Feldbusvernetzung

Flexible und sichere Feldbus-Netzwerke

PROFIBUS - BITBUS - DIN-MESSBUS - SINEC L2 - MODBUS - ...

Index dieser Seite:
Einleitung  
In der Prozessautomatisierung und der industriellen Kommunikation bilden Feldbusse die Basis auf den untersten Ebenen der Automatisierungstechnik. Sie sind heute nicht mehr wegzudenken und werden auch weiterhin mit der zunehmenden dezentralen Automatisierung an Bedeutung gewinnen. Eine der am weitesten verbreiteten Schnittstellennormen ist der EIA-Standard 1 RS-485, in dem die elektrischen Eigenschaften festgesetzt werden. Bedeutung RS-485
Er bietet neben guten EMV-Eigenschaften (Störsicherheit, Störstrahlung) kostengünstige Realisierungsmöglichkeiten und dürfte in absehbarer Zeit nicht von anderen Systemen abgelöst werden. Seine Protokollunabhängigkeit ermöglicht eine breite Palette von Anwendungen. EMV-Eigenschaften
Inzwischen haben sich verschiedene Feldbussysteme auf der RS-485 Schnittstellennorm etabliert, z.B. PROFIBUS, SINEC L2, BITBUS, DIN-MESSBUS, FIP, etc. RS-485 Feldbusse
Beschränkungen reiner RS-485 Systeme  
Wichtiger Bestandteil einer RS-485 Schnittstelle sind die Treiber- oder Kopplungsbausteine. Sie bestimmen einen Großteil der physikalischen Eigenschaften und beschränken die Möglichkeiten eines RS-485 Feldbussystems: Treiberbaustein
  • max. Leitungslänge 300 bis 1200 Meter (je nach Übertragungsrate und Busnorm)
  • max. 32 (128) 2 Teilnehmer
  • nur reine Reihenstruktur im Netz 3 möglich
 
Die Abbildung zeigt die sich aus den physikalischen Einschränkungen der RS-485 Norm ergebende einfache Netztopologie.  
 
Probleme im Netzwerkmanagement  
Diese starre Netztopologie ist in modernen Feldbussystemen nicht immer einzuhalten. Modernes Netzwerkmanagement ist bei reinen RS-485 Systemen erschwert:
Denn ...
 
  • Subnetze können nicht gebildet werden
  • es sind meist keine Baum- oder Ringstrukturen möglich
  • das gesamte Netz ist störanfällig
  • schlechte Wartungsmöglichkeit
 
Teilsegmente des Netzes lassen sich zu Wartungszwecken nicht abschalten, dadurch ist vor allem der Service und die Erweiterung bestehender Netze mit hohen Kosten verbunden.  

Dia-Log RS-485 Repeater

Einsatz von Repeatern  
Um die mögliche Teilnehmeranzahl und Leitungslängen zu erhöhen, werden in RS-485 Feldbussystemen Repeater eingesetzt. Sie werden prinzipiell als ein passiver Teilnehmer in das bestehende Netz integriert und ermöglichen 31 weitere Teilnehmer anzuschließen. Dazu bilden sie ein neues Bussegment, welches erneut die maximal zulässige Leitungslänge haben kann (Abb.2). Eine begrenzte Baum-Topologie des Netzes ist möglich. Bussegmente

Baum-Topologie

Eigenschaften der Dia-Log Repeater  
Zusätzlich zu den grundlegenden Eigenschaften eines Repeaters bietet der Dia-Log RS-485 Repeater weitere Vorteile:

Er ist voll kaskadierbar.

