Intelligente Messgeräte entwickelten sich mit der Reife der Mikrocontroller-Technologie Anfang der 1980er Jahre und dominieren heute den globalen Messgerätemarkt. Grund dafür ist der Bedarf an Unternehmensinformatisierung; eine wesentliche Voraussetzung für die Auswahl von Messgeräten ist eine Netzwerkschnittstelle. Anfänglich gaben Messgeräte einfache Prozessgrößen als analoge Signale aus. Später wurde die RS232-Schnittstelle eingeführt, die zwar eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation ermöglichte, aber keine Netzwerkfunktionalität bot. Die Entwicklung von RS485 löste dieses Problem. Im Folgenden wird RS485 kurz vorgestellt. RS485 verwendet differenzielle negative Logik: +2 V bis +6 V entsprechen „0“, -6 V bis -2 V entsprechen „1“. RS485 kann mit zwei oder vier Drähten verdrahtet werden. Die Vierdraht-Variante ermöglicht nur Punkt-zu-Punkt-Kommunikation und wird heute kaum noch verwendet. Die Zweidraht-Variante ist mittlerweile weit verbreitet. Diese Variante basiert auf einer Bus-Topologie, an die bis zu 32 Knoten angeschlossen werden können. In RS485-Kommunikationsnetzwerken wird üblicherweise ein Master-Slave-Kommunikationsmodus verwendet, d. h. ein Master-Gerät mit mehreren Slave-Geräten. Beim Verbinden von RS-485-Verbindungen werden die „A“- und „B“-Anschlüsse jeder Schnittstelle oft einfach mit einem verdrillten Adernpaar verbunden. Die Verbindung der Signalmasse wird dabei vernachlässigt. Diese Verbindungsmethode funktioniert zwar in vielen Fällen, birgt aber versteckte Gefahren. Dafür gibt es zwei Gründe: (1) Gleichtaktstörungen: Die RS-485-Schnittstelle verwendet differenzielle Signalübertragung und benötigt keine Messung des Signals relativ zu einem bestimmten Referenzpunkt. Das System muss lediglich die Potenzialdifferenz zwischen den beiden Leitungen messen. Häufig wird jedoch übersehen, dass der Transceiver einen bestimmten Gleichtaktspannungsbereich aufweist. Dieser liegt bei RS-485-Transceivern zwischen -7 V und +12 V. Nur wenn diese Bedingungen erfüllt sind, funktioniert das gesamte Netzwerk einwandfrei. Überschreitet die Gleichtaktspannung der Netzwerkleitung diesen Bereich, beeinträchtigt dies die Stabilität und Zuverlässigkeit der Kommunikation und kann die Schnittstelle sogar beschädigen. (2) EMV-Problem: Der Gleichtaktanteil des Ausgangssignals des Senders benötigt einen Rückweg. Fehlt ein niederohmiger Rückweg (Signalmasse), strahlt er zur Quelle zurück. Der gesamte Bus strahlt elektromagnetische Wellen wie eine riesige Antenne ab. Da PCs standardmäßig nur über RS232-Schnittstellen verfügen, gibt es zwei Möglichkeiten, eine RS485-Verbindung für den PC zu realisieren: (1) Umwandlung des RS232-Signals des seriellen PC-Ports in ein RS485-Signal mittels eines RS232/RS485-Konverters. Für anspruchsvolle Industrieumgebungen empfiehlt sich ein überspannungsgeschütztes Produkt mit Isolation. (2) Verwendung einer PCI-Multi-Seriell-Port-Karte. Hierfür kann direkt eine Erweiterungskarte mit RS485-Ausgangssignal gewählt werden. Im Allgemeinen reichen für RS485-Kabel gewöhnliche Twisted-Pair-Kabel aus. In Umgebungen mit höheren Anforderungen können geschirmte Koaxialkabel verwendet werden. Bei Verwendung einer RS485-Schnittstelle ist die maximal zulässige Kabellänge für die Datenübertragung von der Schnittstelle zum Empfänger umgekehrt proportional zur Baudrate. Diese Länge wird hauptsächlich durch Signalverzerrungen und Rauschen beeinflusst. Theoretisch beträgt die maximale Übertragungsdistanz von RS485 1200 Meter, in der Praxis ist sie jedoch geringer. Die tatsächliche Übertragungsdistanz hängt von der Umgebung ab. Durch den Einsatz von Repeatern kann das Signal verstärkt werden. Bis zu acht Repeater sind möglich, wodurch sich die maximale Übertragungsdistanz von RS485 theoretisch auf 9,6 Kilometer erhöht. Für größere Entfernungen kann Glasfaser als Übertragungsmedium verwendet werden, wobei an jedem Empfängerende ein Lichtschrankenwandler (optischer Wandler) angebracht wird. Die Übertragungsdistanz von