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PROCESS FIELD BUS

PROFIBUS

Technische Kurzbeschreibung September 1999

PROFIBUS Broschüre - Best.-Nr. 4.001

Technische Kurzbeschreibung, Best.-Nr.: 4.001 September 1999 Herausgeber: PROFIBUS Nutzerorganisation e.V. Haid-und-Neu-Str. 7 D-76131 Karlsruhe Telefon: ++ 49 721 / 96 58 590 Fax: ++ 49 721 / 96 58 589 e-mail: [email protected] http://www.profibus.com Haftungsausschluß Wir haben den Inhalt dieser Broschüre auf Übereinstimmung mit der beschriebenen Hard- und Software geprüft. Dennoch können Abweichungen nicht ausgeschlossen werden, sodaß wir für die vollständige Übereinstimmung keine Gewähr übernehmen. Die Angaben in dieser Broschüre werden jedoch regelmäßig überprüft. Notwendige Korrekturen sind in den nachfolgenden Auflagen enthalten. Für Verbesserungsvorschläge sind wir dankbar. Diese Broschüre ist nicht als Ersatz der PROFIBUS Norm EN 50 170 gedacht, die in allen Zweifelsfällen unbedingt beachtet werden muß.

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Inhalt

1. Industrielle Kommunikatio n ______________________________________________________________________ 2

2. Die PROFIBUS Technologi e ______________________________________________________________________ 3

2.1 Communication Profiles ................................................................................................................................................. 3

2.2 Physical Profiles............................................................................................................................................................. 3

2.3 Application Profiles......................................................................................................................................................... 4

3. Grundlegende Eigenschafte n _____________________________________________________________________ 4

3.1 Protokollarchitektur ........................................................................................................................................................ 5

3.2 RS-485 Übertragungstechnik......................................................................................................................................... 5

3.3 IEC 1158-2 Übertragungstechnik................................................................................................................................... 7

3.4 Lichtwellenleiter (LWL)................................................................................................................................................. 10

3.5 PROFIBUS Buszugriffsprotokoll................................................................................................................................... 10

4. DP Communication Profil e ______________________________________________________________________ 12

4.1 Grundfunktionen........................................................................................................................................................... 13

4.1.1 Grundlegende Eigenschaften ............................................................................................................................... 13

4.1.2 Systemkonfiguration und Gerätetypen ................................................................................................................. 14

4.1.3 Systemverhalten ................................................................................................................................................... 14

4.1.4 Zyklischer Datenverkehr zwischen DPM1 und den Slaves................................................................................... 15

4.1.5 Sync und Freeze Mode......................................................................................................................................... 15

4.1.6 Schutzmechanismen ............................................................................................................................................ 16

4.2 Die erweiterten DP Funktionen .................................................................................................................................... 16

4.2.1 Adressierung mit Slot und Index........................................................................................................................... 16

4.2.2 Azyklischer Datenverkehr zwischen DPM1 und den Slaves................................................................................. 17

4.2.3 Azyklischer Datenverkehr zwischen DPM2 und den Slaves................................................................................. 17

5. FMS Communication Profil e _____________________________________________________________________ 18

5.1 FMS Services............................................................................................................................................................... 19

5.2 Lower-Layer-Interface (LLI).......................................................................................................................................... 20

5.3 Netzmanagement......................................................................................................................................................... 20

6. Application Profile s ____________________________________________________________________________ 21

6.1 Process Automation (PA)............................................................................................................................................. 21

6.1.1 Kommunikationsaspekte....................................................................................................................................... 22

6.1.2 Applikationsaspekte.............................................................................................................................................. 22

6.1.3 PA Funktionsblöcke .............................................................................................................................................. 24

6.2 Sicherheitsrelevante Anwendungen............................................................................................................................. 24

6.3 Gebäudeautomation..................................................................................................................................................... 25

6.4 Application Profiles für spezielle Gerätetypen.............................................................................................................. 25

7. Geräte-Engineerin g ____________________________________________________________________________ 25

7.1 GSD-Dateien................................................................................................................................................................ 26

7.2 Identnummer ................................................................................................................................................................ 27

7.3 Electronic Device Description (EDD) ........................................................................................................................... 27

7.4 FDT-Konzept ................................................................................................................................................................ 27

8. Implementierungsmöglichkeite n _________________________________________________________________ 28

8.1 Implementierung einfacher Slaves............................................................................................................................... 28

8.2 Implementierung intelligenter Slaves ........................................................................................................................... 29

8.3 Implementierung komplexer Master ............................................................................................................................. 29

8.4 Implementierung von Geräten mit IEC 1158-2 Übertragungstechnik ............................................................. ............. 29

9. Geräte Zertifizierun g ___________________________________________________________________________ 29

10. Technische Weiterent wicklunge n________________________________________________________________ 31

11. Ausblick/ Abkürzungs verzeichni s ________________________________________________________________ 33

Industrielle Kommunikation

Technische Kurzbeschreibung, September 1999 2

1. Industrielle Kommunikation

Die Informationstechnologie (IT) bestimmt zuneh-mend das Wachstum in der Automatisierungstech-nik. Sie veränderte Hierarchien, Strukturen undAbläufe in der ganzen Bürowelt und hat nun alleBranchen – von der Prozeß- über die Fertigungsin-dustrie und Logistik bis hin zur Gebäudetechnikerfaßt. Kommunikationsfähigkeit der Geräte unddurchgängige, transparente Informationswege sindunverzichtbare Bestandteile zukunftsweisenderAutomatisierungskonzepte. Dabei findet die Kom-munikation zunehmend direkt, sowohl horizontal aufder Feldebene als auch vertikal über alle Hierar-chieebenen hinweg statt. Abgestufte und aufeinan-der abgestimmte industrielle Kommunikationssy-steme wie Ethernet, PROFIBUS und AS-Interfacebieten je nach Einsatzfall und Preis die idealenVoraussetzungen für die transparente Vernetzung inallen Bereichen des Produktionsprozesses.

In der Aktuator-/Sensor-Ebene werden die Signaleder binären Sensoren und Aktuatoren über einenSensor-/Aktuatorbus übertragen. Hierfür ist einebesonders einfache und kostengünstige Installati-onstechnik, bei der Daten und 24 Volt Versorgungs-spannung der Endgeräte über ein gemeinsamesMedium übertragen werden, ein wichtiges Anforde-rungskriterium. Die Übertragung der Daten erfolgtstreng zyklisch. Mit AS-Interface steht ein geeigne-tes Bussystem für diesen Anwendungsbereich zurVerfügung.

In der Feldebene kommunizieren die dezentralenPeripheriegeräte, wie E/A-Module, Meßumformer,Antriebe, Ventile und Bedienterminals über einleistungsfähiges, Echtzeit-Kommunikationssystemmit den Automatisierungssystemen. Die Übertra-gung der Prozeßdaten erfolgt zyklisch, währendAlarme, Parameter und Diagnosedaten im Be-darfsfall zusätzlich azyklisch übertragen werdenmüssen. PROFIBUS erfüllt diese Kriterien undbietet sowohl für die Fertigungs- als auch für dieProzeßautomatisierung eine durchgängige Lösung.

In der Zellenebene kommunizieren die Automati-sierungsgeräte wie SPS und IPC untereinander. DerInformationsfluß erfordert große Datenpakete, undeine Vielzahl leistungsfähiger Kommunikationsfunk-tionen. Die nahtlose Integration in firmenübergrei-fende Kommunikationssysteme, wie Intranet undInternet über TCP/IP und Ethernet sind wichtigeAnforderungen.

Die IT-Revolution in der Automatisierungstechnikerschließt neue Einsparpotentiale bei der Optimie-rung der Anlagenprozesse und trägt zu einer besse-ren Nutzung der Ressourcen bei. Industrielle Kom-munikationssysteme übernehmen hierbei eineSchlüsselfunktion. Nachfolgend wird PROFIBUS,als zentrales Bindeglied für den Informationsfluß inder Automatisierung ausführlich dargestellt. Für dieBeschreibung von AS-Interface sei auf die ein-schlägige Literatur verwiesen. Die Einbindung vonPROFIBUS in fabrikübergreifende Kommunikati-onsnetze auf TCP/IP-Basis wird im Kapitel „techni-sche Weiterentwicklungen“ ausführlich erläutert.

PROFIBUS

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PROFIBUS on Ethernet/TCP-IP

SPS

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IEC 1158-2RS-485/LWLPROFIBUS

FertigungFertigung ProzeßProzeß

InternetInternet

26

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AS-Interface

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([SORVLRQVVFKXW]

Abbildung 1: Industrielle Kommunikation

Die PROFIBUS Technologie

Technische Kurzbeschreibung, September 19993

2. Die PROFIBUS Technologie

PROFIBUS ist ein herstellerunabhängiger, offenerFeldbusstandard mit breitem Anwendungsbereich inder Fertigungs- und Prozeßautomatisierung. Her-stellerunabhängigkeit und Offenheit sind durch dieinternationalen Normen EN 50170 und EN 50254garantiert. PROFIBUS ermöglicht die Kommunikati-on von Geräten verschiedener Hersteller ohnebesondere Schnittstellenanpassungen. PROFIBUSist sowohl für schnelle, zeitkritische Anwendungen,als auch für komplexe Kommunikationsaufgabengeeignet. Durch kontinuierliche technische Weiter-entwicklungen, ist PROFIBUS weiterhin das zu-kunftssichere industrielle Kommunikationssystem.

PROFIBUS bietet funktional abgestufte Kommuni-kationsprotokolle (Communication Profiles) : DPund FMS. Als Übertragungstechniken (PhysicalProfiles) stehen hierfür, je nach Anwendungsbe-reich, RS-485, IEC 1158-2 oder Lichtwellenleiter zurVerfügung. Im Zuge der technischen Weiterent-wicklung arbeitet die PROFIBUS Nutzerorganisationzur Zeit auch an der Implementierung durchgängi-ger Konzepte für die vertikale Integration auf Basisvon TCP/IP.

Anwendungsprofile (Application Profiles) legen fürdie einzelnen Gerätetypen, die im jeweiligen An-wendungsbereich benötigten Optionen von Protokollund Übertragungstechnik fest. Darüber hinaus wirdin diesen Profilen auch das Geräteverhalten her-stellerübergreifend festgelegt.

2.1 Communication Profiles

PROFIBUS Communication Profiles legen fest, wiedie Teilnehmer ihre Daten seriell über das gemein-same Übertragungsmedium übertragen.

DPDP ist das am häufigsten benutzte CommunicationProfile. Es ist auf Geschwindigkeit, Effizienz undgeringe Anschlußkosten hin optimiert und speziellfür die Kommunikation zwischen Automatisierungs-systemen und der dezentralen Peripherie zuge-schnitten. DP ist als Ersatz sowohl für die konven-tionelle, parallele Signalübertragung mit 24 Volt inder Fertigungstechnik, als auch für die analogeSignalübertragung mit 4 ... 20 mA oder Hart in derProzeßautomatisierung geeignet.

FMSDies ist das universelle Communication Profile füranspruchsvolle Aufgaben. FMS bietet viele lei-stungsfähige Funktionen für die Kommunikation vonintelligenten Geräten untereinander. Im Zuge dertechnischen Weiterentwicklung von PROFIBUS undder Nutzung von TCP/IP in der Zellenebene wirdFMS zukünftig an Bedeutung verlieren.

2.2 Physical Profiles

Der Einsatzbereich eines Feldbussystems wirdwesentlich durch die zur Verfügung stehendenÜbertragungstechniken bestimmt. Neben den

allgemeinen Anforderungen, wie hohe Übertra-gungssicherheit, große Reichweite und hohe Über-tragungsgeschwindigkeit, muß für den Einsatz in

der Prozeßautomatisierung auch der Betrieb inexplosionsgefährdeten Bereichen und die Übertra-gung von Daten und Energie auf einem gemeinsa-

RS-485

IEC 1158-2

Ethernet

LWL

PA(Prozeßautomation)

Encoder

ProfiSafe(Fail Safe)

PhysicalPhysical ProfilesProfiles

CommunicationCommunicationProfilesProfiles

ApplicationApplication ProfilesProfiles

PROFIBUS EN 50170 PROFIBUS EN 50170

ExtensionsExtensions

TCP/IP

zu

künf

tige

Entw

icklungenPROFIDRIVE

(Motion Control)

... ...

Abbildung 2: PROFIBUS & Ethernet

Grundlegende Eigenschaften


men Kabel möglich sein. Da es nicht gelingt, alleAnforderungen mit einer Übertragungstechnik zuerfüllen, stehen für PROFIBUS derzeit drei Übertra-gungsverfahren (Physical Profiles) zur Verfügung:

• RS-485 Übertragung für universelle Anwendungin der Fertigungstechnik.

• IEC 1158-2 Übertragung für den Einsatz in derProzeßautomatisierung.

• Lichtwellenleiter (LWL) für erhöhte Störfestigkeitund Reichweite.

Im Zuge der technischen Weiterentwicklung istgeplant zukünftig z.B. auch kommerzielle EthernetKomponenten mit 10 Mbit/s und 100 Mbits/s alsPhysical Layer für PROFIBUS einzusetzen.

Für den Übergang zwischen den verschiedenenÜbertragungstechniken stehen Koppler oder Linkszur Verfügung. Während Koppler das Protokollunter Beachtung der physikalischen Gegebenheitentransparent umsetzen, verfügen Links über eigeneIntelligenz und bieten dadurch erweitere Möglich-keiten für die Konfiguration von PROFIBUS-Netzen.

2.3 Application Profiles

Die PROFIBUS Application Profiles beschreibendas Zusammenwirken des Kommunikationsproto-kolls mit der jeweils eingesetzten Übertragungs-technik. Darüber hinaus legen sie das Verhalten derFeldgeräte bei der Kommunikation über PROFIBUSfest. Das bedeutendste PROFIBUS ApplicationProfile ist derzeit das PA-Profil, das Parameter undFunktionsblöcke von Prozeßautomatisierungsgerä-ten, wie Meßumformer, Ventile und Stellungsregler

definiert. Weitere Profile für drehzahlveränderbareAntriebe, Bedien- und Beobachtungsgeräte undEncoder legen herstellerübergreifend Kommunikati-on und Verhalten der jeweiligen Gerätetypen fest.

3. Grundlegende Eigenschaften

PROFIBUS legt die technischen Merkmale einesseriellen Feldbussystems fest, mit dem verteiltedigitale Automatisierungsgeräte von der Feldebenebis zur Zellenebene miteinander vernetzt werdenkönnen. PROFIBUS ist ein Multi-Master Systemund ermöglicht dadurch den gemeinsamen Betriebvon mehreren Automatisierungs-, Engineering- oderVisualisierungssystemen mit den dezentralenPeripheriegeräten an einem Bus. PROFIBUS unter-scheidet folgende Gerätetypen:

Master-Geräte bestimmen den Datenverkehr aufdem Bus. Ein Master darf Nachrichten ohne externeAufforderung aussenden, wenn er im Besitz derBuszugriffsberechtigung (Token) ist. Master werdenauch als aktive Teilnehmer bezeichnet.

Slave-Geräte sind Peripheriegeräte wie beispiels-weise Ein-/Ausgangsgeräte, Ventile, Antriebe undMeßumformer. Sie erhalten keine Buszugriffs-berechtigung, d. h. sie dürfen nur empfangeneNachrichten quittieren oder auf Anfrage eines

DP

Com

mun

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FMS

RS-485LWL

RS-485LWL

IEC 1158-2

PROFIBUS Data Link Layer

Applic

ation)HUWLJXQJ

$QWULHEH (QFRGHU

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3UR]H0HXPIRUPHU 6WHOOYHQWLOH

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Phy

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l

Abbildung 3: Die PROFIBUS-Technologie im Überblick



Masters Nachrichten an diesen übermitteln. Slaveswerden als passive Teilnehmer bezeichnet. Siebenötigen nur einen geringen Anteil des Busproto-kolls, dadurch wird eine aufwandsarme Implemen-tierung ermöglicht.

3.1 Protokollarchitektur

PROFIBUS basiert auf anerkannten internationalenStandards. Die Protokollarchitektur orientiert sicham OSI (Open System Interconnection) Referenz-modell, entsprechend dem internationalen StandardISO 7498. Hierin übernimmt jede Übertragungs-schicht genau festgelegte Aufgaben. Die Schicht 1(Physical Layer) definiert die Übertragungsphysik,Schicht 2 (Data Link Layer) das Buszugriffsprotokollund Schicht 7 (Application Layer) die Anwendungs-funktionen. Die Architektur des PROFIBUS Proto-kolls ist in Abbildung 4 dargestellt.

