Profibus

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.

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 weiteren Schritten wurde ab 1993 die Spezifikation des einfacher aufgebauten und daher wesentlich schnelleren Protokolls PROFIBUS DP (Decentralized Peripherals) durchgeführt.

Einsatz

PROFIBUS existiert in drei 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 begrenzter Strom, so dass auch im Störfall keine explosionsfähigen Funken entstehen können. Ein Nachteil des PROFIBUS PA ist die relativ langsame Datenübertragungsrate von 31,25 kbit/s.
• PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification) war vor allem für den Einsatz in komplexen Maschinen und Anlagen gedacht. Diese Protokollvariante wurde von DP abgelöst und ist heute nicht mehr Bestandteil der Internationalen Feldbusnorm.

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 35,6 Millionen Geräte mit PROFIBUS im Einsatz^[1].

Technologie

PROFIBUS Protokolle (OSI-Modell)

OSI-Schicht		Englisch	PROFIBUS
7	Anwendung	Application		DPV0	DPV1	DPV2		Management
6	Darstellung	Presentation	--
5	Sitzung	Session
4	Transport	Transport
3	Netzwerk	Network
2	Sicherung	Data Link	FDL
1	Bitübertragung	Physical	EIA-485		Optisch	MBP

Anwendungsschicht

Die DP-Anwendungsschicht wurde in drei Schritten definiert. Das ursprünglich 1993 festgeschriebene DP-Protokoll wird heute umgangssprachlich als „DP-V0“ bezeichnet, die beiden Erweiterungen entsprechend „DP-V1“ und „DP-V2“. In den einzelnen Stufen wurden folgende Funktionen definiert:

• In DP-V0 der zyklische Austausch der Daten und Diagnosen. Geräte, die diesen Funktionsumfang unterstützen, finden vor allem in der allgemeinen Automatisierungstechnik und Maschinensteuerung Einsatz.
• In DP-V1 der azyklische Datenaustausch und die Alarmbehandlung. Geräte, die diese Erweiterungen unterstützen, finden sich vor allem in der Verfahrenstechnik.
• In DP-V2 der isochrone Datenaustausch, der Slave-Querverkehr und die Uhrzeitsynchronisation. Mit dieser Erweiterung wurde vor allem Anforderungen aus der Fertigungstechnik und Robotersteuerung Rechnung getragen.

Das PA-Protokoll wurde im Rahmen der Entwicklungsstufe DP-V1 definiert.

Sicherungsschicht

Die Sicherungsschicht FDL (Fieldbus Data Link) arbeitet mit einem hybriden Zugriffsverfahren, das Token-Passing mit einem Master-Slave-Verfahren kombiniert. In einem PROFIBUS-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 (PROFIBUS DP):

Keine Daten:

SD1 = 0x10

SD1

DA

SA

FC

FCS

ED

Daten variabler Länge:

SD2 = 0x68

SD2

LE

LEr

SD2

DA

SA

FC

PDU

FCS

ED

Daten fester Länge(selten):

SD3 = 0xA2

SD3

DA

SA

FC

PDU

FCS

ED

Token:

SD4 = 0xDC

SD4

DA

SA

Kurzquittung:

SC = 0xE5

SC

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 Check 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).

Bei PROFIBUS-PA existiert die gleiche Aufteilung der Telegrammtypen, sie haben einen anderen Telegrammrahmen, der im Unterschied zu DP für alle Telegrammtypen (außer SD) gleich ist, u.a. mit speziellen Bit-Symbolen des Manchester-Codes und einer Präambel zur Synchronisation. Ein 16 Bit langer CRC ersetzt als FCS die Prüfsumme, wird jedoch bei jedem Telegrammtyp eingesetzt. Die Pausenzeiten zwischen den Telegrammen sind ebenfalls verschieden festgelegt. Bei dem gleichspannungsfreien Signalpegel ist der Busruhezustand durch das Nichtvorhandensein eines Signals bestimmt (kein Signalpegelwechsel).

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 projektiert 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. Für die elektrische Übertragung sind zwei verschiedene Kabeltypen spezifiziert (Typ A und Typ B). Das bekannteste Kabel ist das lila Kabel vom Typ A.
• Bei der optischen Übertragung über Lichtwellenleiter kommen Stern-, Bus-, und Ring-Topologien zum Einsatz. Die Distanzen zwischen den Repeatern können 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. Dann spricht man von einem sogenannten eigensicheren Bereich. Dabei wird die Anwendung des FISCO Konzeptes empfohlen. Für diesen Bereich besitzen die Buskabel, die eine andere Spezifikation haben als der Kabeltyp A (EIA-485), einen blauen Mantel. Die Bustopologie kann bis zu 1900 Meter lang sein und lässt Abzweigungen zu den Feldgeräten mit maximal 120 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 (Wireless Profibus).

• 

  Verschiedene PROFIBUS-Stecker

• 

  Innenleben eines Steckers

• 

  Kabel für PROFIBUS DP in charakteristischer Farbe

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.

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.

Literatur

• Einleitung als on-line Buch von Prof. Max Felser, Berner Fachhochschule
• 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, 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

Weblinks

Technische Informationen:

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

Organisation:

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

Einzelnachweise

1. ↑ Pressemitteilung PNO e.V. http://www.profibus.com/community/regional-pi-associations/germany-new/presse-aktuelles-presse/single-view/article/beschleunigtes-wachstum-bei-profinet-und-profisafe/. Stand 1. April 2011.