Ausgabe Dezember 2014

 

Profibus - Quo vadis?

 

Profibus ist ein Industrie-Netzwerkstandard mit mehreren Schichten gemäß dem OSI-Schichtenmodell. In Automatisierungsanwendungen ist die häufigste Profibus-Schicht eine Variante von RS-485 mit zusätzlichen Anforderungen zur Verbesserung der Datenübertragungsleistung. Profibus wurde für industrielle Anwendungen entwickelt. Die Schnittstelle muss daher sowohl schnell als auch robust sein. Dieser Bericht beschreibt die Grundlagen von Profibus und vergleicht diese mit anderen Technologien.

Die Geschichte von PROFIBUS geht auf ein öffentlich gefördertes Verbundvorhaben zurück, welches 1987 in Deutschland gestartet wurde. Ziel war die Realisierung und Verbreitung eines seriellen Feldbusses. Schon 1983 hatte Bosch ein ähnliches Projekt begonnen mit dem Namen CAN (für Controller Area Network ), dessen Ziel es war alle elektronischen Komponenten in einem Fahrzeug ohne Hostcomputer kommunizieren zu lassen. CAN-Bus ist ein Nachrichten basiertes Protokoll, welches zwar speziell für Automotive-Anwendungen entwickelt wurde, aber jetzt auch in anderen Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Schifffahrt, Schienenfahrzeuge, Industrieautomation und Medizintechnik eingesetzt wird.

Der Zusammenschluss der Europäischen Gemeinschaft und die Eingliederung der EFTA-Staaten zu einem gemeinsamen Markt mit freiem Austausch von Waren, Arbeitsplätzen, Leistungen und Kapital führte unter anderem auch dazu, dass diese Länder alle EG-Richtlinien akzeptieren mussten, welche seit der Gründung der EWG im Jahre 1957 eingeführt wurden. Die neue Europäische Wirtschaftgemeinschaft stellt die größte und am besten konstruierte freie Handelszone der Welt darstellt, welche 500 Millionen Menschen der 28 EU-Staaten aneinander bindet. Mit knapp 30 Billionen US$ ist das Bruttoinlandsprodukt (BIP) der EU größer als das der USA. Nur das BIP von China ist größer und beträgt ca. 50 Billionen US$. Die wirtschaftliche Vormatchstellung der USA schwindet und es ist daher nicht verwunderlich, dass sich die USA mit aller Macht dagegenstemmt. Nach 1992 haben sich die Aktivitäten in Brüssel überschlagen. Betrachtet man die Notwendigkeit der Aktivitäten, so ist klar, dass Europa auch die führende Rolle bei der Standardisierung spielt. Diese Standards mussten nicht nur von den Mitgliedsstaaten, sondern müssen auch von den neuen Anwärterstaaten übernommen werden. Folglich blieb der International Organization for Standardization (ISO) nichts anderes übrig als diese Standards zu akzeptieren und es kann nicht daran gezweifelt werden, dass diese Standards auf lange Zeit festgeschrieben bleiben.

