Unterwegs mit dem Process Fieldbus

Dies ist ein Auszug aus dem Buch "Catching the Process Fieldbus" von Namen James Powell und Henry Vandelinde, das über diesen Link erhältlich ist.

PROFIBUS und PROFINET: Genesis

Der Begriff PROFIBUS ist eine Verschmelzung aus PROcess FIeldBUS und definiert ein Protokoll, das speziell dafür ausgelegt ist, alle industriellen Automatisierungsanforderungen durch Vernetzung einer Vielzahl von Prozessgeräten zu erfüllen. Kein anderes Protokoll bietet eine solch komplette Automatisierungslösung und ARC³ bezeichnet “die Vorteile von PROFIBUS [als seine] Fähigkeit der nahtlosen Integration von Prozessgeräten (wie z. B. Drucktransmitter und Durchflussmesser) mit Antriebstechnik (wie z. B. Antriebe und Sensorik).”

Der Begriff PROFINET ist eine Verschmelzung aus PROFIBUS und Ether-NET und erweitert die Profi-Denkweise von PROFIBUS auf die Ethernet-/Internet-Welt. Wie PROFIBUS ist er auf alle industriellen Automatisierungsanforderungen zugeschnitten. PROFIBUS und PROFINET sind die einzigen Protokolle, die alle Anforderungen einer kompletten Anlage bewältigen können. Dies steht im Gegensatz zu anderen Protokollen wie Foundation Fieldbus oder DeviceNet, bei denen mehr als ein Protokoll für die verschiedenen Anwendungen in einer Prozessanlage erforderlich sind. Mit PROFIBUS und PROFINET muss das Wartungspersonal nur eine Denkweise erlernen und nur ein Protokoll kennen. Dies erleichtert nicht nur den Betrieb, sondern verringert auch den Schulungsbedarf.

Als Automatisierungsprotokoll für den industriellen Einsatz verwendet PROFIBUS verschiedene eigene Dienste und arbeitet wie ein Buch mit vielen Kapiteln. Der Titel des Buchs lautet PROFIBUS DP, und die Kapitel sind PROFIBUS PA, PROFIsafe und PROFIdrive. Jedes Kapitel stellt ein wesentliches, aber partielles Stück des Ganzen dar. PROFIBUS DP bestimmt das Kernprotokoll, wobei jedes der anderen PROFIs innerhalb der Norm PROFIBUS DP definiert ist und das Kernprotokoll um eine Funktionalität erweitert.

PROFIBUS DP DP: Decentralized Peripheral (Dezentrale Peripherie)
PROFIBUS PA PA: Process Automation
PROFIsafe PROFIBUS für sicherheitsrelevante Anwendungen
PROFIdrive PROFIBUS für Anwendungen mit Antrieben

PROFINET ist ein zweites Buch derselben Autoren. Aufgrund der besonderen Gestaltung kann es viele der Kapitel aus dem PROFIBUS-Buch mit nur geringfügigen Veränderungen verwenden. So verfügt auch PROFINET über ein Kapitel PROFIBUS PA, PROFIsafe und PROFIdrive.

PROFIBUS

DP-V0 war die erste Version der PROFIBUS-DP-Spezifikation und definierte die allgemeine Befehlsstruktur des Protokolls und die Funktionen für das Lesen und Schreiben zeitbedingter Daten. Das Lesen und Schreiben zeitbedingter Daten ist in der PROFIBUS-Welt als Datenaustausch bekannt, eine zentrale Funktionalität von PROFIBUS.

DP-V2

Zusätzliche Funktionen für PROFIdrive

DP-V1

Zusätzliche Funktionen für

PROFIBUS PA und PROFIsafe

DP-V0

Definiert die allgemeine PROFIBUS-Struktur.

Erste Ausführung des Protokolls

Die zweite Ausführung der PROFIBUS-DP-Spezifikation, DP-V1, enthält Ergänzungen mit Ausrichtung auf die Prozessautomatisierung, sowie sicherheitsrelevante Anwendungen (PROFIBUS PA und PROFIsafe). Die verwendete, allgemeine Befehlsstruktur entspricht der Definition in DP-V0, wobei Interoperabilität gewährleistet ist. Interoperabilität ist die Fähigkeit, Geräte beliebiger Hersteller an ein PROFIBUS-Netzwerk anzuschließen und zusammenzuarbeiten.

