Kommunikation

In einer iPMCC-Anwendung werden eine Vielzahl an Daten verarbeitet. Ein iPMCC besteht im Allgemeinen aus einer Anordnung von 50 bis 1000 Motorstartkombinationen. Um das System zu überwachen, müssen alle Motorstarter unter anderem ständig Informationen wie Motorstatus, Ströme, Fehler usw. zur Verfügung stellen.

Die Kommunikation muss die übliche Sprache der Betriebsmittel und Funktionen unterstützen, was auch als Kommunikationsprotokoll bezeichnet wird. Die folgende Aufstellung zeigt die am meisten verwendeten Protokolle in verschiedenen industriellen Anwendungen und Netzwerken. Zur Zeit sind die am meisten verwendeten Protokolle der Betriebsmittel TCP/IP, Modbus RTU, Profibus DP und DeviceNet.

Abb. N70 – Unterschiedliche Kommunikationsprotokolle

Modbus

Modbus ist ein Kommunikationsstandard, der 1979 von Modicon vorgestellt wurde. Er ist unabhängig von den physikalischen Ebenen.

Abb. N71 – Aufbau Modbus Kommunikationsnetzwerk

Modbus-RTU

Modbus kann sowohl als RS232, RS442 oder RS485 als auch in andere Medien wie Ethernet eingebunden werde. Modbus RS485 ist das weltweit meist genutzte Kommunikationsprotokoll. Es unterstützt eine Kommunikationsgeschwindigkeit bis 115 kBit/s, jedoch unterstützen viele Betriebsmittel nur eine Kommunikationsgeschwindigkeit bis 19,2 kBit/s.

Modbus RS485 ist eine kostengünstige Kommunikationslösung mit der größten installierten Basis und dem größten Zulieferernetzwerk. Der einzige Schwachpunkt von Modbus ist die Kommunikationsgeschwindigkeit (da es auf serielle Kommunikation beschränkt ist) und die relativ geringe Anzahl an Betriebsmitteln, die in einem Netzwerk zusammengefasst werden können. Aber Modbus-RTU ist immer noch eine wirtschaftliche und ernstzunehmende Lösung für die meisten Lösungen für Motorschutzfunktionen.

Modbus baut auf einem Master/Slave-Konzept auf. Ein Betriebsmittel ist der Master. Er sendet Lese- oder Schreibanforderungen an jeden Slave-Teilnehmer im zugeordneten Netzwerk. Slaves antworten auf die Anforderungen des Masters. Auch wenn viele Betriebsmittel in einem seriellen Ring verbunden sind, kann immer nur ein Betriebsmittel gleichzeitig kommunizieren.

Abb. N72 – Aufbau einer Modbus-RTU-Architektur

Modbus/TCP

Modbus/TCP ist eine hervorragende Möglichkeit für große und weitflächige Anlagen. Modbus/TCP nutzt als Standard das 100 MB/s Ethernet-Medium in physikalischen Layern, um die Modbus-Nachrichten zu übertragen. Es ist sehr schnell und kann eine große Anzahl an Betriebsmitteln in einem Netzwerk zusammenschalten; es ist sehr einfach, ein MCC in das lokale Netzwerk (LAN) eines Unternehmens zu integrieren, so wird es mehr und mehr zu einer Lösung von vielen Anwendern.

Im Gegensatz zu Modbus-RTU arbeitet Modbus/TCP auf Basis eines Client/Server-Konzeptes (siehe Abb. N73):

• Ein Client initiiert eine Anfrage und ein Server antwortet.
• Jedes Betriebsmittel kann ein Client oder Server sein.
• Viele Betriebsmittel sind beides gleichzeitig: Client und Server.
• Ein Netzwerk kann aus einer Vielzahl an Clients bestehen.

Abb. N73 – Modbus/TCP-Aufbau

Es können gleichzeitig viele Clients Anfragen und viele Server Antworten senden:

• Ein Client kann gleichzeitig mit einer Vielzahl an Servern kommunizieren.
• Ein Server kann gleichzeitig mit einer Vielzahl an Clients kommunizieren.
• Ethernet Schalter überwachen und gewährleisten die gleichzeitige Übertragung der Informationen zu allen Betriebsmitteln.

In Abb. N74 ist ein typischer Aufbau einer Modbus/TCP Architektur dargestellt.

Abb. N74 – Typischer Kommunikationsaufbau

Unterschied zwischen Modbus/TCP und Modbus-RTU:

• Betriebsmittel können gleichzeitig sowohl Server als auch Client sein.
• Jedes Betriebsmittel kann gleichzeitig kommunizieren: Mehrere, nicht nur ein Betriebsmittel können die Kommunikation initiieren. Zunahme der Reaktionszeit bei paralleler Kommunikation.
• Mehrere Anfragen können von einem zu einem anderen Betriebsmittel versendet werden, ohne auf eine Rückantwort der ersten Anfrage zu warten. Ein neues Datenteil namens Modbus Transaktion Identifikator wurde in das Modbusprotokoll integriert, um sicherzustellen, dass die Antwort zu einer speziellen Anfrage auch stimmig ist.
• Die Übertragungsgeschwindigkeit ist deutlich höher: 10 MB, 100 MB, 1 GB usw.
• Die Anzahl an Knoten in einem Netzwerk ist fast nicht begrenzt: es sollte die Anzahl von 200 nicht überschritten werden, wobei Router diverse Netzwerke miteinander verbinden können.
• Gateways/Proxies gestatten eine offene Kommunikation zwischen Ethernet Modbus / TCP und Modbus RTU-Betriebsmitteln.

