KLG Smartec: Innovativer Feldbus Sensoren und Aktoren wirtschaftlich vernetzen

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Der industrielle Breitband-Feldbus «Autbus», als Norm IEC 61158 Typ 28 veröffentlicht, eignet sich zur industriellen Fabrik- und Prozessautomation, für Ladeparks der E-Mobilität, für Windkraft- und Photovoltaikanlagen, für Bus, Bahn und Pkw sowie zur Gebäudeautomation.

Der Feldbus «Autbus» erschliesst aufgrund seiner besonderen Eigenschaften für viele Applikationen zusätzliche Möglichkeiten. Seine Breitband-Bustechnologie basiert auf dem orthogonalen Frequenz-Multiplexverfahren (OFDM). Bis 254 Multi-Drop-Datennetzknoten (Teilnehmer) können mit einer Zweidrahtleitung über bis zu 500 m Distanz bei 100 Mbit/s Übertragungsgeschwindigkeit gleichzeitig erreicht werden. Dabei sind sowohl eine Bus- als auch Ring-Topologie möglich. Für letztere werden die Leitungsenden einfach miteinander verbunden. Die genutzte Variante Zweidrahtleitung bestimmt dabei die maximale Länge des Kabels und die Anzahl der Knoten, die in das Datennetz eingebunden werden können. Bei Zweidrahtleitungen «AWG 22» oder «AWG 26», beispielsweise wie für SPE-Single Pair Ethernet spezifiziert, ist bis 140 m die volle Multi-Drop-Datennetzknotenzahl möglich, bei der Ausführung «AWG16» sogar bis zu 500 m. Die Zykluszeiten betragen 16 µs, bei Zeitverzögerungen im Nanosekundenbereich. Damit eignet sich der Bus auch für Anwendungen mit höchsten Forderungen hinsichtlich der Echtzeit. Beispiele dafür sind Pressen, Druckmaschinen oder auch Triebwagen in Zügen, bei denen Antriebe exakt synchronisiert werden müssen.

Einfach zu installieren für schnelle Kommunikation

Ein besonderer Clou ist, dass die für den Feldbus «Autbus» entwickelten Multi-Drop-Koppler «ABN300» die Protokolle anderer Feldbussysteme, wie RS485, CAN-Bus, ModbusTCP, ProfiNet oder Ethernet/IP, einfach tunneln können. Die Protokolle werden hierbei unverändert und zum Teil gleichzeitig von einem Knotenpunkt zu einem anderen Knotenpunkt übertragen, vergleichbar einem Zug, der von einer Bahnstation zu weiteren Bahnstationen Güter transportiert. Das vereinfacht Datennetzwerke in Anlagen und Gebäuden mit heterogenen Kommunikationsprotokollen, weil es keine Konvertierungen braucht. Ein besonderer Vorteil des nunmehr verwirklichten Feldbussystems ist zudem der deutlich niedrigere Installations- und Kostenaufwand.

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Wenig Aufwand beim Verkabeln

Aktuell wird in Parks mit mehreren E-Ladestationen überwiegend ein Ethernet-Netzwerk eingesetzt. Wie die sternförmige Stromverteilung zu den Ladestationen ist auch das Ethernet-Netzwerk meist sternförmig über einen Ethernet-Switch mit den Ladestationen verbunden. Bei beispielsweise 25 Ladestationen und einer angenommenen Parkplatzbreite von 2,5 m sind sehr lange Datenleitungen erforderlich. Die längste Datenleitung bis zur Ladestation Nummer 25 ist etwa 65 m lang. Durch die sternförmige Topologie summiert sich das auf etwa 875 m Datenleitung. Das verursacht hohe Kosten. Zudem ist ein weiterer Nachteil dieser Netzwerkstruktur, dass der Ethernet-Switch zum Single-Point-of-Failure wird, was auch alle nachgelagerten Segmente betrifft.

