Alles, was Sie über PROFIBUS-Netzwerke und ihre Verwendung mit IIoT-Services wissen müssen!

In diesem neuen Artikel möchte ich Ihnen gerne alle notwendigen Informationen zu PROFIBUS-Netzwerken vermitteln. Ich werde über die verschiedenen Typen von PROFIBUS sprechen, wie sie arbeiten, welcher Unterschied zwischen PROFIBUS und PROFINET besteht und wie IIoT in einer PROFIBUS-Lösung verwendet werden kann.

Nachdem Sie diesen Artikel gelesen haben, werden Sie über alle Informationen verfügen, um Verbesserungen an Ihrem Netzwerk vornehmen zu können. Aber selbst wenn Ihre Anlage ohne PROFIBUS-Netzwerk arbeitet, haben Sie danach das notwendige Wissen, um eine Implementierung in Ihrer Anlage zu planen.

An dieser Stelle sollte erwähnt werden, dass die Zahl der PROFIBUS-Benutzer täglich steigt. Die für dieses Protokoll verantwortliche Interessengemeinschaft leistet großartige Arbeit und verbreitet die PROFIBUS-Botschaft bei jeder sich bietenden Gelegenheit.

Sind Sie bereit? Zunächst werden wir uns eingehender mit diesem Protokoll beschäftigen, damit Sie erfahren, wie es sich in Kombination mit IIoT-Services nutzen lässt, um die beste Leistung aus Ihren Feldgeräten und Ihrem Netzwerk zu holen.

Was ist PROFIBUS?

PROFIBUS ist ein digitales Netzwerk, das für die Kommunikation zwischen den Feldsensoren und dem Steuerungssystem oder den Steuerungen zuständig ist. Die ursprüngliche Idee, die hinter seiner Entwicklung stand, war, PROFIBUS-Lösungen in der Branche für Fabrikautomatisierung und dann in den Prozessindustrien, der Fertigung etc. zu implementieren.

Ganz zu Anfang entwickelte die Interessengemeinschaft PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification). Dabei handelte es sich um ein komplexes Protokoll, das heute nicht länger verwendet wird. Danach arbeitete sie an der Erzeugung des PROFIBUS DP (Decentralised Peripherals)-Protokolls, und 1998 schließlich kam PROFIBUS PA (Process Automation) auf den Markt.

Heute umfasst der Begriff PROFIBUS sowohl PROFIBUS DP als auch PROFIBUS PA. Daneben wurde noch PROFINET entwickelt, das auf der Ethernet-Kommunikation basiert. PROFINET ist bereits in vielen verschiedenen Bereichen und Anwendungen implementiert.

Welche PROFIBUS-Typen gibt es?

Wie ich zuvor bereits erwähnt habe, sind auf dem Markt PROFIBUS DP und PROFIBUS PA zu finden. Werfen wir nun einen Blick darauf, wie PROFIBUS DP und PA funktionieren und in welchen Anwendungen sie am häufigsten eingesetzt werden.

Was ist PROFIBUS DP?

Das PROFIBUS DP-Netzwerk wurde als eine schnelle Lösung entwickelt und basiert auf einer physikalischen RS485-Schicht und dem europäischen Standard EN-50170. Diese physikalische Schicht braucht nicht aus Kupfer zu bestehen – drahtlose oder faseroptische Lösungen sind ebenfalls möglich.

PROFIBUS DP steht für Decentralized Periphery (Dezentralisierte Peripherie). Der Name bezieht sich auf die I/O-Verbindungen, die eine vollständig dezentralisierte serielle Kommunikation in Hochgeschwindigkeit nutzen, um eine Verbindung zu einer zentralen Steuerung herzustellen.

An dieser Stelle sollte noch erwähnt werden, dass das PROFIBUS DP-Protokoll auf dem Open System Interconnection (OSI)-Modell gemäß ISO 7498 basiert und jede Protokollschicht über definierte Aufgaben verfügt.

Das PROFIBUS DP-Netzwerk ist ein Multi-Master Token-Netzwerk. Das bedeutet Folgendes: Wenn zwei oder mehr Master im System vorhanden sind, wird ein Token, das die Berechtigung zur Kommunikation mit den Feldgeräten erteilt, von Master zu Master weitergegeben und jeder Master erhält einen Teil der verfügbaren Kommunikationszeit.