DP, das effiziente Kommunikationsprotokoll, ver-wendet die Schichten 1 und 2 sowie das UserInterface. Schicht 3 bis 7 ist nicht ausgeprägt. Durchdiese schlanke Architektur wird eine besonderseffiziente und schnelle Datenübertragung erreicht.Der Direct Data Link Mapper (DDLM) bietet demUser-Interface einen komfortablen Zugang zurSchicht 2. Die für den Anwender nutzbaren Anwen-dungsfunktionen, sowie das System- und Geräte-verhalten der verschiedenen DP Gerätetypen sindim User-Interface festgelegt.Bei FMS, dem universellen Kommunikationsproto-koll, sind die Schichten 1, 2 und 7 ausgeprägt. DieAnwendungsschicht (7) besteht aus der FieldbusMessage Specification (FMS) und dem Lower LayerInterface (LLI). FMS definiert eine große Anzahl vonleistungsfähigen Kommunikationsdiensten für

Master-Master und Master-Slave Kommunikation.Das LLI definiert die Abbildung der FMS-Dienste aufdas Datenübertragungsprotokoll der Schicht 2.

3.2 RS-485 Übertragungstechnik

Die Übertragung gemäß RS-485 wird bei PROFI-BUS am häufigsten eingesetzt. Der Anwendungs-bereich umfaßt alle Bereiche, in denen eine hoheÜbertragungsgeschwindigkeit und eine einfache,kostengünstige Installationstechnik erforderlich ist.Es wird ein verdrilltes, geschirmtes Kupferkabel miteinem Leiterpaar verwendet.

Die RS-485 Übertragungstechnik ist einfach zuhandhaben. Die Installation des verdrillten Kabelserfordert kein Expertenwissen. Die Busstrukturerlaubt das rückwirkungsfreie Ein- und Auskoppelnvon Stationen oder die schrittweise Inbetriebnahmedes Systems. Spätere Erweiterungen haben keinenEinfluß auf Stationen, die bereits in Betrieb sind.

Die Übertragungsgeschwindigkeit ist im Bereichzwischen 9,6 kBit/s und 12 Mbit/s wählbar. Sie wirdbei der Inbetriebnahme des Systems einheitlich füralle Geräte am Bus ausgewählt.

Installationshinweise für RS-485

Alle Geräte werden in einer Busstruktur (Linie)angeschlossen. In einem Segment können bis zu32 Teilnehmer (Master oder Slaves) zusammenge-schaltet werden.Am Anfang und am Ende jedes Segments wird derBus durch einen aktiven Busabschluß abgeschlos-sen (siehe Abbildung 6). Für einen störungsfreienBetrieb muß sichergestellt werden, daß die beiden

Application Profiles

IEC Interface

IEC 1158-2

User

Laye

r

(3)-(6)

Application(7)

Data Link(2)

Physical(1)

Nicht ausgeprägt

EN 50 170 und PROFIBUS-Richtlinien PROFIBUS Profile

Fieldbus Data Link (FDL)

Fieldbus MessageSpecification (FMS)

RS-485 / Fiber Optic

DP-Grundfunktionen

Anwendungsgebiete(Fertigung, Prozeß, Gebäude)

DP-Funktionen

Abbildung 4: Die PROFIBUS-Technologie im Überblick



1

4

3

2

5

M12 Steckverbinder für RS-485 in IP65/67Pinbelegung: 1: VP, 2: RxD/TxD-N,3: DGND, 4: RxD/TxD-P, 5: Schirm

Han-Brid-Steckverbinder in Cu-LWL Ausführungzur Übertragung von Daten über die LWL-Fasernund 24-Volt Versorgungsspannung für die Periphe-riegeräte in einem Kabel/Stecker. Dieser Steckersteht auch in Cu/Cu-Ausführung zur Verfügung.

Siemens-Hybrid-Steckverbinder zur Übertra-gung der PROFIBUS-Datenleitungen und 24 VoltVersorgungsspannung für Geräte in IP65/67Ausführung.

Abbildung 5: Varianten für die Profibus-Anschlußtechnik in Schutzart IP65/67.

Busabschlüsse immer mit Spannung versorgtwerden. Der Busabschluß ist üblicherweise zu-schaltbar in den Geräten bzw. den Busanschluß-steckern realisiert. Bei mehr als 32 Teilnehmern oder zur Vergröße-rung der Netzausdehnung müssen Repeater (Lei-tungsverstärker) eingesetzt werden, um die einzel-nen Bussegmente zu verbinden.

Die max. Leitungslänge ist abhängig von der Über-tragungsgeschwindigkeit, siehe Tabelle 2. DieAngaben zur Leitungslänge in Tabelle 2 beziehensich auf den Kabeltyp A mit folgenden Parametern:

• Wellenwiderstand: 135...165 Ω• Kapazitätsbelag: < 30 pf/m• Schleifenwiderstand: 110 Ω/km• Aderndurchmesser: 0,64 mm• Adernquerschnitt: > 0,34 mm²

Die Verwendung von Kabeln des früher benutztenKabeltyps B ist generell nicht zu empfehlen. FürPROFIBUS Netze mit RS-485 Übertragungstechnikwird in der Schutzart IP20 vorzugsweise ein 9-poliger D-Sub Steckverbinder verwendet. Die PIN-Belegung am Steckverbinder und die Verdrahtungist in Abbildung 6 dargestellt. Als Anschlußmöglich-keiten bei RS-485 Übertragung in der SchutzartIP65/67 sind drei Alternativen vorgesehen:

- M12 Rundsteckverbinder gemäß IEC 947-5-2- HAN-BRID Stecker gemäß DESINA-Empfehlung- Siemens Hybrid-Steckverbinder

Im HAN-Brid-Steckersystem ist auch eine Variantezur Übertragung von Daten über LWL-Fasern und24 Volt Betriebsspannung für die Peripheriegeräteüber Kupferkabel in einem gemeinsamen Hybridka-bel vorgesehen.

PROFIBUS Kabel werden von mehreren renom-mierten Herstellen angeboten. Besonders hervor-gehoben sei das Fast-Connect System, bei demdurch Verwendung eines Spezialkabels und einesbesonderen Abisolierwerkzeugs die Verkabelungsehr einfach, sicher und schnell erfolgen kann.Beim Anschluß der Teilnehmer ist darauf zu achten,daß die Datenleitungen nicht vertauscht werden.Um eine hohe Störfestigkeit des Systems gegen

Baudrate (kbit/s) 9,6 19,2 93,75 187,5 500 1500 12000

Reichweite/Segment 1200 m 1200 m 1200 m 1000 m 400 m 200 m 100 m

Tabelle 2: Reichweite in Abhängigkeit der Übertragungsgeschwindigkeit für Kabeltyp A

Netzwerk Topologie Linearer Bus, aktiver Busabschluß an beiden Enden,Stichleitungen sind nur bei Baudraten ≤ 1,5 Mbit/s zulässig.

Medium Abgeschirmtes verdrilltes Kabel.

Anzahl von Stationen 32 Stationen in jedem Segment ohne Repeater.Mit Repeatern erweiterbar bis 126.

Steckverbinder vorzugsweise 9-Pin D-Sub Steckverbinder für IP 20

M12, HAN-BRID oder Siemens-Hybrid Steckverbinder für IP65/67

Tabelle 1: Grundlegende Eigenschaften der RS-485 Übertragungstechnik



elektromagnetische Störstrahlungen zu erzielen,sollte unbedingt eine geschirmte Datenleitungverwendet werden. Der Schirm sollte möglichstbeidseitig und gut leitend über großflächige Schirm-schellen an Schutzerde angeschlossen werden.Weiterhin ist zu beachten, daß die Datenleitungmöglichst separat von allen starkstromführendenKabeln verlegt wird. Bei Datenraten ≥ 1,5 Mbit/ssind Stichleitungen unbedingt zu vermeiden. Die amMarkt angebotenen Stecker bieten die Möglichkeit,das kommende und das gehende Datenkabel direktim Stecker zu verbinden. Dadurch werden Stichlei-tungen vermieden und der Busstecker kann jeder-zeit, ohne Unterbrechung des Datenverkehrs, amBus auf- und abgesteckt werden.

Sollte es in PROFIBUS-Netzen einmal zu Proble-men kommen, sind diese in 90 % der Fälle aufunsachgemäße Verkabelung und Installation zu-rückzuführen. Abhilfe schaffen Bus-Testgeräte, dieviele typische Verkabelungsfehler schon vor derInbetriebnahme aufspüren. Die Bezugsadressender vielen verschiedenen Stecker, Kabel, Repeater,Bus-Testgeräte können dem PROFIBUS-Produktkatalog entnommen werden.

3.3 IEC 1158-2 Übertragungstechnik

Die synchrone Übertragung gemäß IEC 1158-2 miteiner festgelegten Baudrate von 31,25 kBit/s kommtin der Prozeßautomatisierung zum Einsatz. Sieerfüllt wichtige Anforderungen der Chemie undPetrochemie: Eigensicherheit und Busspeisung inZweileitertechnik. Damit kann PROFIBUS auch inEx-Bereichen eingesetzt werden. Möglichkeiten undGrenzen von PROFIBUS mit IEC 1158-2 Übertra-gungstechnik für den Einsatz in explosionsgefähr-

deten Bereichen sind durch das FISCO-Modell(Fieldbus Intrinsically Safe Concept) festgelegt. DasFISCO-Modell wurde in Deutschland von der Physi-kalisch Technischen Bundesanstalt (PTB) entwik-kelt und wird heute international als Basismodell fürden Betrieb von Feldbussen in Ex-Bereichen aner-kannt. Die Übertragung gemäß IEC 1158-2 undFISCO-Modell erfolgt nach folgenden Grundsätzen:

• Beim Senden eines Teilnehmers wird keine Lei-stung in den Bus eingespeist.

• In jedem Segment gibt es nur eine einspeisendeQuelle, das Speisegerät.

• Jedes Feldgerät nimmt im eingeschwungenenZustand einen konstanten Grundstrom auf.

• Die Feldgeräte wirken als passive Stromsenke.• Der passive Leitungsabschluß erfolgt an beiden

Enden der Bushauptleitung.• Es sind Netze in Linien-, Baum- und Sterntopo-

logie möglich.

Jeder Teilnehmer nimmt im eingeschwungenenZustand einen Grundstrom von mindestens 10 mAauf. Dieser Strom dient bei Busspeisung der Ener-gieversorgung des Feldgerätes. Die Kommuni-kationssignale werden vom sendenden Gerät durchAufmodulieren von +/- 9 mA auf den Grundstromerzeugt.

Station 1 Station 2

Abschirmung

Schu tz-erde

Schu tz-erde

RxD/TxD-P (3)

DGND (5)

VP (6)

RxD/TxD-N (8)

(3) RxD/TxD-P

(5) DGND

(6) VP

(8) RxD/TxD-N

390 Ω

Datenleitung

Datenleitung

DGND (5)

VP (6)

220 Ω

390 Ω

RxD/TxD-P (3)

RxD/TxD-N (8)

Verkab elung Bus abschluß

Abbildung 6: Verkabelung und Busabschluß für RS-485 Übertragung bei PROFIBUS

Baudrate (kbit/s) 9,6 19,2 93,75 187,5 500 1500 12000

Reichweite/Segment 1200 m 1200 m 1200 m 1000 m 400 m 200 m 100 m

Tabelle 2: Reichweite in Abhängigkeit der Übertragungsgeschwindigkeit für Kabeltyp A



Für den Betrieb eines PROFIBUS Netzes in Ex-Bereichen ist es erforderlich, daß alle in den Ex-Bereichen verwendeten Komponenten gemäßFISCO Modell und IEC 1158-2 durch autorisierteZulassungsstellen, wie PTB, BVS (Deutschland),UL, FM (USA) zugelassen und zertifiziert wurden.Sind alle verwendeten Komponenten so zertifiziertund werden die nachfolgend aufgezeigten Regelnfür die Auswahl des Speisegerätes, der Leitungs-länge und der Busabschlüsse beachtet, dann ist fürdie Inbetriebsetzung des PROFIBUS Netzes keineSystembescheinigung mehr erforderlich.

Installationshin weise für IEC-1158

In der Meßwarte befinden sich üblicherweise dasProzeßleitsystem sowie Bedien- und Engineering-Geräte, die über PROFIBUS mit RS-485 Physik

kommunizieren. Im Feld bildet der Segmentkoppleroder ein Link den Übergang vom RS-485 Segmentzum IEC 1158-2 Segment. Koppler bzw. Link über-nehmen gleichzeitig die Aufgabe des Speisegerätesfür die busgespeisten Feldgeräte.

Segmentkoppler sind Signalumsetzer, die die RS-485 Signale an die IEC 1158-2 Signalpegel anpas-sen. Aus Sicht des Busprotokolls sind sie transpa-rent. Werden Segmentkoppler eingesetzt, so ist dieBaudrate im RS-485 Segment auf max. 93,75 kBit/sbegrenzt.

Links dagegen haben eigene Intelligenz. Sie bildenalle im IEC 1158-2 Segment angeschlossenenFeldgeräte als einen einzigen Slave im RS-485Segment ab. Bei der Verwendung von Links ist dieBaudrate im RS-485 Segment nicht begrenzt.Dadurch lassen sich zum Beispiel für Regelaufga-

PROFIBUS IEC 1158-2 mit 31.25 kbi t/s Ω 100

µF1

geschirmte, verd rillte Zweidrah tlei tung

≥ 10 mA ≥ 10 mA

≥ 10 mA

≥ 10 mA

≥ 10 mA

24 V

Stichlei tung

Segmentkoppleroder Link

PROFIBUS

εx+

I < 120 mA

Leitsystem

RS 485

Busa bschluß

Abbildung 7: Busspeisung der Feldgeräte bei PROFIBUS mit IEC 1158-2 Übertragungstechnik

Datenübertragung Digital, bitsynchron, Manchester Codierung

Übertragungsgeschwindigkeit 31,25 kbit/s, Voltage Mode, gleichspannungsfrei

Datensicherung Präambel, fehlergesicherte Start- und End-Delimiter

Kabel Verdrillte geschirmte Zweidrahtleitung

Fernspeisung der Teilnehmer Über die Signaladern optional möglich

Zündschutzarten Eigensicherheit (EEx ia/ib) und Kapselung (EEx d/m/p/q)

Topologie Linien- und Baumtopologie; auch in Kombination

Anzahl Teilnehmer Bis zu 32 Teilnehmer pro Leitungssegment, maximal 126 in Summe

Repeater Mit maximal 4 Repeatern erweiterbar

Tabelle 3: Charakteristische Merkmale der IEC 1158-2 Übertragungstechnik



ben auch schnelle Netze unter Einbeziehung vonFeldgeräten mit IEC 1158-2 Anschluß realisieren.

Als mögliche Netztopologien bieten sich bei PRO-FIBUS mit IEC 1158-2 Übertragung Baum- oderLinienstrukturen sowie beliebige Kombinationen ausbeiden an, siehe Abbildung 7.

In der Linienstruktur werden die Teilnehmer über T-Stücke an das Hauptkabel angeschlossen. DieBaumstruktur ist vergleichbar mit der klassischenFeldinstallationstechnik. Das vieladrige Stammkabelwird durch das zweiadrige Bus-Stammkabel ersetzt,der Feldverteiler behält seine Funktion für denAnschluß der Feldgeräte und zur Aufnahme desBusabschlußwiderstands. Bei der Baumstrukturwerden alle an das Feldbussegment angeschlosse-nen Feldgeräte im Feldverteiler parallel geschaltet.

