Profibus (Process Field Bus)

Feldbus für die Automatisierungstechnologie

PROFIBUS (Process Field Bus) ist ein Standard für Feldbus-Kommunikation in der Automatisierungstechnologie und wurde zum ersten Mal 1989 vom BMBF (Bundesministerium für Bildung und Forschung) vertrieben und im Weiteren von Siemens verwendet. Es sollte nicht mit dem PROFINET-Standard für Industrielles Ethernet verwechselt werden. Es ist kein offen veröffentlichtes und gebührenfreies Protokoll, so wie ältere Protokolle, wie MODBUS.

PROFIBUS – Herkunft

Die Geschichte geht zurück auf einen 1987 in Deutschland öffentlich vermarkteten Plan für eine Vereinigung. Für diesen Plan ersannen sich 21 Firmen und Institute einen Masterprojektplan mit dem Namen „Feldbus“. Das Ziel war, die Verwendung eines bitseriellen Feldbusses zu verbreiten. Dies sollte auf den Feldgerätschnittstellen basieren. Aus diesem Grund einigten sich die Firmen darauf, ein gemeinsames technisches Konzept für Produktion und Prozessautomatisierung zu unterstützen. Zunächst wurde das komplexe Kommunikationsprotokoll PROFIBUS FMS (Field Bus Message Specification) spezifiziert, welches für anspruchsvolle Kommunikationsaufgaben angedacht war. In der Folge wurde ab 1993 die Spezifikation für das einfachere und schnellere Protokoll PROFIBUS DP vollendet. FMS wird für (nicht zielgerichtete) Kommunikation von Daten zwischen mehreren Mastern verwendet. DP ist ein Protokoll, das für (zielgerichtete) Kommunikation zwischen Master und ihren I/O Slaves verwendet wird.

Heutzutage werden zwei Varianten verwendet, am häufigsten wird DP genutzt. Seltener kommt das anwendungsspezifische PA zum Einsatz:

  • DP wird verwendet, um Stellglieder und Sensoren mit zentralisierten Steuergeräten in Produktionsautomatisierungsanwendungen zu bedienen.
  • PA wird verwendet, um Messgeräte mithilfe eines Prozesskontrollsystems in Produktionsanwendungen zu kontrollieren. Diese Variante wird in gefährlichen Gegenden verwendet. Die physische Ebene (z.B. das Kabel) entspricht der Norm IEC 61158-2, die dafür sorgt, dass Strom über den Bus an Feldgeräte geleitet wird, ohne dass explosive Situationen hervorgerufen werden. PA hat eine Datenübertragungsrate von 31.25 kbit/s. Jedoch verwendet PA dasselbe Protokoll wie DP und kann somit über ein Verbindungsstück mit einem DP-Netzwerk verbunden werden.

PROFIBUS – Anwendungsschicht

Um diese Funktionen anwenden zu können, wurden verschiedene Servicelevel des DP-Protokolls definiert:

  • DP-V0 für zyklischen Daten- und Diagnoseaustausch
  • DP-V1 für antizyklischen und zyklischen Datenaustausch und Alarmbehandlung
  • DP-V2 für isochronen Datenaustausch und Slave-to-Slave-Kommunikation

PROFIBUS – Sicherungsschicht

Die Sicherungsschicht FDL (Field Bus Data Link) arbeitet mit einem hybriden Zugangsverfahren, welches das Tokenpassing mit einer Master-Slave-Methode verbindet. In einem PROFIBUS-DP-Netzwerk sind die Steuergeräte oder die Prozesssteuerungen die Master und die Sensoren und die Stellglieder die Slaves.

PROFIBUS – Bitübertragungsschicht

Es gibt drei verschiedene Methoden für die Bitübertragungsschicht:

  • Für die elektrische Übertragung gemäß EIA-485 werden Kabelpaare mit Widerständen von 150 Ohm in der Bustopologie verwendet. Bitraten von 9.6 kbit/s bis 12 Mbit/s können angesetzt werden. Die Kabellänge zwischen zwei Repeatern reicht von 100 bis 1200m, immer abhängig davon, welche Bitrate verwendet wird. Diese Übertragungsweise wird vor allem mit PROFIBUS DP genutzt.
  • Für optische Datenübertragung über Lichtleitung werden Stern-, Bus- und Ringtopologien verwendet. Der Abstand zwischen den Repeatern kann bis zu 15 km betragen. Die Ringtopologie kann ebenfalls redundant zum Einsatz kommen.
  • Bei der MBP (Manchester Bus Powered) Datenübertragung werden Daten- und Feldbus über dasselbe Kabel versorgt. Die Stromversorgung kann so beeinflusst werden, dass die Verwendung in gefährlichen Gegenden möglich ist. Die Bustopologie kann bis zu 1900m lang sein und kann mit anderen Feldgeräten verbunden werden. Die Bitrate liegt fest bei 31.25 kbit/s. Diese Technologie wird vor allem in der Prozessautomatisierung von PROFIBUS PA verwendet.

Für Datenübertragungen über Schleifkontakte bei Mobilgeräten oder optischer bzw. funktechnischer Datenübertragung in offenen Bereichen, können Produkte von verschiedenen Herstellern verwendet werden.

PROFIBUS – Profile

Profile sind vordefinierte Konfigurationen der Funktionen und Eigenschaften des PROFIBUS für den Einsatz in bestimmten Geräten oder Anwendungen. Sie werden von PI Arbeitsgruppen festgesetzt und von PI veröffentlicht. Profile sind wichtig für Offenheit, Interoperabilität und Austauschbarkeit, sodass der Endnutzer sicher sein kann, dass eine ähnliche Ausstattung von einer anderen Marke oder einem anderen Verkäufer in gleicher Weise funktioniert. Die Wahl des Nutzers fördert den Wettbewerb, der Verkäufer und Produzenten dazu antreibt, eine bessere Leistung zu einem geringeren Preis zu bieten.

PROFIBUS – Standardisierung

PROFIBUS wurde 1991/1993 gemäß DIN 19245 definiert und dann 1996 in EN 50170 integriert. Seit 1999 gehört es zu IEC 61158/IEC 61784.

PROFIBUS – Organisation

Die PROFIBUS Nutzerorganisation e.V. (PNO) wurde 1989 gegründet. Die Gruppe setzte sich hauptsächlich aus verschiedenen Herstellern und Nutzern aus Europa zusammen. 1992 wurde in Europa, genauer gesagt in der Schweiz, die erste regionale Organisation dieser Art gegründet (PROFIBUS Schweiz). In den folgenden Jahren kamen weitere PROFIBUS & PROFINET Vereinigungen dazu, so dass es mittlerweile viele verschiedene gibt.

1995 taten sich diese regionalen Vereinigungen unter der internationalen Dachorganisation PROFIBUS & PROFINET International (PI) zusammen. Heute wird es von 25 regionalen Vereinigungen auf der ganzen Welt repräsentiert. Sie haben über 1400 Mitglieder, zu denen die meisten, wenn auch nicht alle großen Automatisierungsverkäufer und –lieferanten genauso wie die Endnutzer gehören.