Ratgeber
Wissenswertes zu Schnittstellen-Module
Auch in der modernen Industrie 4.0 ist die Schnittstelle das Back-End der Automatisierung, ohne das die Datenautobahn nicht funktionieren kann. Die Schnittstelle bildet die Verbindung zwischen zwei verschiedenen Systemen, zwischen zwei verschiedenen Geräten, zwischen der Software und der Hardware und zwischen dem Gerät und dem Benutzer.
Neben Datenschnittstellen und Softwareschnittstellen, interessieren uns vor allem die folgenden Arten von Schnittstellen:
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Maschinenschnittstellen verbinden physische Systeme, also unterschiedliche Geräte oder Maschinen miteinander. In der Elektro- und Computertechnik wird eine solche Schnittstelle auch als Hardwareschnittstelle bezeichnet. Wenn es um die Ausstattung eines Geräts mit Schnittstellen geht, wird von Konnektivität gesprochen. Industriestandards für die Schnittstellen sorgen hier für die Kompatibilität von Bauteilen verschiedener Hersteller und verschiedener Funktionalitäten. In der Computertechnik wird zwischen parallelen und seriellen Schnittstellen unterschieden. Je nachdem, ob die gleichzeitige Übertragung mehrerer Bits möglich ist oder nicht.
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Netzwerkschnittstellen sind die Schnittstellen zwischen verschiedenen Netzwerkkomponenten.
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Benutzerschnittstellen sind die Schnittstellen zwischen dem Benutzer und dem Gerät.
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Allgemeine Schnittstellen (CI) ermöglichen den Anschluss von DVB-Geräten.
Schnittstellen-Module stellen eine oder mehrere Schnittstellen bereit und ermöglichen so den Anschluss von externe Hardware, externen Geräten oder externer Software. Ihr modularer Aufbau sorgt für Flexibilität.
So lassen sich Geräte und Systeme durch den Anschluss oder Einbau von Zusatzmodulen aus- oder aufrüsten, um sie ganz nach Bedarf zu erweitern und zusätzliche Funktionen verfügbar zu machen. Die einheitlichen Industriestandards garantieren die problemlose Integration in das bestehende System sowie die Kompatibilität mit späteren Erweiterungen.
Mögliche Einsatzbereiche sind beispielsweise das Erfassen von Sensordaten, das Erkennen von Schalterpositionen, die Steuerung durch Schalter sowie digitale Eingangs- und Ausgangsgeräte.
Im medizinischen Bereich können Schnittstellen-Module den Anschluss von bildgebenden Geräten wie Röntgen- oder Ultraschallgeräten oder Scannern ermöglichen. Integrierte Software-Interfaces ermöglichen dann etwa die Verknüpfung solcher Bildaufzeichnungen mit der digitalen Patientenakte.
Auch im Fahrzeugbau werden Schnittstellen und Schnittstellen-Module vielfältig eingesetzt. Zum Beispiel für den Zugriff auf Steuergeräte und Fahrzeugbusse, auf Sensoren und Aktoren oder auch auf Messgeräte.
Die immer bedeutender werdende Automatisierung ist ohne Schnittstellen ebenfalls nicht denkbar.
Sensoren zur Überwachung von Abläufen, Aktoren zur Steuerung sowie die Kommunikation zwischen den Komponenten sind dafür nur Beispiele.
Industrierouter gewährleisten die Anbindung von Anlagen und Maschinen über das Internet und damit Dezentralisierung, Fernwartung und Fernzugriff, auch über den Browser.
Die Bedienung der Steuerzentrale über den Browser spielt auch im Internet der Dinge (IoT, Internet of Things) eine tragende Rolle.
Bei der Gebäudeautomatisierung spielt neben der Gebäudeüberwachung auch die zentrale Zutrittskontrolle, etwa durch ID-geschützte Türöffnungsmechanismen und automatische Verriegelungen eine Rolle. Damit einher geht die Integration von unterschiedlichen Komponenten, die miteinander vernetzt werden müssen.
Die parallele Schnittstelle („Druckerschnittstelle“) ist heute weitgehend durch serielle Schnittstellen ersetzt worden, da diese einen wesentlich geringeren Verkabelungsaufwand erfordern. Ihr ursprünglicher Nachteil, nämlich eine langsamere Datenübertragung als bei der Parallelschnittstelle, gehört der Vergangenheit an. Serielle Schnittstellen sind am Bürocomputer selten geworden. Da die meisten modernen Peripheriegeräte mit USB-Schnittstellen ausgestattet sind und ältere Peripheriegeräte (Drucker, Tastaturen, Mäuse) sich bei Bedarf gut und günstig auch mit Adaptern anschließen lassen.
