Nutzung von RS-485- und Stromschleifen-Schnittstellen zur robusten Anbindung industrieller Endgeräte

Bluetooth, Ethernet und sonstige Konnektivitätsoptionen mögen zwar in großer Bandbreite verfügbar sein und hohe Datenraten unterstützen, mitunter benötigen Entwickler von industriellen Anwendungen aber eine maximal zuverlässige Schnittstelle zu minimalen Kosten. Zudem müssen sie innerhalb der Beschränkungen der Konnektivitätsoptionen der installierten Basis arbeiten.

Aus diesen und anderen Gründen sind die alten 4-20-mA-Stromschleifen- und RS-485-Schnittstellen nach wie vor weit verbreitet und werden weiterentwickelt sowie in neue Installation eingebunden. Diese beiden Formate haben eine mehr als substanzielle Basis. Bei richtigem Einsatz lösen sie das Schnittstellenproblem effektiv und mit zu vernachlässigenden Nachteilen.

Zu den Vorteilen, die Stromschleife und RS-485 bieten, zählen die Einfachheit ihrer Einbindung, Einrichtung und Diagnose auf Fehler. Zudem bilden Stromschleife und RS-485 die unterste physische Schnittstellenschicht des siebenschichtigen Netzwerkmodells – einen Standard, der ein spezifisches Handshaking-Protokoll oder Datenformat definiert, gibt es nicht. Deshalb können die Nutzer sie mit genau der benötigten Komplexität einsetzen und so bei minimaler Systembelastung eine effektive Lösung für ihr spezielles Messwandler-Schnittstellenproblem schaffen.

Damit Entwickler die Merkmale der 4-20-mA-Stromschleifen- und RS-485-Messwandler-Schnittstellenformate zu ihrem Vorteil nutzen können, haben IC-Anbieter die Reichweite und Vielseitigkeit dieser alten Schnittstellen durch intensive Entwicklungsarbeit erweitert. Im Zuge dessen entstanden auch neue Funktionen, Merkmale und Fähigkeiten, die ihren Einsatz vereinfachen, ihre Performance steigern und ihre Zuverlässigkeit erhöhen.

In diesem Artikel werden die Grundlagen der RS-485- und 4-20-mA-Stromschleifen-Messwandler-Schnittstellenformate untersucht. Anschließend werden Schnittstellenlösungen vorgestellt und deren verbesserte Funktionen und Leistungsmerkmale erläutert. Zudem wird beschrieben, wie sich mit ihnen praxisbezogene Anwendungen realisieren lassen.

Schnittstellengrundlagen

4-20-mA-Stromschleifen und RS-485 sind grundverschiedene Schnittstellenansätze, auch wenn beide in industriellen Überwachungs- und Datenerfassungssystemen (SCADA) umfassend eingesetzt werden. Über sie erfolgt der elektrische Anschluss von Messwandlern, die Werte zu physischen Faktoren wie Temperatur, Schalterstellung und Motorzustand melden oder Handlungen wie die Korrektur einer Ventileinstellung oder Motordrehzahl anweisen.

Die analoge 4-20-mA-Stromschleife (auch bezeichnet als 20-mA-Schleife oder 0-20-mA-Schleife) ist ein sehr alter Standard, der auf die Anfangstage der Nutzung elektrischer Schaltkreise als Ersatz für pneumatische Signale zurückgeht. Das Prinzip ist äußerst einfach: Ein Strom von 4 mA steht für „kein Signal“, während 20 mA ein Skalenendwertsignal ist (Abbildung 1). Das Signal ist ein konditionierter und skalierter Messwert von z. B. einem Thermoelement oder einem Element, das den Befehl zum Öffnen/Schließen eines Ventils gibt.

Abbildung 1: Das Prinzip der 4-20-mA-Stromschleife ist einfach: Ein Analogstrom repräsentiert das Signal vom Sensor, wobei 4 mA als Null-Ausgang und 20 mA als Skalenendwert-Ausgang definiert ist; eine Verwendung zum Antrieb eines Messwandlers ist ebenfalls möglich. (Bildquelle: National Instruments)

Die Stromschleife ist – wie ihr Name schon sagt – kein busartiger Standard; jeder Messwandler hat hier stattdessen seine eigene Schleife. Weil Stromschleifen Schaltkreise mit niedriger Impedanz sind (im Gegensatz zu Spannungsverbundleitungen), ist die Schleife relativ unempfindlich gegenüber der Aufnahme von Störsignalen und EMI/RFI, die bei industriellen Anwendungen häufig vorkommen.

