Wat is PROFIBUS en hoe werkt het?
Mark van de Waal | 11 oktober 2023
Fabrieksautomatisering wordt onvermijdelijk lastiger te implementeren naarmate fabrieken groter en geavanceerder worden. Het leggen van kabels van een controlekamer naar elk veldapparaat in de fabriek zorgt voor onnodig werk en drijft de kosten op. PROFIBUS-netwerken lossen dit probleem echter op door I/O-verbindingen naar de fabrieksvloer te brengen, zodat er geen ingewikkelde kabeloplossingen meer nodig zijn die de hele fabriek omspannen. Lees verder voor meer informatie over PROFIBUS en waarom het een toonaangevende optie blijft voor fabrieksautomatisering.
Wat is PROFIBUS?
PROFIBUS (Process Field Bus) werd oorspronkelijk in 1989 ontwikkeld als een manier om communicatie tot stand te brengen tussen veldsensoren en besturingssystemen in fabrieken. Tegenwoordig worden twee verschillende soorten PROFIBUS-protocollen gebruikt: PROFIBUS DP (decentrale periferie) en PROFIBUS PA (procesautomatisering).
Andere varianten zijn PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification) – dat in 1993 werd vervangen door PROFIBUS DP – en PROFINET. Technisch gezien is PROFINET een volledig apart protocol dat via ethernet werkt, maar het deelt veel van dezelfde sleutelfuncties van PROFIBUS. Verwacht wordt dat PROFINET de komende jaren geleidelijk de PROFIBUS-systemen zal vervangen vanwege de hogere transmissiesnelheden en de toekomstbestendigheid van de ethernetarchitectuur van PROFINET.
Wat is PROFIBUS DP?
PROFIBUS DP is een type veldbusprotocol dat communicatie mogelijk maakt tussen een “master”-controllerapparaat en een aantal “slave”-veldsensoren. Het werkt op de fysieke laag RS-485 – dezelfde fysieke laag als Modbus – maar het heeft een gespecialiseerd tokenringprotocol waardoor meerdere masterapparaten op hetzelfde netwerk kunnen bestaan, wat het onderscheidt van andere busnetwerken. Een “token” wordt doorgegeven tussen masters en de master die het token in zijn bezit heeft, kan exclusief communiceren met slave-apparaten op het netwerk.
Er zijn twee klassen van masterapparaten voor PROFIBUS-netwerken, klasse 1 en klasse 2. Een klasse 1-master is het “hoofd”-apparaat. Een klasse 1-master is het “hoofd”-masterapparaat, dat verantwoordelijk is voor het cyclisch opvragen van gegevens bij elke slave. Een klasse 2-master communiceert acyclisch met slave-apparaten voor diagnosedoeleinden en voor het instellen van apparaat parameters. Door de acyclische aard van class 2 masters hoeven ze niet permanent te worden gecodeerd.
De term “decentrale periferie” is afgeleid van de structuur van een PROFIBUS DP-systeem. In plaats van elk veldapparaat in een fabriek rechtstreeks via uitgebreide bekabeling aan te sluiten op de Programmable Logic Controller (PLC), decentraliseert PROFIBUS DP de I/O-aansluitingen en brengt ze naar de fabrieksvloer. Dit verkort de kabellengte die nodig is om veldapparatuur met de I/O’s te verbinden en er is slechts één kabel nodig om de I/O’s en PLC te verbinden. Uiteindelijk verlaagt dit zowel de kosten als de complexiteit van het hele systeem.
Wat is PROFIBUS PA?
PROFIBUS PA – voor het eerst ontwikkeld in 1996 – is speciaal ontworpen als oplossing voor procesautomatisering. De langzamere datatransmissiesnelheden die PROFIBUS PA biedt, zijn geschikt voor de procesautomatisering waar de procedures doorgaans langzamer zijn dan bij fabrieksautomatisering. In tegenstelling tot PROFIBUS DP is de fysieke laag van PROFIBUS PA Manchester-encoded Bus Powered (MBP). MBP is een intrinsiek veilige fysieke laag, waardoor PROFIBUS PA kan worden gebruikt in gevaarlijke omgevingen waar explosiebeveiliging noodzakelijk is. Dit verschil in fysieke lagen beïnvloedt de mogelijke topologieën van elk systeem. PROFIBUS DP is meestal beperkt tot een doorgeluste lineaire structuur van maximaal 32 knooppunten (meer knooppunten is mogelijk als er een repeater wordt gebruikt). PROFIBUS PA daarentegen is geschikt voor praktisch elke topologie, hoewel trunk & spur de meest voorkomende is.
