Feldbus in Siemens-Anlagen: AS-i, PROFINET und PROFIBUS

Ein Feldbus ist ein industrielles Kommunikationssystem, das Sensoren, Aktoren und dezentrale Peripherie über eine gemeinsame Leitung mit der Steuerung verbindet, statt jedes Signal einzeln zu verdrahten. Er überträgt zyklisch Prozessdaten, oft auch Parameter und Diagnose, und legt damit Topologie, Leitungslängen und Reaktionszeiten einer Anlage fest. In Siemens-Anlagen sind PROFINET, PROFIBUS DP, AS-Interface, IO-Link und Modbus TCP die geläufigen Vertreter.

In der Praxis trifft man selten einen einzigen Bus an, sondern eine gewachsene Mischung: PROFINET zur dezentralen Peripherie, ein PROFIBUS-Strang aus der Zeit davor, ein gelbes AS-i-Flachkabel entlang der Fördertechnik, eine Waage über Modbus TCP. Dieser Artikel ordnet die Systeme aus Sicht des Inbetriebnehmers ein — für Projektleiter, die einen externen Dienstleister beauftragen, und für Instandhalter, deren Bus-Landschaft niemand mehr vollständig erklären kann: Wie hängt jeder Bus an einer S7-1200 oder S7-1500, was geht bei der Inbetriebnahme typischerweise schief, und woran erkennt man es.

1.PROFINET: das Rückgrat, an dem alles andere hängt

PROFINET ist das führende Industrial-Ethernet-Protokoll unter dem Dach von PROFIBUS & PROFINET International (PI), aktuell in Spezifikation V2.5. Es kennt drei Echtzeitstufen — RT, IRT (isochron) und TSN — und deckt Anwendungsfälle über Profile ab: PROFIsafe für sicherheitsgerichtete Daten, PROFIdrive für Antriebe, PROFIenergy und PROFIprocess. Als Anschlusstechnik kommen unter anderem SPE und APL hinzu.

An einer S7-1200 oder S7-1500 ist PROFINET der Normalfall: Die CPU ist IO-Controller, dezentrale Peripherie wie ET 200SP sind IO-Devices. Die Projektierung im TIA Portal ist unspektakulär — genau deshalb wiederholen sich die Fehlerbilder bei der Inbetriebnahme:

• Gerätename statt IP. PROFINET adressiert über den Gerätenamen, nicht über die IP-Adresse. Ein getauschtes Gerät ohne zugewiesenen Namen bleibt stumm, obwohl es im Netz erreichbar ist und die LED grün leuchtet.
• Topologie projektiert, aber nicht verkabelt. Gepflegte Nachbarschaftsbeziehungen erlauben den Gerätetausch ohne Programmiergerät — und erzeugen einen Anlauffehler, sobald jemand zwei Patchkabel vertauscht.
• Aktualisierungszeit zu ambitioniert. Zu klein eingestellt, produziert sie sporadische Stationsausfälle, die im Betrieb wie ein Hardwaredefekt aussehen.

Der Diagnoseweg ist dafür der komfortabelste aller hier genannten Busse: Onlinezustand im TIA Portal, Diagnosepuffer der CPU, integrierte Systemdiagnose — und bei sporadischen Störungen ein mitlaufender Netzwerkmitschnitt.

2.PROFIBUS DP: der Bestand, der weiterläuft

PROFIBUS DP ist der verbreitetste klassische Feldbus: PI weist Ende 2022 67,4 Millionen installierte Geräte aus, standardisiert in IEC 61158. Seine Besonderheit ist die Reichweite über beide Welten — Fertigungs- und Prozessautomatisierung laufen mit einem einzigen Protokoll auf demselben Kabel, während andere Busse dafür ein zweites System brauchen. Das PROFIBUS-PA-Profil steht bei V3.02.

An einer S7-1500 ist PROFIBUS DP kein Auslaufmodell, sondern eine Schnittstelle wie jede andere: DP-Slaves erscheinen als dezentrale Peripherie im Prozessabbild. Die typischen Störungen sind seit Jahrzehnten dieselben und fast immer physikalisch — ein fehlender oder ein zusätzlicher aktiver Abschlusswiderstand am falschen Ende, eine zu lange Stichleitung, eine schlampige Schirmauflage, eine doppelt vergebene Stationsadresse nach einem Gerätetausch. Für die Fehlersuche zählt deshalb die Leitung, nicht das Programm: Busmonitor anschließen, Telegrammwiederholungen zählen, Segment auftrennen.