Multimode-Glasfaser beträgt 5–10 Kilometer, während Singlemode-Glasfaser bis zu 50 Kilometer erreichen kann. Die RS485-Netzwerktopologie verwendet im Allgemeinen eine Busstruktur mit Anschlussanpassung und unterstützt keine Ring- oder Sternnetzwerke. Beim Netzwerkaufbau sind folgende Punkte zu beachten: (1) Verwenden Sie ein verdrilltes Zweidrahtpaar als Bus, um alle Knoten in Reihe zu schalten. Die Zuleitung vom Bus zu jedem Knoten sollte so kurz wie möglich sein, damit das reflektierte Signal in der Zuleitung das Bussignal möglichst wenig beeinträchtigt. Selbst bei fehlerhaften Netzwerkverbindungen kann es auf kurze Distanzen und bei niedrigen Geschwindigkeiten noch funktionieren. Mit zunehmender Kommunikationsdistanz oder -rate werden die negativen Auswirkungen jedoch immer gravierender. Der Hauptgrund dafür ist, dass sich das reflektierte Signal am Ende jedes Zweigs dem Originalsignal überlagert, was zu einer Verschlechterung der Signalqualität führt. (2) Achten Sie auf die Kontinuität der charakteristischen Impedanz des Busses, da es an Impedanzdiskontinuitäten zu Signalreflexionen kommt. Folgende Situationen begünstigen diese Diskontinuität: Unterschiedliche Kabel in verschiedenen Busabschnitten, zu viele Transceiver in unmittelbarer Nähe eines bestimmten Busabschnitts oder übermäßig lange Abzweigleitungen zum Bus. Kurz gesagt, sollte ein einziger, durchgängiger Signalweg als Bus bereitgestellt werden. Ein weiterer Aspekt, der bei RS485-Netzwerken beachtet werden muss, ist der Abschlusswiderstand. Bei wenigen Geräten und kurzen Entfernungen funktioniert das Netzwerk ohne Abschlusswiderstand einwandfrei, die Leistung nimmt jedoch mit zunehmender Entfernung ab. Theoretisch kann bei Abtastung in der Mitte jedes empfangenen Datensignals die Anpassung vernachlässigt werden, solange das reflektierte Signal zu Beginn der Abtastung ausreichend gedämpft ist. In der Praxis ist dies jedoch schwer umzusetzen. Ein Artikel der MAXIM Corporation in den USA beschreibt ein empirisches Prinzip zur Bestimmung der erforderlichen Datenraten- und Kabellängenanpassung: Überschreitet die Signalumwandlungszeit (Anstiegs- oder Abfallzeit) das Dreifache der Zeit, die für die unidirektionale Übertragung des elektrischen Signals entlang des Busses benötigt wird, kann die Anpassung vernachlässigt werden. Üblicherweise werden Abschlusswiderstände zur Anpassung verwendet. Bei RS-485-Verbindungen müssen Abschlusswiderstände parallel am Anfang und Ende des Buskabels angeschlossen werden. In RS-485-Netzwerken beträgt der Abschlusswiderstand typischerweise 120 Ω. Dies entspricht der charakteristischen Impedanz des Kabels, da die meisten verdrillten Adernpaare eine charakteristische Impedanz von etwa 100–120 Ω aufweisen. Diese Anpassungsmethode ist einfach und effektiv, hat aber einen Nachteil: Der Anpassungswiderstand verbraucht relativ viel Energie und ist daher für Systeme mit strengen Leistungsbegrenzungen ungeeignet. Eine energieeffizientere Alternative ist die RC-Anpassung. Durch die Verwendung eines Kondensators C zur Blockierung der Gleichstromkomponente lässt sich ein Großteil der Energie einsparen. Die Wahl des Kondensatorwerts C ist jedoch anspruchsvoll und erfordert einen Kompromiss zwischen Stromverbrauch und Anpassungsqualität. Es gibt auch ein diodenbasiertes Anpassungsverfahren. Dieses erreicht zwar keine echte „Anpassung“, nutzt aber den Klemmeffekt der Diode, um reflektierte Signale schnell abzuschwächen, die Signalqualität zu verbessern und so erhebliche Energieeinsparungen zu erzielen. In den letzten zwei Jahren haben einige Unternehmen, die die Implementierung ihrer IT-Systeme abgeschlossen und lokale Netzwerke (LANs) eingerichtet haben, die sich auf alle Büros und Kontrollräume ihrer Werke erstrecken, serielle Portserver eingeführt, um Mehrfach-Seriellportkarten zu ersetzen. Dies nutzt primär vorhandene LAN-Ressourcen, um Investitionen in Leitungen zu reduzieren und Kosten zu sparen, indem Mehrfach-Seriellportkarten im Wesentlichen über TCP/IP