PROFIBUS

Bei klassischer Parallelverdrahtung bekommt jedes Feldgerät seine eigene Leitung zur Steuerung. Bei großen Anlagen werden daraus schnell hunderte Adern, mit entsprechendem Verdrahtungs-, Platz- und Fehleraufwand. Ein Feldbus dreht das Prinzip um: Alle Teilnehmer teilen sich ein gemeinsames Kabel und tauschen ihre Daten nacheinander digital darüber aus. Die Grundlagen dieses Prinzips werden in einem eigenen Beitrag behandelt — hier reicht der Kerngedanke: weniger Kabel, definierte Kommunikation, einfachere Erweiterung.

PROFIBUS (Process Field Bus) ist einer der am weitesten verbreiteten Feldbusse in der industriellen Automatisierung. Er verbindet eine Steuerung mit dezentral verteilten Sensoren, Aktoren und Antrieben über eine serielle Leitung.

Es gibt zwei Varianten, die man auseinanderhalten sollte: PROFIBUS DP und PROFIBUS PA.

PROFIBUS PA spielt seine Stärke dort aus, wo brennbare Gase oder Stäube eine eigensichere Versorgung verlangen — etwa bei der Füllstands- und Druckmessung in großen Tankanlagen der chemischen Industrie oder in Raffinerien. Der Schwerpunkt dieses Beitrags liegt aber auf PROFIBUS DP, weil das die Variante ist, die einem im Maschinen- und Anlagenbau am häufigsten begegnet.

PROFIBUS DP überträgt seine Daten über eine RS485-Schnittstelle — ein serieller Übertragungsstandard, der ein Signal als Spannungsdifferenz zwischen zwei Adern überträgt. Dieses Differenzprinzip macht die Übertragung robust gegen elektrische Störungen; die Details dazu gehören in den Beitrag zu den seriellen Schnittstellen. Für PROFIBUS zählen vor allem die konkreten Hardware-Eigenschaften.

Das PROFIBUS-Standardkabel ist eine geschirmte, verdrillte Zweidrahtleitung in charakteristischem Violett. Die beiden Datenadern sind farblich eindeutig zugeordnet: die grüne Ader führt das Signal A, die rote das Signal B. Diese feste Farbzuordnung erleichtert die korrekte Verdrahtung über die ganze Anlage hinweg. Als Steckverbinder ist im DP-Bereich der 9-polige D-Sub-Stecker (DB9) Standard, in rauer Umgebung kommt auch der M12-Rundsteckverbinder zum Einsatz.

Die Teilnehmer werden in Linientopologie aneinandergereiht: Das Kabel läuft vom ersten zum letzten Gerät durch, jeder Teilnehmer hängt an dieser durchgehenden Linie. Kurze Abzweigungen zu einzelnen Geräten nennt man Stichleitungen — sie sollten kurz bleiben, bei hohen Übertragungsraten möglichst ganz vermieden werden.

An beiden Enden der Linie sitzt ein Busabschluss (Terminierung) — ein definiertes Widerstandsnetzwerk. Der Grund dafür ist physikalisch: An einem offenen Leitungsende würde das ankommende Signal reflektiert und liefe als Echo zurück über den Bus. Diese Signalreflexionen überlagern sich mit den eigentlichen Daten und verfälschen sie. Der Abschlusswiderstand „schluckt“ das Signal am Ende, sodass keine Reflexion entsteht. Deshalb muss der Abschluss an genau den beiden physikalischen Enden aktiv sein — nicht weniger, aber auch nicht mehr.

Der Kabelschirm wird beidseitig auf das Anlagenpotential aufgelegt. So werden eingekoppelte Störungen abgeleitet, bevor sie die Datenadern erreichen.

Die Übertragungsrate (Baudrate) lässt sich bei PROFIBUS in Stufen einstellen — von 9,6 kbit/s bis 12 Mbit/s. Dabei gilt ein wichtiger Zusammenhang: Je höher die Baudrate, desto kürzer die maximal zulässige Leitungslänge eines Segments. Ein Segment ist der Leitungsabschnitt zwischen zwei Abschlüssen, ohne zwischengeschalteten Repeater. Der Grund für die Begrenzung liegt in der Signallaufzeit und der Dämpfung: schnelle Signale „vertragen“ weniger Leitungslänge.

Pro Segment sind maximal 32 Teilnehmer erlaubt (inklusive Repeater, die ein Segment belegen). Reicht eine Strecke nicht aus oder werden mehr Teilnehmer gebraucht, schaltet man einen Repeater dazu. Er frischt das Signal auf und beginnt ein neues Segment. So lässt sich sowohl die Gesamtlänge als auch die Teilnehmerzahl erhöhen — insgesamt sind bis zu 126 Teilnehmeradressen vergeben (0 bis 125).