Die Profibus-Mitgliedsfirmen mussten sich auf ein gemeinsames technisches Konzept verständigen, wofür die Normung der Schnittstelle die Voraussetzung war. In einem ersten Schritt wurde das sehr komplexe Protokoll „Fieldbus Message Specification“ (FMS) spezifiziert, welches auf anspruchsvolle Kommunikationsaufgaben zugeschnitten war. In weiteren Schritten wurde ab 1993 die Spezifikation von Profibus PA (Prozess Application ) und das einfacher aufgebaute aber dafür schnellere Protokoll „Profibus DP“ (Decentralized Peripherals ) eingeführt. Federführend war Siemens, welches bald auch eigene Hardware für Profibus entwickelte. Der Software-Stack beruhte auf dem ISPC-Modell (Interoperable Software Stack on PCs) , was ursprünglich eine Hardware unabhängige Plattform darstellte und für sogenannte „IBM-PC kompatible Hardware“ geschrieben worden war. Dieser Code wurde später von den Profibus-Mitgliederfirmen auf Embedded Systeme anderer Mikroprozessoren portiert und ward fortan nicht mehr Hardware unabhängig. Um Geschwindigkeiten von 1,5 MBaud und mehr zu erreichen, brauchte man in den 80er Jahren noch spezielle ASICs , welche im Wesentlichen einen sehr schnellen UART und Datenpuffer für den zyklischen Datenaustausch zur Verfügung stellten. Zu der Zeit wurde die Embedded-Welt noch von 8-Bit-Prozessoren dominiwert und die waren mit Datenraten >1,5 MBaud überfordert. Moderne Prozessoren benötigen dieses Stützrad nicht mehr, trotzdem verkaufen Siemens, Profichip und andere Hersteller diese ASICs immer noch in beachtlichen Stückzahlen und zu einem horrenden Preis. Die Siemens-ASICs werden zwar noch gefertigt, zum Teil wurde die Produktion bereits ausgelagert, aber deren Support ist immer weniger gewährleistet. Die 5V-Technologie der Siemens-ASIC passt ohnehin schlecht in die heutige Prozessorwelt und verursacht zudem erhebliche EMV-Probleme. Erwiesener Maßen können die Profibus-Protokolle leicht von billigen 32-Bit Prozessoren erledigt werden. Es ist ein Anachronismus, dass Chiplieferanten wie Innovasic, Texas Instruments und andere heutzutage Megabytes an Flash- und RAM-Speicher für den Betrieb ihrer Profibus-Interfaces benötigen. Es liegt daran, dass die Software in der Regel auf einen „embedded“ Linux-Kernel aufsetzt und daher mehr Resourcen benötigt.und auch mehr Verlustleitungs aufweist als ein einfaches Embedded-System.

Die Weiterentwicklung von Feldbussystemen geht heute - durch Einsatz der Ethernet-Technologienimmer - zu immer höheren Geschwindigkeiten: entweder Standard Ethernet oder Industrial Ethernet. Bekannte Vertreter von Industrial Ethernet sind PROFINET, EtherNet /IP, EtherCAT , POWERLINK, SERCOS III und andere. Das Ergebnis dieses „Feldbuskrieges“ ist bekannt: eine Vielzahl von unterschiedlichen Feldbussen sind in internationale Normen gefasst wurden und haben sich mehr oder weniger gut am Markt etabliert. Die einen Vertreter postulieren die Echtzeitfähigkeit, während die anderen die Kombinierbarkeit mit Standard-Ethernet herausstellen. Wer von den Anbietern am Ende die Nase vorn haben wird, bleibt abzuwarten. Für den Anwender jedoch ist die Wahl vorerst nicht leichter geworden

Aber kommen wir zurück auf Profibus! Profibus existiert in drei Varianten: DP, PA und FMS, wobei Profibus DP die meistgenutzte ist. Profibus FMS war einst für den Einsatz in komplexen Anlagen gedacht. Diese Protokollvariante wurde von DP abgelöst und ist heute nicht mehr Bestandteil der internationalen Feldbusnorm. Profibus PA wird zur Kommunikation zwischen Mess- und Prozessgeräten, Aktoren und Prozessleitsystem bzw. SPS in der Prozess- und Verfahrenstechnik eingesetzt. Die Busleitung übernimmt nicht nur die Kommunikation, sondern auch die Energieversorgung der Teilnehmer und stellt die digitale Alternative zur klassischen analogen Verbindung von Geräten (20mA-Technik) dar. Je nach Einsatzbereich kommen unterschiedliche Explosionsschutzarten zum Einsatz. Besonders etabliert ist die Schutzart „e“ (Eigensicherheit). Die Datenübertragungsrate von Profibus PA liegt bei 31,25 kbit /s, was lange Kabelwege ermöglicht und für hohe Immunität gegen elektromagnetische Interferenzen sorgt. Profibus DP hingegen dient vor allem zur Ansteuerung von Sensoren und Aktoren durch eine zentrale Steuerung. In der Regel ist das eine SPS oder ein PC. Im Vordergrund stehen die Standarddiagnosemöglichkeiten. Weitere Einsatzgebiete sind die Verbindung von „verteilter Intelligenz“, also die Vernetzung von mehreren Steuerungen untereinander. Es sind Datenraten bis zu 12 Mbit/s auf verdrillten Zweidrahtleitungen oder Lichtwellenleiter möglich. Der Einsatz mit Antriebsgeräten ist im Profil „ PROFIdrive“ festgelegt.