3.AS-Interface: das gelbe Flachkabel in der Feldebene

AS-Interface (AS-i) ist ein Single-Master-Feldbus für die Sensor-Aktor-Ebene, standardisiert nach IEC 62026-2 und getragen von der AS-International Association in Gelnhausen. Ein Master fragt bis zu 62 Slaves zyklisch ab, mit 4 Bit Nutzdaten je Telegramm; Daten und Energie laufen über dasselbe ungeschirmte gelbe Zweidraht-Flachkabel. Der Verband nennt über 36 Millionen installierte Knoten.

Die Anschlusstechnik erklärt, warum sich AS-i in Bestandsanlagen hartnäckig hält: Zwei Dorne durchstoßen die Isolation des profilierten Flachkabels — kein Abisolieren, kein Werkzeug, kein fester Abgriffpunkt. Die Topologie ist frei wählbar: Linie, Stern, Baum, Ring. Laut Siemens-Gerätehandbuch darf die AS-i-Leitung dabei bis zu 100 m lang sein, mit Extension Plug bis 200 m; darüber hinaus erweitern Repeater das System. Zu zählen sind alle im Segment verlegten Leitungen samt Stichen und Abgängen — nicht die längste Strecke. Zur Nennspannung kursieren zwei Angaben; das Siemens-Handbuch belegt beide als projektierbar, weil für die Doppeladressen-Erkennung wahlweise eine 30-V- oder eine 24-V-Variante einzustellen ist. Aktoren versorgt üblicherweise eine separate 24-V-Leitung.

3.1.AS-i an der S7-1500: der Master-Bruch beim Retrofit

Hier liegt der wichtigste Hardware-Unterschied zwischen den Steuerungsgenerationen. Für die S7-300 war der zentral steckbare CP 343-2 der Standardweg; für die S7-1500 findet sich in der geprüften Siemens-Dokumentation kein zentral steckbarer AS-i-Master. Der belegte Weg führt über die dezentrale Peripherie:

• CM AS-i Master ST (3RK7137-6SA00-0BC1) in einer ET 200SP, per PROFINET angebunden: AS-i-Master gemäß Spezifikation 3.0, 20 mm breit, BaseUnit erforderlich. Digitale Ein- und Ausgänge liegen im zyklischen Prozessabbild, analoge ab Firmware V1.1 ebenfalls zyklisch oder azyklisch per Datensatz.
• CM 1243-2 für die S7-1200, versorgt über den Kommunikationsbus der CPU, für bis zu 31 Standard-Slaves, mit 62 Byte belegtem Adressbereich; Projektierung in STEP 7 zwingend.
• Fremd-Gateways, etwa von Bihl+Wiedemann, bringen ASi-5/ASi-3 direkt an PROFINET, PROFIsafe, EtherCAT, EtherNet/IP oder Modbus TCP — konstante Zykluszeit 1,27 ms für 384 Bit Ein- plus 384 Bit Ausgangsdaten, optional mit integriertem Sicherheitsmonitor.

Ebenso wichtig ist die Erwartung an die Reaktionszeit. Ein Buszyklus spricht 1 bis 31 Slaves an, daraus ergibt sich eine maximale Buszykluszeit von 5 ms; A/B-Adresspaare werden automatisch in zwei aufeinanderfolgenden Zyklen abgefragt. Wer im Retrofit von einer schnellen S7-1500 auf schnellere Reaktionen der Feldebene hofft, findet die Grenze auf dem AS-i-Segment, nicht in der CPU.

3.2.Was der AS-i-Master meldet — und wie man es liest

Die Diagnose läuft über drei Listen, die man bei jeder Inbetriebnahme gegeneinander hält: LPS (projektierte Slaves), LDS (erkannte Slaves) und LAS (aktive Slaves). Im Projektierungsmodus meldet der Master Konfigurationsfehler nicht als Alarm an das überlagerte System; im geschützten Betrieb aktiviert er nur Slaves aus der LPS und meldet jede Abweichung. Als Konfigurationsfehler kennt er genau drei Fälle: ein überzähliger Slave, ein fehlender Slave, ein Slave falschen Typs. Als AS-i-Kabelstörung meldet er Erdschluss, zu geringe AS-i-Spannung und Peripheriefehler eines Slaves.