Der Einsatz einer Schleife pro Messwandler ist im Hinblick auf die physische Verdrahtung zwar aufwendig, bedeutet aber auch, dass jede Messwandlerschnittstelle unabhängig von den anderen ist; ein Problem wie ein Kurzschluss oder eine Leitungsunterbrechung in einer Schleife hat daher keine Folgen für die anderen Schleifen und macht sie damit verlässlicher. Außerdem erkennt das System problemlos einen Leitungsbruch in der Schleife, weil der Strom auf 0 mA abfällt und das niedrigste zulässige Signal des Messwandlers 4 mA beträgt.

Zudem ist es möglich, den Schleifenstrom selbst für die Speisung des Messwandlers und seiner Schnittstelle zu nutzen – unter Verwendung genau der 4 mA Strom, die die Schleife nicht für ihren Signalbereich benötigt. Das ermöglicht eine äußerst kostengünstige Systemimplementierung, weil keine gesonderte Stromquelle für jeden Messwandler benötigt wird.

Der RS-485-Spannungsschnittstellen-Standard (jetzt offiziell als TIA/EIA-485A bezeichnet) ermöglicht hingegen mehrere Transceiver an einem Bus (Abbildung 2). In der typischen Konfiguration wird die Schnittstelle mit bis zu 30 Transceivern genutzt, möglich wären jedoch noch viel mehr. Es handelt sich dabei um eine Multidrop-Obermenge des legendären RS-232-Standards sowie der zugehörigen Standards RS-422 und RS-423. Sie kann für den Halbduplex- und Vollduplex-Betrieb eingerichtet werden. Bei der Verkabelung werden preiswerte symmetrische verdrillte Leitungspaare genutzt, um die Störsignalaufnahme zu minimieren – ein Paar für den Halbduplex- und zwei Paare für den Vollduplex-Betrieb.

Abbildung 2: Der RS-485-Standard unterstützt mehrere Transceiver an einem Multidrop-Bus, indem er zwei Leitungen für den Halbduplex- und vier Leitungen für den Vollduplex-Betrieb nutzt. (Bildquelle: Texas Instruments)

Alle Receiver können gleichzeitig hören, aber es kann jeweils nur ein RS-485-Transmitter aktiv sein. Die anderen befinden sich im „Tri-State“-Modus, werden als hohe Impedanz wahrgenommen und sind daher „unsichtbar“ für den Bus. Zur Eliminierung von Leitungsreflexionen ist jedes Kabelende mit einem Widerstand terminiert, dessen Wert der charakteristischen Impedanz des Kabels entspricht. Dieses parallele Terminierungsverfahren ermöglicht höhere Datenraten über größere Kabellängen.

Zur Einbindung der Transmitter mit mehreren Potenzialen muss das System in einer Anordnung implementiert werden, die sicherstellt, dass es keine Datenkollisionen gibt. Das wird über sequenzielles Abrufen oder die Anforderung der Kontrolle realisiert. Das kann den Durchsatz verringern, was im Allgemeinen aber kein großes Problem darstellt, weil die Gesamtdatenlast bei Systemen dieser Art relativ moderat ist. Möglich sind Rohdatenraten bis zu mehreren Megabit pro Sekunde (Mbit/s) über Entfernungen von mehr als einem Kilometer (wenn auch nicht beides gleichzeitig, weil die Datenrate mit zunehmender Strecke sinkt). Zudem werden die Leitungen effizient genutzt, weil für den Anschluss aller Nutzer nur ein Leitungspaar benötigt wird.

Optimierung von Stromschleife und RS-485

Trotz der langen Geschichte und der Ausgereiftheit beider Schnittstellen – Stromschleife und RS-485 – sowie der langen Liste mit Komponenten, die sie unterstützen, werden beide heute sowohl für neue Designs als auch für die Aufrüstung bestehender Installationen genutzt. Für neue Designs werden sie genutzt, wenn die Einfachheit der Verwendung, die Flexibilität in Bezug auf Format/Protokoll, das Preis-Leistungsverhältnis und der niedrige Leistungsbedarf von Vorteil sind.

Als Folge dessen sind jetzt ICs erhältlich, die zusätzliche Funktionen und Merkmale beisteuern, um das Einsatzspektrum dieser Schnittstellen zu erweitern und den Erfordernissen heutiger Installationen Rechnung zu tragen.  Dazu zählen stromsparender Betrieb, besserer ESD-Schutz, höhere Geschwindigkeiten und sogar galvanische (ohmsche) Trennung.

Stromsparender Betrieb: Ist natürlich erforderlich, um die Systemziele eines besseren Wirkungsgrades zu erfüllen, verringert jedoch zugleich die thermische Belastung der Komponenten und den Kühlbedarf und erhöht damit die Gesamtzuverlässigkeit.