Die folgende Version DP-V2 lieferte ergänzende Funktionen für Anwendungen mit Antrieben hoher Geschwindigkeit. Dabei kam weiterhin dieselbe, allgemeine Befehlsstruktur gemäß der Definition in DP-V0 zum Einsatz.

Die verschiedenen Protokollversionen können nebeneinander auf dem gleichen Netzwerk kommunizieren. Die einzige Beschränkung liegt darin, welche Befehle vom Master unterstützt werden. Ein DP-V0-Master kann mit einem DP-V2-Feldgerät in einen Datenaustausch treten, jedoch keine DP-V1- oder DP-V2-Befehle verwenden, da ihm diese Befehle nicht bekannt sind. Dafür wäre ein Master erforderlich, der mit der Feldgeräteausführung übereinstimmt.

PROFIBUS Dezentrale Peripherie (DP)

PROFIBUS DP bildet den Kern des Protokolls. Hier werden alle grundlegenden Funktionen definiert, die von den übrigen PROFIBUS-Varianten genutzt werden. Für PROFIBUS DP wird oft die auf RS485 beruhende physikalische Schicht benutzt. Dieser „Physical Layer“ bestimmt, wie die digitalen Informationen (die 1en und 0en) von einer Stelle zur anderen übertragen werden. PROFIBUS DP verfügt über viele verschiedene physikalische Schichten, die einfach zusammengeschaltet werden können, darunter RS485, drahtlos und Lichtwellenleiter. Dank seiner hohen Übertragungsgeschwindigkeiten und seiner Störfestigkeit in industriellen Umgebungen ist RS485 die meistgenutzte physikalische Schicht für PROFIBUS.

PROFIBUS DP wird überwiegend für Ein- und Ausgabegeräte, die eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit benötigen, sowie zur Verbindung intelligenter Geräte (wie z. B. Antriebssysteme) eingesetzt. Da PROFIBUS große Datenpakete (244 Bytes) übertragen kann, lassen sich die Informationen von einem dezentralen Ein-/Ausgangsrack oder einem Antrieb in einem Telegramm übertragen. Bei Übertragungsgeschwindigkeiten bis zu 12 Megabit pro Sekunde werden diese Daten sehr schnell wieder an das Auswertegerät zurückgesendet.

PROFIBUS DP wird sowohl in der Fertigungs- als auch der Prozessautomatisierung sehr erfolgreich eingesetzt.

• In der Fertigungsautomatisierung werden hauptsächlich digitale Ein- und Ausgangsgeräte genutzt, und PROFIBUS DP verbindet dezentrale I/O Racks und steuert Antriebe an

• In der Prozessautomatisierung werden hauptsächlich Analoggeräte verwendet, und PROFIBUS DP verbindet PROFIBUS-PA-Segmente, dezentrale I/O Racks, Antriebe und eine Reihe von Messgeräten

PROFIBUS Process Automation (PA)

PROFIBUS Process Automation (PA) verweist auf eine Reihe von Merkmalen, die der PROFIBUS-Spezifikation in Ausführung 1.0 (DP-V1) zur Optimierung des Protokolls für die Prozessindustrie hinzugefügt wurden. PROFIBUS PA wird oft dem Physical Layer Manchester encoded Bus Powered (MBP) gemäß IEC 61158-2 zugeordnet.

