Feldbus - Profibus & Co.
Beginnen wir mit Profibus - mit 67,4 Millionen installierten Geräten bis Ende 2022 der erfolgreichste Feldbus der Welt!
Mit einem einzigen, standardisierten und anwendungsunabhängigen Kommunikationsprotokoll unterstützt PROFIBUS Feldbuslösungen sowohl in der Fertigungs- und Prozessautomatisierung als auch in der Motion Control und bei sicherheitsrelevanten Aufgaben.
PROFIBUS ist in der IEC 61158 genormt - damit ist die Basis für Interoperabilität und Kompatibilität gelegt. Darüber hinaus ermöglicht das PROFIBUS PA-Profil die reibungslose Zusammenarbeit von Prozessgeräten am Bus. Die aktuelle PROFIBUS PA Version V3.02 enthält viele Funktionen, die das Handling von Feldgeräten, z.B. bei einem Gerätetausch, noch einfacher machen.
Beim Austausch eines Feldgerätes übernimmt das neue Gerät automatisch die Rolle des Vorgängergerätes - ein Gerätetausch kann somit einfach und ohne Unterbrechung des Anlagenbetriebes durchgeführt werden.
Diese automatische Anpassung ist auch bei Geräten unterschiedlicher Generationen möglich.
Die Standardisierung bietet also mehr Flexibilität und keine Einschränkung bei der Wahl des Lieferanten. Denn mittlerweile gibt es eine große Auswahl an Geräten, die nahezu beliebig kombiniert werden können. Eine Fokussierung auf nur einen Hersteller ist nicht mehr gegeben.
Auch ein späterer Austausch von Geräten ist problemlos möglich und neue Geräte sind bei PROFIBUS immer abwärtskompatibel.
Einheitlich und anwendungsorientiert
PROFIBUS ist der feldbusbasierte Automatisierungsstandard der PROFIBUS & PROFINET International (PI). PROFIBUS verbindet Steuerungen bzw. Leitsysteme mit dezentralen Feldgeräten (Sensoren und Aktoren) in der Feldebene über ein einziges Buskabel und ermöglicht darüber hinaus den durchgängigen Datenaustausch mit übergeordneten Kommunikationssystemen. Die Durchgängigkeit von PROFIBUS wird durch die Verwendung eines einzigen, standardisierten und anwendungsunabhängigen Kommunikationsprotokolls (PROFIBUS DP) ermöglicht, das Feldbuslösungen sowohl in der Fertigungs- und Prozessautomatisierung als auch in der Motion Control und bei sicherheitsgerichteten Aufgaben gleichermaßen unterstützt.
PROFIBUS ist modular als Baukastensystem aufgebaut (Bild 1) mit dem Kommunikationsprotokoll als Kernkomponente. Dieses wird mit anwendungsspezifischen Modulen für Übertragung, Applikation ("Applikationsprofile") und Engineering zu kompletten PROFIBUS-Lösungen für bestimmte Marktsegmente (Branchen) kombiniert, wie in Bild 2 dargestellt.
Um ein korrektes Zusammenspiel der zahlreichen Geräte einer Automatisierungslösung zu gewährleisten, müssen die grundlegenden Gerätefunktionen und Dienste in Bezug auf Kommunikation, Funktionalität und Branchenlösungen übereinstimmen. Diese Einheitlichkeit wird durch "Anwendungsprofile" erreicht, die sich auf Gerätefamilien oder spezielle Branchenanforderungen beziehen, z. B. Prozessautomatisierung (PA Devices), Motion Control (PROFIdrive) oder Integration von HART-Geräten (HART on PROFIBUS).
Der "hybride" Faktor vom Feldbus PROFIBUS
PROFIBUS deckt die Fabrik- und Prozessautomatisierung mit demselben durchgängigen Kommunikationsprotokoll ab und ermöglicht damit gemischte (hybride) Anwendungen, wie sie häufig in der Pharma- und Lebensmittelindustrie oder in der Wasser- und Abwasserwirtschaft anzutreffen sind. Typischerweise werden hier kontinuierlich ablaufende Prozesse wie Mischen oder Trocknen mit diskreten Funktionen wie Erkennen, Fördern oder Verpacken kombiniert (Bild 3). Hier bietet das gemeinsame Kommunikationsprotokoll PROFIBUS DP in Verbindung mit spezifischen Anwendungsprofilen einen großen Vorteil: Sowohl Prozess- als auch Fabrikautomatisierungsnetzwerke können über ein einziges Kabel verbunden werden. Andere Busse konzentrieren sich entweder auf den Prozess- oder den diskreten Markt, so dass immer ein zweiter Feldbus eingesetzt werden muss, was zusätzliche Kosten für Verkabelung, Geräte, Know-how, Wartung und Support bedeutet. PROFIBUS ist der einzige Feldbus, der eine Lösung für beide Bereiche bietet.