Eine nahezu beliebige Anzahl von Dia-Log-Repeatern kann hintereinander geschaltet werden, um neue Bussegmente zu bilden. Dies bedeutet praktisch eine
 
  • unbegrenzte Anzahl von Teilnehmern
  • unbegrenzte Leitungslängen
 
Unterdrückung von Leitungsstörungen  
Mit integrierten aktiven und passiven Bauteilen werden auch in kleineren Netzen auftretende Leitungstörungen unterdrückt.
  • Unterbindung von Übertragungsstörungen
    durch galvanische Trennung der Bussegmente
  • Überspannungschutz
    einzelner Bussegmente vor Ausbreitung von Überspannungen,
    die u. U. bis zur Zerstörung von Teilnehmergeräten führen können
  • aktive Störungsunterdrückung
    - durch quarzgenaue Signalerkennung
    - durch Regenerierung der Nutzsignale in Bezug auf Amplitude und Zeit
 
Integration in bestehende Netze  
Der Dia-Log RS-485 Repeater kann in bereits bestehende Netze integriert werden. Es sind keine Anpassungen der Netze notwendig.
  • automatische Richtungsumschaltung
    macht das Anpassen des Übertragungsprotokolls und
    den Einsatz von Steuerleitungen überflüssig
  • keine Nutzsignalverzögerung
    durch interne Laufzeiten unterhalb der Baudrate
  • absolute Codetransparenz
    das Nutzsignal wird durch den Repeater nicht verändert
 

Dia-Log RS-485 Sternrepeater

Einsatz von Sternrepeatern  
Sternrepeater (Sternkoppler) werden zur Strukturierung von baum- und sternförmigen Netzen eingesetzt. Sie haben im Gegensatz zu herkömmlichen Repeatern sechs statt zwei gleichwertige RS-485 Schnittstellen. Stern-Topologie
Eigenschaften des Dia-Log Sternrepeaters  
  • sechs gleichwertige RS-485 Schnittstellen
    Es werden somit fünf neue galvanisch getrennte Leitungssegmente eröffnet
  • optional eine RS-232 Schnittstelle
    mit fünf RS-485 Schnittstellen
  • das Echo ist wahlweise konfigurierbar
    einige RS-232 Protokolle erfordern auf der Leitung ein Echo
    (Stichwort Collision Detection)
  • volle Kaskadierbarkeit
  • Unterdrückung von Leitungstörungen
  • Integration in bestehende Netze
6xRS-485

mit RS-232 Wandler

mit Echo

kaskadierbar

Gründe für den Einsatz von Dia-Log
Repeatern und Sternrepeatern
 
Wirtschaftlichkeit
Selbstverständlich können der Dia-Log Repeater und der Dia-Log Sternrepeater gleichzeitig in einem Netz eingesetzt werden. Durch die Strukturierungsmöglichkeiten des Netzes und die integrierten Mechanismen zur Störunterdrückung erhöht sich die Wirtschaftlichkeit und Flexibilität des Netzes erheblich.
Wirtschaftlichkeit
Übertragungssicherheit
Der Einsatz von Dia-Log Repeatern rentiert sich nicht nur bei Überschreitung der maximalen Teilnehmeranzahl (31) oder Leitungslänge (300-1200 m) im Feldbusnetz. Durch die integrierten Störunterdrückungsmechanismen kann auch in kleinen oder wenig verzweigten Netzen die Signalübertragung verbessert oder überhaupt erst ermöglicht werden. Dies macht sich besonders in kritischen Bereichen (starke Störeinstrahlungen, Netze nahe der Leistungsgrenze, Potentialunterschiede zwischen den Teilnehmern) positiv bemerkbar. Der integrierte Überspannungsschutz bietet auch in Ausnahmesituationen zusätzliche Sicherheit.
Übertragungs-
sicherheit
Netzsicherheit
In der reinen Reihenstruktur wirken sich Ausfälle des Busses (z. B. mechanische Leitungsausfälle) direkt auf das gesamte Netz aus. In baum- oder sternförmigen Netzstrukturen bleiben Busausfälle auf das jeweilige Netzsegment beschränkt.
Netzsicherheit
Servicefreundlichkeit
Durch die Abtrennung einzelner Netzsegmente erhöht sich die Servicefreundlichkeit, z. B. bei der Fehlersuche, Erweiterung und bei Testläufen.
Service-
freundlichkeit
Großflächige Vernetzung
Die volle Kaskadierfähigkeit der Dia-Log Repeater erlaubt die Bildung stark verzweigter Netze mit Subnetzen unterschiedlicher Topologie. Auch weiter entfernt liegende Gebäude werden vernetzbar. In Kombination mit einem externen Grobschutz werden Freileitungen unterstützt.
Große Netze
 