Werfen Sie dazu einen Blick auf den MAX12900AATJ+ von Maxim Integrated. Dabei handelt es sich um einen hochgradig integrierten 4–20-mA-Sensor-Transmitter mit ultraniedriger Leistungsaufnahme, dessen primäre Funktion darin besteht, pulsweitenmodulierte (PWM) Daten vom Mikrocontroller eines Messwandlers in einen Stromwert zwischen 4 und 20 mA umzuwandeln. Für die vollständige und flexible Signalkonditionierung verfügt er über zehn Funktionen: PWM-Eingänge, zwei Allzweck-Operationsverstärker mit geringer Drift, ein Null-Offset-Operationsverstärker mit geringer Drift, zwei Komparatoren, ein Einschalt-Sequencer, eine Spannungsreferenz mit geringer Drift und ein LDO mit breiter Eingangsversorgungsspannung.

Trotz all dieser Funktionen benötigt der MAX12900AATJ+ weniger als 200 Mikroampère (µA) Versorgungsstrom. Damit lässt er sich problemlos über den „ungenutzten“ 4 mA Schleifenstrom versorgen. Weil er in erster Linie in der Industrie eingesetzt wird, sollten Entwickler seine wichtigen Diagnosefunktionen wie die Versorgungsschienen-Überwachung, die Ausgangsstrom-Rücklesefunktion sowie die Leitungsunterbrechungs- und Störungserkennung nutzen. Mit seinen 5 mm × 5 mm in einem 32-Pin-TQFN-Paket ist er zudem sehr klein und kann dadurch zusammen mit dem Messwandler montiert werden.

Die 4-20-mA-Loop ist simpel in ihrem Basisbetrieb, der MAX12900AATJ+ ist jedoch kein simpler IC; vielleicht aus diesem Grund finden sich im Datenblatt mehr als 90 statische und dynamische Leistungskurven, Fotos, Betriebsmerkmale und Schaltbilder für die Einbindung in Anwendungen. Der IC ist temperatur- und bürdenspannungsstabil – beides wichtige Faktoren in industriellen Anwendungen (Abbildung 3).

Abbildung 3: Eines der charakteristischen Merkmale des Stromschleifen-Transmitters Maxim MAX12900AATJ+ ist seine Stabilität im Hinblick auf den Versorgungsstrom im Verhältnis zur Temperatur (links) sowie den Versorgungsstrom im Verhältnis zur Versorgungsspannung (rechts). (Bildquelle: Maxim Integrated)

Ein weiteres sparsames Bauteil ist der RS-485-Vollduplex-Treiber/-Empfänger SN65HVD37 von Texas Instruments. Dieser IC operiert mit einer 3,3-Volt-Speisung und verfügt über einen stromsparenden Standby-Modus, der weniger als 1 μA (typisch) und einen Betriebsruhestrom von unter 1 mA benötigt. Eines der Probleme beim Niederspannungsbetrieb von Transceiver-ICs ist ihr geringer Rauschabstand und ihre geringe Störfestigkeit. Der SN65HVD37 kombiniert jedoch einen robusten differenziellen Treiber mit einem Empfänger, der eine hohe Störfestigkeit von 60 Millivolt aufweist (Abbildung 4).

Abbildung 4: Der RS-485-Vollduplex-Treiber/-Empfänger SN65HVD37 von Texas Instruments wird von einer Spannungsschiene gespeist, verfügt aber über eine optimierte Störfestigkeit, was bei Industriesystemen zu berücksichtigen ist. (Bildquelle: Texas Instruments)

Das störungsfreie Ein- und Ausschalten bietet Schutz für Hot-Plug-Anwendungen – ein zunehmend wichtigerer Aspekt, wenn viele weitere aktive Einheiten am gemeinsamen Bus hängen und ihr Ausschalten größere Probleme verursachen würde. Auch auf einen „ausfallsicheren“ Empfängerbetrieb gegen unzulässige Buszustände ist das Bauteil ausgelegt.

Diese Zustände können Folge von Busunterbrechungen durch abgezogene Stecker, Bus-Kurzschlüssen durch Kabelschäden und Kurzschließen der verdrillten Aderpaare oder Busruhe-Zuständen sein, die dann auftreten, wenn kein Treiber am Bus aktiv treibt. In diesen Fällen ist garantiert, dass sich der differenzielle Empfängerausgang in einem logischen Hochpegelzustand befindet. Das stellt sicher, dass der Ausgang des Empfängers keinen indeterminierten Zustand aufweist.