Unerreichte Beständigkeit
In Abbildung 4 befindet sich PROFIBUS DP in der Mitte und überträgt Kommunikationsdaten zwischen einer Steuerung und Feldgeräten, vorzugsweise in der Fabrikautomation (FA). Nach unten wird über einen Koppler oder ein Verbindungsgerät ein PROFIBUS PA-Strang angeschlossen, um typische Anwendungen der Prozessautomatisierung (PA), z. B. in explosionsgefährdeter Umgebung, zu ermöglichen. An der Oberseite ist die Steuerung mit PROFINET als Systembus und Schnittstelle zur MES- und ERP-Ebene verbunden. Mittels Proxy-Technologie können PA-Segmente auch direkt an PROFINET angeschlossen werden.
Der Mehrwert von PROFIBUS
...ist beeindruckend hoch und ermöglicht es, über den gesamten Lebenszyklus einer Anlage Kosten zu senken und Geschäftsergebnisse zu verbessern. Dies geschieht auf verschiedene Weise:
- In der Engineering-Phase vereinfacht sie das Anlagendesign, macht eine feste Verdrahtung überflüssig und erfordert weniger Hardware, was zu einer schnelleren Inbetriebnahme und geringeren Kosten führt.
- Außerdem wird eine bessere Diagnose ermöglicht, was die Inbetriebnahme beschleunigt.
- Durch die Bereitstellung besserer und zeitnaher Daten für das Betriebs- und Managementpersonal werden eine höhere Produktivität und eine bessere Produktqualität erreicht.
- Es unterstützt fortschrittliche Asset-Management-Strategien, die eine bessere Verwaltung und Wartung von Anlagen und Ausrüstungen ermöglichen.
Weitere Feldbusse in der industriellen Automatisierung
Neben PROFIBUS gibt es eine Vielzahl weiterer Feldbusse, die in der industriellen Automatisierung eingesetzt werden. Jeder dieser Feldbusse hat seine spezifischen Vorzüge und Einsatzgebiete, abhängig von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung.
Modbus ist einer der ältesten und am weitesten verbreiteten Feldbusse. Ursprünglich in den späten 1970er Jahren entwickelt, ist Modbus ein offenes Protokoll, das sich besonders für einfache Kommunikationsaufgaben eignet. Es ist in vielen Industrien im Einsatz, besonders in der Prozessautomatisierung und bei der Kommunikation zwischen Geräten von verschiedenen Herstellern.
CANopen ist ein auf dem CAN-Bus (Controller Area Network) basierendes Protokoll, das hauptsächlich in der Automobilindustrie, aber auch in anderen industriellen Bereichen weit verbreitet ist. Es zeichnet sich durch seine hohe Zuverlässigkeit und Echtzeitfähigkeit aus. CANopen wird oft in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine robuste und deterministische Kommunikation erforderlich ist, wie in Fahrzeugsteuerungen oder Maschinenbau.
EtherCAT ist ein weiteres Protokoll, das speziell für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Echtzeitkommunikation entwickelt wurde. Es basiert auf der Ethernet-Technologie und bietet schnelle Datenübertragungsraten bei niedriger Latenz. EtherCAT ist besonders in der Maschinen- und Anlagensteuerung sowie in der Robotik vertreten.
DeviceNet basiert auf der CAN-Technologie und wurde speziell für die industrielle Automatisierung entwickelt. Es ermöglicht die Kommunikation zwischen Steuerungen und I/O-Geräten wie Sensoren und Aktoren. DeviceNet ist besonders in Nordamerika verbreitet und wird in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen genutzt.
Jeder dieser Feldbusse hat seine eigenen Stärken und kann je nach Anwendungsfall die beste Wahl sein. Die Auswahl des geeigneten Feldbusses hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter die erforderliche Datenübertragungsrate, die Zuverlässigkeit, die Echtzeitfähigkeit und die Kompatibilität mit vorhandenen Systemen.
In einem zunehmend vernetzten und automatisierten Umfeld spielen neben PROFIBUS auch diese Feldbusse eine Rolle bei der effizienten und sicheren Kommunikation zwischen industriellen Geräten.
Implementierung von Übertragungsschnittstellen:
Ohne Spannungsversorgung aus der Busleitung
Für Feldgeräte, die die benötigte Energie nicht aus dem Bus beziehen, kann die Standard-RS485-Schnittstelle auf Kupferbasis realisiert werden. Dies bietet eine größere Flexibilität beim Einsatz des Feldgerätes, da es ohne Segmentkoppler oder Link an PROFIBUS DP angeschlossen werden kann. Es werden Datenraten von 9,6 kBit/s bis 12 MBit/s unterstützt. RS485-Module sind von verschiedenen Herstellern verfügbar, darunter auch eine eigensichere Variante RS485-IS.
