Alles Wissenswerte über ein PROFIBUS-Netzwerk und wie es mit IIoT-Services genutzt wird

PROFIBUS ist ein digitales Netzwerk, das für die Bereitstellung der Kommunikation zwischen den Feldsensoren und dem Steuerungssystem oder den Controllern zuständig ist. Die ursprüngliche Idee bei seiner Entwicklung war, PROFIBUS-Lösungen zuerst im Bereich der Fabrikautomatisierung zu implementieren, danach in den Prozessindustrien, in der Fertigung etc.

Ganz zu Anfang entwickelte die Interessengemeinschaft PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification). Es handelte sich um ein komplexes Protokoll, das heute nicht mehr verwendet wird. Danach arbeiteten die Entwickler am Protokoll PROFIBUS DP (Decentralised Peripherals), und 1998 wurde PROFIBUS PA (Process Automation) eingeführt.

Wenn wir heute über PROFIBUS sprechen, dann geht es um PROFIBUS DP und PROFIBUS PA. Zusätzlich dazu wurde das auf Ethernet-Kommunikation basierende PROFINET entwickelt, das bereits in vielen verschiedenen Bereichen und Anwendungen implementiert ist.

Wie bereits erwähnt, sind auf dem Markt PROFIBUS DP und PROFIBUS PA zu finden. Schauen wir uns also an, wie PROFIBUS DP und PA funktionieren und in welchen Anwendungen sie am häufigsten zum Einsatz kommen.

Das PROFIBUS DP-Netzwerk wurde als schnelle Lösung entwickelt. Es basiert auf einem Physical Layer mit RS485-Schnittstelle und der europäischen Norm EN 50170. Der Physical Layer braucht nicht als Kupferleitung ausgeführt zu sein – möglich sind auch drahtlose oder LWL-Verbindungen. PROFIBUS DP steht für „Decentralized Periphery“. Der Name bezieht sich auf I/O-Verbindungen, die für die Verbindung mit einer zentralen Steuerung (Controller) eine vollständig dezentralisierte serielle Hochgeschwindigkeitskommunikation nutzen.

Wichtig ist auch, zu erwähnen, dass das PROFIBUS DP-Protokoll auf dem OSI-Modell (Open System Interconnection) nach der Norm ISO 7498 basiert und für jede Protokollschicht spezifische Aufgaben definiert sind. PROFIBUS DP ist ein Multi-Master-Token-Netzwerk. Das bedeutet Folgendes: Wenn im System zwei oder mehr Master vorhanden sind, wird ein Token, der die Berechtigung zur Kommunikation mit den Feldgeräten gewährt, von Master zu Master weitergegeben, und jeder erhält einen Anteil an der Kommunikationszeit.

Es gibt zwei Klassen von Mastern. Ein Master der Klasse 01 übernimmt den zyklischen Datenaustausch für die Steuerung des Prozesses. Ein (optionaler) Master der Klasse 02 übernimmt den azyklischen Datenaustausch, der für Diagnosen, Alarme und Gerätekonfiguration verwendet wird. Sehen wir uns die Geschwindigkeiten an: Das Netzwerk arbeitet mit 9,6 kbit/s bis 12 Mbit/s in einem System von 100 bis 1000 Metern. Zur Topologie ist zu sagen, dass PROFIBUS DP-Netzwerke linear aufgebaut sind und Gateways, Repeater und Abschlusswiderstände verwendet werden. Und – last but not least – können DP-Netzwerke über ein ProfiSafe-Profil verfügen und in SIL3-Sicherheitsanwendungen eingesetzt werden.

Das PROFIBUS PA-Protokoll war ursprünglich als Weiterentwicklung der HART-Kommunikation konzipiert. Es ist speziell auf Feldanwendungen ausgerichtet, in denen Messgeräte mit dem Steuerungssystem kommunizieren müssen. PROFIBUS PA verwendet geschirmte verdrillte Adernpaare (Twisted-Pair-Kabel) sowohl für die Spannungsversorgung als auch die Kommunikation. Seine physische Netzwerkstruktur erfüllt die Anforderungen von IEC 61158-2, und die Datenrate im Netzwerk beträgt 31,25 kbit/s. Im Grunde genommen ist das ziemlich ähnlich wie bei FOUNDATION Fieldbus H1 – beide basieren auf demselben Standard.

Damals, als das Protokoll entwickelt wurde, waren 31,25 kbit/s für die Art der von den Feldinstrumenten gesendeten und empfangenen Informationen mehr als genug (und sind es immer noch). PROFIBUS PA-Geräte sind nicht direkt mit dem Controller verbunden. Er befindet sich im schnelleren PROFIBUS DP-Netzwerk und wird über einen Koppler oder Link erreicht. Der Koppler/Link fungiert als Netzwerkschnittstelle und dient als Spannungsversorgung für den Bus. PA-Netzwerke haben den großen Vorteil, dass sie eigensicher ausgelegt werden können. Das bedeutet, dass die mit ihnen verbundenen Instrumente in explosionsgefährdeten Bereichen arbeiten können.

Normalerweise sind an einen eigensicheren Bus weniger Geräte angebunden als bei einem konventionellen Netzwerk, das hängt jedoch von mehreren Faktoren ab, die die jeweils optimale Anzahl an Geräten bestimmen. Hierzu gehören beispielsweise die Stromaufnahme der Instrumente, Buslänge, Kabeltyp etc.

Es ist sehr wichtig, darauf hinzuweisen, dass dieses Kapitel über PROFINET nicht sehr tief ins Detail geht. Denn obwohl es ebenfalls von der PROFIBUS-Interessengemeinschaft gepflegt wird, handelt es sich um ein vollkommen anderes Protokoll.