ESD- und Transientenschutz: Alle 4–20-mA- und RS-485-ICs umfassen ein bestimmtes Maß an Schutz. Die dichter gepackte Prozessgeometrie winziger ICs mit großem Funktionsumfang heißt jedoch, dass die Entwickler, die diese verwenden, in zunehmenden Maß von ESD/Transienten induzierte Störungen berücksichtigen müssen. Deshalb integrieren die Anbieter zusätzliche interne Schutzstrukturen.

Der Maxim Integrated MAX22502E ist beispielsweise ein Vollduplex-RS-485/RS-422-Transceiver für lange Kabel, der 100 Mbit/s ermöglicht. Diese Datenrate erzielt er durch Einbindung einer vom Benutzer festlegbaren Vorverzerrung (Pre-emphasis) der übertragenen Wellenform, die die leitungsinduzierte Verzerrung kompensiert und damit Intersymbol-Interferenzen (ISI) sowie die zugehörige Bitfehlerrate (BER) reduziert (Abbildung 5). Und all das in einem Paket von 3 × 3 mm.

Abbildung 5: Der Maxim Integrated MAX22502E RS-485-Transceiver umfasst eine Vorverzerrung am Treiber zur Minimierung der ISI aufgrund langer Kabel und sorgt so für eine niedrige BER. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Seine Anwendbarkeit bei langen Leitungen heißt jedoch auch, dass er mit hoher Wahrscheinlichkeit empfindlich gegenüber ESD und Transienten ist. Deshalb verfügt der MAX22502E über einen zusätzlichen ESD-Schutz, der über die Pegel von 3 bis 5 Kilovolt hinausgeht, die bei solchen ICs sonst Standard sind. Dieser Schutz erhöht die Festigkeit, beginnend mit einem elementaren Gleichtaktbereich von –15 bis +15 Volt, plus Treiberausgängen, die gegen Kurzschlüsse geschützt sind. Hinzu kommt noch die Konformität mit verschiedenen ESD-Standards, einschließlich ±15 Kilovolt HBM-ESD-Schutz (Human Body Model), ±7 Kilovolt ESD-Schutz bei Entladung über Luft nach IEC61000-4-2 und ±6 Kilovolt ESD-Schutz bei Kontaktentladung nach IEC61000-4-2.

Für RS-485-Anwendungen bietet Texas Instruments den verbrauchsarmen 3,3-Volt-Vollduplex-Treiber/-Empfänger THVD1500, der für Stromzähler, Umrichter, HLK-Anlagen sowie Videoüberwachungssysteme vorgesehen ist. Die Komponente wird von einer einzelnen 5-Volt-Versorgung gespeist, hat aber dennoch einen großen Gleichtakt-Spannungsbereich und eine niedrige Eingangsleckrate an den Bus-Pins. Damit eignet es sich für den Einsatz bei Mehrpunktanwendungen über lange Kabelstrecken.

Auch wenn es eine Komponente mit niedriger Datenrate ist (maximal 256 kBit/s), ermöglicht seine niedrige Einheitenlast am Bus bei einem großen Netzwerk den Anschluss von bis zu 256 Transceivern. Es bietet umfassenden Schutz bis ±16 Kilovolt HBM-ESD, ±8 Kilovolt bei Kontaktentladung nach IEC 61000-4-2, ±10 Kilovolt bei Entladung über Luft nach IEC 61000-4-2 und ±2 Kilovolt leitungsgebundene Transiente (Burst) nach IEC 61000-4-4.

RS-285-Transceiver wie der THVD1500 operieren mit relativ niedrigen Datenraten. Die Kombination aus Bitrate, Kabellänge und Einsatz in rauer Industrieumgebung bedeutet hier, dass Design-Layout und Wahl der zugehörigen Komponenten entscheidend für eine erfolgreiche Anwendung sind (Abbildung 6). Für einen effektiven Einsatz muss auf Folgendes besonderes geachtet werden: Platinenlayout, Verwendung diskreter Transientenschutzbausteine (zusätzlich zum starken internen Schutz) und Grundplatten mit niedriger Induktivität. Darüber hinaus ist es klug, den Fluss von transienteninduzierten Strömen zu lenken, Ableitkondensatoren nahe am IC zu verbauen und zusätzliche Pull-Up- und Pull-Down-Widerstände zur Begrenzung von Störströmen zu verwenden (Abbildung 6).

