Alles an einem Bus

Dipl.-Ing. Claude Hestroffer

Spezifische Branchenbedürfnisse und Herstellerinteressen haben über die Jahre zahlreiche Feldbussysteme mit jeweils eigener Ausprägung entstehen lassen, die trotz aller Verschiedenheiten in der IEC 61158 und IEC 61784-1 zusammengefasst sind. Profibus nimmt dabei allerdings eine attraktive Sonderstellung ein, da bei seiner Entwicklung von Beginn an alle Branchen der Fertigungs- und Prozessindustrie und alle Anwendungen vom Wareneingang bis zur Qualitätskontrolle berücksichtigt wurden und er daher durchgängig für alle Automatisierungsaufgaben eingesetzt werden kann. Aus diesem Grunde hat die häufig gebrauchte Unterscheidung zwischen Fertigungs- und Prozessautomatisierung für Profibus nur geringe Relevanz.

Profibus realisiert dieses Alleinstellungsmerkmal durch seinen modularen Aufbau, der eine für alle Einsatzfälle einheitliche Kommunikationstechnologie je nach Anwendungsfall mit Applikationsprofilen und angepassten physikalischen Übertragungsmedien zu durchgängigen Lösungen kombiniert. Diese Universalität, verbunden mit modernen Technologien und leistungsfähigen Herstellern, hat Profibus mit jetzt über 10 Mio. installierten Geräten zum klaren Marktführer der industriellen Kommunikation gemacht.

Die Universalität (Durchgängigkeit) von Profibus bewährt sich besonders bei den für die Prozess- und Verfahrenstechnik typischen hybriden Produktionsanlagen. Hier enthält die Wertschöpfungskette neben der eigentlichen Produktion mit ihren Batch- oder kontinuierlichen Abläufen (Main process) immer auch vorgelagerte diskrete Bereiche wie Anlieferung, Rohstofflager oder Dosiersysteme (Inbound logistics) und nachgelagerte Bereiche am Ende der Produktionskette (Outbound logistics) mit Wägesystemen oder Verpackungsmaschinen. Zahlenmäßig bilden diese diskreten Anwendungen sogar oft die Mehrzahl. Zusätzlich sind explosionsgefährdete Zonen mit der Forderung nach Eigensicherheit ebenso zu berücksichtigen wie sicherheitsrelevante Anwendungen. Und die Vielfalt der eingesetzten Geräte reicht vom einfachen Schalter oder konventionellen 4…20-mA-Gerät bis zum komplexen Prozessgerät und von Antrieben und Fre-quenzumformern bis hin zu Sicherheitseinrichtungen wie Lichtgitter oder Scanner.

Dieses Marktsegment Hybridindustrie wird von Profibus durchgängig abgedeckt: Profibus DP dient dabei als einheitlicher High-Speed-Backbone mit einer hohen Übertragungsrate von bis zu 12 Mbit/s, an den alle Geräte bzw. Gerätearten von Inbound logistics über Main Process bis Outbound logistics angeschlossen werden. Die eigensicheren Feldgeräte werden dabei in Segmenten zusammengefasst und erfüllen in diesen die speziellen Forderungen der Verfahrenstechnik nach eigensicherer Stromversorgung über den Bus und Austauschbarkeit während des Betriebs. Dieses angepasste physikalische Übertragungsmedium und das Applikationsprofil PA Devices, das ein gleichartiges Verhalten der Prozessgeräte gewährleistet, wird mit Profibus PA (Prozessautomatisierung) bezeichnet. Der Anschluss an Profibus DP erfolgt über Koppler, die die physikalische Umsetzung von Profibus DP auf die eigensichere und zur Busspeisung der Geräte geeigneten Schnittstelle MBP (Manchester Coded, Bus Powered) mit einer Übertragungsrate von 31,5 Kbit/s übernehmen, das Kommunikationsprotokoll bleibt unverändert. Damit ist der Übergang von Profibus DP auf Profibus PA nahtlos gestaltet, es erfolgt kein Systembruch und keine Protokollumsetzung, wie es bei anderen Feldbussystemen erforderlich ist.

Eigensichere Geräte sind für den Anlagenbetrieb in explosionsgefährdeten Zonen eine unabdingbare Voraussetzung, der seitens Profibus in doppelter Weise Rechnung getragen wird: Mit der Schnittstelle MBP-IS und der Kombination aus Profibus DP und Profibus PA steht die Lösung in Zweileiter-Technik gemäß IEC-Standard zur Verfügung. Insbesondere beim Einsatz von Remote-I/O-Stationen besteht jedoch Interesse, wegen ihrer höheren Datenrate auch die RS485-Schnittstelle im eigensicheren Bereich einsetzen zu können. Profibus hat hierfür die Variante RS485-IS in der Zündschutzart EEx i spezifiziert, die ebenfalls eine einfache Austauschbarkeit der Geräte beinhaltet. Eine für den Anwender große Zeitersparnis bei Planung und Implementierung eigensicherer Segmente wird durch Modelle mit Festlegungen von Gerätedaten ermöglicht, bei deren Beachtung die Eigensicherheit einer Installation (beim ersten Aufbau ebenso wie bei späteren Änderungen) ohne aufwändige Berechnungen und Genehmigungsverfahren gewährleistet ist. Für die MBP-IS ist dies das Fisco-Modell, das für die Betrachtung der Eigensicherheit von nur einer aktiven Quelle (dem Speisegerät) je Segment ausgeht. Für RS485-IS sind die entsprechenden Randbedingungen in der Profibus-International-Richtlinie 2.262 festgelegt. Im Unterschied zu Fisco stellen hier alle Busteilnehmer aktive Quellen dar. Profibus macht die Realisierung eigensicherer Feldbussegmente für den Anwender einfach und zeiteffizient. Die Wahlmöglichkeit zwischen zwei Schnittstellen bietet Flexibilität gegenüber der Aufgabenstellung und die Festlegungen gemäß Fisco in IEC bzw. Profibus-Richtlinie 2.262 sparen Kosten und schaffen Erleichterungen von der Planung bis zur Inbetriebnahme eigensicherer Installationen.

