Das Feldbussystem PROFIBUS anhand seines Protokolls

Systeme, die über einen Feldbus eine Kommunikation und den Datenaustausch zwischen den Teilnehmern einer Netzwerktopologie ermöglichen, werden besonders seit den 90er Jahren zusehends verwendet, da sie als kostengünstig sowie flexibel gelten und eine hohe Kompatibilität zu Geräten jeder Hersteller aufweisen. Um bei einem solch komplexen Prozess die Übersicht zu behalten, hat sich der Einsatz von Protokollen als nützlich herausgestellt, die bei einem System festlegen, zu welchem Zeitpunkt welcher Teilnehmer was empfängt oder sendet. Auch bei dem namhaften Feldbussystem PROFIBUS findet sich ein solches Protokoll.

Die Anwendungsschicht des Protokolls

Diese Schicht ist bereits als die siebte Ebene des ISO/OSI-Referenzmodells bekannt und kann hier in drei unterschiedliche Schritte gegliedert werden:

• DP-V0
• DP-V1
• DP-V2

Das DP-V0 Protokoll ist die ursprüngliche Fassung der systeminternen Ordnung und wurde im Jahre 1993 festgeschrieben. Die beiden anderen Versionen stellen die Erweiterungen dieser Basis dar.

Bei der ersten Variante aus den frühen 90er Jahren findet ein zyklischer Austausch von Daten und Diagnosen statt. Aus diesem Grunde hat sich das PROFIBUS-System besonders innerhalb der Automatisierungstechnik und bei der Maschinensteuerung etabliert, da sich hier viele kompatible Geräte finden lassen und der Nutzen sehr hoch angesiedelt ist.

Das DP-V1 Protokoll definiert den azyklisch verlaufenden Austausch von Daten. Auch die Behandlung von Alarmsignalen ist in diesem Bereich festgelegt, sodass sich diese Anwendung vor allem bei der Verfahrenstechnik antreffen lässt. Die letzte Form des Protokolls auf der Anwendungsschicht führt einen isochronen Datenverkehr durch. Aber auch der Slave-Querverkehr und die Synchronisation der Uhrzeit zählen zu den Inhalten von DP-V2. Diese Erweiterung des ursprünglichen Protokolls hat den Vorteil, den Anforderungen, welche an die Fertigungstechnik und Steuerung von Robotern gestellt wird, zu erfüllen.

Die Sicherungsschicht bei PROFIBUS

Diese Ebene wird auch als „Fieldbus Data Link“, oder nur kurz FDL, bezeichnet. Die Sicherungsschicht arbeitet mittels eines hybriden Zugriffsverfahrens, bei welchem das Token-Passing-Verfahren mit der herkömmlichen Master-Slave-Methode in Verbindung gebracht wird. Bei diesem feldbusgetragenen Netzwerk nehmen Steuerungen und Prozessleitsysteme die Stellung des Masters ein und die Slaves unterteilen sich in Sensoren und Aktoren. Zudem kommt es auch zur Verwendung von unterschiedlichen Telegrammtypen, welche durch den sogenannten Start-Delimiter bestimmt werden.

Beim Versenden eines Telegramms ist es unerlässlich, dass jedes einzelne Bit als schlupffrei gilt, demnach also ohne Pausen zwischen dem Stopp-Bit und dem darauffolgenden Start-Bit übertragen wird. Soll ein neues Telegramm verschickt werden, so sendet der Master ein Signal aus, dass mindestens 33-Bit umfassen muss und bei dem die logische Eins den Ruhezustand des Busses definiert. Je nach vorkommender Version des PROFIBUS-Systems existieren auch Unterschiede bei den Telegrammen. So gibt es zum Beispiel bei PROFIBUS-PA immer noch die gleiche Aufteilung der einzelnen Botschaftstypen, doch der Telegrammrahmen ist ein anderer. Bei der DP-Variante ist dieser immer anders, doch bei dem PA-System ist dieser Rahmen stets gleich und beinhaltet unter anderem eine Präambel die der Synchronisation dient und den Manchester-Code. Auch die Pausenzeiten variieren. Die Gemeinsamkeit liegt jedoch bei der Prüfsumme, da diese durch einen 16-Bit langen CRC ersetzt wird.

Die Bitübertragungsschicht des PROFIBUS-Protokolls

Diese Ebene ist als erste Schicht im ISO/OSI-Referenzmodell bekannt und wird hier durch die Unterteilung in drei verschiedene Verfahrensmethoden bestimmt:

• Elektrische Übertragung:
  Hierbei wird eine verdrillte Zweidrahtleitungen innerhalb einer Bustopologie eingesetzt, die über eine Wellenimpedanz von 150 Ohm verfügt. Je nachdem wie die verwendete Bitrate ausfällt, ist auch die Kabellänge zwischen zwei Repeatern beschränkt, die in der Spanne von 100 Metern bis 1200 Metern liegen kann. Auch die Art des Kabels kann variieren. So finden sich zwei unterschiedlich spezifizierte Typen, von denen das lilafarbene Kabel des Typs A als das am meisten verbreitete gilt. Die elektrisch durchgeführte Form einer Datenübertragung lässt sich vormals bei PROFIBUS DP und FMS auffinden.
  
  
• Optische Übertragung:
  Diese Form des Datentransfers läuft über einen Lichtwellenleiter der die optischen Signale versendet. Hierbei können verschiedene Topologien auftreten, die von der Sternstruktur über die Bus-Form bis zur ringförmigen Anordnung reichen. Bei der Sterntopologie sind die Teilnehmer alle über eine Zweipunktverbindung an einen zentralen Teilnehmer geknüpft; bei der Bus-Formatierung sind die Teilnehmer eines Netzwerks in einer Reihe mit demselben Übertragungsmedium verbunden; bei der Ringstruktur sind immer zwei Teilnehmer über eine Zweipunktverbindung aneinander gekoppelt und diese ist auch die einzige Topologie beim PROFIBUS-System, welche sich zusätzlich redundant ausführen lässt. Die Repeater bei der optischen Übertragung lassen sich in maximalen Entfernungen von fünfzehn Kilometern anbringen.
  
  
• „Manchester Bus Powered“ Übertragung:
  bei dieser Methode werden die Datenübertragungen und die Speisung aller Feldgeräte über dasselbe Kabel übermittelt. Dabei kann die Leistung dermaßen begrenzt werden, dass sich diese Form des Datentransfers besonders im explosionsgefährdeten Bereich etablieren kann und vorwiegend im Prozessautomationsbereich vorherrschend ist. Hierfür sind die Kabel mit einem blauen Mantel umschlossen. Die Verzweigung des Netzwerks lässt sich bis zu 1900 Meter ausbreiten, wobei die Wege zu anderen Feldgeräte bei maximal 120 Metern Länge liegen dürfen.