Analoge vs. Feldbus-Kommunikationssysteme in der industriellen Automatisierung erklärt

Analoge vs. Feldbussysteme in der industriellen Automatisierung

Frühe Industrieanlagen waren vollständig auf den manuellen Betrieb angewiesen, bei dem jeder Prozessschritt menschliches Eingreifen erforderte. Mit der Weiterentwicklung der Automatisierung wurden pneumatische und mechanische Systeme nach und nach durch elektronische Instrumentierung ersetzt. Dieser Übergang führte standardisierte analoge Signalbereiche wie 4–20-mA-Stromschleifen und 0–10-V-DC-Signale ein, die bis heute in der industriellen Automatisierung weit verbreitet sind.

Überblick über 4–20-mA- und Spannungssignalstandards

Die 4–20-mA-Stromschleife ist nach wie vor einer der gängigsten industriellen Signalstandards für die Prozesssteuerung. Sie verwendet ein Konzept mit „Live Zero“, bei dem 4 mA den minimalen Prozesswert und 20 mA den maximalen Prozesswert darstellen. Dieses Design hilft Ingenieuren, Fehler wie unterbrochene Stromkreise schnell zu erkennen, da diese zu einer Strommessung von null führen.

Spannungsbasierte Systeme wie 0–10 V DC eignen sich für Anwendungen über kurze Entfernungen. Spannungssignale reagieren jedoch empfindlicher auf Leitungswiderstand und Spannungsabfall, insbesondere bei langen Kabelstrecken. Nach dem Ohmschen Gesetz sinkt die Spannung, wenn der Leitungswiderstand steigt, wodurch strombasierte Systeme für die Übertragung über große Entfernungen stabiler sind.

Bei den meisten industriellen Steuerungssystemen wird am Eingang von SPS oder RTUs ein 250-Ω-Widerstand verwendet, um das 4–20-mA-Signal für die Analog-Digital-Wandlung in einen Eingangsbereich von 1–5 V umzuwandeln.

Abbildung 1. Verdrahtung einer 4–20-mA-Stromschleife in industriellen Steuerungssystemen.

Vorteile und Einschränkungen analoger Signale

Analoge Signalsysteme zeichnen sich durch Einfachheit und eine leichte Fehlersuche aus. Ingenieure können den Schleifenstrom direkt mit Standardmessgeräten messen. Das Konzept des Live Zero verbessert die Fehlererkennung, während das System auch unter Betriebsbedingungen eine sichere Wartung ermöglicht.

Analoge Systeme erfordern jedoch eine separate Verdrahtung für jeden Signalpunkt. Dies erhöht die Installationskosten und verringert die Skalierbarkeit großer Automatisierungssysteme. Außerdem verfügen sie nicht über erweiterte Diagnosefunktionen und können weder Gerätezustand noch Konfigurationsdaten übertragen.

Feldbuskommunikation in der industriellen Automatisierung

Feldbussysteme ermöglichen die digitale Kommunikation zwischen Feldgeräten und Steuerungssystemen. Protokolle wie Foundation Fieldbus, HART und PROFIBUS erlauben es mehreren Geräten, sich ein einziges Kommunikationsnetzwerk zu teilen. Dies reduziert die Komplexität der Verdrahtung in Industrieanlagen erheblich, insbesondere in modernen Steuerungsplattformen wie ABB 800xA & AC 800M-Systemen.

Im Gegensatz zu analogen Systemen übertragen Feldbusnetzwerke sowohl Prozessdaten als auch Diagnoseinformationen. Dadurch werden die Fernkonfiguration, die Zustandsüberwachung und die vorausschauende Wartung von der Leitwarte aus ermöglicht.

Bei typischen Implementierungen werden die Geräte in einer Trunk-and-Spur-Topologie verbunden. Der Trunk dient als Hauptkommunikationsleitung, während Spurs die einzelnen Feldgeräte anschließen.

Abbildung 2. Feldbustopologie mit Trunk-and-Spur-Architektur.

HART-Protokoll und hybride Kommunikation

HART (Highway Addressable Remote Transducer) ist ein hybrides Kommunikationsprotokoll, das digitale Signale über herkömmliche 4–20-mA-Schleifen legt. Es verwendet Frequency Shift Keying, um digitale Informationen zu übertragen, ohne die analogen Signale zu beeinträchtigen.

Die HART-Kommunikation arbeitet im Halbduplexmodus mit 1200 Bit/s und verwendet zwei Frequenzen: 1200 Hz für die logische „1“ und 2200 Hz für die logische „0“. Dadurch wird eine bidirektionale Kommunikation zwischen Feldgeräten und Steuerungssystemen ermöglicht.

Abbildung 3. HART-Kommunikation zwischen Master und Feldgerät.

Vorteile von Feldbus- und HART-Systemen

Feldbus- und HART-Systeme bieten gegenüber herkömmlichen Analogschleifen erhebliche Vorteile. Sie reduzieren den Verdrahtungsaufwand, unterstützen die Fernkonfiguration und ermöglichen Diagnosen in Echtzeit. Diese Funktionen verbessern die Wartungseffizienz und unterstützen Strategien zur vorausschauenden Wartung in modernen Industrieanlagen.

Feldbussysteme erfordern jedoch eine komplexere Konfiguration und einen höheren anfänglichen Engineeringaufwand als analoge Systeme. Trotzdem haben sie sich in modernen Umgebungen der Prozessautomatisierung als Standard etabliert.

Auswahl industrieller Signalsysteme

Es gibt kein Signalsystem, das für alle Anwendungen gleichermaßen optimal ist. Industrieanlagen verwenden häufig eine Kombination aus analogen und digitalen Kommunikationsmethoden, abhängig von Prozessanforderungen, Entfernung und Systemkomplexität. Die Wahl hängt von Zuverlässigkeit, Kosten und Diagnoseanforderungen ab.

Moderne Automatisierungssysteme integrieren zunehmend Feldbuskommunikation, um die Effizienz zu steigern und gleichzeitig die Kompatibilität mit älterer analoger Instrumentierung aufrechtzuerhalten.

Über den Autor

Lin Haibin schreibt über industrielle Automatisierungssysteme, einschließlich Prozesssteuerung, Instrumentierung und industrieller Kommunikationsprotokolle. Sein Schwerpunkt liegt auf der Integration von SPS-, DCS- und Feldbussystemen in globalen Automatisierungsprojekten.