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Realisierung einer Profibus-Schnittstelle

Typische Feldgeräte wie dezentrale E/A, HMI, Ventile, Waagen, drehzahlveränderbare Antriebe und Barecode-Scanner brauchen eine Profibus-Slave-Schnittstelle mit DP- oder DPV1-Funktionen. Umrichter und Servoantriebe in Motion-Control-Anwendungen benötigen eine Profibus-Slave-Schnitsttelle mit DPV2-Funktionen. Profibus-Anschaltungen in speicherprogrammierbaren Steuerungen, Industrie-PCs oder Prozessleitsystemen benötigen in der Regel eine Profibus-Master-Schnittstelle mit DPV1- oder DPV2-Funktionen.

Die Realisierung der Profibus-Schnittstelle kann entweder als Eigenentwicklung oder mit einbaufertigen Kommunikationsmodulen erfolgen. Generell ist es vorteilhaft, eine modulare Lösung anzustreben, die neben Profibus auch andere Feldbusstandards wie DeviceNet, Interbus und CANopen sowie Industrial-Ethernet-Systeme wie Profinet, EherNet/IP und EtherCAT berücksichtigt.

Externer Profibus-Anschluss

Anybus CommunicatorDer Einsatz eines externen Protokollkonverters bietet sich an, wenn das Feldgerät über eine serielle Schnittstelle verfügt und die Profibus-Anbindung nicht zum Standardfunktionsumfang des Gerätes gehören soll. Protokollkonverter werden an der seriellen Schnittstelle des Feldgerätes angeschlossen und setzen dessen spezifisches Protokoll auf Profibus um. Intelligente Protokollkonverter wie der Anybus Communicator von HMS können mit einem Konfigurator an das serielle Protokoll des Feldgerätes angepasst werden. Der Vorteil dieser Lösung ist, dass weder Hardware noch Software des Feldgerätes verändert werden müssen. Der Protokollkonverter repräsentiert das Feldgerät stellvertretend im Profibus. Die Lösung ist nach einer einmaligen Konfiguration sofort einsatzfähig und es fallen keine Entwicklungsaufwendungen an. Unter Kostengesichtspunkten empfiehlt sich der externe Busanschluss insbesondere für solche Geräte, die nur in geringen Stückzahlen (< 100 p.a.) mit Profibus oder anderen Kommunikationssystemen vernetzt werden. Die erzielbare Performance dieser Lösung wird stark durch die Geschwindigkeit der seriellen Schnittstelle des Feldgerätes und die zu übertragende Datenmenge beeinflusst. Typische Durchlaufzeiten liegen im Bereich einiger Millisekunden. Kommt der Anybus Communicator von HMS zum Einsatz, so ergibt sich als weiterer Vorteil: Den Communicator gibt es nicht nur für Profibus. HMS bietet funktionskompatible Varianten auch für DeviceNet, ControlNet, CANopen, Interbus, CC-Link, Modbus und Lonworks sowie für viele Industrial-Ethernet-Systeme an. Je nach dem, welcher Bus vom Endkunden gefordert ist, wird der passende Communicator verwendet und so das Feldgerät in unterschiedlichste Kommunikationswelten integriert.

Single-Chip-Lösungen für Profibus

Anybus-ICSingle-Chip-Lösungen wie das Anybus-IC von HMS Industrial Networks beinhalten alle analogen Bauteile (Optokoppler, DC/DC-Wandler, Tranceiver) sowie alle digitalen Komponenten, einschließlich Mikroprozessor mit Protokollsoftware, Flash- und RAM-Speicher, die für die Realisierung einer Profibus-Schnittstelle erforderlich sind. Single-Chip-Lösungen sind besonders für einfache Geräte geeignet, die nicht die ganze Bandbreite der möglichen Dienste und Parameter ausnutzen, sondern sich auf die Kernfunktionen der jeweiligen Netzwerke beschränken. Je nach externer Beschaltung sind diese Chips sowohl für den Stand-alone-Betrieb in prozessorlosen Geräten oder auch in Kombination mit einem externen Mikroprozessor einsetzbar. Typische Anwendungen sind modulare und kompakte E/As, Drehgeber, Motorstarter, Ventile und Textanzeigen. Im Stand-alone-Betrieb kann eine begrenzte Anzahl digitaler E/A-Signale entweder direkt am Chip oder über externe Schieberegister ohne zusätzlichen Mikroprozessor angekoppelt werden. Kommt eine Single-Chip-Variante zum Einsatz, reduziert sich die Entwicklung auf das Layout der Leiterplatte, die Ankopplung der E/A-Signale an die Leistungselektronik und die mechanische Gestaltung des Busanschlusses am Gerätegehäuse. Der Gerätehersteller braucht keine zusätzliche Protokollsoftware mehr integrieren und wird auch von den Details des analogen Schaltungsdesigns rund um die Potenzialtrennung und die Bus-Tranceiver entlastet.

