Lernfeld 7 · Prüfung Teil 2

Feldbusse, Schnittstellen und IoT-Protokolle

Feldbusse und IoT-Protokolle verstehen: RS-485 und Modbus, serielle Übertragung 8N1, I²C und SPI, IO-Link, OPC UA, MQTT und LoRaWAN.

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Darum geht es

Eine serielle Schnittstelle überträgt die Bits nacheinander über eine Leitung, eine parallele mehrere gleichzeitig. Asynchrone serielle Übertragung rahmt jedes Byte mit Start- und Stoppbit ein; im Format 8N1 gehören zu 8 Datenbits ein Startbit und ein Stoppbit, also 10 Bit je Zeichen. RS-485 überträgt differenziell über ein verdrilltes Paar, ist dadurch störfest und erlaubt einen Bus mit vielen Teilnehmern. An beiden Enden der Busleitung sitzt ein Abschlusswiderstand von 120 Ω, der Reflexionen verhindert.

Modbus arbeitet nach Anfrage und Antwort: Ein Master bzw. Client fragt, die Slaves bzw. Server antworten. Modbus RTU läuft über RS-485, Modbus TCP über Ethernet auf Port 502. Auf der Platine verbinden I²C mit zwei Leitungen (Daten und Takt, Geräte mit Adresse) und SPI mit getrennten Leitungen für Senden, Empfangen, Takt und Chip-Select (schneller, Vollduplex) Sensoren mit dem Mikrocontroller. IO-Link ist eine digitale Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen Master und einem Sensor oder Aktor. In der Fertigung nutzt man Industrial Ethernet wie PROFINET oder EtherCAT.

Für den herstellerunabhängigen Datenaustausch in Industrie 4.0 gibt es OPC UA mit Informationsmodell und eingebauter Sicherheit (Port 4840). Im IoT verbreitet ist MQTT: Geräte veröffentlichen Nachrichten zu einem Topic an einen Broker, Empfänger abonnieren das Topic (Publish-Subscribe). Ohne TLS nutzt MQTT Port 1883, mit TLS 8883. Mit dem Retain-Flag behält der Broker den letzten Wert für neue Abonnenten. Batteriebetriebene Sensoren mit kleiner Datenrate funken über LoRaWAN, NB-IoT oder Zigbee; im 868-MHz-Band begrenzt der Duty Cycle die Sendezeit.

Das solltest du dir merken

Im Format 8N1 dauert ein Zeichen 10 Bitzeiten.
RS-485 braucht an beiden Leitungsenden einen Abschlusswiderstand von 120 Ω.
MQTT arbeitet mit Broker und Topics nach dem Publish-Subscribe-Prinzip.
Modbus TCP nutzt Port 502, OPC UA Port 4840, MQTT 1883 bzw. 8883 mit TLS.
I²C kommt mit zwei Signalleitungen aus, SPI braucht je Teilnehmer ein Chip-Select.

Formeln

Übertragungsdauer seriell: $t = \frac{n \cdot b}{r}$; $n$ Anzahl der Zeichen, $b$ Bit je Zeichen einschließlich Start-, Paritäts- und Stoppbits, $r$ Baudrate in bit/s
Höchste Sendezeit beim Duty Cycle: $t_{max} = D C \cdot T$; $D C$ Duty Cycle als Dezimalzahl, etwa 0,01 für 1 %, $T$ Bezugszeitraum, meist 1 h

Typische Fehler in der Prüfung

Bei der seriellen Übertragung nur die 8 Datenbits gerechnet und Start- und Stoppbit vergessen.
Den Abschlusswiderstand nur an einem Ende oder an jedem Teilnehmer gesetzt.
MQTT als direkte Verbindung zwischen Sensor und Dashboard beschrieben, ohne Broker.
Prozentangaben des Duty Cycle nicht in eine Dezimalzahl umgerechnet.

Tipps aus der Werkstatt

MQTT denkst du dir als schwarzes Brett: Sensoren veröffentlichen auf ein Topic, der Broker verteilt, Anzeigen abonnieren. Sender und Empfänger kennen sich nicht und müssen nicht gleichzeitig online sein.
RS-485 ist ein differenzieller Bus mit 120-Ω-Abschluss an beiden Enden gegen Reflexionen, I²C ist kurz und adressiert auf der Platine, CAN hat Prioritäten per ID. Für Batteriesensoren mit wenig Daten passen LoRaWAN, Zigbee oder BLE, nicht WLAN.

Sitzt das Thema? Teste dich mit echten Prüfungsfragen.

21 Aufgaben zu „Feldbusse, Schnittstellen und IoT-Protokolle“, falsche Antworten kommen in der Runde noch einmal.

Jetzt üben

Grundlage: Rahmenlehrplan IT-Systemelektroniker/-in (KMK 2019), Lernfeld 7; TIA/EIA-485; Modbus Application Protocol; IEC 62541 (OPC UA); OASIS MQTT 5.0. Eigene Erklärung, keine Originalaufgaben der Prüfungsausschüsse.