Analoge vs. Feldbus-Kommunikationssysteme in der Industrieautomation erklärt

Analog- vs. Feldbussysteme in der Industrieautomation

Frühe Industrieanlagen waren vollständig auf manuelle Bedienung angewiesen, bei der jeder Prozessschritt menschliches Eingreifen erforderte. Mit der Weiterentwicklung der Automatisierung wurden pneumatische und mechanische Systeme nach und nach durch elektronische Messtechnik ersetzt. Dieser Übergang führte zu standardisierten analogen Signalbereichen wie 4–20 mA Stromschleifen und 0–10 V Gleichspannungssignalen, die bis heute in der Industrieautomation weit verbreitet sind.

Überblick über 4–20 mA- und Spannungssignalstandards

Die 4–20 mA Stromschleife ist nach wie vor einer der gebräuchlichsten industriellen Signalstandards für die Prozesssteuerung. Sie verwendet einen „Live-Null“-Ansatz, bei dem 4 mA den minimalen Prozesswert und 20 mA den maximalen darstellen. Dieses Design hilft Ingenieuren, Fehler wie offene Stromkreise schnell zu erkennen, die zu einem Stromwert von null führen.

Spannungsbasierte Systeme wie 0–10 V Gleichspannung eignen sich für Kurzstreckenanwendungen. Spannungssignale sind jedoch empfindlicher gegenüber Leitungswiderstand und Spannungsabfall, insbesondere bei langen Kabelstrecken. Nach dem Ohmschen Gesetz nimmt die Spannung mit steigendem Leitungswiderstand ab, weshalb strombasierte Systeme für die Langstreckenübertragung stabiler sind.

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

Abbildung 1. 4–20 mA Stromschleifenverdrahtung in industriellen Steuerungssystemen.

Vorteile und Einschränkungen analoger Signale

Analoge Signalsysteme bieten Einfachheit und leichte Fehlersuche. Ingenieure können den Schleifenstrom direkt mit Standardinstrumenten messen. Das Live-Null-Konzept verbessert die Fehlererkennung, während das System unter Betriebsbedingungen sicher für Wartungsarbeiten bleibt.

Analoge Systeme erfordern jedoch eine eigene Verkabelung für jeden Signalpunkt. Dies erhöht die Installationskosten und verringert die Skalierbarkeit in großen Automatisierungssystemen. Außerdem fehlen ihnen erweiterte Diagnosefunktionen, und sie können keine Gerätezustands- oder Konfigurationsdaten übertragen.

Feldbuskommunikation in der Industrieautomation

Feldbussysteme ermöglichen digitale Kommunikation zwischen Feldgeräten und Steuerungssystemen. Protokolle wie Foundation Fieldbus, HART und PROFIBUS erlauben es mehreren Geräten, ein gemeinsames Kommunikationsnetzwerk zu nutzen. Dies reduziert die Verkabelungskomplexität 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. Dies ermöglicht Fernkonfiguration, Zustandsüberwachung und vorausschauende Wartung aus dem Kontrollraum.

In typischen Implementierungen sind Geräte über eine Trunk-and-Spur-Topologie verbunden. Der Trunk fungiert als Hauptkommunikationsrückgrat, während Spuren einzelne Feldinstrumente anschließen.

Abbildung 2. Feldbus-Topologie mit Trunk- und Spur-Architektur.

HART-Protokoll und hybride Kommunikation

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

Die HART-Kommunikation arbeitet im Halbduplex-Modus mit 1200 bps und nutzt zwei Frequenzen: 1200 Hz für Logik „1“ und 2200 Hz für Logik „0“. Dies ermöglicht eine bidirektionale Kommunikation zwischen Feldgeräten und Steuerungssystemen.

Abbildung 3. HART-Kommunikation zwischen Master und Feldgerät.

Vorteile von Feldbus- und HART-Systemen

Feldbus- und HART-Systeme bieten gegenüber traditionellen analogen Schleifen erhebliche Vorteile. Sie reduzieren den Verkabelungsaufwand, unterstützen Fernkonfiguration und ermöglichen Echtzeitdiagnosen. Diese Funktionen verbessern die Wartungseffizienz und fördern vorausschauende Wartungsstrategien in modernen Industrieanlagen.

Feldbussysteme erfordern jedoch eine komplexere Konfiguration und einen höheren anfänglichen Engineering-Aufwand im Vergleich zu analogen Systemen. Dennoch haben sie sich in modernen Prozessautomatisierungsumgebungen als Standard etabliert.

Auswahl des industriellen Signalsystems

Es gibt kein einziges bestes Signalsystem für alle Anwendungen. Industrieanlagen verwenden oft eine Kombination aus analoger und digitaler Kommunikation, abhängig von Prozessanforderungen, Entfernung und Systemkomplexität. Die Wahl hängt von Zuverlässigkeit, Kosten und Diagnosebedarf ab.

Moderne Industrieautomationssysteme integrieren zunehmend Feldbuskommunikation, um die Effizienz zu steigern und gleichzeitig die Kompatibilität mit vorhandener analoger Messtechnik zu gewährleisten.

Über den Autor

Lin Haibin schreibt über Industrieautomationssysteme, einschließlich Prozesssteuerung, Messtechnik und industrielle Kommunikationsprotokolle. Sein Fokus liegt auf der Integration von SPS-, DCS- und Feldbussystemen in globalen Automatisierungsprojekten.