im Feld eingesetzt werden. Der Unterschied zwischen RS485 und anderen Busnetzwerken: Wir kategorisieren industrielle Netzwerke in drei Typen: RS485-Netzwerke, HART-Netzwerke und Feldbusnetzwerke. HART-Netzwerke: HART ist ein von Emerson vorgeschlagener Übergangsstandard für Busse. Es überlagert primär digitale Signale mit 4-20 mA-Stromsignalen und nutzt dabei die BELL202-Frequenzumtastungstechnologie auf der physikalischen Schicht, um einige Funktionen intelligenter Messgeräte zu realisieren. Dieses Protokoll ist jedoch kein wirklich offener Standard; die Mitgliedschaft in der Stiftung ist kostenpflichtig. Die Technologie wird hauptsächlich von wenigen großen ausländischen Unternehmen monopolisiert. In den letzten Jahren haben auch einige inländische Unternehmen mit der Entwicklung begonnen, konnten aber das Niveau ausländischer Unternehmen noch nicht erreichen. Aktuell verfügen viele intelligente Messgeräte über HART-Rundkarten und HART-Kommunikationsfunktionen. In China wird diese Funktionalität jedoch nicht voll ausgeschöpft; sie wird höchstens zur Parametereinstellung über mobile Geräte verwendet, wodurch das volle Potenzial von HART-fähigen Messgeräten nicht ausgeschöpft wird und die Netzwerkanbindung für die Geräteüberwachung fehlt. Langfristig wird die Beschaffungsmenge von HART-Messgeräten aufgrund der geringen Kommunikationsgeschwindigkeit und der Schwierigkeiten bei der Vernetzung zurückgehen. Da HART-Messgeräte jedoch bereits seit über zehn Jahren auf dem Markt sind und aktuell in großer Zahl installiert werden, besteht für Systemintegratoren weiterhin erhebliches Nutzungspotenzial. Feldbusnetzwerke: Die Feldbustechnologie zählt heute zu den wichtigsten Entwicklungstrends in der Automatisierungstechnik und wird als das lokale Computernetzwerk der Automatisierung gefeiert. Ihr Aufkommen markiert den Beginn einer neuen Ära in der Automatisierungstechnik. Ein Feldbus ist ein digitales, serielles Mehrstationen-Kommunikationsnetzwerk, das Messgeräte im Kontrollfeld mit Steuerungseinrichtungen im Kontrollraum verbindet. Sein Hauptmerkmal ist die Unterstützung bidirektionaler, knotenübergreifender, busbasierter und vollständig digitaler Kommunikation. In den letzten Jahren hat sich die Feldbustechnologie zu einem zentralen Thema in der internationalen Entwicklung von Automatisierung und Messtechnik entwickelt. Ihr Aufkommen hat die traditionelle Struktur von Steuerungssystemen revolutioniert und automatische Steuerungssysteme in Richtung Intelligenz, Digitalisierung, Informatisierung, Vernetzung und Dezentralisierung gelenkt. So entstand ein neuer Typ netzwerkintegrierter, vollständig verteilter Steuerungssysteme – das Feldbus-Steuerungssystem (FCS). Derzeit existieren jedoch verschiedene Feldbusstandards parallel, jeder mit seinem eigenen Anwendungsbereich, und ein wirklich einheitlicher Standard existiert noch nicht. Entscheidend ist, dass unklar ist, wann ein solcher Standard etabliert sein wird, und die Technologie noch nicht ausgereift genug ist. Darüber hinaus ist die Auswahl an Feldbusgeräten relativ begrenzt, was zu geringer Wahlfreiheit und höheren Preisen führt. Aus Endnutzersicht befinden sich die meisten noch in einer abwartenden Haltung und bevorzugen es, die Weiterentwicklung der Technologie abzuwarten, bevor sie diese in Betracht ziehen. Dies führt derzeit zu einer begrenzten Implementierung. RS485-Netzwerk: RS485/MODBUS ist eine gängige Netzwerkmethode, die sich durch ihre Einfachheit und bequeme Implementierung auszeichnet. Zudem gibt es zahlreiche Geräte, die RS485 unterstützen, insbesondere in der Ölindustrie, wo RS485/MODBUS nahezu allgegenwärtig ist. Gerätehersteller steigen zunehmend auf RS485/MODBUS um, da es schwierig und teuer ist, Adapter für ältere HART-Geräte zu finden, während RS485-Adapter deutlich günstiger und vielfältiger sind. Zumindest im Niedrigpreissegment wird RS485/MODBUS die primäre Netzwerkmethode bleiben und sich daran in den nächsten zwei bis drei Jahren voraussichtlich nichts ändern.