Die Flags stehen direkt an der Baugruppe: CER für Konfigurationsfehler, EFD für Erdschluss, APF (AS-i Power Fail) für zu geringe Versorgungsspannung. Ein gesetztes LDS.0 ist das klassische Symptom eines fabrikneuen, noch nicht adressierten Slaves — Adresse 0. Die Fehlerzähler unterscheiden sauber: Ein aktiver Slave gilt erst als ausgefallen, wenn er auf sechs aufeinanderfolgende Masteraufrufe nicht antwortet; ein einzelnes fehlendes Slave-Telegramm erhöht den Zähler, unterbricht die Prozessdaten aber nicht. Genau dieser Zähler ist das Frühwarnsignal, das man vor der Übergabe ausliest — er zeigt eine schwächelnde Verbindung, lange bevor der Slave ausfällt. Praktisch im Betrieb sind außerdem die Doppeladressen-Erkennung und die automatische Adressprogrammierung, die einem getauschten Slave die projektierte Adresse selbsttätig zuweist: Die Instandhaltung wechselt ein defektes Modul ohne Adressiergerät.

3.3.Safety at Work und der Weg zu ASi-5

Sicherheitsgerichtete Komponenten — Not-Halt, Türverriegelungen, Lichtgitter — laufen bei AS-i Safety at Work im normalen AS-i-Netz: technisch ein zweites Übertragungsprotokoll auf demselben Kabel, das einen eigenen Sicherheitsmonitor voraussetzt. Erreichbar sind SIL 3 nach IEC 61508 und Performance Level e nach EN ISO 13849-1; die Konzepte wurden vom TÜV beziehungsweise vom Institut für Arbeitsschutz der DGUV positiv bewertet. Standard- und F-Daten teilen sich damit eine Leitung, nicht aber die Verantwortung — die Bewertung der Sicherheitsfunktion bleibt bei Betreiber und Maschinenhersteller.

ASi-5, 2018 vorgestellt, erweitert das System ohne Bruch: 1,2 ms Zykluszeit für bis zu 24 Teilnehmer (96 Teilnehmer dann mit 5 ms), bis zu 1.536 binäre Ein- und Ausgänge je Ethernet-Adresse. Entscheidend für Bestandsanlagen: ASi-3- und ASi-5-Komponenten laufen gemeinsam auf demselben gelben Flachkabel, nötig ist allein ein erweiterter ASi-3/ASi-5-Master.

4.IO-Link: kein Bus, sondern die Schicht darunter

IO-Link ist eine Punkt-zu-Punkt-Schnittstelle zwischen einem IO-Link-Master und einem einzelnen Sensor oder Aktor, standardisiert unter dem IO-Link-Konsortium mit eigener IEC-Normung und ergänzt um die Zweige IO-Link Safety und IO-Link Wireless. Gerätebeschreibungen (IODD) verteilt das Konsortium zentral über den IODDfinder. Der Master ist der Busteilnehmer — das IO-Link-Gerät selbst hängt nicht am Feldbus.

Für die Inbetriebnahme ist diese Rollenverteilung der springende Punkt: Im TIA Portal projektiert man den Master als Modul der dezentralen Peripherie, die Geräteparameter kommen über die IODD dazu. Der Gewinn liegt nicht in der Geschwindigkeit — ein Sensor lässt sich parametrieren, ohne ihn anzufassen, und meldet mehr als „Signal da / Signal weg“. Entsprechend verschiebt sich die Fehlersuche von der Leitung zur Zuordnung von Port, IODD-Version und Prozessdatenlänge: Ein Gerät mit abweichender IODD-Revision liefert Prozessdaten an der falschen Byte-Position — im Programm sieht das aus wie ein defekter Sensor.

5.Modbus TCP: der kleinste gemeinsame Nenner

Modbus wurde 1979 von Modicon eingeführt und wird heute von der Modbus Organization getragen, einem herstellerunabhängigen Non-Profit. Sie beschreibt Modbus als De-facto-Standard und meistverwendetes Netzwerkprotokoll im industriellen Fertigungsumfeld; Branchenanalysten zählen über 7 Millionen Knoten allein in Nordamerika und Europa. Das Protokoll ist nicht branchenspezifisch — gemeinsamer Nenner ist die Messaging-Struktur.