PROFIBUS DP- en PA-systemen kunnen worden gecombineerd met behulp van een segmentkoppelaar. Aangezien PLC’s geen PROFIBUS PA-poort hebben, is een coupler nodig om het PA-signaal om te zetten in een DP-signaal dat de PLC kan lezen. Het combineren van deze twee systemen komt vaak voor en is vooral nuttig als een subset van veldapparatuur in een gevaarlijke omgeving werkt in een systeem dat anders met PROFIBUS DP kan worden onderhouden.
Wat is PROFINET?
In principe dient PROFINET hetzelfde doel als PROFIBUS-netwerken. I/O-verbindingen kunnen worden gedecentraliseerd en naar de fabrieksvloer worden gebracht, waardoor kosten en complexiteit worden teruggebracht. Een belangrijk verschil tussen de twee is het type kabel dat wordt gebruikt – PROFINET-kabels zijn een subset van ethernetkabels die zijn ontworpen voor zware fabriekstoepassingen. Hierdoor zijn er geen speciale schakelaars nodig zoals die in RS-485 architectuur worden gebruikt en kunnen er verschillende topologieën worden gebruikt zoals boom, ster en ring.
Bovendien werkt PROFINET op basis van een consumer-providerprotocol in plaats van het master-slaveprotocol dat wordt gebruikt in PROFIBUS-netwerken. Wat dit onderscheidt van master-slave is de mogelijkheid voor apparaten om indien nodig zowel een consumer als provider rol aan te nemen, in plaats van dat controllers altijd masters zijn en IO apparaten altijd slaves. Dankzij dit verschil kunnen PROFINET-netwerken optimaal profiteren van de Ethernet-architectuur.
Het gebruik van ethernet maakt PROFINET geschikt voor integratie met IIoT-netwerken, wat ongeplande stilstand kan voorkomen en de efficiëntie van de hele faciliteit kan verbeteren. Het gebruik van ethernetkabels maakt ook aanzienlijk hogere overdrachtssnelheden van 1 Gbps of meer mogelijk. Naarmate de mogelijkheden van ethernet verbeteren, verbeteren ook de mogelijkheden van PROFINET. Op deze manier is PROFINET in wezen toekomstbestendig.
Wat is EtherCAT?
In grote netwerken waar een hele fabriek wordt geautomatiseerd, zoals hierboven vermeld, is er een ander alternatief dat kan worden gebruikt: EtherCAT. EtherCAT is een internationaal op veldbussen gebaseerd ethernet-systeem dat voor het eerst werd ontwikkeld door Beckhoff en later werd ondergebracht in de EtherCAT Technology Group. Het belangrijkste voordeel van EtherCAT is het hoge optimalisatieniveau dat aanzienlijk hogere snelheden biedt dan andere systemen zoals PROFINET of PROFIBUS. Het maakt ook gebruik van timestamping om de latentie van verschillende knooppunten in het netwerk te bepalen, wat de nauwkeurigheid aanzienlijk verbetert. Dit alles resulteert in een systeem dat ideaal is voor het verwerken van de enorme hoeveelheid gegevens die moet worden verwerkt in volledige fabrieksautomatisering.
Conclusie
PROFIBUS is essentieel in de fabrieksautomatisering en zal niet snel verdwijnen. Zelfs nu PROFINET een snellere, eenvoudigere oplossing biedt, zal het nog jaren duren voordat het de overduidelijke topoptie wordt ten opzichte van PROFIBUS. Voor vragen over het implementeren van PROFIBUS in uw eigen fabriek en het kiezen van de ideale kabels op basis van uw toepassing, kunt u contact opnemen met onze chainflex® kabelspecialisten. Om door ons uitgebreide aanbod van doorlopende flexibele kabel te bladeren – inclusief BUS-, motor-, robot- en besturingskabels – bezoekt u onze webshop.