Vorteile von Dia-Log Repeatern und Sternrepeatern

Problem Behebung mit Dia-Log Repeater durch...
Ausgleichstöme aufgrund unterschiedlicher
Erdpotentiale der Busteilnehmer (Störbrummen)
galvanische Trennung der Bussegmente
Signalverfälschung durch äußere Einflüsse Signalaufbereitung durch den Repeater
in bezug auf Signaldauer
Signalabschwächung durch Dämpfung Signalaufbereitung durch den Repeater in bezug
auf Amplitude
unsaubere Nutzsignale durch Teilnehmer Signalaufbereitung durch Repeater
sich fortpflanzende Signalstörungen Unterteilung des Busses in Segmente
begrenzte Kaskadierbarkeit von Repeatern unbegrenzte Kaskadierbarkeit, da Protokollunabhängig
 
Leitungsparameter, Leitungslänge und Übertragungsgeschwindigkeit, Busabschluss  
a) Leitungsparameter
Die Busleitung für die RS-485 Datenübertragung ist in der EN50170 spezifiziert und hat folgende Leitungsparameter:
Leitungsparamter
  Leitungstyp A
(nach EN50170)
Leitungstyp B
(schlechteres Kabel)
 
Wellenwiderstand in Ohm 135...165 100...130  
Kapazitätsbelag (pF/m) < 30 < 60  
Schleifenwiderstand (Ohm/km) 110 ---  
Aderndurchmesser (mm) 0,64 0,53  
Adernquerschnitt (mm2) > 0,34 > 0,22  
 
   
b) Leitungslänge, Baudrate
Mit den spezifischen Leitungsparametern ergeben sich folgende Längenausdehnung eines Bussegmentes (nach Profibus)
Leitungslänge

Baudrate

Baudrate 9600 Baud 19,2 kBaud 93,75 kBaud 187,5 kBaud 500 kBaud 1,5 MBaud 12 MBaud
Leitungslänge
Typ A
1200 m 1200 m 1200 m 1000 m 400 m 200 m 100 m
Leitungslänge
Typ B
1200 m 1200 m 1200 m 600 m 200 m - -
 
   
c) Abschlusswiderstand
Am Ende des Feldbusses muss die Leitung zur Vermeidung von Reflexionen mit einem Widerstand abgeschlossen werden. Die Übertragungsleitung kann die Energie nur mit einem korrekten Abschlusswiderstand vollständig übertragen. Der Abschlusswiderstand muss an jedem Netzsegment-Ende so groß sein wie der Wellenwiderstand der Leitung. (Der Wellenwiderstand ist unabhängig von der Leitungslänge.)
Wird ein Datenübertragungskabel Typ A nach EN50170-Profibus eingesetzt so ergibt sich folgende Widerstandskombination:
Abschluss-
widerstand

Wellenwiderstand

RS-485 Busabschluss  
   
ACHTUNG!
Dieser Abschlusswiderstand ist z.B nicht für den Leitungstyp B geeignet. Bei Verwendung anderer Leitungstypen muss immer der Abschlusswiderstand neu angepasst werden.
Anmerkungen:
1. EIA = Electronic Industries Association
2. Bei neueren Treiberbausteinen.
3. Der Begriff 'Netz' ist strenggenommen auf ein reines Bussystem nicht anwendbar, hat sich aber dennoch etabliert.