In Siemens-Anlagen ist Modbus TCP selten das Rückgrat und fast immer die Brücke: zu einer Waage, einem Energiezähler, einem Kompressor oder einer Fremdmaschine, die kein PROFINET spricht. Die S7-1200 und S7-1500 arbeiten dabei über Bibliotheksbausteine wahlweise als Client oder Server. Weil das Protokoll schlank ist, liegt der Aufwand nicht in der Verbindung, sondern in der Interpretation: Registeradressen, Zählweise ab 0 oder ab 1, Byte- und Wortreihenfolge, Skalierung der Rohwerte. Ein vertauschtes Wort in einem 32-Bit-Zählerstand ist der Klassiker — der Wert sieht plausibel aus und ist es nicht.

6.EtherCAT: warum er hier nur zur Abgrenzung steht

EtherCAT wurde von Beckhoff entwickelt, im April 2003 vorgestellt und ist in IEC 61158 offengelegt; die Entwicklungsziele lagen bei Zykluszeiten unter 100 µs und Jitter unter 1 µs. Erreicht wird das durch „processing on the fly“: Jeder Teilnehmer liest im Durchlauf die an ihn adressierten Daten und schreibt seine eigenen in denselben Frame — Nutzdatenrate über 90 Prozent, kein TCP/IP-Stack im zyklischen Pfad, Kennung über den EtherType 0x88A4. In einer Siemens-Anlage begegnet EtherCAT deshalb meist als fremde Insel: als Maschinenmodul eines Zulieferers mit eigener Steuerung, angekoppelt über ein Gateway. Für die Integration zählt dann nicht das Segment selbst, sondern die Datenschnittstelle darüber.

7.Die Busse im Vergleich

„—“ heißt hier: in den zugrunde liegenden Primärquellen nicht belegt — nicht „gibt es nicht“.

8.Retrofit-Realität: was beim Steuerungstausch mit dem Bus passiert

PROFIBUS DP an einer neuen Steuerung. Der Standardweg ist nicht der Austausch, sondern der Proxy. Ein IE/PB LINK bindet vorhandene DP-Slaves in ein PROFINET-Netz ein; aus Sicht des IO-Controllers verhalten sie sich dann wie IO-Devices mit Ethernet-Schnittstelle. Die Ausführung IE/PB LINK HA nimmt als PROFINET-S2-Device bis zu 64 DP-Slaves auf, die DP-Ein- und Ausgänge sind auf 2.048 Byte begrenzt. Das erlaubt eine schrittweise Migration, kostet aber eine zusätzliche Komponente in der Diagnosekette — im Störungsfall ist stets zu klären, ob das Problem vor oder hinter dem Koppler liegt. Wo ein Anlagenteil ohnehin umgebaut wird, ist die Neuverdrahtung auf PROFINET die sauberere Lösung; wo eine funktionierende DP-Strecke unangetastet bleiben kann, ist der Proxy die wirtschaftlichere. Siemens beschreibt den Weg im Migrationsleitfaden S7-300/400 auf S7-1500 (SIOS-Beitrags-ID 109478811).

AS-i-Bestand an einer S7-1500 weiterbetreiben. Das geht, ohne die Feldinstallation anzufassen: Flachkabel, Piercing-Verbindungen und Slaves bleiben, solange ein Master nach Spezifikation 3.0 eingesetzt wird — herstellerübergreifende Austauschbarkeit ist ausdrücklicher Zweck der Zertifizierung durch die AS-International Association. Zwingend wechselt nur der Master: vom zentralen CP 343-2 der S7-300 zum CM AS-i Master ST in einer ET 200SP oder zu einem Fremd-Gateway. Siemens hebt für diesen Weg die integrierte Systemdiagnose für AS-i-Netzwerke in der ET-200SP-Station hervor und positioniert AS-i nicht als Konkurrenz zu PROFINET, sondern als dessen kostengünstigen Zubringer.