Einsatz eines einbaufertigen Kommunikationsmoduls

Anybus-S für ProfibusFür die geräteinterne Realisierung der Profibus-Schnittstelle bietet sich der Einsatz einbaufertiger Profibus-Kommunikationsmodule an. Die Vorgehensweise wird nachfolgend anhand des Kommunikationsmoduls Anybus-S von HMS beschrieben. Das Anybus-S-Modul für Profibus ist ein intelligentes Kommunikationsmodul im Kreditkartenformat. Es verfügt über einen eigenen 16-Bit-Mikroprozessor, der das gesamte Profibus-Protokoll selbständig, ohne Belastung des Geräteprozessors, abwickelt. Auf dem Modul befinden sich auch alle Hardware-Komponenten der Profibus-Schnittstelle wie der RS-485-Bustreiber sowie eine vollständige Potenzialtrennung mit Optokopplern und DC/DC-Wandler. Die Komplexität der Entwicklung einer Profibus-Schnittstelle reduziert sich auf die Anbindung des Kommunikationsmoduls an die Geräteelektronik. Hierzu werden der geräteinterne Adress- und Datenbus sowie die 5-Volt-Versorgungsspannung mit dem Applikationsstecker des Anybus-Moduls verbunden. Die logische Schnittstelle zur Geräteelektronik bildet das auf dem Modul befindliche 2 KB Dual-Port-RAM. Das Modul verhält sich aus Sicht der Gerätesoftware wie ein Speicherchip. Die Gerätesoftware schreibt die über Profibus zu übertragenden Daten in den Sendedatenbereich des Dual-Port-RAM und erteilt dem Modul durch Setzen eines Steuerbits den Übermittlungsauftrag an den Profibus-Master. Analog dazu stellt das Modul die über Profibus empfangenen Daten im Empfangsdatenbereich des Dual-Port-RAM bereit. Das Modul informiert die Gerätesoftware durch Setzen eines Statusbits oder Auslösen eines Interrupts, dass neue Empfangsdaten vorliegen. Komplexere Funktionen wie die Übertragung von azyklischen Bedarfsdaten (DPV1) sowie Diagnose- und Alarmmeldungen werden über sogenannte Mailbox-Kommandos zwischen Modul und Gerätesoftware abgewickelt.

Einsatz eines steckbaren Optionsmoduls

Optionsmodule beinhalten die komplette Hard- und Software einer Profibus-Anschaltung. Die gesamte Elektronik ist in einem kompakten Gehäuse untergebracht. Im Unterschied zu Kommunikationsmodulen können die Optionsmodule ohne Einhaltung spezieller Schutzmaßnahmen, also an jeder Stelle der Lieferkette zwischen Gerätehersteller und Endanwednder, in Feldgeräte mit einem entsprechnden Steckplatz eingesteckt werden. Das Konzept der steckbaren Optionsmodule ist auf die ständig wachsende Vielfalt der industriellen Netzwerke zugeschnitten und bietet ein Höchstmaß an Flexibilität beim Anschluss von Feldgeräten an Feldbusse, Industrial Ethernet, USB und Wireless Netzwerke. Ein spezieller Einschubmechanismus garantiert die einfache Handhabung und zuverlässige Verriegelung. Für die Montage sind keine Spezialwerkzeuge erforderlich.

