Profibus

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PROFIBUS (Process Field Bus) ist ein Standard für die Feldbus-Kommunikation in der Automatisierungstechnik und wurde anfangs (1989) vom BMBF gefördert. Es ist nicht zu verwechseln mit dem PROFINET Standard für Industrial Ethernet.

[Bearbeiten] Entstehung

Die Geschichte von PROFIBUS geht auf ein 1987 in Deutschland gestartetes öffentlich gefördertes Verbundvorhaben zurück, für welches 21 Firmen und Institute einen Projektrahmenplan "Feldbus" ausgearbeitet hatten. Ziel war die Realisierung und Verbreitung eines bitseriellen Feldbusses, wofür die Normung der Feldgeräteschnittstelle die Grundvoraussetzung schaffen sollte. Dazu verständigten sich einschlägige Mitgliedsfirmen, ein gemeinsames technisches Konzept für die Fertigungs- und Prozessautomatisierung zu unterstützen. In einem ersten Schritt wurde das komplexe Kommunikationsprotokoll PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification) spezifiziert, welches auf anspruchsvolle Kommunikationsaufgaben zugeschnitten war. In einem weiteren Schritt wurde 1993 die Spezifikation des einfacher aufgebauten und daher wesentlich schnelleren Protokolls PROFIBUS DP (Decentralized Peripherals) abgeschlossen, welches FMS abgelöst hat.

[Bearbeiten] Einsatz

PROFIBUS existiert in zwei Varianten, wobei DP die meistgenutzte ist:

• PROFIBUS-DP (Dezentrale Peripherie) zur Ansteuerung von Sensoren und Aktoren durch eine zentrale Steuerung in der Fertigungstechnik. Hier stehen insbesondere auch die vielen Standarddiagnosemöglichkeiten im Vordergrund. Weitere Einsatzgebiete sind die Verbindung von "verteilter Intelligenz", also die Vernetzung von mehreren Steuerungen untereinander (ähnlich PROFIBUS-FMS). Es sind Datenraten bis zu 12 Mbit/s auf verdrillten Zweidrahtleitungen und/oder Lichtwellenleiter möglich.
• PROFIBUS-PA (Prozess-Automation) wird zur Kontrolle von Messgeräten durch ein Prozessleitsystem in der Prozess- und Verfahrenstechnik eingesetzt. Diese Variante des PROFIBUS ist für explosionsgefährdete Bereiche (Ex-Zone 0 und 1) geeignet. Hier fließt auf den Busleitungen in einem eigensicheren Stromkreis nur ein schwacher Strom, so dass auch im Störfall keine explosionsfähigen Funken entstehen können. Der Nachteil dieser Variante ist die langsamere Datenübertragungsrate von 31,25 kbit/s.

PROFIBUS ist der einzige Feldbus, der in der Fertigungsautomatisierung und in der Prozessautomatisierung gleichermaßen eingesetzt werden kann und hat sich mittlerweile zum Weltmarktführer entwickelt. Weltweit sind über 25 Millionen Geräte mit PROFIBUS im Einsatz^[1].

[Bearbeiten] Technologie

[Bearbeiten] Anwendungsschicht

Um diese Funktionen zu erreichen, sind verschiedene Anwendungsprotokolle definiert:

• DP-V0 für den zyklischen Austausch der Daten und die Diagnose
• DP-V1 für den azyklischen und zyklischen Datenaustausch zuzüglich der Alarmbehandlung
• DP-V2 für den isochronen Datenaustausch und Slave-Querverkehr

[Bearbeiten] Sicherungsschicht

Die Sicherungsschicht FDL (Fieldbus Data Link) arbeitet mit einem hybriden Zugriffsverfahren, das Token-Passing mit einem Master-Slave-Verfahren kombiniert. In einem PROFIBUS DP Netzwerk sind die Steuerungen oder Prozessleitsysteme die Master und die Sensoren und Aktoren die Slaves.

Es werden verschiedene Telegrammtypen verwendet, die durch den Startdelimiter (SD) unterschieden werden können:

Keine Daten:

SD1 = 0x10

Daten variabler Länge:

SD2 = 0x68

Daten fester Länge:

SD3 = 0xA2

Token:

SD4 = 0xDC

Kurzquittung:

SC = 0xE5

SD: Start Delimiter, zur Unterscheidung des Telegrammtyps

LE: Länge der Nettodaten, (incl. DA,SA,FC,DSAP,SSAP)

LEr: Wiederholung der Nettodaten Länge, (Hamming-Distanz =4 !)

FC: Function Code

DA: Destination Address

SA: Source Address

DSAP: Destination Service Access Point

SSAP: Source Service Access Point

PDU: Protocol Data Unit (Nettodaten)

FCS: Frame Checking Sequence

ED: End Delimiter (= 0x16 !)

Der FCS wird durch einfaches Aufsummieren der Bytes innerhalb der angegebenen Länge berechnet. Ein Überlauf wird dabei ignoriert. Jedes Byte wird mit einer geraden Parität gesichert und asynchron mit Start- und Stopp-Bit übertragen.