In jedem Fall sind die maximal zulässigen Stichlei-tungslängen bei der Berechnung der Gesamtlei-tungslänge zu berücksichtigen. Eine Stichleitungdarf in eigensicheren Anwendungen max. 30 m langsein.Als Übertragungsmedium wird ein zweiadrigesgeschirmtes Kabel verwendet, siehe Abbildung 7.Das Bushauptkabel wird an beiden Enden miteinem passiven Leitungsabschluß versehen, deraus einem RC-Glied in Reihenschaltung mit R =100 Ω und C = 1 µF besteht. Am Segmentkoppleroder am Link ist der Busabschluß bereits festintegriert. Ein verpolter Anschluß eines Feldgerätesin IEC 1158-2 Technik hat keine Folgen für dieFunktionsfähigkeit des Busses, da diese Geräteüblicherweise mit einer automatischen Polaritäts-erkennung ausgerüstet sind.Die Anzahl der an ein Segment anschließbarenTeilnehmer ist auf max. 32 beschränkt. Sie wirdjedoch durch die gewählte Zündschutzart und eineeventuelle Busspeisung weiter eingeschränkt. Beieigensicheren Netzen ist sowohl die maximaleSpeisespannung als auch der maximale Spei-sestrom in engen Grenzen festgelegt. Aber auch beinicht eigensicheren Netzen ist die Leistung desSpeisegeräts begrenzt.Als Faustregel für die Bestimmung der max. Lei-tungslänge ist es ausreichend, den Strombedarf deranzuschließenden Feldgeräte auszurechnen, einSpeisegerät aus Tabelle 5 auszuwählen und dieLeitungslänge für den gewählten Kabeltyp ausTabelle 6 abzulesen. Der benötigte Strom(=ΣStrombedarf) ergibt sich aus der Summe der Ge-räte-Grundströme, der in dem jeweiligen Segmentangeschlossenen Feldgeräte, sowie einer Reserve

Kabelaufbau Adernpaar, verdrilltund geschirmt

Adernquerschnitt (nominell) 0,8 mm² (AWG 18)

Schleifenwiderstand 44 Ω/km

Wellenwiderstand bei 31,25kHz

100 Ω ± 20 %

Wellendämpfung bei 39 kHz 3 dB/km

Kapazitive Unsymmetrie 2 nF/km

Tabelle 4: Spezifikation des Referenzkabels für IEC1158-2 Übertragung

Speisegerät Typ I Typ II Typ III Typ IV Typ IV Typ IV

Speisespannung V 13,5 13,5 13,5 24 24 24

Σ Strombedarf mA ≤ 110 ≤ 110 ≤ 250 ≤ 110 ≤ 250 ≤ 500

Σ Leitungslänge beiq=0,8 mm² (Referenz)

m ≤ 900 ≤ 900 ≤ 400 ≤ 1900 ≤ 1300 ≤ 650

Σ Leitungslänge beiq=1,5 mm²

m ≤ 1000 ≤ 1500 ≤ 500 ≤ 1900 ≤ 1900 ≤ 1900

Tabelle 6: Leitungslängen bei PROFIBUS mit IEC-1158-2 Übertragung

Typ Einsatzgebiet Speise-spannnung

maximalerSpeisestrom

maximaleLeistung

typische *)

Teilnehmerzahl

I EEx ia/ib IIC 13,5 V 110 mA 1,8 W 9

II EEx ib IIC 13,5 V 110 mA 1,8 W 9

III EEx ib IIB 13,5 V 250 mA 4,2 W 22

IV Nicht eigensicher 24 V 500 mA 12 W 32

*) die Angabe bezieht sich auf eine Stromaufnahme von 10 mA je Gerät. Wenn ein Gerät mehr als 10 mAaufnimmt, so reduziert sich die Zahl der anzuschließenden Geräte entsprechend.

Tabelle 5: Standard-Speisegeräte (Betriebswerte)für PROFIBUS mit IEC 1158-2 Übertragung



von 9 mA je Segment für den Ansprechstrom desFDE (Fault Disconnection Equipment). Das FDEverhindert, daß fehlerhafte Geräte den Bus dauer-haft blockieren können.

Der gemeinsame Betrieb von busgespeisten undfremdgespeisten Geräten ist zulässig. Zu beachtenist, daß auch fremdgespeiste Geräte einen Grund-strom über den Busanschluß aufnehmen, der beider Berechnung des maximal verfügbaren Spei-sestroms entsprechend zu berücksichtigen ist.

3.4 Licht wellenleiter (LWL)

Für Anwendungen in stark störbehafteter Umge-bung, zur Potentialtrennung oder zur Vergrößerungder Reichweite bei hohen Übertragungsgeschwindi-geiten können bei PROFIBUS Lichtwellenleitereingesetzt werden. Es stehen verschiedene Faser-typen mit unterschiedlichen charakteristischenMerkmalen bezüglich Reichweite, Preis und Ein-satzgebiet zur Verfügung. Eine aktuelle Übersichtkann Tabelle 7 entnommen werden.

PROFIBUS Segmente in Lichtwellenleitertechnikwerden entweder in Stern- oder in Ringstrukturaufgebaut. Die PROFIBUS-LWL Komponenteneiniger Hersteller ermöglichen auch den Aufbauredundanter LWL-Übertragungsstrecken mit auto-matischer Umschaltung auf den alternativen pysika-

lischen Übertragungsweg im Fehlerfall. Viele Her-steller bieten auch Koppler zwischen RS-485 Über-tragungsstrecken und Lichtwellenleitern an. Damitbesteht jederzeit die Möglichkeit, innerhalb einerAnlage zwischen RS-485 und LWL Übertragung zuwechseln. Die Spezifikation der PROFIBUS-LWLÜbertragung ist in der PROFIBUS-Richtlinie Nr.2.021 enthalten. Eine Übersicht der für PROFIBUSverfügbaren LWL- Komponenten kann dem aktuel-len PROFIBUS Produktkatalog entnommen werden.

3.5 PROFIBUS Buszugriffsprotokoll

Die PROFIBUS Communication Profiles verwendenein einheitliches Buszugriffsprotokoll. Es wird durchdie Schicht 2 des OSI Referenzmodells realisiert.Hierzu zählen auch die Funktionen der Datensiche-rung sowie die Abwicklung der Übertragungs-protokolle und der Telegramme. Die Schicht 2 wirdbei PROFIBUS als Fieldbus Data Link (FDL) be-zeichnet. Die Buszugriffssteuerung (MAC, MediumAccess Control) legt das Verfahren fest, zu wel-chem Zeitpunkt ein Busteilnehmer Daten sendenkann. Die MAC muß sicherstellen, daß zu einemZeitpunkt immer nur ein Teilnehmer die Sendebe-rechtigung besitzt. Beim PROFIBUS Protokollwurden zwei wesentliche Anforderungen an dieBuszugriffssteuerung berücksichtigt:

Fasertyp EigenschaftenMultimode Glasfaser Mittelstreckenbereich, 2 – 3 km ReichweiteMonomode Glasfaser Langstreckenbereich, > 15 km ReichweiteKunststoffaser Kurzstreckenbereich, < 80m ReichweitePCS/HCS-Faser Kurzstreckenbereich, ca. 500 m Reichweite

Tabelle 7: Eigenschaften der Lichtwellenleiter

PROFIBUS

Passive Sta tionen (Slave Geräte) werden gep ollt

Akt ive Stat ionen, Maste r-Geräte

SPSSPSPC

Abbildung 8: zeigt eine PROFIBUS-Struktur mit drei aktiven Teil-nehmern (Mastern) und sieben passiven Teilnehmern (Slaves). Die drei Master-Geräte bilden einen logischen Token-Ring.



• Einerseits ist für die Kommunikation zwischenkomplexen Automatisierungsgeräten (Master)sicherzustellen, daß jeder dieser Teilnehmer in-nerhalb eines definierten Zeitrasters ausrei-chend Zeit für die Abwicklung seiner Kommuni-kationsaufgaben erhält.

• Andererseits ist für die Kommunikation zwi-schen einem komplexen Automatisierungsgerätund den zugeordneten einfachen Peripheriege-räten (Slaves) ein zyklischer, echtzeitbezogenerDatenaustausch mit möglichst wenig Aufwandzu realisieren.

Das PROFIBUS-Buszugriffsverfahren (siehe Abbil-dung 8) beinhaltet deshalb das Token-Passing-Verfahren für die Kommunikation von komplexenBusteilnehmern (Master) untereinander und unter-lagert das Master-Slave-Verfahren für die Kommu-nikation der komplexen Busteilnehmer mit denaufwandsarmen Peripheriegeräten (Slaves).

Das Token-Passing-Verfahren garantiert dieZuteilung der Buszugriffsberechtigung, dem Token,innerhalb eines genau festgelegten Zeitrahmens.Die Token-Nachricht, ein besonderes Telegrammzur Übergabe der Sendeberechtigung von einemMaster an den nächsten Master, muß hierbei ineiner (parametrierbaren) maximalen Token-Umlaufzeit reihum einmal allen Mastern übergebenwerden. Das Token-Passing-Verfahren wird beimPROFIBUS nur zwischen den komplexen Teilneh-mern (Master) angewendet.

Das Master-Slave-Verfahren ermöglicht es demMaster (aktiver Teilnehmer), der gerade die Sende-berechtigung besitzt, die ihm zugeordneten Slave-Geräte (passive Teilnehmer) anzusprechen. DerMaster hat hierbei die Möglichkeit, Nachrichten andie Slaves zu übermitteln bzw. Nachrichten von denSlaves abzuholen.Mit dieser Zugriffsmethode können folgende Sy-stemkonfigurationen realisiert werden:

• Reines Master-Slave-System.

• Reines Master-Master-System (Token-Passing).

• Eine Kombination aus beiden Verfahren.

Unter einem Token-Ring ist die organisatorischeAneinanderreihung von aktiven Teilnehmern zuverstehen, die durch ihre Busadressen einen logi-schen Ring bilden. In diesem Ring wird der Token,die Buszugriffsberechtigung, von einem Master zumnächsten Master in einer vorgegebenen Reihenfol-ge (aufsteigende Adressen) weitergereicht. Erhältein aktiver Teilnehmer das Token-Telegramm, sokann er für eine gewisse Zeit die "Masterfunktion"über den Bus ausüben und mit allen Slave-Teilnehmern in einer Master-Slave Kommunikati-onsbeziehung und mit allen Master-Teilnehmern ineiner Master-Master Kommunikationsbeziehungkommunizieren.

Die Aufgabe der Buszugriffssteuerung (MAC) deraktiven Teilnehmer besteht darin, in der "Hochlauf-Phase" des Bussystems diese logische Zuordnungzu erkennen und den Token-Ring zu etablieren. Imlaufenden Betrieb ist ein defekter oder abgeschalte-ter (aktiver) Teilnehmer aus dem Ring auszutragen,bzw. ein neu hinzukommender aktiver Teilnehmeraufzunehmen. Weiterhin sorgt die Buszugriffs-steuerung dafür, daß der Token von einem Masterzum nächsten Master in einer aufsteigendenAdressreihenfolge weitergegeben wird.Die Tokenhaltezeit eines Masters ergibt sich ausder projektierten Tokenumlaufzeit. Diese Leistungs-merkmale sind neben der Erkennung von Defektenim Übertragungsmedium und am Leitungs-empfänger sowie von Fehlern bei der Teil-nehmeradressierung (z.B. Mehrfachbelegung) oderder Token-Weitergabe (z.B. Mehrfachtoken oderTokenverlust) charakteristisch für die Eigenschaftender PROFIBUS-Zugriffssteuerung.

Eine weitere wichtige Aufgabe der Schicht 2 ist dieDatensicherung . Die PROFIBUS-Schicht-2 Tele-grammformate ermöglichen eine große Übertra-gungssicherheit. Alle Telegramme weisen einenHamming-Abstand von HD=4 auf. Dies wird durchdie Anwendung der Vorschriften der internationalenNorm IEC 870-5-1 durch Auswahl von besonderenStart- und Endezeichen der Telegramme, schlupf-feste Synchronisierung, Paritätsbit und Kontrollbyteerreicht.

Dienst Funktion DP FMS

SDA Send Data With Acknowledge (Daten senden mit Quittung) •

SRD Send And Request Data With Reply(Daten senden und empfangen mit Quittung)

• •

SDN Send Data With No Acknowledge (Daten senden unquittiert) • •

CSRD Cyclic Send And Request Data With Reply(zyklisches Senden und Empfangen mit Quittung)

•

Tabelle 8: Dienste der PROFIBUS Datensicherungsschicht (Schicht 2)

DP Communication Profile


Die PROFIBUS Schicht 2 arbeitet verbindungslos.Sie ermöglicht neben der logischen Punkt-zu-PunktDatenübertragung auch Mehrpunktübertragung mitBroadcast- und Multicast-Kommunikation.

Bei Broadcast-Kommunikation sendet ein aktiverTeilnehmer eine unquittierte Nachricht an alleanderen Teilnehmer (Master und Slaves).

Bei Multicast-Kommunikation sendet ein aktiverTeilnehmer eine unquittierte Nachricht an eineGruppe von Teilnehmern (Master und Slaves).

Die PROFIBUS Communication Profiles verwendenjeweils einen spezifischen Subset der Schicht 2Dienste, siehe Tabelle 8. Die Dienste werden überdie Dienstzugangspunkte (SAPs) der Schicht 2 vonden übergeordneten Schichten aufgerufen. Bei FMSwerden diese Dienstzugangspunkte für die Adres-sierung der logischen Kommunikationsbeziehungenbenutzt. Bei DP ist jedem verwendeten Dienstzu-

gangspunkt eine genau festgelegte Funktion zuge-ordnet. Bei allen aktiven und passiven Teilnehmernkönnen mehrere Dienstzugangspunkte parallelbenutzt werden. Es wird zwischen Quell- (SSAP)und Ziel-Dienstzugangspunkten (DSAP) unter-schieden.

4. DP Communication Profile

Das DP Communication Profile ist für den effizien-ten Datenaustausch in der Feldebene konzipiert.Hier kommunizieren die zentralen Automatisie-rungsgerate, wie z. B. SPS/PC oder Prozeßleitsy-steme, über eine schnelle serielle Verbindung mitdezentralen Feldgeräten wie E/A, Antriebe undVentile und Meßumformer. Der Datenaustausch mitden dezentralen Geräten erfolgt vorwiegend zy-klisch. Die dafür benötigten Kommunika-tionsfunktionen sind durch die DP-Grundfunktionengemäß EN 50 170 festgelegt. Über diese Grund-funktionen hinaus bietet DP auch erweiterte azykli-sche Kommunikationsdienste für die Parametrie-

Buszugriff:• Token-Passing-Verfahren zwischen Mastern und Master-Slave-Verfahren zwischen Master und Slaves• Mono-Master oder Multi-Master Systeme möglich• Master und Slave Geräte, max. 126 Teilnehmer an einem Bus

Kommunikation:• Punkt-zu-Punkt (Nutzdatenverkehr) oder Multicast (Steuerkommandos)• Zyklischer Master-Slave Nutzdatenverkehr

Betriebszustände:• Operate: zyklische Übertragung von Eingangs- und Ausgangsdaten• Clear: Eingänge werden gelesen, Ausgänge bleiben im sicheren Zustand• Stop: Diagnose und Parametrierung, keine Nutzdatenübertragung

Synchronisation:• Steuerkommandos ermöglichen die Synchronisation der Ein- und Ausgänge• Sync-Mode: Ausgänge werden synchronisiert• Freeze-Mode: Eingänge werden synchronisiert

Funktionalität:• Zyklischer Nutzdatentransfer zwischen DP-Master und Slave(s)• Dynamisches Aktivieren oder Deaktivieren einzelner Slaves• Prüfen der Konfiguration der Slaves• Leistungsfähige Diagnosefunktionen, 3 abgestufte Diagnose-Meldungsebenen• Synchronisation der Eingänge und/oder der Ausgänge• Adressvergabe für die Slaves über den Bus optional möglich• maximal 244 Byte Eingangs- und Ausgangsdaten je Slave möglich

Schutzfunktionen:• Alle Nachrichten werden mit Hamming Distanz HD=4 übertragen• Ansprechüberwachung beim DP-Slave erkennt Ausfall des zugeordneten Masters• Zugriffsschutz für Eingänge/Ausgänge der Slaves• Überwachung des Nutzdatenverkehrs mit einstellbarem Überwachungs-Timer beim Master

Gerätetypen:• DP-Master Klasse 2 (DPM2), z.B. Engineering oder Diagnosetool• DP-Master Klasse 1 (DPM1), z.B. zentrale Automatisierungsgeräte wie SPS, PC ....• DP-Slave z.B. Geräte mit binären oder analogen Eingängen/Ausgängen, Antriebe, Ventile

Tabelle 9: DP Grundfunktionen



rung, Bedienung, Beobachtung und Alarmbehand-lung intelligenter Feldgeräte. Sie sind in der PRO-FIBUS Richtlinie Nr. 2.042 definiert und werden imKapitel 4.2 erläutert.

4.1 Grundfunktionen

Die zentrale Steuerung (Master) liest zyklisch dieEingangsinformationen von den Slaves und schreibtdie Ausgangsinformationen zyklisch an die Slaves.Hierbei sollte die Buszykluszeit kürzer sein als dieProgrammzykluszeit des zentralen Automatisie-rungssystems, die in vielen Anwendungen etwa 10ms beträgt. Neben der zyklischen Nutzdatenüber-tragung stehen bei DP auch leistungsfähige Funk-tionen für Diagnose und Inbetriebnahme zur Verfü-gung. Der Datenverkehr wird durch Überwa-chungsfunktionen auf Master- und Slave-Seiteüberwacht. Tabelle 9 enthält eine Zusammen-fassung der DP Grundfunktionen.

4.1.1 Grundlegende Eigenschaften

Ein hoher Datendurchsatz alleine genügt nicht fürden erfolgreichen Einsatz eines Bussystems. Viel-mehr muß die einfache Handhabung, gute Diagno-semöglichkeiten und eine störsichere Übertra-gungstechnik gegeben sein, um die Anforderungender Anwender zu erfüllen. Bei DP wurden dieseEigenschaften optimal kombiniert.

