiden, ist der grundlegende Aufbau der Sensorknoten immer gleich. Er besteht aus folgenden Komponenten:

  • Mikrocontroller: Ein Mikrocontroller, oft frei programmierbar, steuert den Sensorknoten, erfasst die Daten der Sensoren, führt Vorverarbeitung durch und koordiniert die Kommunikation mit benachbarten Sensorknoten.
  • Speicher: In einen externen nichtflüchtigen EEPROM oder Flash-Speicher werden Programme und Zwischenergebnisse eingeschrieben.
  • Sensoren: Sensoren bestehen oft aus analogen Elementarsensoren, die Messgrößen erfassen (z.B. ein Thermoelement zur Messung von Temperaturen), und einem A/D-Wandler. Digitale Sensoren können über ein einfaches Interface direkt an den Mikrocontroller angeschlossen werden.
  • Transceiver (Transmitter – «Sender»– und Receiver– «Empfänger»): Ein Transceiver überträgt technische Daten zwischen den einzelnen Sensorknoten. Er kann Daten empfangen und senden. Die WNS-Frequenzen liegen zwischen 433 MHz und 2,4 GHz.
  • Neben der Funk-Übertragungstechnik kann in geeigneten Fällen auch eine optoelektronische Übertragungstechnik eingesetzt werden.
  • Energieversorgung: Die größten Energieverbraucher sind Mikrocontroller und Transceiver. Für die unabhängig von einer festen Stromquelle arbeitenden Sensorknoten ist die geeignete Energieversorgung wichtig. Bei kleinem Energiebedarf eines Sensorknotens werden oft nicht wieder aufladbare Batterien gewählt, da diese eine höhere Energiedichte und geringere Selbstentladung haben als wieder aufladbare Batterien. Die Lebensdauer einer Batterie sollte daher ein Jahr betragen. Die Energieversorgungszeit eines Sensorknotens kann aber verlängert werden, wenn z.B. ein Akkumulator über Photovoltaik wieder aufgeladen wird. Diese neueren Technologien werden als Energy Harvesting oder Energy Scavenging bezeichnet.

Über den Autor

Prof. Dipl.-Phys. Dipl.-Ing. Edmund Schiessle, Jahrgang 1946, studierte nach seiner Lehre und Industrietätigkeit als Elektromechaniker (Elektronik) an der Fachhochschule München Maschinenbau mit Vertiefung Luftfahrzeugbau, danach an den Universitäten München und Tübingen Physik mit dem Nebenfach Elektronik. Ab 1979 war er anschließend Elektronik-Entwicklungsingenieur für Konstruktion und Entwicklung von elektromechanischen und elektronischen Messmitteln (Messwertaufnehmer, Sensoren, Sensorelektronik) im Elektronik-Messzentrum der Daimler-Benz AG (Mercedes-Benz AG). Neben seiner Ingenieurtätigkeit leitete Edmund Schiessle als Referent und Koordinator Kurse über elektrische Messtechnik in der beruflichen Fort- und Weiterbildung der Mercedes-Benz AG. Außerdem hielt er als delegierter Lehrbeauftragter Vorlesungen über Sensortechnik an der Fachhochschule Esslingen FHTE im Studiengang MIA-1. Seit März 1991 lehrt Edmund Schiessle als Professor für Grundlagen der Elektrotechnik, elektrische Messtechnik und Sensorik im Studiengang Mechatronik an der Hochschule für Technik und Wirtschaft in Aalen.

Der Artikel ist dem Buch "Industrie-Sensorik - Sensortechnik und Messwertaufnahme", 2., aktualisierte und erweiterte Auflage, entnommen und wurde ursprünglich auf unserem Partnerportal Industry of Things veröffentlicht. Verantwortlicher Redakteur: Jürgen Schreier

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