Da in der Prozessindustrie vorwiegend analoge Ein- und Ausgabegeräte zum Einsatz kommen, wurde eine Reihe von Merkmalen zugefügt. Sie vereinfachen die Verknüpfung vieler Analoggeräte mit Einzelfunktion auf einem dedizierten Physical Layer. Folgende Merkmale wurden zugefügt:

• Busspeisung

• Eigensicheres Design

• Fähigkeit der Konfiguration über den Bus

• Geräteprofile

Busspeisung

Die Busspeisung ist ein wichtiges Merkmal für eine Netzwerkinstallation. Die Möglichkeit der Kommunikation und Speisung eines Geräts über nur ein Kabel erspart dem Benutzer Geld: Statt zwei Kabeln ist nur eines erforderlich, um das Feldgerät zu betreiben. In der Prozessindustrie, wo es viele Analoggeräte mit Einzelfunktionen gibt, können mit busgespeisten Geräten die Kosten reduziert werden. Um diesem Merkmal sowie dem eigensicheren Design gerecht zu werden, wurde die Übertragungstechnik MBP (Manchester Coded, Bus Powered) gemäß IEC-61158-2 eingeführt.⁵ Weitere Angaben zu dieser physikalischen Schicht finden Sie in Kapitel Vier.

Eigensicher

Ein eigensicheres Gerät hält Spannungs- und Stromwerte so niedrig, dass kein Funke mit ausreichender Energie entstehen kann, um eine Zündung der Atmosphäre zu verursachen. Daher kann es in vielen Bereichen der Prozessindustrie sicher eingesetzt werden. Viele dieser Umgebungen enthalten durch Luft übertragene Chemikalien oder Teilchen, die bei einer Funkenzündung explodieren könnten.

Konfiguration über den Bus

Für ein System mit vielen Geräten kann die tatsächliche Konfiguration und Wartung Probleme bereiten. Zum einen, weil der Zugang zu den Geräten oftmals schwierig ist (Einbauort), zum anderen wegen Ausfallzeiten, wenn die Anlage abgeschaltet werden muss. Die Möglichkeit, Geräte über den Bus zu konfigurieren und Störungsbeseitigungen über das Bussystem vorzunehmen, vermeidet diese Schwierigkeiten, spart Zeit und verhindert eventuelle Ausfallzeiten.

Geräteprofile

Ein Profil ist die Standardisierung eines Feldgeräts aus Sicht des Busses. Es legt den Ausgang und die Kernparameter des Geräts fest. Ein standardisiertes Profil schafft Gemeinsamkeiten zwischen:

• Geräten desselben Herstellers und Typs (Druck, Temperatur, Füllstand, Durchfluss, Stellungsregler)

• Geräten desselben Typs und verschiedener Hersteller

• Geräten verschiedener Typen

So verwenden z. B. Druck-, Füllstand- und Temperaturmessumformer alle die gleichen Analogeingangsblöcke und Ausgänge im gleichen Format. Für den Endbenutzer bedeutet dies eine erhebliche Reduzierung von technischen Kosten und Schulungsbedarf. Da die Ausgänge Standard sind, brauchen im Auswertegerät keine speziellen Codes für die Ein-/Ausgänge entwickelt werden, was wiederum den Projektierungsaufwand minimiert. Und wenn man einmal die Funktionsweise eines PA Feldgerätetyps verstanden hat, ist das zweite ein Kinderspiel, da es genauso arbeitet. Personal wird nur auf ein Arbeitsverfahren geschult und kann dieses auf das gesamte System übertragen.

Physical Layer

Busspeisung und Eigensicherheit sind Teil der in DP-V1 eingeführten physikalischen Schicht. Die Konfiguration über den Bus und der Profilstandard wurden ebenfalls in DP-V1 eingeführt. Die meisten Instrumente verfügen über den neuen Physical Layer MBP. Für viele Geräte wird allerdings die physikalische Schicht RS485 verwendet, da sie die Merkmale der MBP nicht benötigen, bzw. nicht nutzen können.⁶

Aus folgenden Gründen kann MBP in manchen Fällen nicht eingesetzt werden:

• Das Instrument benötigt mehr Strom, als der Bus liefern kann

• Das Instrument kann nicht eigensicher sein

• Die Prozessvariable des Instruments hat eine hohe Aktualisierungsrate

Bestimmte Durchflussmessgeräte beispielsweise können nicht über den Bus gespeist werden, weil sie zu viel Strom brauchen. Außerdem haben diese Durchflussmessgeräte eine hohe Aktualisierungsrate. Siemens Messgeräte bieten sowohl MBP als auch RS485 (PROFIBUS PA und PROFIBUS DP). Beide Ausführungen verwenden den Profilstandard und können über den Bus konfiguriert werden.