Geschwindigkeit:Für die Übertragung von 512 Bit Eingangs- und 512Bit Ausgangsdaten verteilt auf 32 Teilnehmer benö-tigt DP nur ca. 1 ms bei 12 Mbit/s. Abbildung 9 zeigtdie typische Übertragungszeit von DP in Abhängig-keit von der Teilnehmeranzahl und der Übertra-gungsgeschwindigkeit. Durch die Übertragung derEingangs- und Ausgangs-Daten in einem Nach-richtenzyklus, erfolgt die Übertragung der Nutzdatenbei DP wesentlich schneller als bei FMS. Die Nutz-datenübertragung erfolgt bei DP mit dem SRD-Dienst (Send and Receive Data Service) derSchicht 2.

Diagnosefunktionen:Die umfangreichen Diagnosefunktionen von DPermöglichen die schnelle Fehlerlokalisierung. DieDiagnosemeldungen werden über den Bus übertra-gen und beim Master zusammengefaßt. Sie werdenin drei Ebenen eingeteilt:

• Stationsbezogene DiagnoseMeldungen zur allgemeinen Betriebsbereitschafteines Teilnehmers wie z.B. Übertemperatur oderUnterspannung.• Modulbezogene DiagnoseDiese Meldungen zeigen an, daß innerhalb einesbestimmten E/A Teilbereichs (z.B. 8 Bit Ausgangs-modul) eines Teilnehmers eine Diagnose ansteht.

• Kanalbezogene DiagnoseHier wird die Fehlerursache bezogen auf ein einzel-nes Ein- / Ausgangsbit (Kanal) angegeben, wie z.B.Kurzschluß auf Ausgang 7.

Busz ykluszeit [ms]

Slaves

12 MBit/s

1.5 MBit/s

500 kBit/s

18

14

10

6

2

10 20 302

Abbildung 9: Buszykluszeit eines DP Mono-Master-Systems Randbedingung: Jeder Slave hat 2 Byte Eingangs- und 2 Byte Ausgangsdaten; Es gelten Default-Busparameter



4.1.2 Systemkonfiguration und GerätetypenMit DP können Mono- oder Multi-Master Systemerealisiert werden. Dadurch wird ein hohes Maß anFlexibilität bei der Systemkonfiguration ermöglicht.Es können maximal 126 Geräte (Master oderSlaves) an einem Bus angeschlossen werden. DieFestlegungen zur Systemkonfiguration beinhaltendie Anzahl der Stationen, die Zuordnung der Stati-onsadresse zu den E/A-Adressen, Datenkonsistenzder E/A-Daten, Format der Diagnosemeldungenund die verwendeten Busparameter. Jedes DPSystem besteht aus unterschiedlichen Gerätetypen.Es werden drei Gerätetypen unterschieden:

DP-Master Klasse 1 (DPM1)Hierbei handelt es sich um eine zentrale Steuerung,die in einem festgelegten Nachrichtenzyklus zy-klisch Informationen mit den dezentralen Stationen(Slaves) austauscht. Typische Geräte sind z.B.Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) oderPC.

DP-Master Klasse 2 (DPM2)Geräte dieses Typs sind Engineering-, Projektie-rungs- oder Bediengeräte. Sie werden bei derInbetriebnahme und zur Wartung und Diagnoseeingesetzt, um die angeschlossenen Geräte zukonfigurieren, Meßwerte und Parameter auszuwer-ten sowie den Gerätezustand abzufragen.

SlaveEin Slave ist ein Peripheriegerät (E/A, Antriebe,HMI, Ventile, Meßumformer), das Eingangsinforma-tionen einliest und Ausgangsinformationen an diePeripherie abgibt. Es sind auch Geräte möglich, dienur Eingangs- oder nur Ausgangsinformationenbereitstellen.

Die Menge der Eingangs- und Ausgangsinformatio-nen ist geräteabhängig und darf max. 246 ByteEingangs- und 246 Byte Ausgangsdaten betragen.

Bei Mono-Master-Systemen ist in der Betriebs-phase des Bussystems nur ein Master am Busaktiv. In Abbildung 10 ist die Systemkonfigurationeines Mono-Master Systems dargestellt. Die SPS-Steuerung ist die zentrale Steuerungskomponente.Die Slaves sind über das Übertragungsmediumdezentral an die SPS-Steuerung gekoppelt. Mitdieser Systemkonfiguration wird die kürzeste Bus-zykluszeit erreicht.

Im Multi-Master-Betrieb befinden sich an einemBus mehrere Master. Sie bilden entweder vonein-ander unabhängige Subsysteme, bestehend aus jeeinem DPM1 und den zugehörigen Slaves, oderzusätzliche Projektierungs- und Diagnosegeräte.Die Eingangs- und Ausgangsabbilder der Slaveskönnen von allen DP-Mastern gelesen werden. DasSchreiben der Ausgänge ist nur für einen DP-Master (den bei der Projektierung zugeordnetenDPM1) möglich.

4.1.3 Systemverhalten

Um eine weitgehende Geräteaustauschbarkeit zuerreichen, wurde bei DP auch das Systemverhaltenstandardisiert. Es wird im wesentlichen durch denBetriebszustand des DPM1 bestimmt.

Dieser kann entweder lokal oder über den Bus vomProjektierungsgerät gesteuert werden. Es werdenfolgende drei Hauptzustände unterschieden:

• StopEs findet kein Datenverkehr zwischen dem DPM1und den Slaves statt.

DP-Master (Klasse 1)

Dezentrale Ein- und Ausgänge

PROFIBUS-DP

DP - Slaves

SPS

Aktuator Sensor

Abbildung 10: DP Mono-Master System



ClearDer DPM1 liest die Eingangsinformationen derSlaves und hält die Ausgänge der Slaves im siche-ren Zustand. • OperateDer DPM1 befindet sich in der Datentransferphase.In einem zyklischen Datenverkehr werden dieEingänge von den Slaves gelesen und die Aus-gangsinformationen an die Slaves übertragen. Der DPM1 sendet seinen Status in einem konfigu-rierbaren Intervall mit einem Multicast-Kommandozyklisch an alle ihm zugeordneten Slaves.

Die Systemreaktion nach dem Auftreten einesFehlers in der Datentransferphase des DPM1, wiez. B. Ausfall eines Slaves, wird durch den Betriebs-parameter "Auto-Clear " bestimmt.

Wurde dieser Parameter auf True gesetzt, dannschaltet der DPM1 die Ausgänge aller zugehörigenSlaves in den sicheren Zustand, sobald ein Slavenicht mehr bereit für die Nutzdatenübertragung ist.Danach wechselt der DPM1 in den Clear-Zustand.

Ist dieser Parameter = False, dann verbleibt derDPM1 auch im Fehlerfall im Operate-Zustand, undder Anwender kann die Systemreaktion bestimmen.

4.1.4 Zyklischer Datenverkehr zwischenDPM1 und den Slaves

Der Datenverkehr zwischen dem DPM1 und denihm zugeordneten Slaves wird in einer festgelegten,immer wiederkehrenden Reihenfolge automatischdurch den DPM1 abgewickelt. Bei der Projektierungdes Bussystems legt der Anwender die Zugehörig-keit eines Slaves zum DPM1 fest. Weiterhin wirddefiniert, welche Slaves in den zyklischen Nutzda-tenverkehr aufgenommen oder ausgenommenwerden sollen.

Der Datenverkehr zwischen dem DPM1 und denSlaves gliedert sich in die Parametrierungs-, Kon-figurierungs- und Datentransfer-Phase. Bevor derMaster einen DP-Slave in die Datentransferphaseaufnimmt, wird in der Parametrierungs- und Konfi-gurationsphase überprüft, ob die projektierte Soll-konfiguration mit der tatsächlichen Gerätekonfigu-ration übereinstimmt. Bei dieser Überprüfungmüssen der Gerätetyp, die Format- und Längenin-formationen sowie die Anzahl der Ein- und Ausgän-ge übereinstimmen. Der Benutzer erhält dadurcheinen zuverlässigen Schutz gegen Parametrie-rungsfehler. Zusätzlich zum Nutzdatentransfer, dervom DPM1 automatisch durchgeführt wird, bestehtdie Möglichkeit, neue Parametrierungsdaten aufAnforderung des Benutzers an die Slaves zu sen-den.

4.1.5 Sync und Freeze Mode

Zusätzlich zum teilnehmerbezogenen Nutzdaten-verkehr, der automatisch vom DPM1 abgewickeltwird, besteht für die Master die Möglichkeit, Steuer-kommandos an einen, eine Gruppe oder an alleSlaves gleichzeitig zu senden. Diese Steuerkom-mandos werden als Multicast übertragen. Sieermöglichen die Sync- und Freeze-Betriebsarten zurereignisgesteuerten Synchronisation der Slaves.

Die Slaves beginnen den Sync-Mode , wenn sievom zugeordneten Master ein Sync-Kommandoempfangen. Daraufhin werden bei allen adressier-ten Slaves die Ausgänge im momentanen Zustandeingefroren. Bei den folgenden Nutzdatenübertra-gungen werden die Ausgangsdaten bei den Slavesgespeichert, die Ausgangszustände bleiben jedochunverändert. Erst nach Empfang des nächstenSync-Befehls werden die gespeicherten Ausgangs-daten an die Ausgänge durchgeschaltet. Mit Unsyncwird der Sync-Betrieb beendet.

Aufruftelegramm

DP

-Sla

ve

unm

ittel

bare

Ant

wor

t

DP

-Mas

ter

Antworttelegramm

Schluß-Info Ausgangsdaten Kopf-Info

Kopf-Info Eingangsdaten Schluß-Info

Abbildung 11: Zyklische Nutzdatenübertragung bei DP



Analog dazu bewirkt ein Freeze-Steuerkommandoden Freeze-Mode der angesprochenen Slaves. Indieser Betriebsart werden die Zustände der Eingän-ge auf den momentanen Wert eingefroren. Die Ein-gangsdaten werden erst dann wieder aktualisiert,wenn der Master das nächste Freeze-Kommandogesendet hat. Mit Unfreeze wird der Freeze-Betriebbeendet.

4.1.6 Schutzmechanismen

Aus Sicherheitsgründen ist es erforderlich, DP mitwirksamen Schutzfunktionen gegen Fehlparame-trierung oder Ausfall der Übertragungseinrichtungenzu versehen. Es werden dazu Überwachungsme-chanismen beim DP-Master und bei den Slaves inForm von Zeitüberwachungen realisiert. Das Über-wachungsintervall wird bei der Projektierung fest-gelegt.

Beim DP-MasterDer DPM1 überwacht den Datenverkehr der Slavesmit dem Data_Control_Timer. Für jeden Slave wirdein eigener Zeitgeber benutzt. Die Zeitüberwachungspricht an, wenn innerhalb eines Überwachungsin-tervalls kein ordnungsgemäßer Nutzdatentransfererfolgt. In diesem Fall wird der Benutzer informiert.Falls die automatische Fehlerreaktion (Auto_Clear =True) freigegeben wurde, verläßt der DPM1 denOperate-Zustand, schaltet die Ausgänge der zuge-hörigen Slaves in den sicheren Zustand und geht inden Clear-Zustand über.

Beim SlaveZur Erkennung von Fehlern des Masters oder derÜbertragung führt der Slave die Ansprechüberwa-chung durch. Findet innerhalb des Ansprechüber-wachungsintervalls kein Datenverkehr mit demMaster statt, so schaltet der Slave die Ausgängeselbständig in den sicheren Zustand.

Zusätzlich ist für die Ein- und Ausgänge der Slavesbeim Betrieb in Multi-Master-Systemen ein Zugriffs-schutz erforderlich. Damit ist sichergestellt, daß derdirekte Zugriff nur vom berechtigten Master erfolgt.Für alle anderen Master stellen die Slaves einAbbild der Eingänge und Ausgänge zur Verfügung,das auch ohne Zugriffsberechtigung gelesen wer-den kann.

4.2 Die erweiterten DP Funktionen

Die erweiterten DP Funktionen ermöglichen es,parallel und unabhängig vom zyklischen Nutzdaten-verkehr azyklische Read- und Write Funktionensowie Alarme zwischen Master und Slaves zuübertragen. So kann der Anwender beispielsweisemit einem Engineering-Tool (DPM2) die Gerätepa-rameter der angeschlossenen Feldgeräte (Slaves)optimieren oder den Gerätestatus auslesen, ohneden laufenden Anlagenbetrieb zu stören.Damit erfüllt DP auch die Anforderungen komplexerGeräte, die oftmals während des laufenden Betriebs

parametriert werden müssen. Die erweiterten DP-Funktionen werden heute überwiegend zur Online-Bedienung der PA-Feldgeräte mittels Engineering-tools eingesetzt. Die Übertragung der azyklischenBedarfsdaten erfolgt mit niedriger Priorität parallelzum schnellen zyklischen Nutzdatentransfer. DerMaster benötigt zur Abwicklung der azyklischenKommunikationsdienste etwas zusätzliche Zeit, diebei der Parametrierung des Gesamtsystems zuberücksichtigen ist. In der Regel wird das Parame-trierungstool dazu die Tokenumlaufzeit etwaserhöhen und so dem Master Gelegenheit geben,zusätzlich zum zyklischen Datenverkehr, auchazyklische Kommunikationsaufgaben durchzufüh-ren.

Die Funktionserweiterungen sind optional undkompatibel zu den DP Basisfunktionen. VorhandeneGeräte, die die neuen Funktionen nicht nutzenwollen oder nicht benötigen, können weiter benutztwerden, da es sich lediglich um Ergänzungen zuden existierenden Basisfunktionen handelt. DieFunktionserweiterungen sind in der technischenPROFIBUS Richtlinie 2.082 spezifiziert.

4.2.1 Adressierung mit Slot und Index

Für die Adressierung der Daten geht PROFIBUSdavon aus, daß die Slaves physikalisch modularaufgebaut sind, oder aber intern in logische Funkti-onseinheiten, sogenannte Module, strukturiertwerden können. Dieses Modell spiegelt sich auch inden DP Grundfunktionen für den zyklischen Daten-verkehr wieder, wo jedes Modul eine konstanteAnzahl Ein- und/oder Ausgangsbytes besitzt, die aneiner festen Position im Nutzdatentelegramm über-tragen werden. Das Adressierungsverfahren basiertdabei auf Kennungen, die den Typ eines Moduls alsInput, Output oder eine Kombination aus beidencharakterisieren. Alle Kennungen zusammen erge-ben die Konfiguration eines Slaves, die im Hochlaufdes Systems auch vom DPM1 überprüft wird.

Auch bei den neuen azyklischen Diensten wirddieses Modell zugrunde gelegt. Alle für Schreib-oder Lesezugriffe freigegebenen Datenblöckewerden ebenfalls als den Modulen zugehörig be-trachtet und können mit Hilfe von Slot-Number undIndex adressiert werden. Die Slot-Number adres-siert dabei das Modul, und der Index adressiert dieeinem Modul zugehörigen Datenblöcke. JederDatenblock kann bis zu 244 Byte groß sein, sieheAbbildung 12. Bei modularen Geräten ist die Slot-Number den Modulen zugeordnet. Die Modulebeginnen bei 1 und werden lückenlos in aufsteigen-der Reihenfolge festgelegt. Die Slot-Number 0 istfür das Gerät selbst vorgesehen.



Kompaktgeräte werden als eine Einheit von virtuel-len Modulen betrachtet. Auch hier gilt die Adressie-rung mit Slot-Number und Index.Durch die Längenangabe im Read- bzw. Write-Request ist es auch möglich, daß nur Teile einesDatenblocks gelesen bzw. geschrieben werden.Wenn der Zugriff auf den Datenblock erfolgreichwar, antwortet der Slave mit einer positiven Read-bzw. Write-Response oder kann andernfalls in dernegativen Response das Problem klassifizieren.

4.2.2 Azyklischer Datenverkehr zwischenDPM1 und den Slaves

Für den azyklischen Datenverkehr zwischen demzentralen Automatisierungssystem (DPM1) und denSlaves stehen folgende Funktionen zur Verfügung:

MSAC1_Read:Der Master liest einen Datenblock beim Slave

MSAC1_Write:Der Master schreibt einen Datenblock beim Slave

MSAC1_Alarm:Übertragung eines Alarms vom Slave zum Master.Der Empfang eines Alarms wird vom Master explizitbestätigt. Erst nach Erhalt der Alarmbestätigungkann der Slave eine neue Alarmmeldung senden.Dadurch können Alarme niemals überschriebenwerden.

MSAC1_Alarm_Acknowledge:Der Master bestätigt den Erhalt einer Alarmmeldungan den zugeordneten Slave

MSAC1_Status:Übertragung einer Statusmeldung vom Slave zumMaster. Der Empfang der Statusmeldung wird nichtbestätigt. Statusmeldungen können daher über-schrieben werden.

Die Datenübertragung erfolgt verbindungsorientiertüber eine MSAC1-Verbindung. Diese Verbindungwird vom DPM1 aufgebaut. Sie ist sehr eng an dieVerbindung für den zyklischen Datenverkehr zwi-schen DPM1 und den Slaves gekoppelt und kannnur von demjenigen Master benutzt werden, derden jeweiligen Slave auch parametriert und konfigu-riert hat.

