Was ist Profibus ?

Beim Aufbau einer Anlage werden die Ein-/Ausgabebaugruppen gewöhnlich zentral in das Automatisierungsgerät eingebaut. Bei größeren Entfernungen der Ein-/Ausgaben zum Automatisierungsgerät oder zum PC kann die Verdrahtung sehr umfangreich und unübersichtlich werden, elektromagnetische Störeinflüsse können die Zuverlässigkeit beeinträchtigen. Um diese Dinge zu vereinfachen werden Feldbusse eingesetzt.

Profibus steht für Prozess – Field – Bus. Dies ist ein sogenannter Feldbus. In die gleiche Kategorie passen Bussysteme wie CAN – Bus, Interbus oder auch ASI-Bus.

Woher der Begriff "Bus" stammt weis wohl keiner so genau. Wahrscheinlich ist er angelehnt an das amerikanische Wort bus für Omnibus. Mit Hilfe eines Busses "unterhalten" sich verschiedenste elektronische Geräte miteinander. Die breiteste Anwendung finden Bussysteme natürlich in der Computertechnik, wo teilweise bis zu 6 verschiedene Bussysteme in einem Gerät zum Einsatz kommen (ISA, PCI, USB, parallele Schnittstelle, serielle Schnittstelle, AGP). Jedes dieser Bussysteme hat bestimmte Eigenschaften welche für den jeweiligen, ganz bestimmten Einsatzzweck genutzt werden. Die Komponenten welche Bussystem ausmachen, sind erstens die elektrischen Eigenschaften wie Spannungspegel, Frequenzen, Kabel. Vergleichbar bei der menschlichen Kommunikation mit Mund, Schallwelle und Ohr. Zweitens sind dies bestimmte Protokolle, also die Software welche die eigentliche Kommunikation sicherstellt, dies ist vergleichbar mit der Sprache (deutsch, englisch, spanisch ), bei der menschlichen Kommunikation.

Wie lange gibt es Profibus schon

Der Ursprung des Profibus geht auf das Jahr 1989 zurück. In diesem Jahr wurde die Profibus Nutzerorganisation kurz PNO ins Leben gerufen und die deutsche Prozess und Feldbusnorm (DIN E 19245 Teil 1 und Teil 2) verabschiedet. Ziel dieser Norm war es, ein einheitliches Kommunikationssystem zu schaffen welches es ermöglicht, Geräte verschiedener Hersteller miteinander kommunizieren zu lassen. Die Firma Siemens forcierte den Einsatz dieses "Feldbussystems" mit ihrem Profibus – kompatiblen L2 – Bus, dem Nachfolger des noch ziemlich schlappen L1 -Bus. Im Jahre 1996 wurde der Profibus auch Europaweit (EN 50170) und im Jahr 2000 International (IEC 61158) genormt.

In diesen Normen sind sämtliche Parameter festgeschrieben welche den Profibus ausmachen. Jeder der ein Profibus taugliches Gerät bauen will, kann dies unter Anwendung dieser Normen tun.

Welche Eigenschaften hat Profibus ?

Was kann ich mit Profibus machen ?

Es können kleine bis mittlere Datenmengen zwischen den unterschiedlichsten Geräten ausgetauscht werden und dies ziemlich schnell. Grundsätzlich gilt: Je mehr Daten über den Bus gesendet werden, desto länger dauert es bis alle angeschlossenen Geräte einmal durch sind. Für die unterschiedlichsten Anwendungsfälle existieren ebenso unterschiedliche Arten von Profibus-Protokollen:

Profibus FMS

Fieldbus Message Specification (FMS) dies Protokoll macht es möglich zwischen zwei Mastern vereinbarte Variablen auszutauschen. Es bildet sozusagen ein Client – Server System nach. Diese Art von Kommunikation erfordert "Intelligente" Kommunikationspartner, ist aber geeignet größere Datenpakete über den Bus zu versenden.