In anderen Bereichen, etwa in der Industrie, sind serielle Schnittstellen in vielen Varianten und Ausprägungen jedoch weiterhin weit verbreitet. Neben Punkt-zu-Punkt-Schnittstellen wie RS-232, die viele noch aus eigener Bastel Erfahrung kennen, gibt es auch Netzwerk- und Busschnittstellen, wie etwa Ethernet, CAN-Bus und RS-485, die genau wie USB zu den Standardschnittstellen gehören.
Weitere wichtige und gängige Netzwerkstandards sind unter anderem Profibus, Profinet, Ethernet/IP, DeviceNet, EtherCAT, CANopen, Powerlink, Bluetooth oder Modbus-TCP.
Was ist ein Feldbus?
Ein Feldbus ist ein Bussystem, das in einer Anlage Feldgeräte, zum Beispiel Messfühler (Sensoren) und Stellglieder (Aktoren) zu Kommunikationszwecken mit einem Automatisierungsgerät verbindet. Feldbusse können vergleichsweise kleine Datenmengen schnell und zuverlässig über große Entfernungen übertragen. Normierte Protokolle definieren, wer (Kennung) wann (Initiative) welches Signal (Messwert, Befehl) sendet, wenn eine Leitung von mehreren Kommunikationsteilnehmern gleichzeitig verwendet wird. Da weltweit auch ältere Anlagen in großer Zahl weiterhin betrieben werden, gibt es eine große Vielfalt unterschiedlicher Protokolle und Standards, die miteinander kombiniert werden müssen.
Was ist ein CAN-Bus?
Ein CAN-Bus ist ein serieller Feldbus, den Bosch ursprünglich zur Reduzierung von Kabelbäumen entwickelt hat, um Gewicht und Kosten zu sparen. Er arbeitet nach dem Multi-Master-Prinzip und verbindet so mehrere gleichberechtigte Steuerungsgeräte. Gleichzeitige Buszugriffe werden nach dem CSMA/CR-Verfahren aufgelöst, bei dem anhand von je nach Zustand dominant beziehungsweise rezessiv definierten Bits der Zugriff priorisiert wird. So können parallel laufende Leitungen eingespart werden.
CAN-Busse gibt es in Ausführungen mit Kupferdraht oder mit Glasfaser. CAN-Netzwerke folgen einer linearen Topologie, wobei Stichleitungen eingeschränkt zulässig sind und auch ein sternförmiger Busaufbau möglich ist, etwa bei der Zentralverriegelung von Fahrzeugen. Sternförmige Topologien haben jedoch den Nachteil, dass alle Verbindungen über einen zentralen Rechner gesteuert werden, der im Fall eines Ausfalls nicht passiert werden kann. Lineare Busse sind parallel an einer zentralen Leitung angeordnet. Der Bus fällt daher nur aus, wenn diese Leitung ausfällt, nicht beim Ausfall einzelner Steuergeräte.
CAN-Protokolle kommen vor allem in sicherheitsrelevanten Bereichen zum Einsatz, beispielsweise hier:
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Automobilindustrie (Vernetzung von Steuergeräten, Sensoreinheiten und Multimediaeinheiten)
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Automatisierungstechnik (zeitkritische Sensoren im Feld, überwachungstechnische Einrichtungen)
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Medizintechnik (beispielsweise für MRT- und CT-Geräte, Laborgeräte oder Elektrorollstühle)
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Steuerung digitaler Endstufen in Beschallungsanlagen
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Sicherheitstechnik (zur internen Vernetzung in Baugruppen oder der externen Vernetzung bei einzelnen Bauelementen)
Da CAN-Busse keine hohe Reichweite bei der Übertragung haben, werden sie in erster Linie in lokalen Maschinen eingesetzt.
Sollen große Datenmengen übertragen werden, ist EtherCAT besser geeignet, das deshalb auch bei besonders schnellen Anwendungen bevorzugt wird.