4.2.3 Azyklischer Datenverkehr zwischenDPM2 und den Slaves

Für den azyklischen Datenverkehr zwischen denEngineering- und Bedientools (DPM2) und denSlaves stehen folgende Funktionen zur Verfügung:

MSAC2_Initiate und MSAC2_AbortAufbau bzw. Abbau einer Verbindung für azykli-schen Datenverkehr zwischen dem DPM2 und demSlave.

Grund-geräte-einheit

Index0-255

Inde

x

Modul 1

Index0-255

8 DigitalOUT

Modul 2

Index0-255

16 DigitalOUT

Modul 3

Index0-255

8 DigitalIN

Modul 4

Index0-255

1 AnalogIN

0 1 2 3 4

Darstellung der Datenbei der

Datenübertragung

1 Byte Output(Modul 1)

2 Byte Output(Modul 2)Aufruf:

Antwort:

......

1 Byte Input(Modul 3)

4 Byte Input(Modul 4)...

Slot_Numberaufsteigend vonlinks nach rechts

Abbildung 12: Adressierung bei den azyklischen Read- und Write-Diensten von DP



MSAC2_Read:Der Master liest einen Datenblock beim Slave

MSAC2_Write:Der Master schreibt einen Datenblock beim Slave

MSAC2_Data_Transport:Mit diesem Dienst kann der Master azyklisch Datenan den Slave schreiben und bei Bedarf im selbenDienstzyklus auch Daten vom Slave lesen. DieBedeutung der Daten ist anwendungsspezifisch undwird durch Profile festgelegt.

Die Kommunikation erfolgt verbindungsorientiert.Die Verbindung wird als MSAC_C2 bezeichnet. DieVerbindung wird vor dem Beginn des azyklischenDatenverkehrs durch den DPM2 mit dem DienstMSAC2_Initiate aufgebaut. Danach ist die Verbin-dung für die Dienste MSAC2_Read, MSAC2_Writeund MSAC2_Data_Transport nutzbar. Wird dieVerbindung nicht mehr benötigt, dann baut derMaster sie mit dem Dienst MSAC2_Abort wieder ab.Grundsätzlich ist es für einen Slave möglich gleich-zeitig mehrere aktive MSAC2-Verbindungen zuunterhalten. Die Anzahl der gleichzeitig möglichenaktiven Verbindungen ist durch die im Slave zurVerfügung stehenden Ressourcen begrenzt undvariiert je nach Gerätetyp.

Die azyklische Datenübertragung erfolgt in einerfestgelegten Sequenz, die nachfolgend anhand desMSAC2_Read Dienstes beschrieben wird. Zunächst

sendet der Master einen MSAC2_Read-Request anden Slave, in dem durch Angabe von Slotnummerund Index die gewünschten Daten adressiert sind.Nach Empfang dieser Anforderung hat der SlaveGelegenheit, die gewünschten Daten bereitzustel-len. Der Master sendet nun regelmäßig Poll-Telegramme, um die angeforderten Daten beimSlave abzuholen. Der Slave beantwortet die Poll-Telegramme des Masters solange mit einer Kur-zquittung ohne Daten, bis er die Daten aufbereitethat. Der nächste Poll-Request des Masters wirddann mit einer MSAC2_Read-Response beantwor-tet, mit der die gelesenen Daten an den Masterübermittelt werden. Die Datenübertragung wirddurch eine Zeitüberwachung kontrolliert.Das Überwachungsintervall wird beim Verbin-dungsaufbau mit dem DDLM_Initiate Dienst fest-gelegt. Hat die Verbindungsüberwachung eineStörung erkannt, so wird die Verbindung automa-tisch auf Master- und Slave-Seite abgebaut. DieVerbindung kann danach entweder erneut aufge-baut oder von einem anderen Partner genutztwerden. Für die MSAC_C2 Verbindung sind beimSlave die Dienstzugangspunkte 40 bis 48 und beimDPM2 der Dienstzugangspunkt 50 reserviert.

5. FMS Communication Profile

Das FMS Communication Profile ist für die Kom-munikation in der Zellenebene zugeschnitten. Hierkommunizieren die Automatisierungsgeräte wie

Feldgerät 1

VFD

DasVFD ist der

für die Kommuni-kation sichtbare Teil

des realen Feldgerätes

Feldgerät 2

VFD

Reales Feldgerät

Sollwert

Grenzwert

DruckFüllstand

Temperatur

Objektverzeichnis (OD)

DatentypverzeichnisIndex Objekt-Code Bedeutung 1 Datentyp Integer8 2 Datentyp Integer16 ..... 6 Datentyp Floating Point

Statisches ObjektverzeichnisIndex Objekt- Daten- Interne Symbol

Code Typ Adresse

20 VAR 1 4711 Druck 21 VAR 6 5000H Temperatur 22 VAR 2 100H Füllstand

Virtuelles Feldgerät (VFD)

Rezeptur

logischeVerbindung

logischeVerbindung

Abbildung 13: Virtuelles Feldgerät (VFD) mit Objektverzeichnis (OD)



SPS, PC vorwiegend untereinander. In diesemAnwendungsbereich ist eine große Funktionalitätwichtiger als eine kurze Systemreaktionszeit. DieAnwendungsschicht (7) besteht bei PROFIBUS-FMS aus:

• der Fieldbus Message Specification (FMS) und• dem Lower Layer Interface (LLI)

Das PROFIBUS-FMS Kommunikationsmodellgestattet es, verteilte Anwendungsprozesse überKommunikationsbeziehungen zu einem Gesamt-prozeß zu vereinigen. Der Teil eines Anwendungs-prozesses in einem Feldgerät, der über die Kom-munikation erreichbar ist, wird als virtuelles Feldge-rät (Virtual Field Device, VFD) bezeichnet. In Abbil-dung 13 ist der Zusammenhang zwischen demrealen Feldgerät und dem VFD dargestellt. In die-sem Beispiel sind nur die Variablen Stückzahl,Ausfallrate und Stillstandszeit Bestandteil des VFDund können über die beiden Kommunikationsbezie-hungen gelesen oder geschrieben werden. DieVariablen Sollwert und Rezeptur sind über FMSnicht erreichbar.

Alle Kommunikationsobjekte eines FMS-Geräteswerden in das Objektverzeichnis (Object Dictionary,OD) eingetragen. Es enthält Beschreibung, Strukturund Datentyp sowie die Zuordnung zwischen der

geräteinternen Adresse der Kommunikationsobjekteund der Bezeichnung am Bus (Index/Name).Statische Kommunikationsobjekte werden imstatischen Objektverzeichnis eingetragen. Siewerden einmal projektiert und können während desBetriebs nicht verändert werden. FMS unterscheidetfolgende statische Kommunikationsobjekte:

• Simple Variable (Einfach Variable)

• Array (Reihe von Einfach Variablen gleichen Typs)

• Record (Reihe von Einfach Variablen unterschiedli-chen Typs)

• Domain (Datenbereich)

• Event (Ereignismeldung) Dynamische Kommunikationsobjekte werden imdynamischen Teil des OD eingetragen. Sie könnenwährend des Betriebs verändert werden.

Die logische Adressierung ist die bevorzugteAdressierungsmethode für die Objekte. Der Zugrifferfolgt über eine Kurzadresse, den Index, der eineZahl vom Typ Unsigned16 ist. Jedes Objekt hateinen eindeutigen Index. Optional kann die Adres-sierung der Objekte auch mit Namen erfolgen.

Durch einen Zugriffsschutz können Kommunikati-onsobjekte auch vor unberechtigtem Zugriff ge-schützt, oder die zulässigen Services (z. B. nurRead) für den Zugriff auf ein Objekt können einge-schränkt werden.

5.1 FMS Services

Die FMS-Services sind eine Untermenge der MMS-Services (MMS, Manufacturing Message Specifica-tion, ISO 9506), die für den Feldbusbereich opti-miert und um Funktionen für die Verwaltung derKommunikationsobjekte und das Netzmanagementergänzt wurden. Abbildung 14 gibt einen Überblicküber die möglichen PROFIBUS-FMS-Dienste.

Bestätigte Dienste sind nur auf verbindungsorien-tierten Kommunikationsbeziehungen möglich. DerAblauf eines bestätigten Dienstes ist in Abbildung15 dargestellt.

Unbestätigte Dienste können auch auf verbin-dungslosen Kommunikationsbeziehungen (Broad-cast, Multicast) angewendet werden. Sie können mithoher oder niedriger Priorität übertragen werden.

Die FMS-Services werden in folgende Gruppeneingeteilt:

• Die Context Management Services dienen zumAuf- und Abbau der logischen Verbindungen.

• Die Variable Access Services ermöglichen denZugriff auf Einfachvariablen, Records, Arraysund Variablenlisten.

Variable AccessRead ReadWithTypeWrite WriteWithTypePhysicalReadPhysicalWriteInformationReport InformationReportWithType

DefineVariableListDeleteVariableList

Event ManagementEventNotification EventNotificationWithType

AcknowledgeEventNotificationAlterEventConditionMonitoring

Nur dieunterstrichenen Dienste

müssen von allenPROFIBUS-Gerätenunterstützt werden.

Die Auswahl weiterer Dienstewird durch Profile festgelegt.

Context ManagementInitiate

Abort

Reject

Program-Invocation ManagementCreateProgramInvocationDeleteProgramInvocation

Start, Stop, Resume, Reset, Kill

OD-ManagementGetODInitiatePutODPutODTerminatePutOD

VFD SupportStatusUnsolicitedStatusIdentify

Domain ManagementInitiateDownloadSequenceDownloadSegmentTerminateDownloadSequence

InitiateUploadSequenceUploadSegmentTerminateUploadSequence

RequestDomainDownloadRequestDomainUpload

Abbildung 14: Übersicht über die FMS-Dienste



• Die Domain Management Services ermögli-chen die Übertragung von großen Speicherberei-chen. Bei der Übertragung werden die Datenvom Anwender in Segmente unterteilt.

• Die Program Invocation Management Servi-ces ermöglichen die Programmsteuerung.

• Die Event Management Services ermöglichendie Übertragung von Alarmmeldungen. DieAlarmmeldung kann auch als Broadcast- oderMulticast gesendet werden.

• Die VFD Support Services ermöglichen Identifi-kation und Zustandsabfrage. Sie können auchspontan, auf Initiative eines Gerätes, als Multi-cast oder Broadcast gesendet werden.

• Die OD Management Services ermöglichen dasLesen und Schreiben des OD.

5.2 Lower-Layer-Interface (LLI)

Die Anpassung der Schicht 7 an die Schicht 2erfolgt durch das LLI. Zu den Aufgaben gehörenauch Flußkontrolle und Verbindungsüberwachung.Der Anwender kommuniziert mit den anderenAnwendungsprozessen über logische Kanäle, dieKommunikationsbeziehungen . Das LLI stellt fürdie Abwicklung der FMS- und der Management-Services verschiedene Typen von Kommunikations-beziehungen zur Verfügung. Die Kom-munikationsbeziehungen unterscheiden sich bezüg-

lich ihrer Verbindungsqualitäten wie Überwachungs-mechanismen, Übertragungsmöglichkeiten undAnforderungen an die Kommunikationspartner.

Verbindungsorientierte Kommunikationsbezie-hungen stellen eine logische Punkt-zu-PunktVerbindung zwischen zwei Anwendungsprozessendar. Vor der Nutzung einer Verbindung für dieDatenübertragung muß diese mit einem Initiate-Service aufgebaut werden. Nach dem erfolgreichenVerbindungsaufbau steht die gegen Fremdzugriffegeschützte Verbindung für die Datenübertragungzur Verfügung. Wird eine aufgebaute Verbindungnicht mehr benötigt, kann sie mit dem Abort-Serviceabgebaut werden. Das LLI ermöglicht eine zeitge-steuerte Verbindungsüberwachung für verbin-dungsorientierte Kommunikationsbeziehungen. Einweiteres Merkmal der verbindungsorientiertenKommunikationsbeziehungen sind die Verbin-dungsattribute „offen“ und „definiert“.

Bei definierten Verbindungen wird der Kommuni-kationspartner bereits bei der Projektierung eindeu-tig festgelegt. Bei offenen Verbindungen wird derKommunikationspartner erst in der Verbindungsauf-bauphase festgelegt.

Verbindungslose Kommunikationsbeziehungenermöglichen die gleichzeitige Kommunikation einesGerätes mit mehreren Teilnehmern mit unbestätig-ten Diensten. Bei Broadcast- Kommunikations-beziehungen wird ein unbestätigter FMS-Servicegleichzeitig an alle anderen Teilnehmer und ent-sprechend bei Multicast -beziehungen gleichzeitigan eine Gruppe von Teilnehmern gesendet.

Alle Kommunikationsbeziehungen eines FMSGerätes werden in die Kommunikationsbeziehungs-liste (Communication Reference List, CRL) einge-tragen. Sie ist bei einfachen Teilnehmern durch denHersteller vordefiniert. Bei komplexen Geräten wirddie CRL projektiert. Jede Kommunikations-beziehung wird durch eine lokale Kurzbezeichnung,der Kommunikationsreferenz (CommunicationReference, CR) adressiert. Aus Bus-Sicht wird eineCR durch Teilnehmeradresse, Schicht-2-Dienst-zugangspunkt und LLI-Dienstzugangspunkt be-stimmt. Die CRL enthält die Zuordnung zwischenCR und der Schicht-2- sowie der LLI-Adresse.Weiterhin werden für jede CR die unterstütztenFMS-Services, Telegrammlängen etc. in der CRLfestgelegt.

5.3 Netzmanagement

Ergänzend zu den FMS-Services stehen auchNetzmanagement Funktionen (Fieldbus-Manage-ment-Layer-7, FMA7) zur Verfügung. Die FMA7-Funktionen sind optional und ermöglichen einezentrale Projektierung. Sie können lokal oder re-mote initiiert werden.Das Context-Management ermöglicht das Auf-und Abbauen einer FMA7-Verbindung.

Applikation

Applikation

Dienstanforderer (Client)

2. Indication:Read.ind, (Index=20)

BUS

Dienstbringer (Server)

Objektverzeichnis (OD)Index Type Adr. Name20 Var 4711 Temp.21 Var 5000 Druck

Schicht 7 (FMS + LLI)Schicht 1/2 (FDL + PHY)

Schicht 1/2 (FDL + PHY)Schicht 7 (FMS + LLI)

3. Response:Read.res mit Daten

1. Request:Read.req, Index=20

4. Confirmation:Read.con mit Meßwert

Abbildung 15: Ablauf eines bestätigten FMS-Dienstes



Das Configuration-Management ermöglicht denZugriff auf CRL, Variablen, Statistikzähler undParameter der Schicht 1/2, Identifikation sowie dieBusteilnehmererfassung.

Das Fault-Management ermöglicht, Fehler/-Ereignisse anzuzeigen und das Rücksetzen derGeräte.

Durch die Festlegung der Default-Management-Verbindung wird für die Projektierungsgeräte eineinheitlicher Zugang geschaffen. Bei jedem Gerät,das FMA7-Services als Responder unterstützt, mußeine Default-Management-Verbindung mit CR = 1 inder CRL eingetragen sein.

6. Application Profiles

Die PROFIBUS Application Profiles beschreiben dieAnwendung der PROFIBUS Communication undPhysical Profiles für einen bestimmten Anwen-dungsbereich (Prozeßautomatisierung, Gebäude-automatisierung) oder für bestimmte Gerätetypen(Encoder, Antriebe).

6.1 Process Automation (PA)

Die Anwendung von PROFIBUS in typischen Ge-räten und Anwendungen in der Prozeßautomatisie-rung, wird durch das PA-Profil festgelegt. Das Profilkann bei der PROFIBUS Nutzerorganisation unterder Bestellnr. 3.042 bezogen werden. Es basiert aufdem DP Communication Profile und als Übertra-gungsphysik kommt je nach AnwendungsbereichIEC 1158-2, RS-485 oder LWL zum Einsatz. Das

PA-Profil legt die Geräteparameter und das Geräte-verhalten typischer Feldgeräte (Meßumformer,Stellventile) herstellerübergreifend fest und erleich-tert Geräteaustauschbarkeit und Bedienung. DieBeschreibung der Gerätefunktionen und des Gerä-teverhaltens basiert auf dem international aner-kannten Function Block Modell. Mit den Festlegun-gen und Möglichkeiten des PA-Application Profile,ist PROFIBUS geeignet als Ersatz der analogenSignalübertragung mit 4 bis 20 mA oder Hart.

