IoT-Technik

IoT-Basics: Bussysteme, Schnittstellen und Sensornetze

| Autor / Redakteur: Edmund Schiessle / Jürgen Schreier

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.

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