Die Grundfunktionen aller Profibus-Protokolle werden von dem sogenannten „Fieldbus Data Link“ Protokoll (FDL) ausgeführt. Die FDL-Dienste sind für alle Profibus-Ausbaustufen gemeinsam, werden aber nicht für jede Funktion benötigt. Das Protokoll für die Dezentrale Peripherie (DP) gibt es in drei Ausbaustufen (V0, V1 und V2). Jede Ausbaustufe führt weitere Funktionen hinzu. Die meisten dieser Erweiterungen sind optional. Die Grundfunktionen für zyklische Prozessdaten werden als DP-V0 bezeichnet. Mit den Protokollerweiterungen DP-V1 und DP-V2 ist es möglich die Zykluszeit der Steuerung auf einen festen Wert zu fixieren (äquidistanter Zyklus) und mit speziellen Telegrammen auch die Zykluszeit der Slave auf den Profibus-Zyklus zu synchronisieren (isochroner Zyklus). Wenn in einer Anwendung zwei „ Slaves “ direkt miteinander Daten austauschen sollen, braucht es dazu das DP-V2 Protokoll. Die Profibus-Nutzerorganisation (PNO) hat in den verschiedenen Protokollen alle nur denkbaren Funktionen des Datenaustauschs definiert, welche theoretisch gebraucht werden könnten. Aus heutiger Sicht muss man feststellen, dass sich manche Funktionen zwar genial anhören aber nur ein geringer Teil davon wird tatsächlich gebraucht. So vertraut der Praktiker lieber auf eine sinnvolle Verknüpfung der Daten in seinem SPS-Programm als dass er den Datenabgleich mittels V2-Protokoll den Slaves überlässt. Auch die V1-Funktionen „Freeze/Unfreeze“ lassen es zu, dass man Daten von mehreren Slaves zeitsynchron auslesen kann. In letzterem Fall ist man 100% sicher, rechtzeitig eingreifen zu können, falls ein Slave ausfällt.

Protokollfunktion

V0

V1

V2

Zyklischer Datenaustausch MS0

m

m

m

Azyklischer Datenaustausch mit Master der Klasse 1 (MS1)

-

o

o

Azyklischer Datenaustausch mit Master der Klasse 2 (MS2)

-

m

o

Alarm-Meldungen

-

o

o

Fail-Safe Protokoll ( ProfiSafe )

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o

o

Isochroner Zyklus

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-

o

Zeitsynchronisation

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o

Zeitstempelung

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o

Querverkehr ( Data Exchange Broadcast )

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-

o

Diagnose-Meldungen der Geräte

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m

m

GSD-Dateien für die Konfiguration

m

m

m

Engineering mit EDD

-

o

o

Engineering mit FDT/DTM

-

o

o

Engineering mit Tool Calling Interface (TCI)

-

o

o

m = muss, o = optional

Zusammenfassend ist zu sagen: Profibus ist und bleibt - im Gegensatz zu den Ethernet-Technologien - einzigartig und wird keinerlei große Änderungen mehr erfahren weil die Nutzorganisation PNO neuerdings auf ProfiNet setzt und somit seine eigene Technologie unterminiert. Profibus wird deshalb langfristig auf der Stecke bleiben obwohl bis heute nicht bewiesen ist, dass ProfiNet tatsächlich schneller und sicherer ist. Bislang ist Profibus mit 18% Marktanteil immer noch Spitzenreiter im Feldbusbereich. Wer kein neues Produkt entwickeln muss oder gezwungen wird aufgrund des Marketings umzusteigen, sondern allein eine zuverlässige Technologie benötigt, ist mit Profibus auf der sicheren Seite bis endlich erkennbar ist, welches der konkurrierenden Feldbuskonzepte sich durchsetzt.

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