PROFIBUS ermöglicht Messen, Steuern und Re-geln auch in verfahrenstechnischen Anwendungenüber eine einfache Zweidrahtleitung. Mit PROFIBUSist der Anwender in der Lage, auch in den explosi-onsgefährdeten Bereichen Geräte im laufendenBetrieb zu warten und ab- oder anzuklemmen. DasPROFIBUS-PA Profil wurde in enger Abstimmungmit den Anwendern in der Prozeßindustrie (NA-MUR) entwickelt und erfüllt die besonderen Anfor-derungen dieses Anwendungsbereichs:

• Standardisierte Anwendungsprofile für die Pro-zeßautomatisierung und Austauschbarkeit derFeldgeräte verschiedener Hersteller.

• Rückwirkungsfreies Hinzufügen und Entfernenvon Busteilnehmern, auch in Ex-Bereichen.

• Busspeisung der Meßumformer in Zweileiter-technik durch IEC 1158-2 Technik.

• Einsatz auch in explosionsgefährdeten Berei-chen in Zündschutzart Eigensicherheit (EExia/ib) oder Kapselung (EEx d).

PROFIBUSRS 485 bis 12 MBit/s

Leitsystem (SPS)

Engineering oder B&B

Tool

PROFIBUSIEC 1158-2 mit 31,25 kBit/sI

εx

Segment-koppler/Link

Messum-former

H2

H1

εx+

Abbildung 16: Typische Systemkonfiguration in der Prozeßautomatisierung



6.1.1 KommunikationsaspekteDurch den Einsatz von PROFIBUS in verfahren-stechnischen Anlagen werden Kosteneinsparungenvon über 40 % bei Planung, Verkabelung, Inbetrieb-nahme und Wartung sowie ein erheblicher Gewinnan Funktionalität und Sicherheit erreicht. In Abbil-dung 17 sind die Unterschiede zwischen der Ver-drahtung einer konventionellen 4 bis 20 mA Anlageund einer Anlage auf Basis von PROFIBUS darge-stellt.Die Feldgeräte im Ex-Bereich sind über PROFIBUSmit IEC 1158-2 Übertragungstechnik angeschlos-sen. Die IEC 1158-2 Physik ermöglicht die Übertra-gung von Daten und Energie für die Feldgeräte übernur zwei Drähte. Den Übergang in den Nicht-Ex-Bereich, in dem PROFIBUS mit RS-485 Physikeingesetzt wird, bildet ein Segmentkoppler oderLink. Im Unterschied zur konventionellen Verdrah-tung, bei der für jedes Signal eine separate Leitungvon der Meßstelle bis zur E/A-Baugruppe der pro-zeßnahen Komponente (PNK) gezogen werdenmußte, laufen bei PROFIBUS die Daten mehrererGeräte über ein gemeinsames Kabel. Während beikonventioneller Verdrahtung für jedes Signal einegetrennte, ggf. Ex-taugliche Spannungsversorgungerforderlich ist, übernimmt bei PROFIBUS derSegmentkoppler oder Link diese Aufgabe. Je nachEx-Anforderung und Energiebedarf der Gerätekönnen 9 (EEx ia/ib) bis 32 (Nicht-Ex) Meßumfor-mer an einen Segmentkoppler/Link angeschlossenwerden. Dabei werden nicht nur die Verdrahtung,sondern auch die E/A Baugruppen der PNK einge-spart und durch die PROFIBUS-Anschaltung in der

PNK ersetzt. Weil mehrere Meßumformer voneinem einzigen Speisegerät aus mit Betriebsenergieversorgt werden können, entfallen beim Einsatz vonPROFIBUS auch alle Trenner und Barrieren.

Meßwert und Status der PA-Feldgeräte werdenzwischen PNK (DPM1) und Meßumformer zyklischhochprior mit den schnellen DP-Basisfunktionenübertragen. Dadurch ist sichergestellt, daß deraktuelle Meßwert und der zugehörige Status immeraktuell im Automatisierungssystem (DPM1) zurVerfügung stehen. Die Geräteparameter für Visuali-sierung, Bedienung, Wartung und Diagnose werdenvom Engineeringtool (DPM2) dagegen mit denniederprioren azyklischen DP-Funktionen über eineC2-Verbindung übertragen.

6.1.2 ApplikationsaspekteNeben den kommunikationsrelevanten Festlegun-gen, enthält das PA-Profil auch applikationsbe-zogene Definitionen. So wird im PA-Profil Datentypund Einheit des übertragenen Meßwertes sowie dieBedeutung des zugehörigen Statuswertes genaufestgelegt. Einheit und Bedeutung der Gerätepara-meter, wie zum Beispiel obere/untere Meßbereichs-grenze, wird herstellerübergreifend festgelegt. ZurUnterstützung bei der Inbetriebnahme ist auch dieSimulation von Werten im Meßumformer möglich.Hierbei kann der Anwender über das Engineering-tool einen fiktiven Meßwert vorgeben, der dannanstelle des realen Meßwertes vom Meßumformerzum Prozeßleitsystem übertragen wird.

i

Meßumformer 2 .. n

Koppler/Link

PNKPNK

Eingangskarten (1-x)

Rangierung (PNK-Schrank)Eingangskarte

X

1

RangierverteilerVerdrahtung grau

Messumformer-speisegeräteRangierverteiler Exi, Verdrahtung blau

Verteiler Vki

Anschlußdose

Ex-Trennung

19" Schrank

Ex-Trennung

Meßumformer 1 .. n

PROFIBUS mit IEC 1158-2

Koppler/Link

Profibus-Anschaltung

PROFIBUS mit RS-485

NNRRQYQYHHQWLRQWLRQQHHOOOH 9HUOH 9HUGGUUDDKWKWXXQJQJ 33UURIRILLEEXXVV

Meßumformer 1 ... n

i

Abbildung 17: Vergleich von konventioneller Verkabelung und PROFIBUS



Dies erleichtert die Simulation kritischer Anlagenzu-stände und unterstützt das Inbetriebnahmepersonalbei der schrittweisen Inbetriebnahme der Anlage.

Die Beschreibung des Geräteverhaltens erfolgtdurch die Festlegung normierter Variablen, mitdenen die Eigenschaften der Meßumformer detail-liert beschrieben werden. Abbildung 18 zeigt das

Prinzip eines Druck-Meßumformers, der mit demFunction Block „Analog Input“ beschrieben wird.

Das PA-Profil besteht aus einem Rahmendaten-blatt, in dem die für alle Gerätetypen gültigen Fest-legungen enthalten sind, und Gerätedatenblättern,in denen die für den jeweiligen Gerätetyp spezifi-schen Vereinbarungen getroffen werden. Das Profil

12 bar

8 bar

2 bar

0 bar

Messbereichsbegrenzung

physikalische Grenze des Messaufnehmers

Messbereichsbegrenzung

HI-HI-LIM (Obere Alarmgrenze)

HI-LIM (Obere Warngrenze)

LO-LIM (Untere Warngrenze)

LO-LO-LIM (Untere Alarmgrenze)

PV_SCALE(Skalierung des Messbereichs)

Mes

sber

eich

(bar

)

OUT(Messwert)

physikalische Grenze des Messaufnehmers

Abbildung 18: Darstellung der Parameter im PROFIBUS-PA Profil

Parameter Read Write Funktion

OUT zz Aktueller Meßwert der Prozeßvariablen, sowie der zugehörige Status

PV_SCALE zz zz Skalierung der Prozeßvariablen, aus unterer u. oberer Meßbereichsgren-ze, Code für Einheiten und Anzahl der Ziffern nach dem Dezimalkomma

PV_FTIME zz zz Anstiegszeit des Funktionblock-Ausgangs in s

ALARM_HYS zz zz Hysterese der Alarmfunktionen in % des Meßbereiches

HI_HI_LIM zz zz Obere Alarmgrenze: bei Überschreiten Alarm und Statusbit auf 1

HI_LIM zz zz Obere Warnungsgrenze: bei Überschreiten Warnung und Statusbit auf 1

LO_LIM zz zz Untere Warnungsgrenze: bei Unterschreiten Warnung und Statusbit auf 1

LO_LO_LIM zz zz Untere Alarmgrenze: bei Unterschreiten Alarm und Statusbit auf 1

HI_HI_ALM zz Status der oberen Alarmgrenze mit Zeitstempel.

HI_ALM zz Status der oberen Warnungsgrenze mit Zeitstempel.

LO_ALM zz Status der unteren Warnungsgrenze mit Zeitstempel.

LO_LO_ALM zz Status der unteren Alarmgrenze mit Zeitstempel.

Tabelle 10: Parameter des Analog Input Function Blocks (AI)



ist sowohl für die Beschreibung von Geräten mit nureiner Meßgröße (Single Variable) als auch fürmultifunktionale Geräte mit mehreren Meßgrößen(Multi-Variable) geeignet. Das aktuelle PROFIBUS-PA Profil (Version 3.0) legt die Gerätedatenblätterfür alle gängigen Meßumformer fest:

• Druck und Differenzdruck• Füllstand, Temperatur, Durchfluß• Analoge und Digitale Ein- und Ausgänge• Ventile, Stellantriebe• Analysengeräte

6.1.3 PA FunktionsblöckeDas PROFIBUS-PA Profil unterstützt die Aus-tauschbarkeit und Interoperabilität der PA-Feldgeräte von verschiedenen Herstellern. DasProfil verwendet das international anerkannteFunktionsblockmodell zur Beschreibung der Gerä-tefunktionen und Parameter. Die Funktionsblöckerepräsentieren verschiedene Anwenderfunktionen,wie Analog-Input oder Analog-Output. Über dieanwendungsbezogenen Funktionsblöcken hinaussind zwei Funktionsblöcke für gerätebezogeneMerkmale (Physical Block und Transducer Block)vorgesehen. Die Ein- und Ausgangsparameter derFunktionsblöcke können über den Bus verbundenund zu einer verfahrenstechnischen Anwendungverknüpft werden.

Physical BlockBeinhaltet allgemeine Geräteinformationen wieGerätename, Hersteller, Version, Seriennummer

Transducer BlockBeinhaltet applikationsspezifische Daten wie Ab-gleichparameter

Anlalog Input Block (AI)Stellt den vom Sensor gemessenen Meßwert mitStatus und Skalierung zur Verfügung

Analog Output Block (AO)Stellt dem analogen Ausgang den vom Leitsystemvorgegebenen Ausgangswert zur Verfügung

Digitaler Eingang (DI)Stellt dem Leitsystem den Wert des digitalen Ein-gangs zur Verfügung

Digitaler Ausgang (DO)Stellt dem digitalen Ausgang den vom Leitsystemvorgegebenen Wert zur Verfügung.

In einer Applikation sind mehrere Funktionsblöckevorhanden. Die Funktionsblöcke werden von denGeräteherstellern in die Feldgeräte integriert undkönnen über die Kommunikation, sowie über dieEngineering-Geräte angesprochen werden.

6.2 Sicherheitsrelevante Anwendungen

Das PROFISafe-Profil (Bestellnummer 3.091)definiert wie sicherheitsgerichtete Geräte (Not-Aus-Taster, Lichtgitter, Verriegelungen) über PROFIBUSmit den Automatisierungsgeräten verbunden wer-den.

Damit lassen sich auch in diesem Spezialbereich,in dem die Geräte bisher nahezu ausschließlichkonventionell verdrahtet wurden, die Vorteile deroffenen Buskommunikation mit PROFIBUS nutzen.

Bei der Entwicklung des Konzepts für die sichereÜbertragung von Daten über PROFIBUS standnicht nur die Reduzierung der Verkabelungskostenim Vordergrund, sondern auch die Anwendungs-breite in der Fertigungs- und Prozeßindustrie. Sokönnen Geräte nach dem PROFISafe-Profil ohneEinschränkungen zusammen mit Standardgerätenauf ein- und demselben Kabel in friedlicher Koexi-stenz betrieben werden.

ProfiSafe basiert auf dem DP CommunicationProfile und kann mit RS-485, LWL oder IEC 1158-2Physik betrieben werden.

Dabei ist gewährleistet, daß im Fertigungsbereichmit DP schnellste Reaktionszeiten erreicht werdenund im Prozeßbereich für PA-Feldgeräte keinezusätzliche Stromaufnahme entsteht. ProfiSafe isteine einkanalige Software-Lösung, die ohne zusätz-liche Buskabel auskommt.

ProfiSafe berücksichtigt alle bekannten Fehlermög-lichkeiten, die bei einer seriellen Buskommunikationauftreten können: Wiederholung, Verlust, Einfü-gung, falsche Reihenfolge, Verzögerung, Maskera-de, Datenverfälschung sowie Fehladressierung undlegt zusätzliche, über die Standard-Fehlererken-nungs- und Behebungsmechanismen des PRO-FIBUS-Buszugriffsprotokolls hinausgehende Siche-rungsmechanismen fest.

Durch geschickte Auswahl und Kombination der zurVerfügung stehenden Abhilfemaßnahmen wiefortlaufende Numerierung, Zeitüberwachung mitQuittung, Quell-Zielkennung und CRC-Sicherung,sowie einem patentierten "SIL-Monitor" wurden diegeforderten Versagenswahrscheinlichkeiten bisSIL3, bzw. AK6, bzw. Kategorie 4 erreicht. DasPROFISafe-Profil wurde durch positive Berichte vonTÜV und BIA bestätigt. Für Hersteller sicherheitsge-richteter Geräte steht ein spezieller Software-Treiber zur Verfügung, der alle Festlegungen desPROFISafe-Profils realisiert.

Geräte-Engineering


6.3 Gebäudeautomation

Dieses Profil (Bestellnummer 3.011) ist Basis fürviele öffentliche Ausschreibungen in der Gebäude-automation. Auf der Basis des FMS CommunicationProfiles, wird festgelegt, wie die Überwachung,Steuerung, Regelung, Bedienung, Alarmbehandlungund Archivierung der Gebäudeautomatisierungssy-steme erfolgt.

6.4 Application Profiles für spezielle Gerä-tetypen

Auf Basis des DP Communication Profiles sindApplication Profiles für folgende Gerätetypen fest-gelegt:

NC/RC (3.052):Das Profil beschreibt, wie Handhabungs- undMontageroboter gesteuert werden. Anhand vonAblaufdiagrammen ist die Bewegungs- und Pro-grammsteuerung der Roboter aus der Sicht desüberlagerten Automatisierungssystems beschrie-ben.

Encoder (3.062):Das Profil beschreibt die Ankopplung von Dreh-,Winkel- und Linear-Encodern mit Singleturn- oderMultiturn-Auflösung an DP. Zwei Geräteklassendefinieren Basisfunktionen und Zusatzfunktionen,wie z. B. Skalierung, Alarmbehandlung und Diagno-se.

Drehzahlveränderbare Antriebe (3.071):Das Profil legt fest, wie Antriebe parametriert unddie Soll- und Istwerte übertragen werden. Dadurchwird die Austauschbarkeit von Antrieben verschie-dener Hersteller ermöglicht. Das Profil beinhaltetFestlegungen für die Betriebsart Drehzahlregelungund Positionierung. Es legt die grundsätzlichenAntriebsfunktionen fest und läßt Freiraum für an-wendungsspezifische Erweiterungen und Weiter-entwicklungen.

Bedienen und Beobachten (3.081):Das Profil für Bedien- und Beobachtungsgeräte(HMI) legt die Ankopplung dieser Geräte über DPan überlagerte Automatisierungskomponenten fest.Das Profil nutzt für die Kommunikation die erwei-terten DP Funktionen.

7. Geräte-Engineering

PROFIBUS Geräte haben unterschiedliche Lei-stungsmerkmale. Sie unterscheiden sich in Bezugauf die zur Verfügung stehende Funktionalität (z.B.Anzahl der E/A Signale, Diagnosemeldungen) odermögliche Busparameter, wie Baudrate und Zeit-überwachungen. Diese Parameter sind individuellbei jedem Gerätetyp und Hersteller. Sie werdenüblicherweise im Gerätehandbuch dokumentiert.Um für PROFIBUS eine einfache Plug-and-PlayKonfiguration zu erreichen, wurden elektronische

Profibus

Bedien- und Beobach-tungsgerät als

DP-Master (Klasse2)

F-Host/F-SPSals

DP-Master (Klasse1)

Standard-E/Aals

DP-Slave

F-E/Aals

DP-Slave

Standard-Host/SPSals

DP-Master (Klasse1)

F-Peripherieals

DP-Slave

F-Peripherieals

PA-Slave

DP/PA

Repeater

Segment A

Segment B

F-Gateway

andere sichereBussysteme

Standard-E/Aals

DP-Slave

Failsafe- und Standardteilnehmer an einem Bus

Master-Slave-Zuordnung

F = Failsafe

C:\>

Abbildung 19: Mit dem ProfiSave-Profil können sicherheitsgerichtete Geräte über PROFIBUS kommunizieren

Geräte-Engineering


Gerätedatenblätter (GSD-Dateien) für die Kommu-nikationsmerkmale der Geräte festgelegt.

Für die Konfiguration eines PROFIBUS-Netzesstehen leistungsfähige Konfigurationswerkzeuge zurVerfügung, die auf Basis der GSD-Dateien eineeinfache Konfiguration von PROFIBUS-Netzwerkenmit Geräten unterschiedlicher Hersteller ermögli-chen.

