PROFIBUS
Ausgereifter, weit verbreiteter Feldbus der Industrie-Automation mit planbaren Zykluszeiten.
Das ist der Aufbau: zwei aktive Master oben, darunter drei passive Feldgeräte an einem Feldbus. Jedes Gerät hat eine feste Adresse.
In 30 Sekunden
PROFIBUS ist ein Feldbus (ein Kommunikationssystem, über das eine Steuerung mit Sensoren und Aktoren in der Anlage spricht). Eine zentrale Steuerung (der Master) fragt reihum alle angeschlossenen Geräte (die Slaves) ab und tauscht mit ihnen Prozessdaten aus. Weil dieses Abfragen einem festen, wiederkehrenden Muster folgt, sind die Antwortzeiten vorhersagbar (deterministisch) – wichtig, wenn eine Maschine zuverlässig im Takt laufen muss. PROFIBUS ist seit den 1990er-Jahren im Einsatz, sehr robust und in unzähligen Fabriken verbaut. Es gilt heute als bewährte, reife Technik und als Vorläufer des moderneren, Ethernet-basierten PROFINET.
Stellen Sie sich einen Lehrer vor, der im Unterricht der Reihe nach jeden Schüler einzeln aufruft und dessen Antwort abholt. Es redet nie jemand dazwischen, darum weiss man immer genau, wann wer an der Reihe ist und wie lange eine Runde dauert. Genau so fragt der PROFIBUS-Master seine Geräte ab: einer nach dem anderen, in fester Reihenfolge, ohne Gedränge auf der Leitung.
Wo trifft man PROFIBUS an?
Fertigungs- und Maschinenautomation
Der Klassiker: Eine Steuerung (SPS) verbindet Antriebe, Ventile und Sensoren einer Maschine. Beispiel: In einer Abfüllanlage meldet ein Sensor 'Flasche in Position', worauf die Steuerung das Füllventil öffnet.
Dezentrale Peripherie (PROFIBUS DP)
Statt Hunderte Kabel einzeln zur zentralen Steuerung zu ziehen, sammeln Ein-/Ausgabemodule direkt vor Ort die Signale und geben sie über ein einziges Buskabel weiter. Beispiel: Ein Schaltschrank an der Förderstrecke bündelt alle Lichtschranken und schickt sie gebündelt zur SPS.
Prozessautomation (PROFIBUS PA)
Für Chemie, Öl, Gas und Pharma gibt es die Variante PA, die eigensicher ist (die Energie auf dem Kabel ist so begrenzt, dass sie keine Explosion auslösen kann). Beispiel: Ein Druckmessumformer in einem Ex-Bereich (explosionsgefährdete Zone) wird über dasselbe Kabel versorgt und ausgelesen.
Antriebstechnik
Frequenzumrichter und Servoantriebe erhalten ihre Sollwerte und melden Ist-Werte über den Bus zurück. Beispiel: Die Steuerung gibt einem Motor die Drehzahl vor und liest laufend dessen tatsächliche Drehzahl und Störmeldungen aus.
Verfahrenstechnik und Anlagenbau
In grossen, weiträumigen Anlagen verbindet der Bus Messtechnik über lange Strecken mit dem Leitsystem. Beispiel: In einem Klärwerk übermitteln Füllstands- und Durchflussmesser ihre Werte über eine gemeinsame Leitung an die Leitwarte.
Bestehende Anlagen und Retrofit
Weil unzählige Anlagen mit PROFIBUS gebaut wurden, bleibt es bei Wartung, Erweiterung und Ersatzteilbeschaffung präsent. Beispiel: Ein defektes Feldgerät in einer 15 Jahre alten Linie wird durch ein neues PROFIBUS-DP-Gerät ersetzt, ohne die Verkabelung zu ändern.
Gut geeignet für
- Für Anlagen, die planbare, gleichmässige Zykluszeiten brauchen, weil der Master seine Geräte in fester Reihenfolge abfragt und die Antwortzeiten dadurch vorhersagbar (deterministisch) sind.
- Für raue Industrieumgebungen, weil die robuste RS-485-Verkabelung (ein störunempfindliches, zweiadriges Bussystem) auch bei elektrischem 'Lärm' von Motoren und Umrichtern zuverlässig funktioniert.
- Für herstellerübergreifende Projekte, weil jedes Gerät mit einer GSD-Datei (einer standardisierten Gerätebeschreibung) geliefert wird, sodass Engineering-Werkzeuge Geräte verschiedener Marken einbinden können.
- Für explosionsgefährdete Bereiche in der Prozessindustrie, weil die Variante PROFIBUS PA eigensicher ist und Gerät über nur ein Kabel zugleich versorgt und ausliest.
- Für Bestandsanlagen und Ersatzbeschaffung, weil die Technik seit Jahrzehnten etabliert ist und Geräte, Wissen und Werkzeuge breit verfügbar sind.
Weniger geeignet für
- Für Neuanlagen, die durchgängig Ethernet nutzen sollen, weil PROFIBUS ein eigenes Bussystem ist und nicht direkt im Firmennetz mitläuft; besser passt hier PROFINET, das dieselbe Gerätewelt auf Ethernet bringt.
- Für sehr schnelle, hochsynchrone Bewegungsführung (etwa koordinierte Mehrachs-Antriebe im Mikrosekunden-Bereich), weil die klassische PROFIBUS-Datenrate dafür an ihre Grenzen kommt; besser passen hier EtherCAT oder PROFINET IRT.
