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Bestandsschutz bei Profibus-Anlagen

01 Procentec war bei der Entwicklung von Profibus von den frühen Anfängen dabei und unterstützt Anwender und Hersteller mit Produkten und Dienstleistungen wie Beratung, Schulung, Engineering, Inbetriebnahme, Wartung und Fehlersuche sowie Zertifizierung von Geräten (Bild: Procentec)

01 Procentec war bei der Entwicklung von Profibus von den frühen Anfängen dabei und unterstützt Anwender und Hersteller mit Produkten und Dienstleistungen wie Beratung, Schulung, Engineering, Inbetriebnahme, Wartung und Fehlersuche sowie Zertifizierung von Geräten (Bild: Procentec)

02 Profibus­Systembaukasten: Generelle Struktur (Bild: Profibus Nutzerorganisation e. V)

02 Profibus­Systembaukasten: Generelle Struktur (Bild: Profibus Nutzerorganisation e. V)

03 Applikationsfelder mit zugehörigen Profilen und Kommunikationstechnologien (Bild: Profibus Nutzerorganisation e. V.)

03 Applikationsfelder mit zugehörigen Profilen und Kommunikationstechnologien (Bild: Profibus Nutzerorganisation e. V.)

04 Einsatz von Profibus in hybriden Prozessen (Bild: Profibus Nutzerorganisation e. V.)

04 Einsatz von Profibus in hybriden Prozessen (Bild: Profibus Nutzerorganisation e. V.)

05 Komponenten für die einfache Installation von Profibus, z. B. Profi­Hub B5+R (Bild: Procentec)

05 Komponenten für die einfache Installation von Profibus, z. B. Profi­Hub B5+R (Bild: Procentec)

Die Aufgabe der Automatisierungstechnik ist es, Produktions- und Fertigungsprozesse sicher, kostengünstig und zuverlässig ablaufen zu lassen. Stabilität des Produktionsprozesses, Verfügbarkeit der Anlagen und Betriebsbewährtheit der eingesetzten Geräte und Technologien sind dabei relevante Größen. Beschränkte sich die Automatisierung zunächst überwiegend auf die Produktionsvorgänge, so ist sie heute eingebunden in ein Netzwerk, das neben der eigentlichen Automatisierung auch Service und Wartung, Warenwirtschaft, Ressourcen-Optimierung oder die Bereitstellung von Daten für MES und ERP-Systeme beinhaltet.

Feldbus- und ethernetbasierte Kommunikationssysteme sind die Kommunikationsbasis der Automatisierungstechnik und verbinden sie mit der Informationstechnik. Damit realisieren sie eine durchgängige Kommunikation von der Feldebene bis in die Unternehmensleitebene. Gleichzeitig begegnen sich damit auch die traditionell unterschiedlichen Welten der IT mit ihren kurzen Innovationszyklen und die langatmigere, sich an die Lebenszyklen von Produktionseinrichtungen orientierende Automatisierungstechnik.
Bestandsschutz für Profibus-Anlagen gewährleistet
Profibus ist die Nummer 1 bei den Feldbussen für die Automatisierungstechnik – darin sind sich Analysten, Hersteller und Anwender einig. Über 50 Millionen Geräte mit Profibus-Schnittstellen wurden in den letzten 20 Jahren in Maschinen und Anlagen installiert, und die meisten davon sind noch in Betrieb und sollen es auch noch über viele Jahre bleiben. Doch sind diese Anlagen zukunftssicher?
Hier können sich die Anwender sicher sein: Auch wenn bei Neuinstallationen in der Automatisierungstechnik inzwischen der Anteil von Geräten mit Ethernet-Kommunikation – zum Beispiel mit Profinet – gegenüber den klassischen Feldbusinstallationen überwiegt, sind Profibus-Anlagen sowohl technisch als auch unter dem Gesichtspunkt des Investitionsschutzes absolut zukunftssicher – die richtige Diagnose und Wartung der Anlagen vorausgesetzt. Dafür sorgt, dass Profibus:
• eine betriebsbewährte Technologie ist
• in vielen Use Cases erprobt und bewährt ist,
• eine riesige installierte Basis hat und
• von einer großen Community unterstützt wird.
Profibus zeichnet sich durch seine außerordentliche Anwendungsbreite aus. Spezifische Anforderungen wurden gemeinsam mit Anwendern in Applikationsprofilen umgesetzt und die Gesamtheit dieser Anwendungen in einem standardisierten und offenen Kommunikationssystem vereint. Die Verwendung von offenen Standards gewährleistet langfristige Kompatibilität und Erweiterbarkeit – die Basis für einen umfassenden Investitionsschutz.
Das Unternehmen Procentec war bei der Entwicklung von Profibus von den frühen Anfängen dabei und unterstützt Anwender und Hersteller mit Dienstleistungen (Beratung, Schulung, Engineering, Inbetriebnahme, Wartung und Fehlersuche, Zertifizierung von Geräten) und Produkten, wie Profibus-Diagnosegeräte, Messgeräte und andere Tools sowie Standardkomponenten wie Kabel und Verbinder (Bild 1).
Ein Blick auf die Struktur und die technischen Besonderheiten von Profibus zeigt, warum dieses robuste Kommunikationssystem für die Automatisierungstechnik noch viele Jahre Bestand haben wird und auch in Zeiten von Industrie 4.0 und IIoT von Bedeutung ist.
• Der modulare Aufbau ermöglicht eine große Anwendungsbreite über alle Branchen hinweg und gewährleistet gleichzeitig eine volle Durchgängigkeit.
• Die einfach zu handhabende und kostengünstige Übertragungstechnik ermöglicht eine zuverlässige Kommunikation mit hoher Übertragungsgeschwindigkeit.
• Das Kommunikationsprotokoll erfüllt mit drei Leistungsstufen die Anforderungen unterschiedlicher Einsatzgebiete.
• Die Busdiagnose vereinfacht die Inbetriebnahme und sorgt für gleichbleibend hohe Übertragungsqualität über den gesamten Lebenszyklus der Maschine oder Anlage.