Mit Spannungsversorgung aus der Busleitung
In vielen Anwendungen ist eine Busspeisung des Feldgerätes erforderlich. Hierfür steht die Übertragungstechnik MBP (Manchester Coded Bus Powered) zur Verfügung, die einen typischen Versorgungsstrom von 10 - 15 mA auf dem Buskabel zur Verfügung stellt. Damit muss das gesamte Gerät einschließlich des Busanschlusses und der Messelektronik versorgt werden. Für diese Anforderungen gibt es spezielle Modem-Chips. Diese Modems beziehen die benötigte Betriebsenergie aus dem MBP-Busanschluss und stellen sie als Versorgungsspannung für die anderen elektronischen Komponenten des Gerätes zur Verfügung und wandeln die digitalen Signale des angeschlossenen Protokollchips in das auf die Versorgungsspannung aufmodulierte Bussignal des MBP-Anschlusses um.
Implementierung des Kommunikationsprotokolls
Für die Implementierung des PROFIBUS-Protokolls steht ein breites Spektrum an Basistechnologie-Komponenten und Entwicklungswerkzeugen (PROFIBUS-ASICs, PROFIBUS-Stacks, Busmonitore, Test- und Inbetriebnahme-Tools) sowie Dienstleistungen zur Verfügung. Darüber hinaus bieten das PI Competence Center und viele Lieferanten Unterstützung in diesem Bereich an. Eine Übersicht findet sich im Produktkatalog von PI. Bei der Implementierung einer PROFIBUS-Schnittstelle ist zu beachten, dass das Geräteverhalten durch das PROFIBUS-Protokoll und die implementierte Applikation bestimmt wird. Aus diesem Grund wird das gesamte Feldgerät im Rahmen eines Zertifizierungstests und eines eventuellen Vortests der verwendeten Basistechnologie geprüft.
Schnittstellenmodule
Für kleine bis mittlere Stückzahlen eignen sich PROFIBUS-Schnittstellenmodule, die in einer Vielzahl von Ausführungen am Markt verfügbar sind. Sie können als Zusatzmodul auf die Hauptplatine des Gerätes aufgesteckt werden. Sie implementieren das komplette Busprotokoll und bieten eine einfach zu bedienende Schnittstelle für jede Anwendung.
Der angeschlossene Mikrocontroller kann dann vollständig für die Applikation genutzt werden.
Protokoll-Chips
Für größere Stückzahlen ist der Einsatz von Protokollchips mit oder ohne zusätzlichen Mikrocontroller die beste Lösung, wobei folgende Alternativen zur Verfügung stehen:
- Single-Chips, bei denen alle PROFIBUS-Protokollfunktionen auf dem Chip integriert sind und kein separater Mikrocontroller benötigt wird (Bild 1, links). Hierbei handelt es sich um eine reine Hardwarelösung mit festem Funktionsumfang. Diese Lösung mit Single-Chip-ASICs wird für einfache IO-Geräte empfohlen. Extern werden nur die Komponenten für die Busanbindung benötigt.
- Chips, die kleinere oder größere Teile des Protokolls implementieren, werden mit einem zusätzlichen Mikrocontroller und der für den Chip angebotenen Firmware kombiniert (Bild 1, Mitte), um eine vollständige Implementierung des PROFIBUS-Protokolls zu erreichen. Bei dieser Form der Implementierung werden z. B. die wesentlichen Layer-2-Anteile des PROFIBUS-Protokolls mit einem Kommunikationsbaustein realisiert.
- Protokollchips, die im Kommunikationsmodul bereits einen Mikrocontroller enthalten. In Verbindung mit der für den Chip angebotenen Firmware (Bild 1, rechts) kommuniziert die Applikation über eine einfach zu bedienende Benutzerschnittstelle. Diese Lösung wird bei sehr zeitkritischen Anwendungen eingesetzt, da die Protokollchips mit integriertem Mikrocontroller das gesamte PROFIBUS-Protokoll bereits eigenständig abarbeiten und ein extern angeschlossener Mikrocontroller dann vollständig für die Anwendung genutzt werden kann.
Häufig stammen der PROFIBUS-Chip und die ergänzende Protokollsoftware (Stack) aus unterschiedlichen Quellen, was die Zahl der möglichen Lösungen erhöht und die Offenheit und Multivendor-Fähigkeit von PROFIBUS zeigt. Reine Softwarelösungen sind auf dem Markt nur selten zu finden.
Implementierung von Anwendungsprofilen
Die Interpretation der Daten in einem Feldgerät erfolgt durch den Anwender. Anwenderprofile stellen das Bindeglied zwischen dem PROFIBUS-Protokoll und der konkreten Anwendung in einem Feldgerät dar. Die in den Profilbeschreibungen definierten Datenformate, Datenzugriffsmethoden, Parametrierung sowie zyklische und azyklische Kommunikationsdiagnose werden in Software implementiert, was häufig von Geräteherstellern oder Technologielieferanten übernommen wird.