Man könnte sagen, dass PROFINET als Weiterentwicklung des PROFIBUS-Protokolls angesehen werden kann. In der Industrie werden gern auf Ethernet (IEEE 802.3) und dem OSI-Modell basierende Protokolle verwendet. PROFINET kann für alle Aufgaben von der Steuerung bis zur Kommunikation im Feld angewendet werden. Dies ermöglicht ein einheitliches und vertikales Netzwerk und bietet alle Vorteile der IT in den Produktionsbereichen eines Unternehmens.

Es gibt bereits viele Hersteller mit Feldgeräten, die ein natives Ethernet-basiertes Protokoll verwenden. Ein weiterer Vorteil ist die einfache Implementierung dieses Protokolltyps, da es ein allgemein bekanntes Modell mit niedrigen Infrastrukturkosten nutzt. Es wäre jedoch nicht richtig, PROFINET als PROFIBUS-Ethernet anzusehen! PROFINET ist ein auf Ethernet basierender offener Standard und eine Weiterentwicklung des PROFIBUS-Protokolls.

Ein bedeutender Vorteil von PROFINET besteht darin, dass es die Koexistenz mit TCP/IP gestattet. Dies ist in mehrfacher Hinsicht vorteilhaft. Alle Geräte sind mit einem einzigen Netzwerk verbunden, in dem Steuerung, Diagnose etc. ausgeführt werden. Normalerweise werden keine Gateways benötigt. Der Standard bietet die Möglichkeit, das Netzwerk mit vielen verschiedenen Topologien aufzubauen, beispielsweise als Ring, Linie, Baum, Stern etc. PROFINET arbeitet mit Geschwindigkeiten von bis zu 1000 Megabit pro Sekunde, und Kabel können bis zu 100 Meter lang sein. Dank des Hochgeschwindigkeitsbetriebs beträgt die Reaktionszeit weniger als 1 Millisekunde.

Wenn wir über PROFIBUS sprechen, dann geht es um ein traditionelles und allgemein bekanntes digitales Kommunikationsprotokoll, das in verschiedenen Branchen und Anwendungen implementiert wird. Dieses Protokoll basiert auf serieller Kommunikation und hat für die Industrie zahlreiche Vorteile gebracht.

PROFINET ist ein auf Industrial Ethernet basierendes Protokoll. PROFINET unterstützt schnellere Kommunikation und bietet außerdem mehr Bandbreite. Das bedeutet, dass eine im PROFINET-Netzwerk ausgetauschte Meldung wesentlich mehr Informationen enthalten kann als eine mit PROFIBUS übertragene Meldung.

In der nachstehenden Tabelle von PROFIBUS International werden die beiden Optionen miteinander verglichen:

Alles in allem ist es eine der besten derzeit verfügbaren Lösungen. Trotzdem ist es sehr wichtig, dass Sie sich genau ansehen, welche Anforderungen Ihre Anwendung stellt, damit Sie das für Ihre Anlage optimale Kommunikationsprotokoll implementieren.

PROFIBUS and PROFINET International ist eine große Gemeinschaft auf dem Gebiet der Automatisierungstechnik, die in verschiedenen Teilen der Welt präsent ist. Sie ist für PROFIBUS und PROFINET verantwortlich, d. h. für zwei der wichtigsten Kommunikationsprotokolle auf dem Markt. Ziel der Organisation ist es, die Wissenslücken zu verringern, die in verschiedenen Branchen beim Thema Feldprotokolle bestehen. Ihre Veranstaltungen bieten die Gelegenheit, über die Technologie zu sprechen und Wissen an die Endanwender zu vermitteln.

Einige PROFIBUS-Nutzer implementieren das Netzwerk wie ein 4...20-mA-System. Doch es ist möglich, sich die Daten aus dem Netzwerk zunutze zu machen, um zu verstehen, was vor sich geht, und zu handeln, bevor etwas passiert.

In manchen Szenarien kann die traditionelle Zustandsüberwachung recht komplex sein. IIoT-Services unterstützen jetzt aber eine einfache Überwachung des Gerätezustands und bieten einen schnellen Zugriff auf Informationen und Dokumente in einer Datenbank – und das sogar aus per Fernzugriff.

Um die Diagnose- und Statusinformationen aus dem Feld zu erfassen, benötigen Sie ein sogenanntes Fieldgate. Ein gutes Beispiel ist das Fieldgate SFG500. Es arbeitet als DP-Master der Klasse 02 und erfasst alle Daten von Ihren Feldgeräten. Das Fieldgate wird dann mit einem Edge Device, z. B. dem FieldEdge SGC500, verbunden.

Alle Information von den Geräten werden über eine sichere Umgebung in die Cloud übertragen. Hier können Sie verschiedene Typen von IIoT-Services nutzen, beispielsweise Netilion Health zum Überwachen des Zustands Ihrer Feldgeräte.

Gleichzeitig können Sie mit Netilion Library die gesamte Dokumentation zu Ihren Feldgeräten organisieren, darunter technische Handbücher, Kalibrierzertifikate und so weiter.

Und – last but not least – haben Sie eine bessere Kontrolle über Ihre installierte Basis. Netilion Analytics erstellt zusammen mit dem Edge Device einen digitalen Zwilling Ihres Geräts. Dies liefert Ihnen umfassende Informationen über die installierte Basis, beispielsweise über Gerätetypen, Hersteller, Kritikalität, Obsoleszenz und vieles mehr.