Profibus (von process field bus) ist ein Protokoll für die Feldbuskommunikation in der Automatisierungstechnik. Profibus verbindet Automatisierungssysteme und Steuerungen mit dezentralen Feldgeräten wie Sensoren, Aktoren und Drehgebern. Profibus-Netzwerke tauschen Daten über ein einziges Buskabel aus.
Typen von Profibus-Netzwerken
In der Automatisierungstechnik werden in der Regel zwei alternative Versionen von Profibus eingesetzt: Profibus DP und Profibus PA. PA und DP enthalten die gleichen Protokolle und können beide mit einem Kopplergerät verbunden werden.
Profibus DP (Decentralized Peripherals) wird normalerweise für den Datenaustausch mit Feldgeräten wie Sensoren und Aktoren über eine speicherprogrammierbare Steuerung in der Produktionsautomatisierung eingesetzt.
Profibus PA (Prozessautomatisierung) wird zur Anbindung von Messgeräten an ein Prozessleitsystem in der Prozessautomatisierung eingesetzt.
Eine frühe Version von Profibus war Profibus FMS, für „Fieldbus Message Specification“. Profibus FMS war als Schnittstelle zwischen speicherprogrammierbaren Steuerungen und SPS gedacht, um komplexe Dateninformationen zwischen ihnen zu übertragen.
Referenzstandards
Die Profibus-Kommunikation ist in IEC 61158 und IEC 61784 spezifiziert. Diese Normen legen die Details fest, wie jedes Gerät kommunizieren kann und beschreiben die Sicherheit des Datenaustauschs.
- IEC 61158 (Digital data communications for measurement and control – Communication Layers.)
- IEC 61784-1 (Communication Profiles)
- IEC 61784-2 (Realtime Ethernet RTE)
- IEC 61784-3 (Safety Communication)
- IEC 61784-4 (Security)
- IEC 61784-5 (Installation)
Bedeutung des Profibus-Protokolls in der Industrie
Viele Produkte wie SPS, Antriebe und Gerätehersteller bieten Profibus an. Der Vorteil ist, dass für jede Anwendung eine Lösung, das gleiche Inventar und der gleiche Wissensstand verwendet werden können. Profibus kann mit 12 Mbps arbeiten, was der schnellste Feldbus in der Automatisierungswelt ist. Das Netzwerk funktioniert nach dem Master-Slave-Schema, bei dem ein Master den Token an seine Slaves und dann an die nächste Station in einem geschlossenen System weitergibt.
Profile
Profile sind vordefinierte Konfigurationen der von Profibus verfügbaren Funktionen für verschiedene Geräte und Anwendungen. Durch die Interoperabilität der Profile kann der Endbenutzer das gleiche Produkt von verschiedenen Herstellern austauschen. Es gibt Profile für Encoder, lineare Messwandler, CNC-Maschinen, Antriebe, SPS, SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), verschiedene digitale Instrumente usw.
Profibus-Fehlerbehebung
Das Konfigurations- und Programmiersoftwarepaket wird für die Einrichtung eines Profibus-Netzwerks benötigt.
Die Fehlerdiagnose umfasst prozessbezogene Antworten, eingebaute Diagnosemechanismen zur Anzeige von Fehlern in SCADA oder SPS und ein Profibus-Durchbruchskabel selbst. Durch die kontinuierliche Überwachung der Profibus-Kommunikation können einige der kritischen Probleme erkannt werden, bevor sie zu größeren Produktionsverlusten führen. Die Diagnosen der verschiedenen Geräte sind ereignisgesteuert und erzeugen einen aufzeichnungsfähigen Alarmbericht.
Im Allgemeinen benötigt ein Ingenieur zwei Werkzeuge, um die Fehler im Netzwerk zu beheben: einen Busanalysator, um die Protokollqualität zu bestimmen, und ein Oszilloskop, um die Signalqualität der Datenkommunikation zu bestätigen, z. B. Kurzschluss, Drahtbruch, Abschlussfehler usw.
Ein Kurzschluss im Profibus-Kabel unterbricht die Datenkommunikation mit dem Master. Das Gerät an diesem Knoten wird in diesem Fall nicht zerstört. Der Kurzschluss und die Entfernung zum Fehlerpunkt können mit einem Oszilloskop ermittelt werden.
Diagnostische Funktionsblöcke
Funktionsblöcke sind in der Lage, jedes Slave-Gerät zu diagnostizieren. Die Diagnoseinformationen können in einem Datenblock gespeichert werden. Dieser Datenblock kann dann auf einem SCADA-PC angezeigt werden.
Diagnostik Repeater
Der Repeater fungiert als Slave im Netzwerk und kann Diagnoseinformationen an den Master weiterleiten. Diese Diagnosedaten enthalten verschiedene Fehlertypen wie Profibus-Kabelbruch, Leitungskurzschluss mit der Abschirmung, Abschlusswiderstandsbruch, Knotendiagnose, usw. Der Ort und die Art des Fehlers auf dem Kabel können in Textform und in einer grafischen Darstellung identifiziert werden.