Profibus DP

DP steht für Dezentrale Peripherie. Dies ist ein reines Master – Slave Protokoll. Diese Art von Kommunikation ist die am meisten verbreitetste. Es werden Peripheriesignale wie Eingänge oder Ausgänge schnell übertragen.

Profibus PA

PA für Prozess Automation ist eigentlich eine komplett andere Technik von Bussystem. Es ermöglicht den Datenaustausch und gleichzeitig die Energieversorgung des angeschlossenen Slave´s über die zwei Adern des Buskabels.

ProfiDrive,

Zum Ansteuern von bis zu 12 Achsen gleichzeitig mit einem Buszyklus. Dies ist beispielsweise notwendig um einen Portalkran, welcher über vier angetriebene Räder verfügt, geradeausfahren zu lassen. Wären hierfür vier Buszyklen notwendig ergäben sich durch die zeitlich versetzten Befehle welche die Antriebe erreichen, zwangsläufig Richtungsabweichungen.

ProfiSave

(untermenge von DP)

Anschluß von Not-Aus Schaltern direkt an den Proifbus. Diese Technologie kann bis Anforderungsklasse 6 (DIN21250) angewandt werden. Über ein normales Buskabel wird die Kommunikation zwischen besonders ausgeführten Peripheriebaugruppen abgewickelt.

Wie funktioniert Profibus

Das Rückrat für den Profibus bildet das Kabel. Diese Zweiaderleitung verbindet mindestens zwei serielle Schnittstellen. Die Spezifikation für diese Schnittstellen lautet "RS 485". Ein Verwandter dieser Schnittstelle ist die "RS 232" Schnittstelle die an jedem Personal – Computer zum Anschluß des Modem oder in früheren Zeiten, der Maus vorhanden ist. Die Schnittstellenspezifikation RS484 kommt sowohl beim Interbus, beim CAN-Bus als auch bei der MPI-Schnittstelle der S7 - SPS zum Einsatz. Der Vorteil der RS 485 ist, das diese nicht mit absoluten Spannungspegeln arbeitet sondern mit relativen. Im Klartext: sollte eine Störspannung auf das Kabel einwirken, bleibt die Signalspannung immer gleich (zumindest in den meisten Fällen). Das Prinzip ist einfach: Bedeutet bei einer absoluten Signalspannung (gemessen gegen ein Bezugspotential) 5V = EINS und 0V = NULL wird bei der RS 485 Schnittstelle die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Adern der Leitung gemessen. Wirkt eine Störung auf die Leitung, wird der Spannungspegel beider Adern gleichmäßig angehoben, aber die Spannunsdifferenz bleibt gleich. Ein weiterer Vorteil der RS 485 gegenüber der "normalen" seriellen Schnittstelle ist die Möglichkeit mehr als zwei Stationen miteinander an ein Kabel anzuschließen.

Dadurch das der Profibus ein serieller – Bus ist, ist es auch relativ unkompliziert möglich das Kupferkabel gegen ein Lichtleiterkabel auszutauschen. Es werden lediglich zwei LWL-Fasern benötigt: Eine zum Senden, und eine zum Empfangen. Würde man beispielsweise die paralelle Druckerschnittstelle als Lichtleiter ausführen bräuchte man schon 18 Fasern.

Der Profibus ist ein Multimaster System. Ein Master ist eine aktive Station am Bus. Das heißt er kann selbständig Daten senden und empfangen. Multimaster bedeutet das an einem Bus mehrere Master betrieben werden können. Die Unterhaltung zwischen diesen Mastern wird über ein sogenanntes "Token" geregelt. Jeder "aktive" Busteilnehmer d.h. jeder Master bekommt für eine gewisse Zeit das Token und hat für eben diese Zeit die Kontrolle über den Bus. Das heißt er darf solange senden und empfangen wie er lustig ist und Zeit hat. Ist seine Zeit abgelaufen, erhält der nächste Master das Token. Wie lange und wer in welcher Reihenfolge das Token erhält, ist in der Profibus-Spezifikation genauestens festgelegt und funktioniert im allgemeinen ohne zutun eines Ingenieurs. Während ein Master das Token besitzt fragt er seine Slave´s ab und versorgt diese mit neuen Daten. Ein Slave ist eine Station am Bus welche nicht selbständig Daten senden oder empfangen kann, es ist ein passiver Busteilnehmer. Slaves "warten" bis sie gefragt werden und senden auf eine Aufforderung hin ihre Daten zu ihrem Master.