Anybus-CCDie Optionsmodule von HMS Industrial Networks sind in der Produktfamilie Anybus CompactCom (Anybus-CC) zusammengefasst. Die Bauform der Module ähnelt einer Compact-Flash-Karte. Typische Anwendungen sind Bedienterminals, Frequenzumrichter, Roboter, Waagen und Messumformer. Die Module sind sowohl mechanisch als auch hard- und software-seitig standardisiert. Durch den Einsatz der Anybus-CC-Module verringert sich der Aufwand zur Entwicklung einer universellen Kommunikationsschnittstelle ganz erheblich. Der CompactFlash- Standardstecker stellt geringe Anschlusskosten und breite Verfügbarkeit sicher. Auch in hohen Stückzahlen stellen Anybus-CC eine attraktive Alternative zur Eigenentwicklung der Kommunikationsschnittstelle dar. Die Anybus-CC-Familie beinhaltet aktive und passive Varianten. Aktive Module sind intelligent. Sie verfügen über einen schnellen RISC-Mikroprozessor mit speziellen Protokollchips und wickeln das gesamte Busprotokoll selbständig ab. Beispiele dafür sind die Profibus-, DeviceNet- und Industrial-Ethernet-Module. Passive Module gibt es für RS-232/485, USB oder Wireless. Sie realisieren nur die physikalische Busschnittstelle und überlassen die Protokollbearbeitung dem Mikroprozessor des Feldgerätes.

Auch die Software-Schnittstelle (API) zwischen dem Anybus-Modul und der Elektronik des Automatisierungsgerätes ist vollständig standardisiert.  Die API arbeitet objektorientiert und unabhängig von der jeweils eingesetzten Busvariante. Die Gerätesoftware braucht sich nicht um die Unterschiede zwischen den einzelnen Busprotokollen kümmern, sondern setzt auf der einheitlichen Anybus-CC-Softwareschnittstelle auf. Die geräteseitige Hardware-Schnittstelle unterstützt den Zugriff über Dual-Port-RAM oder eine schnelle serielle Schnittstelle. Die jeweilige Busschnittstelle ist potenzialgetrennt und mit dem systemtypischen Steckverbinder ausgerüstet. Das moderne Hardware-Design in 3,3-Volt-Technik stellt einen hohen Datendurchsatz, gute Störsicherheit und eine geringe Leistungsaufnahme sicher.

Vorteile modularer, einbaufertiger Lösungen

Modulare Lösungen auf Basis einbaufertiger Single-Chips, Kommunikationsmodule oder Optionsmodule zeichnen sich durch geringe Entwicklungskosten und kurze Entwicklungszeiten aus. Als typische Entwicklungszeit brauchen lediglich wenige Wochen veranschlagt werden. Dies reduziert das Entwicklungsrisiko und verkürzt die Zeit bis zum Verkaufsstart des Produktes (Time-to-Market). Darüber hinaus bieten modulare Lösungen den Vorteil, dass eine universelle Schnittstelle entsteht, die neben Profibus auch Kopplungen an viele andere Feldbusse und Industrial-Ethernet-Systeme in einem Entwicklungsprojekt entstehen lässt. Hierdurch kann der Gerätehersteller seine Feldgeräte von vorneherein an fast alle namhaften SPS- und PC-basierten Automatisierungsgeräte ankopplen und sich neue Marktpotenziale erschließen.

Individuelle Entwicklung

Die individuelle Entwicklung einer Profibus-Schnittstelle sollte nur dann ins Auge gefasst werden, wenn die externe oder modulare Lösung aus funktionalen oder mechanischen Gesichtspunkten nicht in Frage kommt. Für eine ausreichend performante Bearbeitung des Profibus-Protokolls sind ein 16-Bit-Mikroprozessor und ausreichend Flash- und RAM-Speicher erforderlich. Für die individuelle Entwicklung werden spezielle Protokollchips und passende Protokollstacks benötigt. Wer das Rad nicht noch einmal neu erfinden möchte, kann auch hier auf das langjährige Know-how von HMS zurückgreifen. Denn HMS bietet auf Basis der Standardkommunikationsmodule auch die Entwicklung kundenspezifischer Profibus-Schnittstellen an. Bei kundenspezifischen Lösungen werden die bei HMS vorhandenen Hard- und Software-Standardkomponenten an die im Einzelfall gewünschten mechanischen und elektrischen Anforderungen angepasst. Dadurch werden kurze Entwicklungszeiten, geringe Entwicklungskosten und gleichzeitig ein hoher Qualitätsstandard erreicht. Typische Anwendungen sind Kommunikationsschnittstellen in Schutzart IP65 oder höher sowie Geräte, bei denen es auf besonders kleine Abmessungen ankommt.