06 Combricks ist ein Automatisierungssystem für Profibus und Profinet, das Netzwerkkomponenten, dauerhaftes Monitoring und Remote IO vereint (Bild: Procentec)

06 Combricks ist ein Automatisierungssystem für Profibus und Profinet, das Netzwerkkomponenten, dauerhaftes Monitoring und Remote IO vereint (Bild: Procentec)

07 Beispiel für eine mit Combricks generierte Live List (Bild: Procentec)

07 Beispiel für eine mit Combricks generierte Live List (Bild: Procentec)

08 ProfiTrace 2 ist ein kompakter, leistungsfähiger Analyzer für die Diagnose von Profibus-­Netzwerken (Bild: Procentec)

08 ProfiTrace 2 ist ein kompakter, leistungsfähiger Analyzer für die Diagnose von Profibus-­Netzwerken (Bild: Procentec)

Der modular aufgebaute Feldbus
Profibus zeichnet sich durch seinen modularen Aufbau aus. Das Kommunikationsprotokoll ist mit einer Vielzahl von anwendungsspezifischen, zueinander kompatiblen Technologiebausteinen (Übertragungstechniken, Applikationsprofile, Integrationstechnologien) kombinierbar. Das ermöglicht eine große Anwendungsbreite und gewährleistet gleichzeitig eine volle Durchgängigkeit. Mit dem „Profibus Systembaukasten” lassen sich alle Kommunikations-Anforderungen der Automatisierungstechnik in der Fertigungs- und Prozessindustrie einschließlich sicherheitsgerichteter Aufgaben abdecken (Bild 2).
Kern des Systembaukastens ist das für alle Anwendungen gleiche Kommunikationsprotokoll Profibus DP (Decentralized Peripherals) zur Kommunikation zwischen zentralen Automatisierungsgeräten und dezentralen Feldgeräten. Für die Datenübertragung stehen je nach Einsatzfall verschiedene Alternativen bereit: Die RS-485-Übertragungstechnik ist für den Einsatz in der Fertigungsindustrie sowie in der allgemeinen Prozessindustrie vorgesehen. RS-485-IS (Intrinsically Safe, eigensicher) deckt den Einsatz in explosionsgeschützten Bereichen ab. Die Übertragungstechnik MBP (Manchester coded Bus Powered) bzw. MBP-IS ist speziell auf die Prozessindustrie ausgerichtet und kann zusätzlich zur Datenübertragung auch die Energieversorgung der Feldgeräte übernehmen. Weiterhin stehen verschiedene optische Übertragungstechniken zur Verfügung.
Für den einheitlichen Datenaustausch zwischen Feldgeräten auf Anwenderebene sind bei Profibus Applikationsprofile spezifiziert (Bild 3). Die Nutzung solcher Profile garantiert Interoperabilität im Datenaustausch zwischen Feldgeräten unterschiedlicher Hersteller. In ihnen sind anwendungstypische Geräteeigenschaften festgelegt, deren Einhaltung für „Profilgeräte” verbindlich ist. Dabei kann es sich um Geräteklassen-übergreifende Eigenschaften (z. B. sicherheitsrelevantes Verhalten) oder um Geräteklassen-spezifische Eigenschaften (z. B. von Prozessgeräten oder Antrieben) handeln. In einer Automatisierungsanlage können Feldgeräte mit unterschiedlichen Applikationsprofilen gemeinsam betrieben werden. Sehr einfache Geräte bzw. Geräte mit universell einsetzbarer Funktionalität, wie dezentrale binäre Ein-/Ausgabegeräte, verwenden in der Regel kein Applikationsprofil (Bild 4). Unabhängig von den Schichten für Transmission und Kommunikation stellt der Systembaukasten auch die notwendigen Engineering-Technologien zur Gerätebeschreibung und Geräteintegration bereit.