Es gibt zwei Klassen von Mastern. Ein Master der Klasse 01 kommuniziert zyklische Informationen, um den Prozess zu steuern. Ein Master der Klasse 02 (optional) kommuniziert azyklische Informationen und wird für Diagnose, Alarmausgabe und Gerätekonfiguration verwendet.

Werfen wir einen Blick auf die Geschwindigkeit: Das Netzwerk arbeitet mit einer Geschwindigkeit von 9.6 kbit/s bis 12 Mbit/s in einem System von 100 bis 1000 m. Die Topologie von PROFIBUS DP-Netzwerken ist linear, und es kommen Gateways, Repeater und Abschlusswiderstände zum Einsatz.

Und, last but not least, können DP-Netzwerke ein ProfiSafe-Profil haben und in SIL3-Sicherheitsanwendungen verwendet werden.

Was ist PROFIBUS PA?

Das PROFIBUS PA-Protokoll war zunächst als eine Weiterentwicklung der HART-Kommunikation gedacht. Es richtet sich speziell an Feldanwendungen, in denen eine Kommunikation zwischen den Messinstrumenten und dem Steuerungssystem erforderlich ist.

PROFIBUS PA verwendet sowohl für die Leistung als auch für die Kommunikation geschirmte Twisted-Pair-Kabel. Seine physische Netzwerkstruktur entspricht IEC-61158-2, und die Datenrate des Netzwerks beträgt 31.25 Kbit/s. Derzeit ist es so ziemlich dasselbe wie FOUNDATION Fieldbus H1 – beide basieren auf demselben Standard.

Zum Zeitpunkt der Entwicklung waren 31.25 Kbit/s für die Art von Informationen, die von Feldinstrumenten gesendet und empfangen werden, mehr als genug (und sind es noch).

PROFIBUS PA-Geräte sind nicht direkt an die Steuerung angeschlossen. Diese befindet sich im schnelleren PROFIBUS DP-Netzwerk und ist über einen Koppler oder Link erreichbar. Der Koppler/Link agiert als Netzwerkschnittstelle und speiste den Bus mit Energie.

Das Großartige an PA-Netzwerken ist, dass sie vollständig eigensicher ausgelegt werden können. Somit können die Instrumente, die an diese Art von Netzwerken angeschlossen sind, in explosionsgefährdeten Bereichen arbeiten.

Normalerweise befinden sich, im Vergleich zu einem konventionellen Netzwerk, weniger Geräte an einem eigensicheren Bus, allerdings hängt das von verschiedenen Faktoren ab, die die optimale Gerätezahl für jedes Netzwerk festlegen. Zu diesen Faktoren gehören beispielsweise die Stromaufnahme des Gerätes, Buslänge, Kabeltyp etc.

Was ist PROFINET?

Bevor ich jetzt zum eigentlichen Thema komme, muss noch gesagt werden, dass ich hier nicht allzu sehr zu PROFINET ins Detail gehen möchte, da es sich zwar um ein von der PROFIBUS-Interessengemeinschaft gepflegtes, aber trotzdem vollkommen anderes Protokoll handelt. Ich werde Ihnen ein anderes Mal mehr über seine Funktionsweise erzählen. Lassen Sie uns heute nur auf die wesentlichen Punkte eingehen.

Ok, ich denke, man kann sagen, dass PROFINET als eine Weiterentwicklung des PROFIBUS-Protokolls angesehen werden kann. Heutzutage verwendet man in der Industrie gerne Protokolle, die auf Ethernet (IEEE 802.3) und dem OSI-Modell basieren.

PROFINET kann von der Steuerung zur Kommunikation im Feld verwendet werden und stellt ein einheitliches und vertikales Netzwerk sowie die Vorteile der IT in den Produktionsbereichen eines Unternehmens bereit.

Es lassen sich bereits viele Hersteller finden, deren Feldinstrumente ein natives, Ethernet-basiertes Protokoll einsetzen. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich dieser Protokolltyp einfach implementieren lässt, weil er ein allseits bekanntes Modell mit geringen Infrastrukturkosten nutzt.

Aber denken Sie jetzt trotzdem bitte nicht, dass PROFINET ein PROFIBUS Ethernet wäre! PROFINET ist ein offener Standard, der auf Ethernet basiert, und eine Weiterentwicklung des PROFIBUS-Protokolls.

