Ethernet im Automobil – Grundlagen

Die Automobilindustrie als spezieller Zweig der Industrie, der sich ausschließlich der Entwicklung und Verbesserung von Automobilen widmet, entstand bereits im Jahr 1885 im Zuge der Erfindung des ersten Automobils durch Carl Benz. Einen Aufschwung erlebte die Automobilindustrie insbesondere durch die Entwicklung der Massenproduktion von Kraftfahrzeugen. Dieser wurde besonders vorangetrieben von Henry Ford und Ransom Eli Olds.
Der Aufschwung hält bis heute an und ist gekennzeichnet durch eine stetige Weiterentwicklung in den Bereichen Leistung, Effizienz, Technik und Intelligenz. Ein wichtiger neuer Bereich ist die Umweltfreundlichkeit von Fahrzeugen. Jeder Fahrer eines modernen Fahrzeugs kann dadurch heute auf eine Vielzahl von unterstützenden Systemen zurückgreifen.

Dazu gehören zum Beispiel Komponenten wie die Antriebsschlupfregelung (ASR), das elektronische Stabilitätsprogramm (ESP) und die sogenannte X-by-Wire-Technologie. Die X-by-wire-Technologie erlaubt die Übertragung von Steuerungs- und Regelungsbefehlen seitens des Fahrers über Datenleitungen, statt die herkömmliche Übertragung über mechanische Komponenten zu nutzen. Eine weitere Entwicklung in Bezug auf das Automobil ist auch im Bereich der Kommunikations- und Unterhaltungstechnologie zu erkennen: noch Ende der 1970er Jahre war für die Inhaber eines Automobils der Luxus eines Radios der Höhepunkt der Technik. Heutzutage werden in einem einzigen Fahrzeug bis zu 70 Steuerungselemente verbaut, die Radio, Telekommunikation, Navigationssysteme und andere Anwendungen ermöglichen.
Jedes Fahrzeug stellt somit ein komplexes Echtzeitsystem dar, an dem eine oft fast unüberschaubare Vielzahl an Steuerungselementen und Sensoren beteiligt ist.

Für verschiedene Anwendungsbereiche im Automobil werden dabei unterschiedliche Bussysteme verwendet. Diese werden wiederum über sogenannte Gateways miteinander verbunden, die die Nachrichten einzelner Bussysteme übersetzen können und so die notwendige Kommunikation der Bussysteme untereinander gewährleisten. Hier liegt das Ziel der Forschung im Moment darin, eine Bustechnologie zu entwickeln, die für alle Anwendungsbereiche im Fahrzeug einsetzbar ist.

Das würde sowohl Kosten als auch verfahrenstechnischen Aufwand sparen. Es wird zudem zwischen solchen Bussystemen unterschieden, die nur der fahrzeuginternen Kommunikation dienen und solchen Bussystemen, die dazu genutzt werden, dass das Fahrzeug mit seiner Umwelt intelligent interagieren kann. Zu den typischen Bussystemen der ersten Kategorie gehören zum Beispiel CAN-Busse und Flexray-Busse, die beide der Kommunikation zwischen einzelnen Steuerungselementen dienen, LIN-Busse, die Aktoren (das sind ausführende Elemente) und Sensoren (das sind Elemente, die eine Veränderung registrieren und an eine zentrale Schaltstelle oder an die zuständigen Aktoren Rückmeldung über diese geben) miteinander verbinden oder MOST-Bussysteme, die vorwiegend für Audio-, Video, Sprach- und Radioanwendungen genutzt werden.

Ethernet

Ethernet ist eine inzwischen überall verbreitete Technologie, die Software- und Hardwarekomponenten für kabelgebundene Datennetze definiert. Ethernet war ursprünglich nur entwickelt worden für lokale Datennetze und wird deshalb auch heute noch als LAN-Technik bezeichnet. Das traditionelle Ethernet erstreckt sich daher auch nur über maximal ein Gebäude. Es ermöglicht den koordinierten Datenaustausch in Form von sogenannten Datenpaketen zwischen den Komponenten, die in ein lokales Netzwerk integriert sind. Die Ethernet-Protokolle definieren dabei einerseits die spezifischen Hardwarekomponenten, wie zum Beispiel Stecker, Leitungen, Verteiler und Netzwerkkarten und andererseits auch die benötigten Softwarekomponenten. Dazu gehören zum Beispiel die Übertragungsformen wie das Format der Datenpakete und die Bitübertragung.

Funktionsblöcke können entweder durch einen Anlagenbauer eingesetzt werden, der diese zur Beschreibung und Programmierung von Automatisierungsfunktionen verwendet, oder von den Herstellern der Geräte und den Gremien zur Normenfestlegung von Funktionen eines Feldgerätes.

Wird ein Funktionsblock von einem Anlagenbauer verwendet, so soll im Idealfall erreicht werden, dass sich alle Blöcke innerhalb einer gemeinsamen Bibliothek befinden. Besteht diese Ausgangssituation nicht, müssen die Funktionsblöcke immer weiter zerlegt werden, bis sie sich auf die bereits vorhandenen Blöcke programmieren oder zurückführen lassen. Im Bereich der Motion Control Funktionen wurden entsprechende Festlegungen für die Blöcke getroffen, sodass die in den Bibliotheken vorhandenen Funktionsblöcke untereinander vergleichbar sind, auch wenn diese von unterschiedlichen Herstellern stammen. Desweiteren lassen sich hierdurch auch die Anlagenplanung und der Vorgang der Programmierung für den Anwender vereinfacht.

Weitere Einsatzmöglichkeiten von Funktionsblöcken

Bei Funktionsblöcken muss zusätzlich eine Festlegung des Ortes erfolgen, an welchem die Funktionen genau ausgeführt werden sollen. Im Normalfall ist stets eine Steuerung vorhanden, die entweder durch eine Speicherprogrammierbare Steuerung oder eine Steuerung welche auf der Basis eines industriellen PCs konzipiert ist, gestellt wird. Allerdings gibt es auch bei modernen Feldgeräten in gewisser Weise immer eine Prozessorleistung, sodass eine Kommunikation zu einer Steuerung sowie zwischen den einzelnen Steuerungen über ein digitales Netzwerk möglich ist und die Funktionsblöcke bearbeitet werden können. Zusätzlich bedarf es für das Bedienen und Beobachten SCADA-Systeme. Letztlich lassen sich die Blöcke auch innerhalb eines Prozessleitsystems ausführen, was die Möglichkeiten der Einsatzbereiche abschließt.