Störung des Stromkabels
Die Profibus-Schnittstelle kann durch Störungen gestört werden, die durch ein in der Nähe der Profibus-Kabel verlegtes Stromkabel verursacht werden. Zwischen dem Profibus- und dem Stromkabel sollten mindestens 10 cm Luftraum eingehalten werden. Auch eine gute Abschirmung ist wichtig, um Störungen zu vermeiden.
Wichtige Parameter-Checkliste bei der Inbetriebnahme eines Profibusnetzes
- Die Polarität der Profibus-Leitung (A=grün, B=rot) muss korrekt sein.
- Achten Sie auf maximal 32 Geräte pro Segment.
- Vermeiden Sie Stichleitungen.
- Verwenden Sie nur Profibus-Kabel und -Stecker.
- Angemessene Baudrate im Hinblick auf die Kabellänge einstellen.
- Stellen Sie sicher, dass die Adresse jedes Knotens korrekt definiert ist.
- Schützen Sie das Kabel vor Kurzschlüssen und Unterbrechungen.
- Bei höheren Übertragungsgeschwindigkeiten muss der Mindestabstand zwischen zwei Geräten mindestens einen Meter betragen.
- Mehrere Profibuskabel, die in einem Metallrohr verlegt sind, verhalten sich gut, wenn es um EMV geht.
- Ein Slave-Gerät kann nicht zwei Master-Geräte haben.
Im Allgemeinen ist die Farbe des Profibus DP-Standardkabels violett, aber es kann auch eine andere Farbe haben – zum Beispiel für den Einsatz auf Schiffen ist es schwarz und für robuste Anwendungen ist es grün.
Pin-Belegung des DB9-Steckers
- Pin 3= rot gefärbte B-Leitung Data+ (Eingang/Ausgang)
- Pin 8= grün gefärbte A-Leitung Data- (Eingang/Ausgang)
- Das Metallgehäuse des Steckers = Abschirmung
Profibus DP zu seriellem Gateway
Ein serielles Gateway ermöglicht es dem Benutzer, mit jedem seriellen Gerät über ein Profibus-Netzwerk zu kommunizieren. Es kann die seriellen Formate RS232, RS422 und RS485 unterstützen, ohne dass die Hardware geändert werden muss.
Bedeutung der „GSD“-Datei
GSD steht für „General Station Description“. Der Hersteller der Geräte ist für die Bereitstellung der GSD-Datei verantwortlich, die die Profibus-Funktionalität des Gerätes beschreibt. Bei der Hardwarekonfiguration wird die GSD-Datei benötigt, damit das Gerät von der Steuerung erkannt wird. Die Einbindung eines neuen Gerätes in eine Konfiguration erfolgt durch den Import einer GSD-Datei und die Synchronisation der Geräteadresse.
DP-Slaves in einem Netzwerk
Es können insgesamt 124 DP-Slaves für den Datenaustausch konfiguriert werden.
Jedem Gerät in einem Profibus-Netz ist eine Adresse zuzuordnen. Zur Einstellung der Adresse haben die meisten Geräte entweder Drehschalter (dezimal oder hexadezimal) oder DIP-Schalter. Bei einigen Geräten wird auch ein Konfigurationstool verwendet, um die Adresse einzustellen.
Wenn ein Slave-Gerät ausfällt und durch ein Gerät desselben Typs ersetzt werden muss, erkennt der Master das ersetzte Gerät mit der gleichen Profibus-Adresse.
Übertragungsgeschwindigkeit
1,5 Mbit/s ist eine weit verbreitete Standardübertragungsgeschwindigkeit. Bei langen Kabeln sollte die Geschwindigkeit niedriger sein, um die Störungen zu minimieren.
Bus-Abschluss
Profibus-Kabelenden sollten abgeschlossen werden, um Reflektionen (Signalresonanz auf dem Kabel) zu verhindern. Zwei Enden eines jeden Segments sollten durch aktive Terminierung isoliert werden. Normalerweise verfügt ein Profibus-Stecker über einen eingebauten Schalter, der das Ende abschließen kann.
NetTest Analyse-Werkzeug
Um Fehler in Profibus-DP-Segmenten zu erkennen, wird das Analysewerkzeug NetTest häufig zur Leitungsanalyse eingesetzt. Es liefert Informationen zu Kurzschlüssen, Kabelbrüchen, Schirmschäden, Terminierungsfehlern, aktivierten Terminierungsfehlern, Baudrate, aktiver Knotenliste, Signalqualität der Slaves, etc.
Ein „NetTEST II“ Handheld-Diagnosegerät ist ebenfalls auf dem Markt erhältlich.