7.1 GSD-Dateien

Die charakteristischen Kommunikationsmerkmaleeines PROFIBUS-Gerätes werden in Form eineselektronischen Gerätedatenblatts (Gerätestamm-daten-Datei, GSD-Datei) festgelegt. GSD-Dateiensind vom Hersteller für alle PROFIBUS-Gerätebereit zu stellen.

Die GSD-Dateien erweitern die offene Kommunika-tion bis in die Bedienebene. Alle modernen Projek-tierungstools ermöglichen es, die GSD-Dateien bei

der Konfiguration einzulesen. Dadurch wird dieIntegration von Geräten verschiedener Hersteller indas PROFIBUS-System einfach und anwendungs-freundlich.

Die Gerätestammdaten beschreiben die Merkmaleeines Gerätetyps eindeutig und vollständig in einemgenau festgelegten Format. Die GSD werden vomGerätehersteller individuell für jeden Gerätetyperzeugt und dem Anwender als Datei zur Verfügunggestellt. Durch das festgelegte Dateiformat kanndas Projektierungssystem die Gerätestammdatenjedes beliebigen PROFIBUS-Gerätes einfacheinlesen und bei der Konfiguration des Bussystemsautomatisch berücksichtigen. Dem Projekteur wird

das lästige Suchen in den Gerätehandbüchernerspart. Das Projektierungssystem kann bereitswährend der Projektierungsphase automatischÜberprüfungen auf Eingabefehler durchführen unddie Konsistenz der eingegebenen Daten bezogenauf das Gesamtsystem prüfen. Die Gerätestamm-datendatei wird in drei Abschnitte unterteilt:

• Allgemeine Festlegungen In diesem Bereich erfolgen Angaben zu Hersteller-und Gerätenamen, Hard- und Software-Ausgabe-ständen sowie zu den unterstützten Baudraten, denmöglichen Zeitspannen für Überwachungszeitenund der Signalbelegung am Busstecker. • Master bezogene Festlegungen In diesem Bereich werden alle Parameter eingetra-gen, die nur für Master-Geräte zutreffen, wie z. B:die max. Anzahl anschließbarer Slaves oder dieUpload- und Download-Möglichkeiten. DieserBereich ist bei Slave-Geräten nicht vorhanden.

• Slave bezogene Festlegungen Hier erfolgen alle Slave-spezifischen Angaben wiez. B. die Anzahl und Art der E/A Kanäle, Festlegungvon Diagnosetexten sowie Angaben über die zurVerfügung stehenden Module bei modularen Gerä-ten. In den einzelnen Abschnitten werden die Parameterdurch Schlüsselwörter separiert. Es wird zwischenzwingend notwendigen Parametern (z. B. Ven-dor_Name) und optionalen Parametern (z. B.Sync_Mode_supported) unterschieden. Die Definiti-on von Parametergruppen macht die Auswahl vonOptionen möglich. Zusätzlich besteht die Möglich-keit, Bitmap-Files mit den Symbolen der Geräteeinzubinden. Das Format der GSD ist sehr flexibelgestaltet. Es beinhaltet sowohl Aufzählungen, wie

PROFIBUSKonfigurator

System Konfiguration

Elektronische Gerätedatenblätter (GSD-Dateien)

SPS

PROFIBUS

Abbildung 20: Gerätestammdaten ermöglichen die offene Projektierung

Geräte-Engineering


z.B die Angaben, welche Baudraten das Gerätunterstützt, als auch Möglichkeiten zur Beschrei-bung der bei einem modularen Gerät zur Verfügungstehenden Module. Den Diagnosemeldungenkönnen auch Klartexte zugeordnet werden.

Zur Unterstützung der Gerätehersteller steht auf derPROFIBUS Homepage ein spezieller GSD-Editorund Checker zum Download zur Verfügung, der dieErstellung und Prüfung der GSD-Dateien erleichtert.Die Spezifikation der GSD-Dateiformate ist infolgenden PROFIBUS-Richtlinien verbindlich be-schrieben:

Für Geräte mit DP Communication ProfileNr. 2.121Für Geräte mit FMS Communication ProfileNr. 2.101

Die normkonformen GSD-Dateien von PROFIBUSGeräte werden in der GSD-Bibliothek auf derPROFIBUS Homepage (http://www.profibus.com)zum kostenlosen Download bereitgestellt.

7.2 Identnummer

Jeder PROFIBUS Slave und jeder Master Klasse 1muß eine Identnummer haben. Sie wird benötigt,damit ein Master ohne signifikanten Protokollover-head die Typen der angeschlossenen Geräte iden-tifizieren kann. Der Master vergleicht die Identnum-mern der angeschlossenen Geräte mit den Ident-nummern in den vom Projektierungstool vorgege-benen Projektierungsdaten. Der Nutzdatentransferwird nur dann begonnen, wenn die richtigen Gerä-tetypen mit den richtigen Stationsadressen am Busangeschlossen wurden. Dadurch wird eine hoheSicherheit gegenüber Projektierungsfehlern erreicht.

Die Gerätehersteller müssen für jeden Gerätetypeine Identnummer bei der PROFIBUS Nutzerorga-nisation beantragen, wo auch die Verwaltung derIdentnummern erfolgt. Antragsformulare erhaltenSie in jeder regionalen Geschäftsstelle oder auf derPROFIBUS Homepage im Internet.

Für PA-Feldgeräte wurde ein spezieller Bereich vonIdentnummern (generische Identnummern) reser-viert: 9700H – 977FH. Alle PA-Feldgeräte, die exaktden Festlegungen des PA-Profils ab Version 3.0entsprechen, dürfen Identnummern aus diesemspeziellen Identnummernbereich benutzen. Durchdie Festlegung dieser generischen Identnummernwird die Geräteaustauschbarkeit der PA-Feldgeräteerhöht. Die Auswahl der für das jeweilige Gerätanzuwendenden Identnummer richtet sich nach Artund Anzahl der vorhandenen Funktionsblöcke. FürPA-Feldgeräte, die mehrere verschiedene Funkti-onsblöcke zur Verfügung stellen (Multi-Variable-Devices), ist die Identnummer 9760H reserviert.Auch für die Bezeichnung der GSD-Dateien dieser

PA-Feldgeräte gelten spezielle Konventionen, dieim Profil für PA-Feldgeräte ausführlich beschreibensind.

7.3 Electronic Device Description (EDD)

Mit der Electronic Device Description (EDD) werdendie Geräteeigenschaften der PROFIBUS-Feldgerätebeschrieben. Die Sprache ist universell anwendbarund ermöglicht die herstellerübergreifende Geräte-beschreibung für einfache Feldgeräte (Sensorenund Aktuatoren) sowie für komplexe Automatisie-rungssysteme. Die Gerätebeschreibungen werdenvom Gerätehersteller in elektronischer Form für dasjeweilige Gerät bereitgestellt. Die EDD-Files werdenvon den Engineering-Tools eingelesen und verein-fachen Konfiguration, Inbetriebnahme und Wartungvon PROFIBUS-Anlagen. Die EDD-Files beschrei-ben einerseits die Variablen und Funktionen einesGerätes und beinhalten andererseits Elemente fürdie Bedienung und Visualisierung. Die vollständigeSpezifikation der EDD-Files kann der PROFIBUS-Richtlinie Nr. 2.152 entnommen werden.

7.4 FDT-Konzept

Im Rahmen der technischen Weiterentwicklungenwird im Fachausschuß „Prozeßautomatisierung“ derPROFIBUS Nutzerorganisation an einem Konzeptfür das anlagenweite Geräte-Engineering gearbei-tet. Das Fieldbus Device Tool (FDT) arbeitet aufBasis der Microsoft COM/DCOM-Technologie undsoll es zukünftig ermöglichen, herstellerneutral aufalle Kommunikations- und Anwendungsmerkmaleeines Gerätes für die anlagenweite Konfigurationsowie für die Bedienung und Diagnose zu zugreifen.

In diesem Konzept werden alle Parameter undOptionen eines Feldgerätes vom Gerätehersteller inForm eines DTM (Device Type Manager) bereitge-stellt. Die bereits heute vorhandenen GSD-Dateienund die EDD-Gerätebeschreibungen sind integralerBestandteil der DTM.

8. Implementierungsmöglichkeiten


8. Implementierungsmöglichkeiten

Für die Implementierung des PROFIBUS-Protokollssteht ein breites Spektrum von Standardkomponten(Basistechnologie) zur Verfügung, das dem Geräte-hersteller eine zeit- und kostenaufwendige Ei-genentwicklung der Protokollsoftware erspart.

Für niedrige bis mittlere Stückzahlen werden kom-plette PROFIBUS-Schnittstellenmodule angeboten.Diese scheckkartengroßen Module realisieren dasgesamte Busprotokoll. Sie werden als Zusatzmodulauf die Grundplatine des Gerätes aufgebracht.

Bei hohen Stückzahlen bietet sich eine individuelleImplementierung auf Basis von PROFIBUS-Protokollchips an. Tabelle 11 gibt eine Übersichtüber die zur Verfügung stehenden Komponenten.Die Entscheidung für einen bestimmten Protokoll-chip hängt wesentlich von der Komplexität desFeldgerätes, der benötigten Performance und demzu realisierenden Leistungsumfang ab.

Für alle dargestellten Implementierungsvariantensind die benötigten Hardware/Software Kompo-nenten von mehreren Herstellern am Markt verfüg-bar, siehe Tabelle 11. Eine vollständige Übersichtder Basistechnologiekomponenten ist im PROFI-BUS Produktkatalog enthalten.

8.1 Implementierung einfacher Slaves

Für einfache E/A-Geräte Geräte bietet sich dieImplementierung mit Single-Chip ASICs an. AlleProtokollfunktionen sind bereits auf dem ASICintegriert. Es wird kein Mikroprozessor oder Soft-ware benötigt. Lediglich die Businterface Treiber derQuarz und die Leistungselektronik sind als externeKomponenten erforderlich. Beispiele sind dasSPM2 ASIC von Siemens, der IX1 Chip von M2Cund der VPCLS-ASIC von PROFICHIP

D/A, A/D0-10 V0/4-20 mA

SIEMENSSIM 1

SIEMENSSPC 4

MitsubishiM16C

Abbildung 21: Beispiel für die Implementierung eines PROFIBUS-Slaves mit IEC 1158-2 Anschluß

He rste l le r Ch ip Typ M e rkm a le FM S DPz u s. µ

co n tro l le r

z u s.

P ro toko l l-

so ftw a re

Ma x .

Ba ud ra te

AG E Agent-PB M as ter/S lave FPG A-bas ierter, universeller P rotok ollc hip 12 M Bit/s

IAM PB M M as ter Peripheriebaustein 3 M Bit/s

M 2C IX1 M as ter/S lave Single Chip oder Peripheriebaus tein 3 M Bit/s

S iemens SP C4 Slave Peripheriebaustein 12 M Bit/s

S iemens SP C3 Slave Peripheriebaustein 12 M Bit/s

S iemens DP C31 SlaveProtokollchip mit integriertem

M ic rocontroller12 M Bit/s

S iemens AS PC2 M as ter Peripheriebaustein 12 M Bit/s

S iemens SP M2 SlaveSingle Chip, 64 E /A direkt an den Chip

ans chließ bar12 M Bit/s

S iemens LSPM 2 SlaveLow Cost S ingle Chip, 32 E /A direk t an

Chip anschließ bar12 M Bit/s

PRO FICHIP VP C3+ Slave Peripheriebaustein 12 M Bit/s

PRO FICHIP VP C LS SlaveLow Cost S ingle Chip, 32 E /A direk t an

Chip anschließ bar12 M Bit/s

Tabelle 11 : Verfügbare PROFIBUS-Protokollchips

Technische Weiterentwicklungen


8.2 Implementierung intelligenter Slaves

Bei dieser Form der Implementierung werden diezeitkritischen Teile des PROFIBUS-Protokolls durcheinen Protokollchip und die verbleibenden Proto-kollteile als Software auf einem Mikrocontrollerrealisiert.Eine Kombination aus Protokollchip und Microcon-troller stellt der DPC31 Chip von Siemens dar. Alsreine Protokollchips stehen zur Zeit u.a. die ASICsSPC3 (Siemens), VPC3+ (PROFICHIP) und IX1(M2C) zur Verfügung. Die genannten ASICs bietenein universelles Interface und arbeiten mit gängigenMikrocontrollern zusammen. Eine weitere Möglich-keit bieten Mikroprozessoren mit einem integriertenPROFIBUS-Kern.

8.3 Implementierung komplexer Master

Auch hier werden die zeitkritischen Teile des PRO-FIBUS-Protokolls durch einen Protokollchip und dieverbleibenden Protokollteile als Software auf einemMikrocontroller realisiert. Für die Implementierungkomplexer Master-Geräte stehen zur Zeit u.a. dieASICs ASPC2 (Siemens), IX1 (M2C) und PBM(IAM) zur Verfügung. Sie können in Kombination mitvielen gängigen Mikroprozessoren betrieben wer-den.

8.4 Implementierung von Geräten mit IEC1158-2 Übertragungstechnik

Bei der Realisierung eines busgespeisten Feldge-rätes mit IEC 1158-2 Übertragungstechnik mußbesonders auf eine geringe Leistungsaufnahmegeachtet werden. Für diese Geräte steht typischer-weise nur ein Speisestrom von 10 mA zur Verfü-gung, mit dem das gesamte Gerät einschließlichder Busanschaltung und der Meßelektronik versorgtwerden muß.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden,stehen spezielle Modem-Chips von Siemens (SIM1) ,Smar (PA-ASIC) und ShipStar (FCHIP1) zurVerfügung. Diese Modems entnehmen die benötigteBetriebsenergie für das gesamte Gerät aus demIEC 1158-2 Busanschluß und stellen sie als Spei-sespannung für die anderen Elektronikkomponen-ten des Gerätes bereit. Häufig eingesetzt wird derSIM1-Chip von Siemens, der mit dem ProtokollchipSPC4 optimal zusammenarbeitet. Eine typischeKonfiguration mit einem branchenüblichen Round-board ist in Bild 21 dargestellt.

Besondere Hinweise für die Realisierung desBusanschlusses für Feldgeräte mit IEC 1158-2Übertragungstechnik können der technischenRichtlinie Nr. 2.091 entnommen werden.

9. Geräte Zertifizierung

Die PROFIBUS-Norm EN 50 170 ist Basis dafür,daß die Geräte miteinander vernetzt werden kön-nen. Damit auch die PROFIBUS-Geräte unter-schiedlicher Hersteller problemlos miteinanderkommunizieren können, hat die PROFIBUS Nut-zerorganisation ein umfassendes Qualitätssiche-rungsverfahren etabliert, bei dem, basierend aufPrüfberichten akkreditierter Prüflaboratorien, Zertifi-kate für geprüfte Geräte ausgestellt werden.

Ziel der Zertifizierung ist es, Anwendern die not-wendige Sicherheit beim gemeinsamen Betrieb vonGeräten unterschiedlicher Hersteller zu geben.Hierzu ist es erforderlich, die unterschiedlichenGeräte in Prüflaboratorien einem umfangreichenTest zu unterziehen. Fehler, die auf Fehlinterpreta-tionen der Norm durch die Geräteentwickler zu-rückgehen, können so vor dem Einsatz erkannt undbeseitigt werden. Auch das Zusammenspiel desGerätes mit anderen zertifizierten Geräten wirdgetestet. Es ist wichtig, daß unabhängige Prüfex-perten den Gerätetest durchführen. Nach einemerfolgreich bestandenen Test kann bei der PROFI-BUS Nutzerorganisation ein Zertifikat beantragtwerden.

Grundlage für die Zertifizierung ist die EN 45000.Wie in dieser Norm festgelegt, hat die PROFIBUSNutzerorganisation Testlabors als herstellerneutralePrüfzentren akkreditiert. Hier findet die Geräteprü-fung statt, welche die Grundlage für die Zertifizie-

Test im Prüflabor

Zertifizierung durch die

PROFIBUS Nutzerorganisation

jeder Gerätetyp

Nein

Ja

OK ?

Abbildung 22: Ablauf einer Zertifizierung



rung ist. Testverfahren und Ablauf der Zertifizierungsind in folgenden PROFIBUS-Richtlinien beschrie-ben:

Prüfvorschriften für Slaves: Nr. 2.032Prüfvorschriften für PA-Feldgeräte: Nr. 2.061Prüfvorschriften für DP-Master: Nr. 2.071

Die Testverfahren für Master und Slave-Geräte sindunterschiedlich und an die Komplexität des Proto-kolls angepaßt. Die Tests bestehen aus einemKonformitäts- und Interoperabilitätstest, der sich inder Praxis bereits vielfach bewährt hat. Der Ablaufeiner Zertifizierung (siehe Abbildung 22) wird imfolgenden anhand eines DP-Gerätes beschrieben.