- Für sehr grosse Datenmengen wie Kamera- oder Diagnosestreams, weil PROFIBUS für kompakte, zyklische Prozessdaten ausgelegt ist und keine hohen Bandbreiten bietet; besser passt hier ein Ethernet-basiertes Protokoll.
- Für die Anbindung einzelner, einfacher Sensoren und Aktoren an der Maschine, weil dafür der Aufwand eines Feldbusses oft zu gross ist; besser passt hier IO-Link, das einzelne Geräte günstig und digital anbindet.
Fakten
- Process Field Bus (PROFIBUS)
- IEC 61158 / IEC 61784, gepflegt von PROFIBUS & PROFINET International (PI)
- RS-485 (geschirmtes, verdrilltes Zweidraht-Kabel); PROFIBUS PA über zweiadrige, eigensichere Leitung
- Master-Slave-Abfrage; zwischen mehreren Mastern per Token-Passing (ein umlaufendes Senderecht)
- 9,6 kbit/s bis 12 Mbit/s (RS-485, abhängig von Leitungslänge); PROFIBUS PA 31,25 kbit/s
- je Segment bis ~1200 m bei niedriger Rate, ~100 m bei 12 Mbit/s; mit Repeatern erweiterbar
- bis zu 126 Adressen je Bus, max. 32 Geräte je Segment ohne Repeater
- DP (dezentrale Peripherie, schnell) und PA (Prozessautomation, eigensicher)
Im Detail
Master, Slaves und Token-Passing
PROFIBUS arbeitet nach dem Master-Slave-Prinzip. Der Master (meist eine speicherprogrammierbare Steuerung, SPS) hat die Kontrolle und fragt seine Slaves – die Feldgeräte wie Sensoren, Antriebe oder Ein-/Ausgabemodule – der Reihe nach ab. Ein Slave sendet nur, wenn er gefragt wird. Gibt es mehrere Master an einem Bus (etwa eine Steuerung und ein Diagnosegerät), reichen diese ein umlaufendes 'Senderecht' weiter, das sogenannte Token. Nur wer das Token hat, darf den Bus als Master nutzen. Dadurch redet nie jemand dazwischen, und die Kommunikation bleibt geordnet und vorhersagbar.
Warum das planbare Zeiten ergibt
Weil der Master seine Geräte in einer festen Runde abfragt, wiederholt sich der Ablauf gleichmässig. Man kann im Voraus berechnen, wie lange ein kompletter Durchlauf (ein Buszyklus) dauert. Diese Vorhersagbarkeit nennt man Determinismus – sie ist der Grund, warum sich PROFIBUS für Maschinen eignet, die zuverlässig im Takt reagieren müssen. Im Gegensatz dazu stünde ein System, bei dem Geräte einfach 'losreden', wenn sie etwas mitzuteilen haben, und man nie sicher wüsste, wann die Leitung frei ist.
DP und PA – zwei Welten, ein Konzept
PROFIBUS DP (dezentrale Peripherie) ist die schnelle, weit verbreitete Variante für die Fertigungs- und Maschinenautomation. Sie holt Ein- und Ausgangssignale dezentral vor Ort ab und spart so viel Verkabelung. PROFIBUS PA (Prozessautomation) ist auf die Prozessindustrie zugeschnitten: Es überträgt Daten langsamer, versorgt Geräte aber über dasselbe Kabel mit Energie und ist eigensicher – die elektrische Leistung ist so begrenzt, dass in explosionsgefährdeten Bereichen (Ex-Zonen) kein zündfähiger Funke entstehen kann. DP und PA lassen sich über Koppler verbinden, sodass beide Welten in einer Anlage zusammenspielen.
GSD-Dateien: Geräte, die sich vorstellen
Jedes PROFIBUS-Gerät bringt eine GSD-Datei mit (Gerätestammdaten, englisch General Station Description). Das ist eine standardisierte Textdatei des Herstellers, die beschreibt, welche Daten das Gerät liefert und erwartet, welche Datenraten es kann und wie es einzustellen ist. Das Planungswerkzeug liest diese Datei ein und bindet das Gerät ein, ohne dass man dessen Innenleben kennen muss. So können Geräte verschiedener Hersteller im selben Netz zusammenarbeiten.
Verhältnis zu PROFINET
PROFIBUS und PROFINET stammen aus derselben Organisation (PROFIBUS & PROFINET International), sind aber technisch unterschiedlich. PROFIBUS ist ein eigener Feldbus auf RS-485-Kabeln. PROFINET ist der Nachfolger auf Basis von Industrial Ethernet: Es nutzt dieselbe Netzwerktechnik wie Büro-Computer, ist schneller, erlaubt grössere Netze und lässt sich einfacher mit der IT verbinden. Für Neuanlagen wird heute meist PROFINET gewählt. PROFIBUS bleibt aber wegen der riesigen installierten Basis, seiner Robustheit und der eigensicheren PA-Variante weiter präsent – oft laufen beide über Koppler oder Gateways parallel.
Stärken und Grenzen im Alltag
PROFIBUS ist ausgereift, störfest und breit unterstützt; Ersatzteile, Fachwissen und Diagnosewerkzeuge sind gut verfügbar. Grenzen zeigen sich bei sehr grossen Datenmengen, bei hochsynchronen Bewegungsaufgaben mit vielen Achsen und dort, wo eine durchgängige Ethernet-Infrastruktur gewünscht ist. In solchen Fällen greift man zu PROFINET oder EtherCAT; für die einfache Anbindung einzelner Sensoren an der Maschine ist oft IO-Link die schlankere Wahl.