Der Fachbegriff für eine Solche Art von Kommunikation lauter: "Token.passing mit unterlagertem Master – Slave".

Wie schnell ist der Profibus ?

Zur Angabe der Geschwindigkeit mit der Daten über den Bus übertragen werden, wird die Reaktionszeit herangezogen. Dies ist die durchschnittliche Zeit, die zwischen der Änderung eines Eingangs und der dazugehörigen Änderung eines Ausgangs vergeht.

Auszug aus dem Handbuch "dezentrales Peripheriesystem ET200" von Siemens:

Die durchschnittliche Reaktionszeit von PROFIBUS-DP beträgt bei folgenden

Bedingungen ca. 1 ms:

Hierzu folgende Erläuterungen:

1 ms ist eine tausendstel sekunde.

Realistische Reaktionszeiten sind 10 bis 100 mal länger.

Die durchschnittliche Zykluszeit einer S7-414 2 liegt zwischen 20 und 40 ms.

Die übliche Übertragunsgeschwindigkeit bei Profibus in der Verfahrenstechnik sind 1500 kBit / sec das heist in einer Sekunde können 1.536.000 Bit´s übertragen werden (für Elektriker: ca 1,5 MHz).

Je nach Baudrate (Geschwindigkeit bei der Datenübertragung), Anzahl der zu übertragenden Daten und Zykluszeit der SPS, ändert sich natürlich auch die Reaktionszeit.

Bei PROFIBUS-DP sind Baudraten von 9,6 kBaud bis 12 MBaud möglich, bei PROFIBUS-FMS von 9,6 kBaud bis 1,5 MBaud.

Wie kann ich Fehler feststellen

Sollte ein Bussystem nicht korrekt funktionieren, helfen nur spezielle Geräte und Software dem Fehler auf den Grund zu kommen.

Es kann grundsätzlich zwischen zwei Fehlerarten unterschieden werden: Fehler in der Busphysik, also der Hardware und Fehler in der Kommunikation also der Parametrierung. Um Fehlern auf die Spur zu kommen sollte zunächst sichergestellt sein, das alles richtig gemacht wurde. Beliebte Fehler sind:

Sollte eine Kontrolle aller dieser Dinge nicht zum Erfolg führen und auch das studium der Handbücher nichts bringen, helfen nur erwähnte spezielle Geräte weiter. Beispielsweise ein Kabelmessgerät welches das eingesetzte Buskabel vermisst und auf Fehlerquellen hinweist.

Sollte der Bus laufen und dennoch keine Kommunikation zustandekommen bieten die Diagnosefunktionen welche ein Profibusteilnehmer zur Verfügung stellt, Abhilfe. Diese Funktionen kann man beispielsweise bei Step 7 über den Hardwareeditor abrufen, auch Com-Profibus bietet eine ziemlich komfortabel Art einzelne Busteilnehmer zu diagnostizieren. Stehen solche Hilfsmittel nicht zur Verfügung ist es möglich die Diagnosefunktionen über selbstgeschriebene Software oder mittels Standard – Funktionsbausteinen aus dem SPS-Programm auszuführen.