Wie viele Repeater man für eine gewünschte Gesamtlänge braucht, ergibt sich aus der Segmentlänge:

Das Aufrunden sorgt dafür, dass ein angefangenes Segment voll zählt; das „−1“ ergibt sich daraus, dass das erste Segment ohne Repeater auskommt — jedes weitere Segment braucht einen.

Auf einer gemeinsamen Leitung darf nicht jeder gleichzeitig senden, sonst überlagern sich die Signale. PROFIBUS regelt den Zugriff über zwei Teilnehmerrollen:

Ein Master ist ein aktiver Teilnehmer — typischerweise die SPS. Er fragt die anderen Geräte ab und steuert den Datenverkehr. Ein Slave ist ein passiver Teilnehmer — ein Sensor-/Aktormodul, ein Antrieb, ein dezentrales E/A-Modul. Ein Slave sendet nur, wenn der Master ihn dazu auffordert.

Bei einem Mono-Master-System gibt es genau einen Master. Er ruft der Reihe nach jeden Slave auf (Polling), tauscht mit ihm die Ein- und Ausgangsdaten aus und geht zum nächsten. Ein kompletter Durchlauf über alle Slaves ist die Buszykluszeit — sie bestimmt, wie schnell die Steuerung auf Änderungen reagiert.

Bei einem Multi-Master-System teilen sich mehrere Master den Bus. Damit sich diese aktiven Teilnehmer nicht ins Gehege kommen, wird ein Token (eine Sendeberechtigung) zwischen ihnen weitergereicht. Nur der Master, der den Token gerade besitzt, darf seine Slaves abfragen. Danach gibt er den Token an den nächsten Master weiter. So entsteht ein geordneter, kollisionsfreier Ablauf: Token-Passing zwischen den Mastern, Polling der Slaves durch den jeweiligen Master.

Jeder Teilnehmer am Bus braucht eine eindeutige Teilnehmeradresse zwischen 0 und 125. Wird eine Adresse doppelt vergeben, kommt es zu Konflikten und der betroffene Teilnehmer fällt aus oder stört den Bus. Die Adresse stellt man je nach Gerät über Drehschalter, DIP-Schalter oder per Software ein.

Damit das Projektierungstool ein Gerät kennt, gibt es zu jedem PROFIBUS-Gerät eine GSD-Datei (Geräte-Stammdaten-Datei). Sie ist eine standardisierte Textbeschreibung der Eigenschaften des Geräts: unterstützte Baudraten, Anzahl und Art der Ein- und Ausgänge, Parameter. Der Gerätehersteller liefert sie mit. Im Projektierungstool importiert man die GSD-Datei und kann das Gerät dann am virtuellen Bus platzieren und konfigurieren.

Der Hochlauf eines PROFIBUS-DP-Systems läuft in einer festen Reihenfolge ab:

Geht beim Hochlauf etwas schief, hängt der Slave nicht im Datenaustausch. Die Diagnose-LEDs am Gerät geben dann oft den ersten Hinweis: Sie zeigen typischerweise an, ob das Gerät versorgt ist, ob Buskommunikation stattfindet und ob ein Fehler ansteht.

Die meisten PROFIBUS-Probleme sind keine Software-, sondern Verdrahtungsprobleme. Ein paar Regeln verhindern die häufigsten Fehler.

Der PROFIBUS-Standardstecker hat einen integrierten, ein- und ausschaltbaren Abschlusswiderstand. An den beiden Endgeräten wird er eingeschaltet, an allen Geräten dazwischen ausgeschaltet. Das macht das Umkonfigurieren beim Erweitern einfach — vorausgesetzt, man denkt daran.

Stichleitungen sollten so kurz wie möglich bleiben. Bei hohen Baudraten (ab etwa 1,5 Mbit/s) vermeidet man sie am besten ganz und führt das Kabel direkt von Gerät zu Gerät durch. Der Kabelschirm wird sauber und großflächig aufgelegt, nicht nur über einen dünnen „Schweineschwanz“.

Die häufigsten Fehlerbilder und ihre Ursachen:

Bei der Fehlersuche bewährt sich ein systematisches Vorgehen: zuerst die einfachen physikalischen Dinge prüfen (Abschluss an beiden Enden, Adern A/B nicht vertauscht, Schirm aufgelegt), dann die Adressen auf Eindeutigkeit kontrollieren, dann die Baudrate und die Segmentlängen gegen die Tabelle abgleichen. Erst danach lohnt der Blick in die Software-Diagnose der Steuerung.