Entwicklung der Feldbusse: von 4-20 mA zu TSN

Einführung

Feldbusse sind eine wesentliche Säule von Steuerungs- und Überwachungssystemen in High-Tech-Industrien. Im Luft- und Raumfahrt- und Energiesektor sind Zuverlässigkeit, Präzision und Kompatibilität mit internationalen Standards entscheidende Faktoren. Die Weiterentwicklung der Feldbusse von der 4-20-mA-Analogtechnologie hin zu TSN (Time-Sensitive Networking) stellt einen großen Fortschritt in Bezug auf Leistung, Integration und Sicherheit dar. Diese Entwicklung wird den wachsenden Anforderungen moderner Industrieanwendungen gerecht und garantiert gleichzeitig die Einhaltung der NF-, EN- und IEC-Normen.

Historische Entwicklung

Funktionsprinzip

Der 4-20-mA-Feldbus basiert auf einem elektrischen Analogsignal, wobei der Stromwert einer physikalischen Messung entspricht. Obwohl dieses System zuverlässig ist, ist es durch seine geringe Bandbreite und seine Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen begrenzt.

Der von der Fieldbus Foundation eingeführte Feldbus nutzt ein digitales Signal zur Datenübertragung, was eine bidirektionale Kommunikation ermöglicht und den Verkabelungsaufwand reduziert. Diese Technologie entspricht dem IEC 61158-Standard und bietet bessere Präzision, größere Flexibilität und reduzierte Installationskosten.

TSN (Time-Sensitive Networking) ist eine Erweiterung des Ethernet-Protokolls, die speziell für die Anforderungen industrieller Echtzeitanwendungen entwickelt wurde. Basierend auf den Standards IEEE 802.1AS und IEEE 802.1Qbv ermöglicht es die Datenübertragung zu vordefinierten Zeiten und garantiert so kontrollierte Latenz und hohe Zuverlässigkeit. Das TSN entspricht außerdem dem IEC 62443-Standard, der Sicherheitsanforderungen für industrielle Netzwerke definiert.

Aktueller Stand der Technik

Heute bieten mehrere Anbieter fortschrittliche Lösungen für die industrielle Kommunikation an. Zum Beispiel :

• Siemens: Profinet ist ein digitaler Feldbus auf Ethernet-Basis, der dem IEC 61158.-Standard entspricht. Es ermöglicht eine schnelle, zuverlässige und sichere Kommunikation mit einer Latenz von 1 ms.
• Rockwell Automation: ControlNet ist ein Feldbus-Kommunikationsnetzwerk, das mit IEC 61158.-Standards kompatibel ist. Es bietet eine Bandbreite von 5 Mbit/s und eine Latenz von 1 ms.
• Schneider Electric: Modbus TCP ist eine Variante des Modbus-Protokolls, das TCP/IP verwendet. Es ist mit den IEC 61131-3-Standards kompatibel und bietet eine Bandbreite von 10 Mbit/s.

TSN wiederum wird von Anbietern wie Beckhoff und Phoenix Contact übernommen, die integrierte Lösungen bieten, die eine Hochgeschwindigkeits- und hochzuverlässige Kommunikation ermöglichen. Diese Systeme sind CE-, NF- und ATEX-zertifiziert und erfüllen die Sicherheitsanforderungen der Luftfahrt- und Energiebranche.

Auswahlkriterien

Leistungsbenchmarking

Eine von AFNOR im Jahr 2023 durchgeführte Vergleichsstudie zeigte die erheblichen Unterschiede zwischen Feldbustechnologien auf. Die Ergebnisse sind nachfolgend zusammengefasst:

Probleme bei der Umsetzung

Die Implementierung neuer Feldbusse in bestehende Anlagen (Brownfield) bringt mehrere Herausforderungen mit sich. Einer der wichtigsten ist die Integration alter Geräte mit neuen Technologien. 4-20-mA-Systeme sind zwar zuverlässig, erfordern jedoch häufig Konverter oder Adapter für die Kommunikation mit modernen Netzwerken.

Auch Fragen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) und der Sicherheit sind von entscheidender Bedeutung. Obwohl TSN für industrielle Umgebungen optimiert ist, erfordert es eine sorgfältige Konfiguration, um Störungen zu vermeiden und die Sicherheit zu gewährleisten. Um eine nahtlose Integration zu gewährleisten, müssen die Standards IEC 61000-6 und IEC 62443 eingehalten werden.

Eine weitere Herausforderung ist die Schulung des technischen Personals. Insbesondere TSN-Systeme erfordern ein tiefes Verständnis von Ethernet-Protokollen und Echtzeitnetzwerken. Für Ingenieure und Techniker wird eine spezifische Schulung empfohlen.

Zukünftiger Wohlstand

Prognosen für den Zeitraum 2026–2030 deuten auf ein exponentielles Wachstum von TSN-Netzwerken in High-Tech-Branchen hin. Fortschritte bei Sicherheit, Leistung und Integration mit IoT-Systemen und Cloud-Plattformen machen diese Technologie unverzichtbar.

Die Standards IEC 62443 und IEEE 802.1AS werden weiterhin wichtige Referenzen sein. Anbieter wie Siemens, Rockwell und Beckhoff investieren stark in die Entwicklung von TSN-Lösungen und arbeiten gleichzeitig eng mit den Regulierungsbehörden zusammen, um die Einhaltung gesetzlicher und technischer Anforderungen sicherzustellen.

Mit der zunehmenden Verbreitung von Industrie 4.0 werden TSN-Systeme zum Goldstandard für die industrielle Kommunikation. Ihre Fähigkeit, riesige Datenströme zu verwalten, kontrollierte Latenzzeiten zu gewährleisten und sich einfach in bestehende Infrastrukturen zu integrieren, macht sie zu einer idealen Lösung für moderne Fabriken.

Referenzen

1. AFNOR, „Vergleichende Studie zu Feldbussen“, 2023.
2. Siemens, „Profinet Technical Specifications“, 2024.
3. Rockwell Automation, „ControlNet Overview“, 2023.
4. IEEE, „IEEE 802.1AS: Timing und Synchronisation für zeitkritische Netzwerke“, 2020.
5. IEC, „IEC 62443: Sicherheit für industrielle Automatisierungs- und Steuerungssysteme“, 2022.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Übergang von traditionellen Feldbussen zu TSN-Systemen einen wesentlichen Schritt für die Luft- und Raumfahrt- und Energieindustrie darstellt. Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Einhaltung von Standards sind in diesem Bereich entscheidende Faktoren. Die UNITEC-D GmbH bietet ein komplettes Sortiment an zertifizierten Komponenten, passend für diese fortschrittlichen Technologien. Um mehr zu erfahren und die erforderlichen Komponenten zu finden, konsultieren Sie den UNITEC-D E-Katalog.