Zwischen der bei Eigensicherheit geforderten Strombegrenzung und dem Anwenderwunsch nach möglichst hoher Gerätezahl an einem Segment besteht ein grundsätzliches Dilemma, das bei Profibus durch die Technik der Feldbusbarriere gelöst wird. Diese bedient sich dafür eines Mischkonzeptes zwischen den Zündschutzarten Erhöhte Sicherheit und Eigensicherheit, wobei berücksichtigt wird, dass Eigensicherheit in einer Anlage nur dort sinnvoll ist, wo während des Betriebes Änderungen oder Instandhaltungsmaßnahmen durchgeführt werden müssen. Daher wird die im Feld montierte Feldbusbarriere mit einem hohem Speisestrom von beispielsweise 400 mA in EEx e versorgt, der dann von der Barriere auf die in EEx i ausgeführte Anschlussleitungen für Feldgeräte mit zum Beispiel 40 mA verteilt wird. Die Verwendung mehrerer solcher Barrieren am gleichen Speisegerät bietet volle Ausnutzung der pro Segment zulässigen Gerätezahl.

Für den konkreten Anwendungsfall bietet Siemens neben dem Prozessleitsystem Simatic PCS7 eine komplette Produktlandschaft von Feldbusgeräten für die Prozessautomatisierung. Diese Komponenten sind nahtlos in PCS7 integriert und beruhen auf der durchgängigen Automatisierungsplattform Totally Integrated Automation. Beispielsweise ist das eigensichere und modulare dezentrale Peripheriesystem Simatic ET 200iSP eine Remote-I/O, das direkt an Profibus DP angeschlossen wird. Es ist besonders flexibel, einfach bei Engineering, Montage und Verkabelung und kann auch redundant betrieben werden. Mit ET 200iSP lassen sich auch bereits getätigte Investitionen sichern, denn Hart-Geräte können nahtlos in den Profibus eingebunden werden. Mit Sitrans F wird auf der anderen Seite ein multivariables Prozessinstrument angeboten, das die Funktion von drei herkömmlichen 4…20-mA-Gebern abdecken kann. In einem einzigen Gerät wird nämlich der Istdurchsatz, der Gesamtdurchsatz (vorwärts, rückwärts, rücksetzen) und die Temperatur gemessen und über Profibus PA an das Leitsystem übertragen.

Sicherheitsrelevante Lösungen wurden in der Vergangenheit hardware-basiert mit separater Verdrahtung und speziellen Komponenten in einer zweiten Ebene oder über Spezialbusse ausgeführt, eine kostspielige und zeitaufwändige Lösung. Profibus hat hier, durch Integration der Sicherheitsfunktionen in die Geräte selbst, eine entscheidende Wende eingeleitet. Das in Software ausgeführte Applikationsprofil Profisafe wird in den ansonsten unverändert bleibenden Standardgeräten zusätzlich implementiert und ermöglicht so den Betrieb von Standard- und sicherheitsgerichteten Anwendungen bis SIL 3 an ein und demselben Bus. Profisafe ist offen für Profibus DP und Profibus PA.

Innovationen in der Prozessindustrie verlaufen häufig durch stufenweise Modernisierung bestehender Einrichtungen. Gründe hierfür sind die lange Lebensdauer und das hohe Investitionsvolumen verfahrenstechnischer Anlagen, die eine kurzfristige komplette Neuerrichtung verbieten. Bewährtes nicht verwerfen, Neues mit Bedacht einführen, diesen Grundsatz der Betreiber hat Profibus aufgegriffen. Die weitaus meisten prozesstechnischen Anlagen sind noch immer mit 4…20-mA-Geräten einschließlich Hart-Funktionalität ausgerüstet. Die Entwicklung der Remote-I/O-Technik sowie vor allem der Profibus-Applikationsprofile „Hart on Profibus“ und „RIO for PA“ schaffen die Voraussetzungen, diese Geräte mit Profibus-Systemen zu migrieren und damit die Feldbustechnik einzuführen, ohne früher getätigte Investitionen zu gefährden. Der Anwendernutzen besteht in der kostenoptimierten, stufenweisen Modernisierung oder Erweiterung bestehender Anlagen mit Feldbustechnik. Noch betriebsfähige Anlagenteile werden unverändert weitergenutzt, neue Anlagenteile werden in Feldbustechnik ausgeführt, Systembrüche entstehen dadurch nicht.

Profibus in der Prozessindustrie ist nur ein Kapitel in der Erfolgsstory von Profibus, aber auch ein sehr erfolgreiches. So wie Profibus mit 10 Mio. installierten Knoten heute insgesamt die Weltmarktführerschaft bei Feldbussystemen inne hat, so ist das mit etwa 1,6 Mio. Knoten – als Summe aller Prozessapplikationen mit der Lösung Profibus PA als Teilmenge in eigensicheren Bereichen – auch in der Prozessindustrie der Fall. Und das zu Recht, denn der vielfältige Anwendernutzen, der aus Durchgängigkeit, Technologie und Innovationskraft von Profibus resultiert, ist eindeutig.

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