PROFIsafe

PROFIsafe ergänzte PROFIBUS und PROFINET um erweiterte Funktionen, die den Einsatz in sicherheitsbezogenen Systemen in Applikationen bis SIL-3 nach IEC-61508 ermöglichen. Sicherheitssysteme erfordern eine äußerst sichere Datenübertragungstechnik, bei der die Wahrscheinlichkeit eines unerkannten Fehlers extrem gering ist. Um diese hohen Sicherheitsstandards zu erfüllen, muss das System imstande sein, folgende Fehler zu erkennen:

• Wiederholung von Telegrammen

• Verlust von Telegrammen

• Einfügen eines Telegramms

• Falsche Reihenfolge von Telegrammen

• Verfälschung der übertragenen Daten

• Verzögerung bei Empfang bzw. Übertragung der Daten

• Vermischung von Standardtelegrammen mit sicherheitstechnischen Nachrichten

Um diese Fehler zu erfassen, wurden folgende Merkmale zugefügt:

• Bestätigung von Daten (jedes Telegramm wird bestätigt)

• Zusätzliche Fehlerprüfung

• Fortlaufende Nummerierung der Telegramme

• Zeitüberwachung der Telegramme

• Identifizierung von Sender und Empfänger

Loopback von Daten

Die Methode der Informationsbestätigung gleicht der Angabe der Kreditkartennummer per Telefon. Die Nummer wird angegeben und dann vom Empfänger wiederholt, um zu bestätigen, dass sie richtig notiert wurde. Dies vermeidet Überraschungen, wenn Sie am Monatsende die Rechnung erhalten. PROFIsafe tut dasselbe mit den Daten: Das Telegramm wird wiederholt, um sicherzustellen, dass es korrekt ist und um die Wahrscheinlichkeit der Übertragung eines falschen Telegramms zu verringern. PROFIBUS besitzt eine Fehlerprüfung. PROFIsafe dagegen erhöht die Sicherheit, indem die Information zur Erkennung von Bitfehlern rückbestätigt wird.

Zusätzliche Fehlerprüfung

Durch die Fehlerprüfung wird überprüft, dass alle Daten ohne Bitfehler ankommen. Dabei wird sichergestellt, dass eine binäre 1 nicht als binäre 0 missdeutet wird. Es stehen verschiedene Methoden zur Verfügung, dies zu tun, darunter ein Standard-Fehlerprüfverfahren von PROFIBUS. Für Sicherheitssysteme war allerdings eine zusätzliche Fehlerprüfung erforderlich, um die Wahrscheinlichkeit unerkannter Bitfehler zu verringern.

Fortlaufende Nummerierung der Telegramme

Telegramme werden durch eindeutige, fortlaufende Nummern gekennzeichnet. Bei Verlust eines Telegramms oder Korruption wegen Bitfehler wird das System darüber informiert. Beispiel: Ein Auswertegerät, das die Telegramme 123, 124 und dann 126 erhält, weiß, dass die Nummer 125 fehlt.

Zeitüberwachung der Telegramme

Telegramme müssen nicht nur ihr Ziel erreichen, sondern auch in einer erwarteten Zeitspanne dorthin gelangen. Dies gewährleistet, dass im Falle einer Kommunikationsunterbrechung beide Seiten so schnell wie möglich Bescheid wissen.

Identifizierung von Sender und Empfänger

Bei einem sicherheitsgerichteten Betrieb muss unbedingt dafür gesorgt werden, dass das Auswertegerät mit dem richtigen Gerät spricht und das Gerät mit dem richtigen Auswertegerät. Dadurch wird verhindert, dass sich ein nicht sicherheitsbezogenes Telegramm als Sicherheitsmeldung ausgibt.