Bevor die Prüfung beginnen kann, muß der Her-steller bei der PROFIBUS Nutzerorganisation eineIdentnummer beantragen und eine normkonformeGSD-Datei für das Gerät erstellen. Das Prüfverfah-ren wird einheitlich von allen Testlabors eingehal-ten. Die Prüfung wird ausführlich dokumentiert. DieAufzeichnungen stehen dem Hersteller und derPROFIBUS Nutzerorganisation zur Verfügung. DerPrüfbericht gilt als Grundlage für die Erteilung desZertifikats.

Der Hardwaretest nimmt die elektronische Seiteder PROFIBUS-Schnittstelle genauer unter dieLupe: Die Schnittstelle wird auf Übereinstimmungmit der RS-485 Spezifikation hin überprüft; elektri-sche Eigenschaften, wie z.B. die Abschlußwider-stände, die Busschnittstelle und die Leitungspegelwerden getestet. Darüber hinaus wird geprüft, obdie technischen Unterlagen und die Einträge in derGSD-Datei mit den Parametern des Gerätes über-einstimmen.

Der Funktionstest widmet sich dem Buszugriffs-und Übertragungsprotokoll, wie auch der Funktiona-lität des Prüflings. Das Parametrieren und Anpas-sen des Testsystems erfolgt anhand der GSD. Beider Testdurchführung kommt das Black-Box-Testverfahren zum Einsatz, bei dem keine Kennt-nisse über die interne Struktur der Implementierungnotwendig sind. Die beim Prüfling erzeugten Reak-tionen lassen sich am Bus beobachten und perBusmonitor aufzeichnen. Wenn nötig, werden auchdie Ausgänge des Prüflings beobachtet und proto-kolliert. In Prüfsequenzen, bei denen Zeitverhältnis-se des Busses untersucht werden, analysiert dasPrüfpersonal die Aufzeichnung mit einem Busmo-nitor und vergleicht sie mit den Normwerten.

Der Konformitätstest bildet den Testschwerpunkt.Hier wird geprüft, ob die Protokollimplementierungmit der Norm übereinstimmt. Das Sollverhalten ist inSequenzen zusammengefaßt, die sich je nachPrüfling parametrieren lassen. Das Ist-Verhaltenwird analysiert, mit dem Soll-Verhalten verglichenund das Ergebnis in eine Protokolldatei geschrie-ben.

• Verhalten in Fehlerfällen: Für diesen Zweckwerden Busstörungen, wie Busunterbrechung,Kurzschluß der Busleitung und Ausfall der Ver-sorgungsspannung, simuliert.

• Adressierbarkeit: Der Prüfling wird unter dreibeliebigen Adressen innerhalb des Adressbe-reichs angesprochen und auf einwandfreieFunktion getestet.

• Diagnosedaten : Die Diagnosedaten müssen mitdem Eintrag in der GSD und der Norm überein-stimmen. Dazu ist ein externes Auslösen derDiagnose notwendig.

• Mischbetrieb: Bei Kombi-Slaves wird die Funk-

tion mit einem FMS- und DP-Master geprüft.

Beim Interoperabilitäts- und Belastungstest wirddas Zusammenwirken mit mehreren PROFIBUS-Geräten anderer Hersteller in einer Multivendor-Anlage getestet. Es wird überprüft, ob die Funkti-onsfähigkeit der Gesamtanlage erhalten bleibt,wenn man die Anlage um den Prüfling erweitert.Weiterhin wird der Betrieb mit unterschiedlichenMastern getestet.

Hat ein Gerät alle Tests erfolgreich durchlaufen,kann der Hersteller ein Zertifikat bei der PROFIBUSNutzerorganisation beantragen. Jedes zertifizierteGerät erhält eine Zertifizierungs-Nummer als Refe-renz. Das Zertifikat hat eine Gültigkeit von 3 Jahrenund kann nach einer erneuten Prüfung auch verlän-gert werden. Die Adressen der PROFIBUS Prüfla-bors entnehmen Sie bitte dem PROFIBUS Produkt-katalog oder der PROFIBUS Homepage im Internet:http://www.profibus.com .



10. Technische Weiterentwicklungen

Die PROFIBUS Nutzerorganisation hat zum Zeit-punkt der Veröffentlichung dieser Broschüre zahl-reiche technische Weiterentwicklungen initiiert. Zielist es, PROFIBUS mit neuen Funktionen auszu-statten, um zusätzliche Anwendungsfelder zuerschließen. PROFIBUS soll damit weiter zumStandardfeldbus für nahezu alle industriellen An-wendungsbereiche ausgebaut werden.

Waren noch vor wenigen Jahren Einsparungenvon 40 % Verkabelungskosten durch den Einsatzvon Feldbustechnik in einer Anlage sensationell, soist dies heute selbstverständlich geworden. Jetztgilt es, die Engineering-Kosten weiter zu reduzie-ren und den Einsatzbereich zu erweitern, um über-all dort, wo heute noch Spezialbusse im Einsatzsind, ein einheitliches, transparentes Kommunika-tionssystem zu nutzen. Dadurch werden weiteresignifikante Einsparungen bei der Ersatzteilhaltung,Inbetriebnahme, Schulung und Wartung erzielt unddie Konkurrenzfähigkeit der Maschinen und Anla-gen auf dem Weltmarkt nochmals deutlich erhöht.Angesichts einer installierten Basis von mehr als 3Millionen Geräten wird bei der Weiterentwicklungvon PROFIBUS größter Wert auf Kompatibilität mitden bereits im Einsatz befindlichen Geräten gelegt.

PROFIBUS & EthernetDiese PROFIBUS-Innovation betrifft die offene,transparente Kopplung zwischen PROFIBUS undEthernet. PROFIBUS trägt so dem Trend zur unter-nehmensweiten Datenkommunikation von den Leit-und Steuerungssystemen bis hinunter auf dieEbene der dezentralen Feldgeräte Rechnung. DiePROFIBUS Nutzerorganisation wird diesen Weg indrei Stufen realisieren:

• Abbildung von Engineering-Diensten von PRO-FIBUS auf TCP/IP, Zugriff auf das Prozeßab-bild, Parametrierungs- und Diagnosedaten so-

wie die Definition der entsprechenden Softwa-reschnittstelle auf der Basis von OPC. Für denAnwender sind damit PROFIBUS-Geräte welt-weit über Ethernet und Internet zu projektierenund zu überwachen. Prozeß-, Parametrierungs-und Diagnosedaten von Feldgeräten stehensomit auch für die in der Office-Welt bekannteSoftware zur Verfügung.

• Direktes Routing von TCP/IP auf den PROFI-BUS. Internet-Technologie und die Microsoft-Welt halten Einzug in die Feldgeräte. So wer-den z.B. Webserver in Feldgeräten möglich. Mi-crosoft basierende Betriebssysteme in komple-xen Feldgeräten können auf bekannte Diensteund Services zurückgreifen.

• Komplexe Feldgeräte stellen sich als verteilte,objektorientierte Systeme dar. Einfache Feldge-räte können über Stellvertreterkonzepte (Proxy-Server) in diese Welt eingebunden werden. DieVision – das Nebeneinander einfacher dezen-traler Feldgeräte mit komplexen Systemen –wird in dieser Phase noch aktiver unterstützt.Standardisierte Zugriffe erlauben die hierfürnotwendigen Services und damit die Ver-schmelzung von PROFIBUS und Ethernet.

Neue Funktionen für Motion ControlEine weitere Innovation betrifft den Bereich derdrehzahlveränderbaren elektrischen Antriebe.Gemeinsam mit den führenden Antriebsherstellernhat die PROFIBUS Nutzerorganisation sich zum Zielgesetzt, jetzt auch die Steuerung schneller Bewe-gungsabläufe über den PROFIBUS zu ermöglichen.Digitale Regelkreise können mit den neuen Funk-tionen zukünftig über PROFIBUS geschlossenwerden. Dabei gilt es, die Takte der Applikations-software im überlagerten System, die Busübertra-gung und die Takte der Applikationssoftware in denAntrieben zu synchronisieren.Diese technischen Anforderungen sollen durch

2001PROFIBUS mit Web-/DCOM-Kommunikation

2001PROFIBUS mit Web-/DCOM-Kommunikation

TCP/IP-RoutingTCP/IP-Routing

PROFIBUSPROFIBUS

Ethernet TCP/IPEthernet TCP/IP

Internet

2000Leitsystemzugriff aufPROFIBUS-Teilnehmer

RemoteProcedureCall (RPC)

ZukunftKomplexe Feldgeräte auchan Ethernet

ZukunftKomplexe Feldgeräte auchan Ethernet

Abbildung 23: Integration von Ethernet in die Kommunikation mit PROFIBUS



Ergänzung neuer Funktionen im PROFIBUS-Protokoll für die Taktsynchronisation und denQuerverkehr zwischen den Slaves (Antrieben)realisiert werden.

Es wird angestrebt, zwölf Achsen mit einer Buszy-kluszeit von weniger als zwei Millisekunden syn-chron zu betreiben und dazu auch - ohne den Taktzu stören - azyklische Parameterzugriffe für Bedien-Beobachtungs- sowie für Engineering-Aufgaben zuermöglichen.

Diese Weiterentwicklung wurde notwendig, da mitden heute verfügbaren offenen Feldbussen nichtalle Anforderungen in der elektrischen Antrieb-stechnik mit einem System realisiert werden konn-ten. Gilt es beispielsweise neben der Antriebssteue-rung auch dezentrale I/Os einzulesen oder Anzeige-und Bedienfunktionen über den Bus zu realisieren,muß der Anwender heute noch die Funktionen aufmehrere Busse aufteilen. Die neuen PROFIBUS-Funktionen für Motion Control werden die Funktio-nalität von PROFIBUS so erweitern, daß demAnwender der Einsatz spezieller Antriebsbusse invielen Anwendungen erspart bleibt.

Die Taktsynchronisation wird durch die Verwen-dung eines äquidistanten Taktsignals auf demBussystem realisiert. Dieser zyklische, äquidistanteTakt wird als Global-Control-Telegramm vom Ma-ster an alle Busteilnehmer gesendet. Master undSlave können somit ihre Applikationen auf diesesSignal synchronisieren. Für die Antriebstechnik

bildet die taktsynchrone Kommunikation die Basiszur Antriebssynchronisation. Dabei wird nicht nurder Telegrammverkehr auf dem Bussystem ineinem äquidistanten Zeitraster realisiert, sondernauch die internen Regelalgorithmen, wie beispiels-weise Drehzahl- und Stromregler im Antrieb bzw.Regler, werden im übergeordneten Automatisie-rungssystem zeitlich zueinander synchronisiert. Fürdie typischen Antriebsapplikationen ist es erforder-lich, daß der Jitter des Taktsignals von Zyklus zuZyklus kleiner als 1 µs ist. Größere Abweichungenwerden als Taktausfall gewertet und nicht verar-beitet. Fällt der Takt einmal aus, muß der folgendeTakt wieder im Raster liegen. Die Einstellung desSystemtaktes erfolgt bei der Busprojektierungdurch den Anwender.

Einfache Standard-Slaves, wie z.B. dezentrale I/O-Baugruppen, können an diesem taktsynchronenBus ohne Änderungen teilnehmen. Durch Anwen-dung der heute bereits zur Verfügung stehendenFunktionen Sync und Freece werden die Ein- undAusgabedaten zum Taktzeitpunkt eingefroren undim nächsten Zyklus übertragen. Voraussetzung fürdie Taktsynchronität im Gesamtsystem ist, daß dieAnzahl der Master am Bus auf einen DP-MasterKlasse 1 (dem Automatisierungssystem) und einenDP-Master Klasse 2 (dem Engineering-Tool) be-grenzt wird.

Zur Realisierung des Querverkehrs zwischen denSlaves wird das sogenannte Publisher-/Subscriber-Modell verwendet. Als Publisher deklarierte Slavesstellen ihre Eingangsdaten anderen Slaves, den

Buszykluszeit mit Taktsynchronisation

1 Master Klasse 112 MBit/s 4 Achsen ca. 1 ms 8 Achsen < 2ms 16 Achsen ca. 2 ms 32 Achsen < 4 ms 64 Achsen < 8 ms

mit 1 Master Klasse 2 zusätzl. ca. 0,5 ms

Taktjitter << 1µs 012345678

4 8 16 32 64

8 Byte

16 Byte32 Byte64 Byte

Achsen

Bustakt in ms

Nutzdatenje Antrieb

Abbildung 24: Mit den Funktionserweiterungen für Motion Control werden zukünftig auch extrem schnelle Bewe gungssteuerungen über PROFIBUS realisierbar

Ausblick/Abkürzungsverzeichnis


Subscribern, zum Mitlesen zur Verfügung. DieQuerverkehrs Kommunikation erfolgt zyklisch.

Bestehende Slaves, bei denen die Protokollerwei-terungen noch nicht implementiert sind, könnenuneingeschränkt mit Antrieben, die die neuenFunktionen bereits unterstützen, an einem Bus-segment betrieben werden. Die Spezifikation derFunktionen und Dienste berücksichtigt auch dieeinfache Implementierung mit verfügbaren ASICsauf Master- und Slave-Seite.

Die Umsetzung in die Spezifikation von PROFIBUSwurde Anfang 1999 gestartet. Es ist beabsichtigt,das erweiterte PROFIDRIVE-Profil noch in 1999 zuveröffentlichen und die Erweiterungen im DP Pro-tokoll bis Anfang 2000 auszuarbeiten.

11. Ausblick

PROFIBUS hat seine Betriebsbewährung in vielentausend Anwendungen in der Fertigungs-, Gebäu-de- und Prozeßautomatisierung erfolgreich be-standen. Hohe Kosteneinsparungen, verbesserteFlexibilität und eine größere Verfügbarkeit derSysteme sind die Hauptgründe, warum sich welt-weit immer mehr Anwender für PROFIBUS ent-scheiden. Aus einem Produktspektrum von über2000 verfügbaren Produkten und Dienstleistungenkönnen Anwender jederzeit das preiswerteste undbeste Produkt für ihre Automatisierungsaufgabeauswählen.

Durch kontinuierliche technische Weiterentwick-lung wird PROFIBUS auch zukünftigen Anforde-rungen angepaßt. PROFIBUS übernimmt neueFunktionen, die vormals nur durch Spezialbusserealisiert werden konnten. Für Anwender hat diesden Vorteil, daß sie PROFIBUS für nahezu alleindustriellen Kommunikationsaufgaben einsetzenkönnen.

Auf Grund der weltweiten Akzeptanz ist in Kürze zuerwarten, daß die PROFIBUS-Technologie in dieinternationale Norm IEC 61158 aufgenommen undals internationaler Feldbusstandard anerkannt wird.

ASIC Applikationsspezifischer integrierter Schaltkreis

CR Communication Reference

Lokale Kurzbezeichnung einer Kommunikationsbe-ziehung bei FMS

CRL Communication Reference List

Enthält eine Liste aller Kommunikationsbeziehun-gen eines FMS-Gerätes

DP Dezentralized Periphery

Dezentrale Peripherie

DPM1 DP-Master (Klasse 1)

Der DPM1 ist das zentrale Automatisierungsgerätbei DP

DPM2 DP-Master (Klasse 2)

Der DPM2 ist ein Projektierungs- oder Konfigura-tions-Gerät bei DP

EDD Electronic Device Description

Elektronische Gerätebeschreibung

DL Fieldbus Data Link

FDL ist die Bezeichnung der Datensicherungs-schicht (2) bei PROFIBUS

FMS Fieldbus Message Specification

Definition der Applikations-Dienste bei FMS

FDT Fieldbus Device Type

Herstellerunabhängige Methode für das Geräte-Engineering

GSD Geräte-Stamm-Daten

Elektronisches Gerätedatenblatt das die Kommuni-kationsparameter eines Gerätes enthält

HMI Human Machine Interface

Bedien- und Beobachtungsgeräte

LLI Lower Layer Interface

Das LLI ist ein Teil der Anwendungsschicht (7) beiPROFIBUS-FMS

MAC Medium Access Control

Die MAC bestimmt, wann ein Gerät das Rechterhält, Daten zu senden

OD Object Dictionary

Das Objektverzeichnis enthält die Beschreibungaller Kommunikationsobjekte eines FMS-Gerätes

PA Process Automation

PA ist die PROFIBUS Variante für die Prozeßau-tomatisierung

SAP Service Access Point

Dienstzugangspunkt in der PROFIBUS Schicht 2

12. Abkürzungsverzeichnis

Copyright by: PROFIBUS Nutzerorganisation e.V. Haid-und-Neu-Str. 7 D-76131 Karlsruhe Telefon ++ 49 721 / 96 58 590 Fax: ++ 49 721 / 96 58 589 e-mail: [email protected] http://www.profibus.com

profibus - htw-dresden.dehuhle/micros/mc-docs/profibus_old.pdf · die profibus technologie 3...

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