Ein bedeutender Vorteil von PROFINET ist seine latente Koexistenz mit TCP/IP, was weitere bedeutende Vorteile mit sich bringt. Alle Geräte sind mit einem einzigen Netzwerk verbunden, in dem Steuerung, Diagnose etc. erfolgen. Gateways sind normalerweise nicht erforderlich.

Der Standard erlaubt, das Netzwerk auf viele verschiedene Arten aufzubauen, beispielsweise in einer Ring-, Linien-, Baum- oder Sterntopologie etc. PROFINET arbeitet mit Geschwindigkeiten von bis zu 1 000 Mbit/s, und die Kabel können bis zu 100 m lang sein. Aufgrund seiner Hochgeschwindigkeit werden Ansprechzeiten von weniger als 1 ms erreicht.

Worin besteht der Unterschied zwischen PROFIBUS und PROFINET?

Wenn wir über PROFIBUS sprechen, dann sprechen wir über ein traditionelles und allseits bekanntes digitales Kommunikationsprotokoll, das in verschiedenen Industrien und Anwendungen implementiert wurde. Dieses Protokoll basiert auf einer seriellen Kommunikation und hat der Industrie zahlreiche Vorteile gebracht.

PROFINET ist ein Protokoll, das auf Industrial Ethernet basiert. Ja, PROFINET unterstützt eine schnellere Kommunikation und bietet auch eine höhere Bandbreite. Das bedeutet, dass eine Nachricht, die im PROFINET-Netzwerk übermittelt wird, weitaus mehr Informationen enthalten kann, als eine Nachricht im PROFIBUS-Netzwerk.

Weiter unten sehen Sie eine Tabelle von PROFIBUS International, in der die beiden Optionen verglichen werden:

Letztendlich handelt es sich um eine der besten Lösungen, die auf dem Markt erhältlich ist. Trotzdem ist es zwingend erforderlich, zunächst zu prüfen, welche Anforderungen in Ihrer Anwendung bestehen, um dann das beste Kommunikationsprotokoll für Ihre Anlage auszuwählen und zu implementieren.

Was ist PROFIBUS & PROFINET International?

Bei PROFIBUS & PROFINET International handelt es sich um eine große Automatisierungsgemeinschaft, die in verschiedenen Teilen der Welt präsent ist. Sie ist für PROFIBUS und PROFINET verantwortlich, die beiden wichtigsten Kommunikationsprotokolle auf dem Markt.

Ich bin der Ansicht, dass diese Organisation großartige Arbeit leistet, indem sie versucht, die Wissenslücken, die in den verschiedenen Industrien im Bereich Feldprotokoll bestehen, zu schließen. Als ich noch in Brasilien gearbeitet habe, war ich Teil dieser Organisation, und wir haben immer wieder große Veranstaltungen organisiert, um über Technologie zu sprechen und den Endbenutzern Wissen zu vermitteln.

Wie werden IIoT-Services in einem PROFIBUS-Netzwerk verwendet?

Ich sage immer gerne, dass die meisten PROFIBUS-Benutzer das Netzwerk noch immer wie ein 4-20-mA-System behandeln. Genau das konnte ich unglaublich oft bei unterschiedlichen Kunden beobachten: Niemand nutzt die Daten aus dem Netzwerk, um zu wissen, was los ist, und zu handeln, bevor irgendetwas passiert.

Natürlich können traditionelle Condition Monitoring-Lösungen in manchen Szenarios ziemlich kompliziert sein. Doch nachdem wir jetzt über IIoT-Services verfügen, sind Aufgaben wie die Überwachung des Gerätezustands, das Auffinden von Informationen in der Datenbank und das Dokumentmanagement so einfach wie nie geworden. Und Sie können diese Aufgaben dazu noch jederzeit und überall erledigen!

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

Alle Informationen aus den Geräten werden über eine sichere Umgebung in die Cloud übertragen. Hier können Sie verschiedene Typen von IIoT-Services nutzen, darunter Netilion Health zur Überwachung des Zustandes Ihrer Feldgeräte.

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

Und, last but not least, haben Sie eine bessere Kontrolle über Ihre installierte Basis. Netilion Analytics, in Kombination mit dem Edge Device, erstellt einen digitalen Zwilling Ihres Gerätes und stellt alle Informationen zur installierten Basis bereit, so u. a. die Gerätetypen, Hersteller, Kritikalität, Obsoleszenz und vieles mehr.

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Einen schönen Tag noch!