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 industrielles Ethernet.

Inhaltsverzeichnis

1 Entstehung
2 Einsatz
3 Technologie
4 Normierung
5 Organisation
6 Literatur
7 Weblinks

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

Einsatz

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

PROFIBUS-FMS (Fieldbus-Message-Specification) zur Vernetzung von Steuerungen - wird ab 2007 nicht mehr normiert sein
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/sec 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.

Der PROFIBUS hat in Europa in der Fertigungstechnik einen Marktanteil von mehr als 60 %. Weltweit sind über 14 Millionen Geräte mit PROFIBUS im Einsatz (Stand 2006). Zurzeit gehen Marktanteile in Richtung Industrial Ethernet verloren.

Technologie

PROFIBUS Protokolle (OSI-Modell)

OSI-Schicht		Englisch	PROFIBUS
7	Anwendung	Application	FMS	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

Um diese Funktionen zu erreichen, sind verschiedene Anwendungsprotokolle definiert:

PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification) für die Kommunikation zwischen Steuerungen nach dem Client-Server Prinzip.
PROFIBUS-DPV0 für den zyklischen Austausch der Daten und die Diagnose
PROFIBUS-DPV1 für den azyklischen und zyklischen Datenaustausch zuzüglich der Alarmbehandlung
PROFIBUS-DPV2 für den isochronen Datenaustausch

Verschiedene Firmen haben auch eigene Anwendungsprotokolle definiert, wie z.B. Siemens das Multi Point Interface (MPI) für die Programmierung der SIMATIC S7-Steuerungen oder Saia-Burgess Electronics das Profi-S-Bus-Protokoll für die Programmierung ihrer PCD-Steuerungen. Diese Protokolle können auf demselben PROFIBUS-FDL koexistieren.

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

SD1

FCS

Daten variabler Länge:

SD2 = 0x68

SD2

LEr

SD2

PDU

FCS

Daten fester Länge:

SD3 = 0xA2

SD3

PDU

FCS

Token:

SD4 = 0xDC

SD4

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).

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 Bustoplogie 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.

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 zusammenschließen. 1992 ist in der Schweiz die erste regionale PROFIBUS Schweiz Organisation gegründet worden. Im Jahr 1995 haben sich alle regionalen Organisationen zum internationalen Dachverband PROFIBUS and PROFINET International zusammengeschlossen.

Literatur

[1] Gute Einleitung von Prof. Max Felser Berner Fachhochschule
Manfred Popp: Profibus-Dp/dpv1 Grundlagen, Tipps und Tricks für Anwender. Hüthig, ISBN 3-7785-2781-9
Christian Diedrich: PROFIBUS PA - Eine Einführung. Oldenbourg, ISBN 3-486-27024-9
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