Procentec bietet diverse Schulungen an, die vom Grundlagenwissen bis zum Expertentraining einen breiten Horizont abdecken. Die Schulung zum „Certified Profibus Engineer“ ist ein weltweit anerkanntes Trainingsprogramm. Es wurde von PI (Profibus und Profinet International) standardisiert, um eine Qualitätsgrundlage für Profibus-Experten zu schaffen. Das Zertifikat erfordert das erfolgreiche Bestehen einer offiziellen Abschlussprüfung.
Die Standard-Schulung zum „Certified Profibus Engineer“ beinhaltet ein intensives theoretisches und praktisches 4-Tages-Programm mit einer Abschlussprüfung am letzten Tag. Nach Bestehen der Prüfung erhält der Teilnehmer den Titel „Certified Engineer“ und wird offiziell registriert.
Die Übertragungstechnik
Die bei Profibus überwiegend eingesetzte Übertragungstechnik RS-485 ist einfach zu handhaben, robust, kostengünstig und erlaubt eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit. Sie findet Anwendung in der Fertigungsindustrie, jedoch auch in Teilen der Prozessindustrie, sofern keine Anforderungen bezüglich Ex-Schutz (Eigensicherheit) vorliegen.
Zum Einsatz kommt ein verdrilltes geschirmtes Kupferkabel mit einem Leiterpaar. Die Busstruktur erlaubt das rückwirkungsfreie Ein- und Auskoppeln von Stationen und die schrittweise Inbetriebnahme des Systems. Spätere Anlagenerweiterungen haben innerhalb definierter Grenzen keinen Einfluss auf im Betrieb befindliche Stationen. Bei Übertragungsraten bis 93,75 kbit/s werden Reichweiten bis 1 200 m pro Segment erreicht. Bei Übertragungsraten über 3 Mbit/s sinkt diese Reichweite auf 100 m, was innerhalb eines Profibus-Segments z. B. in einer Maschine, im Allgemeinen ausreichend ist.
Unter Einhaltung bestimmter Werte ist der Einsatz der RS-485-Schnittstelle mit ihren hohen Übertragungsraten auch in eigensicheren Bereichen möglich (RS-485-IS). Dabei müssen bestimmte Pegel für Strom und Spannung von allen Teilnehmern einzeln eingehalten werden, um eine sichere Funktion bei der Zusammenschaltung zu gewährleisten.
Die Übertragungstechnik MBP (Manchester Coded, Bus Powered) ist speziell für explosionsgefährdete Bereiche geeignet und ist in der Chemie sowie Öl- und Gasindustrie weit verbreitet. Sie realisiert die gleichzeitige Energieversorgung der angeschlossenen Feldgeräte und Kommunikation der Daten auf nur einem Kabel, d. h. direkt über das Busmedium. Sie ermöglicht damit einen geringen Verdrahtungsaufwand – auch für die Planung und Dokumentation, erfüllt die Marktforderungen nach besonders einfacher und sicherer Installation und erschließt alle Vorteile aus der digitalen Übertragung bis zum Feldgerät.
Bei stark störbehafteter Umgebung oder bei Überbrückung großer Entfernungen hat eine drahtgebundene Übertragungstechnik ihre Grenzen. In diesen Fällen steht die optische Übertragung mittels Lichtwellenleiter (LWL) zur Verfügung, die mit single-mode Glasfasern Übertragungslängen von mehr als 15 km ermöglicht. Aufgrund der Übertragungseigenschaften sind Stern- und Ring-typische Topologiestrukturen, aber auch Linienstrukturen möglich. Die Realisierung eines LWL-Netzes erfolgt im einfachsten Fall durch Verwendung von elektrooptischen Wandlern, die über die RS-485-Schnittstelle mit dem Feldgerät und andererseits mit dem LWL verbunden sind.