PROFIdrive

PROFIdrive bietet Merkmale, um in Anwendungen mit Hochgeschwindigkeitsantrieben zu arbeiten, auch wenn PROFIBUS DP und PROFINET in vielen Antriebsapplikationen der Prozessindustrie gut funktionieren. In bestimmten Anwendungen, besonders in der Antriebstechnik (Motion Control), ist jedoch eine Hochgeschwindigkeitssynchronisation zahlreicher Antriebe unerlässlich.

In diesen Fällen muss der Standard-PROFIBUS um folgende PROFIdrive-Kernfunktionen ergänzt werden:

• Konstante (äquidistante) Zykluszeit

• Taktsynchronität

• Datenaustausch zwischen Slave-Geräten

Konstante (äquidistante) Zykluszeit

In den meisten Applikationen kommt es während einem regulären Prozessablauf nicht auf eine geringfügige Zeitabweichung an. So macht es keinen Unterschied, ob die Abwasserpumpe bei 1122 ms oder bei 1125 ms eingeschaltet wird. Wenn sich jedoch die Achse einer Hochgeschwindigkeitsmaschine zwei Millisekunden später als erforderlich bewegt, dann hat dies sehr wohl eine Auswirkung auf den Prozess: die Maschine ist in diesen zwei Millisekunden nämlich einen halben Meter weiter gerückt. Solche Anwendungen erfordern eine konstante Zykluszeit und PROFIdrive bietet diese Zuverlässigkeit.

Taktsynchronität

Jeder Antrieb arbeitet im eigenen Takt. Für eine Hochgeschwindigkeitsmaschine mit mehreren Achsen sind zwei Antriebe mit asynchronem Taktgeber kritisch, wenn sich diese zur gleichen Zeit bewegen müssen. Die Synchronität sichert die Übereinstimmung.

Datenaustausch zwischen Slave-Geräten

Aufgrund der Hochgeschwindigkeitsanforderung können die verschiedenen Geräte nicht darauf warten, dass der Master oder I/O-Controller die Informationen an jeden Slave bzw. jedes I/O-Gerät separat weitergibt. Deshalb wurde die Datenaustauschfunktion zwischen Slave- oder I/O-Geräten hinzugefügt. Sie lässt einen Slave bzw. ein I/O-Gerät die erforderlichen Daten vom anderen Slave oder I/O-Gerät empfangen. So ist ein Slave oder I/O-Gerät der Herausgeber der Daten und der andere ist Teilnehmer. In der Kommunikation wird dies als Publish/Subscribe-Algorithmus bezeichnet.

PROFINET

Wenn man PROFIBUS als ein Buch betrachtet, ist PROFINET ein anderes Buch vom selben Autor. PROFINET wurde konzipiert, um große Teile des PROFIBUS-Protokolls verwenden zu können. So umfasst das PROFINET-Buch zum Beispiel ebenfalls die Kapitel PROFIdrive und PROFIsafe. Die beiden Protokolle sind sich sehr ähnlich, u. a. in der Organisation, die sie steuert - PROFIBUS und PROFINET International (PI).

Die Antwort auf die Frage, ob man PROFINET oder PROFIBUS verwenden sollte, lautet „Ja“. Beide Protokolle ergänzen einander. Ähnlich der Verwendung von Word® und Excel®⁷ kann ein Anwender einfach von einem Protokoll aufs andere übergehen, um verschiedene Aufgaben zu erfüllen; gleichermaßen können allgemeine Kenntnisse vom einen aufs andere übertragen werden. Jedes der beiden Protokolle hat Anwendungen, in denen es sich auszeichnet und es liegt am Anwender, das jeweils beste für seine Anwendung auszuwählen.

Nach Ansicht von PROFIBUS International (PI) werden beide weiter wachsen. Irgendwann in der Zukunft wird PROFIBUS allerdings zurückbleiben und PROFINET aufgrund der oben aufgeführten Vorteile von Ethernet die Führung übernehmen. Dies wird jedoch noch einige Zeit dauern.

In Applikationen der Prozessautomatisierung wird PROFINET verwendet, um PROFIBUS und andere Netzwerke zusammenzufügen.