Wie wird ein (Profi-)Bussystem aufgebaut

Um einen Profibus aufzubauen benötigt man mindestens einen sogenannten "Master" und mindestens einen sogenannten "Slave". Master sind die "intelligenten" Busteilnehmer welche die Ihnen zugewiesenen "dummen" Slaves mit Daten versorgen und Daten von ihnen abholen. Master können PC´s oder SPS’en mit einer entsprechenden Kommunikationsbaugruppe sein. Slaves können alle möglichen Geräte wie Regler, Frequenzumrichter, Wägecontroller, Anzeigegeräte usw. sein, aber auch SPS’en können als Slave am Bus betrieben werden. In welcher Reihenfolge die Geräte am Bus angeschlossen sind spielt keine Rolle! Der Master kann, anders wie auf dem folgenden Bild auch zwischen zwei Slaves sitzen.

All diese Geräte werden mit einer geschirmten Zweidrahtleitung untereinander verbunden welche an ihrem Anfang und an ihrem Ende mit einem Abschlußwiederstand versehen werden muß. Die Abschlußwiederstände sind entweder in den Busanschlußsteckern oder in den Geräten selbst vorhanden und können an- oder abgeschaltet werden. Jder Slave erhält per Dippschalter oder Konfigurationsmenü eine eindeutige Adresse. Dies ist eine Zahl zwischen 1 und 126. Der Master wird mit einer Parametrierung versehen, in welcher im wesentlichen der Bustakt angegeben und für jeden ihm zugewiesenen Slave eine Peripherieadresse angegeben wird. Unter dieser Peripherieadresse können dann die Daten des Slave’s in der SPS, ausgelesen oder geschrieben werden. Da der Master ja genau wissen muß um wieviel und was für Slaves er sich kümmern muß, wird zu jedem Slave eine sogenannte GSD-Datei mitgeliefert. Diese Datei wird von dem Parametrierprogramm benutzt um den Master mit den notwendigen Daten zu versorgen.

Stichpunkte:

  1. Kabelverlauf von einem zum anderen Busteilnehmer festlegen (Bustopologie). Je kürzer das Kabel desto besser. Die Länge und der Verlauf des Kabels bestimmen den möglichen Bustakt.
  2. Kabel verlegen, Busstecker anschließen und Abschlußwiederstände einlegen / zuschalten.
  3. Busadressen vergeben. Möglichst ohne Lücken bei 1 angefangen.
  4. Master parametrieren. Bustakt einstellen, Datenbereiche welche ausgetauscht werden sollen, einstellen. Bei Profibus DP meist Peripherieadressen. Mit Hilfe von GSD-Dateien dem Master die angeschlossenen Slaves bekanntgeben.
  5. Parametrierung in den Master eingeben / überspielen.
  6. Einschalten

GSD-Dateien

In einer Gerätestammdaten-Datei (GSD-Datei) ist die Geräte-Beschreibung eines ProfibusDP-Slave, in einem einheitlichen Format gemäß EN 50 170, Volume 2, PROFIBUS, hinterlegt. Anhand der Informationen aus diesen Dateien ist es dem Parametrierprogramm möglich dem Profibus-Master mitzuteilen welche Slave´s er bedienen muß. GSD-Dateien befinden sich im COM PROFIBUS im Verzeichnis "\GSD" bzw. "\FMSGSD". Bei Step 7 werden diese Dateien mit dem Menübefehl Extras > Neue GSD installieren eingebunden.

 

Welcher Aufbau (Bustopologie) ist möglich

Grundsätzlich ist bei Profibus nur eine Linienstruktur vorgesehen (Bild 1). Benötigt man, beispielsweise aus Entfernungsgründen einen Sternförmigen Aufbau, setzt man Repeater ein. Diese Geräte verzweigen den Bus und bauen so einen, oder mehrere neue Busstränge auf. Repeater benötigen keine Busadresse oder Parametrierung.

 

Quellen und weiterführende Artikel:

http://www.profibus.com Profibus Organisation

Siemens Handbuch: Dezentrales Peripheriesystem ET 200

Siemens Handbuch: COM PROFIBUS

Siemens Handbuch CP5431FMS