Profibus wird auch in der drahtlosen Kommunikation eingesetzt. Auch wenn es hierfür keine Festlegungen in Form von Spezifikationen bzw. Richtlinien gibt, ist die Interoperabilität mit drahtgebundenen Systemen gegeben. Dies belegen die zahlreichen in Betrieb befindlichen Anwendungen.
Für die zuverlässige Kommunikation mit Profibus steht eine Vielzahl von Kabeln und Steckern zur Verfügung, die den unterschiedlichen, teilweise auch extremen Anforderungen genügen. Mit den robusten Profibus-Repeatern von Procentec lassen sich Profibus-Systeme miteinander verbinden; sie ermöglichen so den Anschluss weiterer Teilnehmer. Alle Repeater erhöhen außerdem die Signalstärke und überwachen die Daten permanent auf Glitches, also kurzzeitige Falschaussagen und temporäre Verfälschungen, die sie dann digital ausfiltern (Bild 5).
Das Kommunikationsprotokoll
Profibus DP (Dezentralized Periphery) ist das für alle Anwendungen einheitliche Kommunikationsprotokoll, das eine zyklische und eine azyklische Kommunikation erlaubt. Kern des Kommunikationsablaufs ist das Master-Slave-Verfahren, bei dem ein Master (z. B. SPS, PC oder Leitsystem) die angeschlossenen Slaves (z. B. Feldgeräte, IO, Antriebe) zyklisch zum Datenaustausch auffordert. Der angefragte Slave reagiert mit einem Antworttelegramm an den auffordernden Master. Nachdem alle angeschlossenen Slaves der Reihe nach angefragt worden sind, ist ein Buszyklus beendet.
Neben dieser zyklischen Kommunikation für den schnellen, regelmäßigen Austausch von Ein- und Ausgangsdaten zwischen Master und Slaves können auch bedarfsorientierte Daten für z. B. Geräteeinstellungen über Profibus übertragen werden. Hierbei geht die Initiative von einem Master aus, der lesend oder schreibend auf die Daten eines Slaves azyklisch zugreift. In einem Profibus-System können mehrere Master vorhanden sein. In einem solchen Fall wird die Zugriffsberechtigung vom jeweils aktiven an den nächsten Master weitergegeben (Token-Passing-Prinzip).
Es gibt drei Leistungsstufen des Kommunikationsprotokolls Profibus DP (DP-V0, DP-V1 und DP-V2), die applikationsspezifisch zum Einsatz kommen. DP-V0 stellt die Grundfunktionen des Kommunikationsprotokolls, wie zyklische Kommunikation sowie eine geräte-, modul- und kanalspezifische Diagnose, zur Verfügung. Bei DP-V1 kommen ergänzende Funktionalitäten zur azyklischen Kommunikation hinzu, die z. B. für die Parametrierung, Bedienung und Beobachtung der Slaves benötigt werden. DP-V1 erlaubt dafür den Online-Zugriff auf Busteilnehmer über Engineering-Tools. DP-V2 enthält weitere Funktionen, die insbesondere im Bereich der Antriebsregelung benötigt werden.
Profibus-Geräte werden nach ihrer Funktionalität in drei Klassen eingeteilt: Bei einem Profibus DP Master Klasse 1 (DPM1) handelt es sich um einen Master, der mit zugehörigen Slaves Prozessdaten über die zyklische Kommunikation austauscht. Geräte dieses Typs sind häufig in einer speicherprogrammierbaren Steuerung oder in eine Automatisierungsstation des Prozessleitsystems integriert. Profibus DP Master Klasse 2 (DPM2) sind Geräte, die als Werkzeug zur Inbetriebnahme von Profibus-Systemen verwendet und zur Einstellung von Geräteparameter über die azyklische Kommunikation eingesetzt werden. Geräte dieses Typs sind häufig Teil einer Engineeringstation. Ein DPM2 kann, muss aber nicht permanent, am Bussystem angeschlossen sein. Die Profibus Slaves schließlich sind passive Kommunikationsteilnehmer, die auf masterseitige Aufforderung mit einem Antworttelegramm reagieren. Geräte dieser Klasse sind typischerweise Feldgeräte (Remote IO, Antrieb, Ventil, Messumformer, Analysengerät), die Prozessgrößen erfassen oder in den Prozess über Stellgrößen einwirken (Bild 6 und 7).