Das ethernetbasierte Feldbussystem EtherCAT ist ein sehr schnelles Industrial-Ethernet-System, das auch für zeitkritische Motion-Control-Anwendungen geeignet ist. Typische Anwendungsbereiche für EtherCAT:
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Robotik
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CNC-Bearbeitungszentren
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Verpackungsmaschinen
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Hydraulikregelungen
Auch EtherCAT nutzt das Master-Slave-Prinzip, geht jedoch bei Übertragung und Auswertung der Datenpakete anders vor: Statt bei jeder Anschaltung das Ethernet-Datenpaket erst zu empfangen, dann zu interpretieren und schließlich die Prozessdaten zu kopieren, werden bei EtherCAT die Ausgangsdaten im Durchlauf des Telegramms durch das Slave-Gerät entnommen und die Eingangsdaten eingefügt. Die Verzögerung des Telegramms beträgt dabei nur wenige Nanosekunden. Die Nutzdatenrate wird dabei auf über 90 Prozent gesteigert, da ein Ethernet-Frame in Sende- und Empfangsrichtung gleichermaßen die Daten vieler Teilnehmer erreicht. Zudem werden die Vollduplex-Eigenschaften des 100BASE-TX-Standards voll ausgenutzt und hohe effektive Datenraten erzielt.
Was ist ein Profibus?
Profibus ist der universelle Feldbus mit breiter Anwendung in der Prozess-, Fertigungs- und Gebäudeautomatisierung. Sein Vorteil besteht darin, dass er ohne besondere Schnittstellenanpassung die Kommunikation von Geräten unterschiedlicher Hersteller ermöglicht. Weiterhin sorgt er als Multi-Master-System dafür, mehrere Automatisierungs-, Engineering- oder Visualisierungssysteme mit den dezentralen Peripheriegeräten an einem Bus zu betreiben. Profibus eignet sich sowohl für komplexe Kommunikationsaufgaben als auch für schnelle und zeitkritische Anwendungen und unterscheidet folgende Gerätetypen:
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Master-Geräte, die den Datenverkehr mit dem Bus bestimmen. Sie sind aktive Teilnehmer und dürfen ohne externe Aufforderung Nachrichten aussenden, wenn sie die Buszugriffsberechtigung (Token) besitzen.
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Slave-Geräte, die als passive Teilnehmer ohne Buszugriffsberechtigung lediglich empfangene Nachrichten bestätigen und auf Anforderung durch das Master-Gerät Nachrichten an dieses senden dürfen. Slave-Geräte sind Peripheriegeräte wie Ventile, Messumformer, Antriebe oder Ein-/Ausgangsgeräte. Da sie nur einen geringen Teil des Busprotokolls beanspruchen, können sie mit wenig Aufwand implementiert werden.
Konverter
Konverter oder Wandler setzen verschiedene Schnittstellen auf andere Standards um. Sie ermöglichen damit die Kommunikation zwischen Geräten mit unterschiedlichen Anschlüssen, die ohne Konverter nicht miteinander kompatibel sind, beispielsweise zwischen einem Gerät mit RS485-Schnittstelle, etwa einem Messgerät, mit einem Gerät mit USB-Schnittstelle, etwa einem Computer. So können die Messergebnisse des Messgeräts auf den Computer übertragen werden.
Unser Praxistipp: Passendes Gehäuse wählen
Der ESD-Schutz fängt mit dem Gehäuse an. Achten Sie bei Anwendungen, die empfindlich gegenüber elektrostatischen Entladungen sind, darauf, ein geeignetes Gehäuse zu wählen. Und vergessen Sie nicht: Das Gehäuse kann auch als faradayscher Käfig Einfluss auf Ihre gesamte Schaltung haben, was gerade im rauen Industrieumfeld zu berücksichtigen ist.
Zunächst einmal sollten Sie sich darüber klarwerden, was Ihr Schnittstellenmodul alles können soll. Welche Anschlüsse haben Ihre vorhandenen Geräte, welche Anschlüsse werden benötigt, welche Funktionen soll das Zusatzmodul mitbringen? Vielfach sind auch die Abmessungen ein wichtiges Auswahlkriterium, auf das Sie achten sollten.
Überprüfen Sie anhand der technischen Daten, welche Schnittstellenmodule des gewünschten Typs die Anforderungen für Ihren Einsatzzweck erfüllen. Welche Betriebsspannung ist erforderlich, für welchen Betriebstemperaturbereich muss das Schnittstellenmodul geeignet sein, ist die Übertragungsgeschwindigkeit für Ihren Einsatzzweck ausreichend? Einige Gerätetypen sind darauf ausgelegt, mit verschiedenen Spannungen betrieben zu werden, etwa mit 12 VDC und mit 24 VDC, in der Regel müssen Sie jedoch den richtigen Spannungstyp wählen. Bedenken Sie, wenn Sie den Betriebstemperaturbereich bestimmen, dass viele Geräte sich im Betrieb stark erwärmen können! Eine Maximaltemperatur von 50 °C ist da schnell erreicht.
Achten Sie auch darauf, dass sich das neue Interface-Modul auch nach dem Einbau noch gut erreichen und bedienen lässt, um ein Abknicken der Leitungen zu verhindern.