Die einzelnen Bytes eines Telegramms müssen schlupffrei, d.h. ohne Pause zwischen dem Stopp- und dem nächsten Start-Bit, übertragen werden. Der Master signalisiert den Beginn eines neuen Telegramms mit einer SYN-Pause von mindestens 33 Bit (logisch "1" = Busruhezustand).

[Bearbeiten] Bitübertragungsschicht

Bei der Bitübertragungsschicht sind drei verschiedene Verfahren festgelegt:

• Bei der elektrischen Übertragung nach EIA-485 werden verdrillte Zweidrahtleitungen mit einer Wellenimpedanz von 150 Ohm in einer Bustopologie eingesetzt. Es können Bitraten von 9600 bit/s bis 12 Mbit/s eingesetzt werden. Je nach verwendeter Bitrate ist die Kabellänge zwischen zwei Repeatern auf 100 bis 1200 Meter beschränkt. Dieses Übertragungsverfahren wird vor allem beim PROFIBUS DP und FMS eingesetzt.
• Bei der optischen Übertragung über Lichtwellenleiter kommen Stern-, Bus-, und Ring-Topologien zum Einsatz. Die Distanzen zwischen den Repeatern kann bis zu 15 km betragen. Die Ring-Topologie kann auch redundant ausgeführt werden.
• Bei der MBP (Manchester Bus Powered) Übertragungstechnik werden über dasselbe Kabel Daten und die Speisung der Feldgeräte übertragen. Die Leistung kann so begrenzt werden, dass auch ein Einsatz in explosionsgefährlicher Umgebung möglich ist. Die Bustopologie kann bis zu 1900 Meter lang sein und lässt Abzweigungen zu den Feldgeräten mit maximal 60 Meter Länge zu. Die Bitrate beträgt hier fest 31,25 kbit/s. Diese Technologie ist speziell für den Einsatz in der Prozessautomation für PROFIBUS PA festgelegt worden.

Für die Datenübertragung über Schleifkontakte für mobile Teilnehmer oder für optische oder funktechnische Datenübertragung im freien Raum sind Produkte mehrerer Hersteller verfügbar, die aber in keiner Norm festgelegt sind.

Für die elektrische Übertragung sind zwei verschiedene Kabeltypen spezifiziert (Typ A und Typ B). Das bekannteste Kabel ist das lila Kabel vom Typ A. Dessen Farbfestlegung ist als Hinweis auf den nicht-eigensicheren Mantel des Kabels gedacht, denn im Gegensatz dazu sollen eigensichere Kabel vom Typ A einen blauen Mantel aufweisen.

Verschiedene PROFIBUS-Stecker

Innenleben eines Steckers

Kabel für PROFIBUS DP in charakteristischer Farbe

[Bearbeiten] Normierung

PROFIBUS wurde 1991/1993 in DIN 19245 definiert, ist 1996 in EN 50170 überführt worden und seit 1999 in IEC 61158/IEC 61784 festgelegt.

[Bearbeiten] Organisation

Seit 1989 existiert die PROFIBUS Nutzerorganisation e.V. (PNO), in der sich Hersteller und Anwender in Deutschland zusammengeschlossen haben. 1992 ist in der Schweiz die erste regionale PROFIBUS Schweiz Organisation gegründet worden. In den folgenden Jahren sind weitere RPAs (Regional PROFIBUS & PROFINET Association) hinzugekommen. Heute ist PROFIBUS durch 25 RPAs in der ganzen Welt vertreten. Im Jahr 1995 haben sich alle RPAs zum internationalen Dachverband PROFIBUS & PROFINET International (PI) zusammengeschlossen.

[Bearbeiten] Literatur

• [1] Gute Einleitung von Prof. Max Felser Berner Fachhochschule
• [2] PROFIBUS Systembeschreibung
• Manfred Popp: Profibus-Dp/DPV1 Grundlagen, Tipps und Tricks für Anwender. Hüthig, ISBN 3-7785-2781-9
• Christian Diedrich: PROFIBUS PA - Instrumentierungstechnologie für die Verfahrenstechnik. Oldenbourg, ISBN 3-8356-3056-3
• Josef Weigmann, Johan Berger, Gerhard Kilian: Dezentralisieren mit PROFIBUS-DP / DPV1. Aufbau, Projektierung und Einsatz des PROFIBUS-DP mit SIMATIC S7, 3. Auflage, 2002, ISBN 3-89578-189-4
• Christian Diedrich, Thomas Bangemann: Profibus PA, Oldenbourg Industrieverlag, ISBN 978-3-8356-3125-0

[Bearbeiten] Weblinks

Technische Informationen:

• Informationen zu PROFIBUS
• Informationen des GSI
• www.feldbusse.de: Grundlagen von Profibus und anderen Feldbussystemen

Organisation:

• PROFIBUS & PROFINET International (PI) (Dachorganisation)
• PROFIBUS Nutzerorganisation e.V. (PNO) (Regionale Organisation für Deutschland)
• PROFIBUS Schweiz (Regionale Organisation für die Schweiz)

[Bearbeiten] Einzelnachweise

1. ↑ Pressemitteilung PNO e.V. http://www.profibus.com/rpa/germany/events/press/article/03195/. Stand 15. Juli 2008.