Die Busdiagnose
Profibus vereinfacht die Planung, den Aufbau und die Inbetriebnahme von Automatisierungseinrichtungen dadurch, dass eine Vielzahl von Informationen unterschiedlicher Geräte über ein Netzwerk und ein Kabel übermittelt werden. Damit wird der Bus zum Backbone der Anlage.
Obwohl Profibus-Netzwerke außerordentlich stabil laufen und auch künstliche Alterungsversuche an Installationen keine außergewöhnlichen Risiken erkennen lassen, so gibt es aufgrund der zentralen Funktion der Netzwerke doch gute Gründe für deren dauerhafte Überwachung – von der Inbetriebsetzung über den laufenden Betrieb bis hin zu Service- und Wartungsarbeiten oder Ergänzungen an der Anlage.
Busdiagnose macht den Physical Layer je Segment und das Feldgerät messbar und vereinfacht die Inbetriebnahme: Nach der Installation erfolgt auf Knopfdruck die Überprüfung der Installation und danach der Loop Check durch entsprechende Tools. Tiefes Expertenwissen über Signalform und mögliche Ursachen sind für die Inbetriebnahme dabei nicht erforderlich.
Die häufigste Ursache für Änderungen an Feldbusinstallationen sind gewollte oder ungewollte Eingriffe bei Wartungs- und Montagearbeiten. Alle für die Übertragungsqualität wichtigen Parameter werden durch Diagnosewerkzeuge überprüft, damit sie im grünen Bereich bleiben.
Durch die Integration der Busdiagnose in die Speisetechnik ist es möglich, Anlagen nicht nur sporadisch, sondern permanent zu überwachen und damit das Auffinden von schleichenden Fehlern im laufenden Betrieb zu ermöglichen. Änderungen am Physical Layer werden damit erkennbar und können vor einem Ausfall des Busses behoben werden. Auch die Fehlersuche wird durch Busdiagnose erheblich vereinfacht, da dem Wartungspersonal detaillierte, oft mit Klartexthinweisen auf mögliche Fehler ausgestattete Informationen zur Verfügung stehen.
Profitrace 2 ist ein kompakter, leistungsfähiger Analyzer für die Diagnose von Profibus-Netzwerken. Alle wichtigen Funktionen, wie Online-Busmonitoring, Telegramm-Analyse, Topologie-Erkennung oder Analyse der Signalqualität, sind in dem Tool vereint (Bild 8). Damit ist der Analyzer ein unerlässliches Werkzeug für die Wartung, Inbetriebnahme, Fehlersuche und -diagnose sowie für die Produktentwicklung. Typische Fehlerquellen, wie Störgeräusche, Reflexionen, Spannungseinbrüche, Terminierungsprobleme, doppelte Adressierung, Kabelbrüche oder Konfigurationsfehler, werden mit dem Tester problemlos erkannt. Zufällige Fehler, wie Überschwinger, fehlerhafte Telegramme, Telegramm-Wiederholungen und Fehlerdiagnosen, werden erfasst und aufgezeichnet. Das Ergebnis kann als ausführlicher und industrieüblicher Bericht exportiert werden. Eine vorausschauende Instandhaltung und ein Anlagen-Management sind nun tatsächlich möglich. (hz)

Timo Knoblich ist Certified Profibus Engineer bei der Procentec GmbH in Karlsruhe. tknoblich@procentec.de

Timo Knoblich ist Certified Profibus Engineer bei der Procentec GmbH in Karlsruhe. tknoblich@procentec.de