Abbildung 6: Wird der THVD1500 in Industrieumgebungen eingesetzt, sind das richtige Platinenlayout und der Einsatz von Schutzschaltkreisen nahe am Busanschluss (1) besonders wichtig: Ableitkondensatoren müssen so nahe wie möglich an den V_CC-Pins des Transceivers (4) positioniert werden, für den V_CC- und den Massenanschluss der Ableitkondensatoren und Schutzkomponenten sind zwei Durchkontaktierungen zu nutzen, um die effektive Kontaktinduktivität zu minimieren (5), und es sind Pull-Up- und Pull-Down-Widerstände vorzusehen, damit Leitungen bei Transientenereignissen die Störströme begrenzen können (6). (Bildquelle: Texas Instruments)

Galvanische Trennung: Es kann Fälle geben, in denen die galvanische Trennung von Eingang und Ausgang erforderlich ist. Das heißt, dass es keinen ohmschen Strompfad zwischen Eingang und Ausgang gibt, die Daten diese Trennungsbarriere jedoch passieren müssen. Trennung ist nötig, um das System und seine Nutzer vor Eingangsfehlern zu schützen, die einen Knotenausgang mit übermäßig hoher Spannung belegen können. Darüber hinaus dient sie dem Schutz im umgekehrten Fall, wenn ein Fehler auf der Busseite den Eingangsmesswandler beschädigen kann. Zudem verhindert die Trennung der verschiedenen Messwandler-Massen Masseschleifen und damit die subtilen, häufig frustrierenden Probleme, die diese mit sich bringen.

Der wichtigste Punkt ist möglicherweise jedoch Folgender: Trennung heißt auch, dass Knotenfehler auf der Eingangsseite wie Masseschlüsse oder Kurzschlüsse zu Stromschienen keine Folgen für den übrigen Bus und seine Knoten haben.

Ein gutes Beispiel für eine galvanisch getrennte Komponente ist der ADM2795E von Analog Devices, ein RS-485-Transceiver mit Fehlerschutz für bis zu ±42 Volt AC/DC Bus-Überspannung an den Bus-Pins plus Trennung von Eingang und Ausgang bis 5 Kilovolt (rms) (Abbildung 7).

Neben der Erfüllung der verschiedenen ESD-Vorgaben von IEC 61000 mit vergleichbaren oder größeren Ratings als Bauteile, deren Schwerpunkt primär auf ESD liegt, erfüllt der ADM2795E auch folgende Standards: IEC 61000-4-x (Störfestigkeit über Isolationsbarriere), IEC 61000-4-2 (ESD), IEC 61000-4-4 (EFT), IEC 61000-4-5 (Stoßspannung) und IEC 61000-4-6 (leitungsgebundene HF-Störfestigkeit), IEC 61000-4-3 (Störfestigkeit gegen Hochfrequenzstrahlung) und IEC 61000-4-8 (magnetische Störfestigkeit). Zudem bietet er Gleichtakt-Transienten-Störfestigkeit von mehr als 75 kV/Mikrosekunde (µs).

Abbildung 7: Mit mehreren ADM2795E-Transceivern von Analog Devices lässt sich ein Halbduplex-RS-485-Datenübertragungsnetzwerk implementieren, bei dem jeder Knoten vollständig isoliert ist und deshalb auch bei Messwandlerfehlern keine Störungen im Bus verursacht. (Bildquelle: Analog Devices)

Der ADM2795E wird in einem 16-Pin-SOIC geliefert und operiert über einen breiten Spannungsversorgungsbereich von 1,7 bis 5,5 Volt hinweg. Das erlaubt die Vernetzung mit niedrigen Logik-Betriebsspannungen. Durch die interne Trennungsfunktion entfällt der diesbezügliche Entwicklungsaufwand, und das Bauteil erfüllt die Vorgaben von TIA/EIA RS-485/RS-422 uneingeschränkt.

Galvanisch getrennte Bauteile können zwar zusätzliche BOM-Kosten und Platz erfordern und benötigen eine getrennte Spannungsversorgung, bieten jedoch große Vorteile, wenn Fehler auf der Messwandlerseite den Bus nicht zum Ausfall bringen dürfen.

Fazit

Trotz ihres Alters werden RS-485-Schnittstelle und 4-20-mA-Stromschleife in industriellen Anwendungen noch häufig genutzt. Sowohl neue als auch aufgerüstete Systeme stellen im Hinblick auf Sparsamkeit, Spektrum, höhere ESD-Störfestigkeit und galvanische Trennung zusätzliche Leistungsanforderungen an ihre Schnittstellenkomponenten. Wie geschildert tragen die Anbieter diesen Erfordernissen Rechnung und erweitern im Zuge dessen sogar die Einsatzmöglichkeiten dieser alten Schnittstellenstandards.