Was beim S5- oder S7-300-Retrofit mit dem Bus passiert. Die Buslandschaft gehört in die Bestandsaufnahme, nicht in die Inbetriebnahme: Welche Slaves hängen wirklich am Netz, welche stehen nur in der alten Projektierung, welcher Master versorgt welches Segment, und reicht der Adressraum der neuen Station? Den Ablauf eines solchen Projekts beschreibt der Beitrag S5 & S7-300 Retrofit: Migration auf S7-1500 + WinCC Unified; die Leistung selbst steht unter Steuerungs-Retrofit. In der Großregion Saar-Lor-Lux sind Anlagen aus den frühen 2000ern häufig, in denen PROFIBUS und AS-i nebeneinander gewachsen sind — der Steuerungstausch ist der realistische Zeitpunkt, diese Struktur zu bereinigen.

9.Was ein externer Inbetriebnehmer mitbringen muss

Werkzeuge. Ein Programmiergerät mit TIA Portal reicht für PROFINET-Diagnose und Prozessabbild — für die Leitung reicht es nicht. Dazu gehören ein Messmittel für Spannung gegen Erde am AS-i-Segment, ein Busmonitor beziehungsweise Netzwerkmitschnitt für PROFINET und PROFIBUS, ein Adressiergerät für AS-i-Slaves und, bei sporadischen Fehlern, ein fest eingebautes Diagnosegerät, das Spannung, Zykluszeit, Telegrammwiederholungen und Geräteausfälle chronologisch mitschreibt. Sporadische Fehler findet man nicht durch Anwesenheit, sondern durch Aufzeichnung.

Vorgehen. Erst die Physik, dann die Logik: Segment für Segment einmessen und protokollieren, bevor das Programm in Verdacht gerät — bei AS-i heißt das Netzteil und Spannungslage prüfen, Segmentlängen inklusive aller Stiche zählen, LPS gegen LDS und LAS halten, Fehlerzähler auslesen. Danach der funktionale Test: jeder Slave einzeln stimuliert, jede Reaktion geprüft. In eigenen Projekten mit AS-i-Segmenten an S7-300- und S7-1500-Steuerungen war die Zeit für dieses Einmessen fast immer kürzer als die, die eine falsch geratene Ursache kostet.

Übergabe-Doku. Was beim Betreiber liegen muss, ist knapp aufzählbar und wird trotzdem oft nicht geliefert: Slave-Liste mit Adresse, Typ, Profil und Einbauort; Segmentübersicht mit Leitungslängen, Netzteilen und Repeatern; Mess- und Prüfprotokoll je Segment; Zuordnung der Bus-Adressen zur Symbolik im TIA-Projekt; Parametersätze der IO-Link-Geräte samt IODD-Version. Wer später ein Modul ersetzt, muss dann nicht rekonstruieren, was dort vorher hing.

10.Fazit

Die Feldebene entscheidet, wie schnell und wie zuverlässig eine Anlage läuft — nicht die CPU. Eine S7-1500 macht ein AS-i-Segment nicht schneller als 5 ms, und ein Proxy macht einen schlecht abgeschlossenen PROFIBUS-Strang nicht gesund. Die gute Nachricht für Bestandsanlagen: Die Feldinstallation überlebt den Steuerungswechsel in aller Regel — was wechselt, ist der Master.

11.Quellen

• Siemens: Gerätehandbuch CM AS-i Master ST (3RK7137-6SA00-0BC1), 05/2015 — PDF
• Siemens: Gerätehandbuch CM 1243-2 / DCM 1271 — PDF
• Siemens: AS-Interface — Produktübersicht
• Siemens: Migrationsleitfaden S7-300/400 auf S7-1500, SIOS-Beitrags-ID 109478811 — PDF
• Siemens: IE/PB LINK HA als PROFINET-Proxy — Beitrag 109807303
• AS-International Association — as-interface.net, as-interface.de und Anwendernutzen ASi-5
• PROFIBUS & PROFINET International: PROFINET und PROFIBUS
• IO-Link Konsortium: What is IO-Link
• Modbus Organization: FAQ
• EtherCAT Technology Group: Technologie
• Bihl+Wiedemann: Gateway-Datenblätter 4018 und 3848
• Indu-Sol: ASi-Bus-Diagnose — Segmentzählung, Netzteilfunktionen, Isolationsüberwachung

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Über den Autor: David Prybisch ist SPS-Programmierer und Inbetriebnehmer mit über zehn Jahren Praxis und Gründer von Prybisch Automation mit Sitz in Stadtbredimus, Luxemburg. Er betreut Inbetriebnahmen und Steuerungs-Retrofits an Siemens-Anlagen in Luxemburg, im Saarland und in der Region Trier.