Modbus I/O-Abfrage

Modbus I/O-Abfrage ist eine Eigenschaft in den frei programmierbaren Steuerungen (PLC) von Schneider Electric, die eine einfache Modbus-Übertragung mit einer einfachen Bildschirmeinstellung erlaubt.

Nach der Konfiguration übernimmt das Kommunikationssystem automatisch den Datenaustausch mit den abgefragten Betriebsmitteln (siehe auch Abb. N75).

Abb. N75 – I/O Abfrageaufbau

Profibus

Profibus (PROcess Filed BUS) ist das Ergebnis einer Arbeitsgruppe für Feldbusse von 1987. Es wird unterstützt von PI.

Profibus DP ist die Lösung für Profibus auf Betriebsmittelebene. Es ist im letzten Jahrzehnt ein erfolgreiches Protokoll, vorwiegend im europäischen Raum. Profibus DP unterstützt eine Kommunikationsgeschwindigkeit bis zu 12 MBit/s, aber in der Realität liegt die Kommunikationsgeschwindigkeit der Betriebsmittel bei den meisten Anwendungen nur bei 1,5 MBit/s. Um die maximale Geschwindigkeit von 12 MBit/s zu erreichen, müssen zusätzliche Anstrengungen unternommen werden wie z.B. die Unterdrückung von Busableitungen.

Der Netzwerkaufbau ist ein Bus. Die Anzahl der Betriebsmittel ist eingeschränkt. Der Einsatz von Verstärkern kann notwendig werden, um die maximale Anzahl an Betriebsmitteln einzubinden.

DeviceNet

DeviceNet ist ein Protokoll auf CAN aufbauend, ein Protokoll das vorwiegend in der Automobilindustrie verwendet wird. ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) hat nunmehr die Verantwortung für die Vermarktung und bietet technische Lösungen für DeviceNet-Anwendungen an.

ODVA ist eine internationale Gemeinschaft, bestehend aus führenden Herstellern der Automatisierungstechnik. Gemeinsam unterstützen sowohl ODVA als auch die Mitglieder die Netzwerktechnologie mit dem Common Industrial Protocol (CIP™). Die beinhaltet derzeit DeviceNet™, EtherNet/IP™, CompoNet™ und die wesentlichen Erweiterungen zu CIP — CIP Safety™, CIP Sync™ und CIP Motion™. ODVA leitet die Entwicklung dieser offenen Technologien und unterstützt die Hersteller und Anwender dieser CIP-Netzwerke durch Hilfsmittel, Ausbildung und Marketingaktivitäten.

Der Netzwerkaufbau ist ein Bus. Die Anzahl an Betriebsmitteln ist jedoch eingeschränkt.

DeviceNet bietet drei unterschiedliche Kommunikationsgeschwindigkeiten an: 125, 250 oder 500 kBit/s, abhängig von der Bus- und Kabellänge als auch dem Verbrauch der Betriebsmittel. Die maximale Betriebsmittelanzahl beträgt 64, einschließlich der Master. Die Länge eines Strangs ist bei 500 kBit/s auf 100 m limitiert.

Überblick

Die nachfolgende Tabelle zeigt einen kurzen (nicht vollständigen) Vergleich dieser Protokolle:

Abb. N76 – Vergleich unterschiedlicher Kommunikationsprotokolle

	Modbus RTU	Profibus-DP	DeviceNet	Ethernet Modbus TCP/IP
Geschwindigkeit	bis 115 kBit/s	9,6 kBit/s bis 12 MBit/s	125, 250 oder 500 kBit/s	10 / 100 MBit/s / 1 GBit/s
Maximale Länge ohne Verstärker	1300 m	100 m bei 12 MBit/s 1,2 km bei 10 kBit/s	100 m bei 500 kBit/s 500 m bei 125 kBit/s	Zweidrahtleitung: 100 m Glasfaser: 2000 m (Multi-Mode) >2 km (Mono-Mode)
Maximale Anzahl an Betriebsmitteln	32 ohne Verstärker: 1 Master und 247 Slaves	126: Mono- oder Multi-Master, 122 Slaves mit max. 3 Verstärkern	64: 1 Master und 63 Slaves	128 mit I/O-Abfrage; ansonsten keine Einschränkungen
Maximale Länge mit Verstärkern	abhängig von Verstärkern	400 bis 4800 m, abhängig von der Geschwindigkeit	abhängig von Verstärkern	10 km Glasfaser