Der Feldbus «Autbus» lässt sich wesentlich wirtschaftlicher nutzen. Die einzelnen Teilnehmer werden in Linie oder als Ring verbunden. Dabei lassen sich Teilnehmer mit anderen Protokollen einfach mit einem Multi-Drop-Koppler aus der Serie «ABN300» anschliessen, im einfachsten Fall per Terminalanschluss oder per T-Steckverbinder. Selbst wenn ein Gerät entfernt beziehungsweise getauscht wird, wird die Leitung nicht unterbrochen. Durch die Verwendung einer einzigen 2-Draht-Datenleitung reduziert sich der Installationsaufwand und gleichzeitig auch der benötige Platzbedarf. Es genügt somit eine Leitung, die sich einfach pro Teilnehmer jeweils nur um den Abstand zur nächsten Ladestationen verlängern lässt oder eventuell schon parallel zu einer Stromschiene vorverlegt ist. Wählt man eine Ringtopologie, indem einfach die beiden Enden der Datenleitung miteinander verbunden werden, ist durch die Technologie des Feldbussystems «Autbus» kein zusätzlicher Ringmanager erforderlich. Das erhöht die Ausfallsicherheit von Anlagen erheblich. Bei einer Datenkommunikation über «Ethernet» ist das nur mit erhöhtem Kostenaufwand möglich, da höherwertige Switche benötigt werden.

Je grösser Ladeparks sind, umso deutlicher ist eine Ausstattung mit dem Feldbus «Autbus» wirtschaftlicher. Bereits ab 10 Ladestationen ergeben sich diese Vorteile. Soll ein bestehender E-Ladepark erweitert werden, werden bei einer Kommunkation über Ethernet pro 15 Ladestationen ein 16-Port-Ethernet-Switch sowie eine Verkabelung von Switch zu Switch und zu allen weiteren Ladestationen benötigt. Der Feldbus «Autbus» dagegen lässt sich auf bis zu 500 m und 254 Teilnehmer mit einfachem Aufwand und zu niedrigen Kosten für die Fortführung der vorhanden Datenleitung und den Anschluss an die Geräteschnittstelle oder unter Beibehaltung der vorhandenen Geräteschnittstelle mit dem Multidrop-Koppler «ABN300» erweitern.

Universell einsetzbar

Weitere Szenarien, bei denen der innovative Feldbus seine Vorteile ausspielt, sind Solar-Parks. Hier findet man unterschiedliche Protokolle, beispielsweise Sensoren mit Schnittstelle RS485, Frequenzumrichter und weitere zu vernetzende Geräte, die über Modbus-RTU, CAN-Bus, Modbus-TCP, Profinet oder Ethernet/IP kommunizieren. Der Feldbus «Autbus» vereinheitlicht mit Multi-Drop-Kopplern der Reihe «ABN300» die Kommunikation. Das gelingt ohne Protokollkonverter. Die Koppler werden einfach zwischen Feldbus und Schnittstellen, wie Ethernet, CAN und RS485, eingebunden. Dabei werden die unterschiedlichen Protokolle über eine einheitliche Multidrop-Infrastruktur übertragen. Geräte mit integriertem Chip für den Feldbus «Autbus» können direkt an das Feldbus-Netzwerk angeschlossen werden. Bei Bedarf lässt sich der innovative Feldbus «Autbus» auch über 500 m lange Datenleitungen hinaus erweitern. Dazu sind lediglich zwei Segmente über Multi-Drop Koppler und ein Ethernet-Kabel miteinander zu verbinden.

Der vorgestellte Feldbus kann auch für Bahnanwendungen praktikabel sein. Die zunehmende Anzahl IP-basierter Geräte in einzelnen Waggons kommunizieren dann jeweils über den Feldbus. Das vermindert die Anzahl an Datenleitungen, den Installationsaufwand und die dadurch verursachten Kosten. Auch zwischen mehreren Waggons kann der Feldbus «Autbus» beispielsweise Punkt zu Punkt verbunden werden. Zum verminderten Installationsaufwand kommt hier als entscheidender Faktor noch die Gewichtseinsparung, was Energie und Gebühren für die Schienennutzung spart.

Auch zahlreiche weitere Anwendungen können von diesen Möglichkeiten profitieren, in der Gebäudeautomation ebenso wie in Kraftfahrzeugen sowie bei Verkehrsleitsystemen. Bestehende Parkflächen können beispielsweise mit einer Multi-Drop-Datenkommunikation über Feldbus modernisiert werden, sodass Geräte wie Videokameras, Parksensoren und Parkreservierungssysteme einfach in ein Parkleitsystem angebunden werden können.

(kmu)

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