Ethernet im Maschinenbau

Effiziente Produktion durch effektive Kommunikation

Den Wunsch eine gemeinsame Sprache zu sprechen haben heute alle großen Unternehmen, denn sie ist die Voraussetzung für einen effektiven und störungsfreien Geschäftsablauf. Leider ist von einer einwandfreien Kommunikation leichter gesprochen, als dass sie umgesetzt werden kann. Sie stellt – je komplexer das Unternehmen – eine immer größere Herausforderung dar. Der folgende Text setzt sich mit dem Einsatz von Ethernet im Maschinenbau auseinander.

Individuelle Kommunikation durch Ethernet

Wie beim menschlichen Gehirn und dessen Synapsen-Verknüpfungen ist es auch in Unternehmen wichtig, dass die einzelnen Geschäftsbereiche strukturiert miteinander verbunden werden, um die Kommunikation zu ermöglichen, beziehungsweise zu erleichtern. Und genauso, wie das menschliche Gehirn von einem Individuum, sind auch verschiedene Branchen auf unterschiedliche Arten von Kommunikation angewiesen. Vor allem bei dem Industriezweig Maschinenbau muss eine schnelle und stabile Kommunikation gewährleistet sein. Diese Möglichkeit bietet das Ethernet.

Was ist Ethernet?

Unter Ethernet versteht man die sogenannte LAN-Technik. LAN bedeutet „Local Area Network“, also Lokales Netzwerk. Geräte, die an ein lokales Netzwerk angeschlossen sind, können Daten in der Form von Datenpaketen senden oder empfangen. Wie viele Daten dabei in welcher Zeit übertragen werden können, hängt von dem Umfang der jeweiligen Übertragungsraten ab. Angefangen bei 10 Megabit pro Sekunde können Datenvolumina mit bis zu 100 Gigabit pro Sekunde transportiert werden. Ethernet wurde ursprünglich speziell für Firmen entwickelt. Anfang der 1970er Jahre konnten 3 Megabit pro Sekunde verarbeitet werden. Heutzutage ist die Datenübertragung wesentlich schneller und findet längst auch in privaten Bereichen statt.

Gewöhnliches versus industrielles Ethernet

Das gewöhnliche Ethernet besitzt eine Art „Schutzmechanismus“. Dieser besteht darin, bei wichtigen und großen Datentransporten, beispielsweise von einem Gerät zu einem Netzwerk, andere Datentransporte zu verhindern - zumindest so lange, bis der Transport vollständig abgeschlossen ist. Dieser Schutzmechanismus führt jedoch zu relativen Zeitverzögerungen. Die Schnelligkeit der Datenübertragung spielt gerade im Maschinenbau eine entscheidende Rolle. Verzögerungen, wenn auch nur im Sekundenbereich, können im schlimmsten Falle einen kompletten Produktionsablauf gefährden. Damit dieses Risiko nicht eintritt, verfügt das industrielle Ethernet über eine Echtzeit-Kommunikationsfähigkeit. Außerdem muss ein Kommunikationsnetzwerk stabil und zuverlässig sein. Starke Temperaturschwankungen, Bewegungen, Magnetfelder sind einige Arbeitsbedingungen, die ein Kommunikationssystem nicht behindern dürfen.

Praktische Ansätze

Wie die Gestaltung eines industriellen Ethernets auszusehen hat ist nicht vorgegeben. Vielmehr gibt es diverse Lösungsvorschläge und mehrere praktische Ansätze. Im Folgenden werden wesentliche Eigenschaften von vier etablierten Systemen kurz vorgestellt:

  • SERCOS III
    Wesentliche Merkmale dieses Systems sind Echtzeitfähigkeit und Störungsempfindlichkeit. Außerdem verfügt es über ein großes Spektrum an Produkten, die zahlreiche Anbieter vertreiben.
  • <PROFINET
    Durch den modularen Aufbau dieses Konzepts kann der Benutzer die Art und Weise der Lösung von Aufgaben selbst bestimmen. Profinet CBA ermöglicht die gleichzeitige Nutzung von Echtzeitkommunikation und komponentenbasierter Nutzung mittels TCP/IP. Profinet IO ermöglicht Echtzeitkommunikation und taktsynchrone Kommunikation mit der dezentralen Peripherie (Anbindung von aufgeteilten Steuerungssystemen für eine Maschine an einen Hauptprozessor).
  • Ethernet/IP
    Dieses System findet vor allem in der Automatisierungstechnik Anwendung. Das System basiert auf TCP und UDP. Es unterstützt die Kommunikation von Officenetzwerk und der Maschine.
  • EtherCAT
    Auch dieses System besitzt eine Echtzeitfähigkeit. Spezialisiert hat sich EtherCAT auf geringe Kosten für Hardware, Vermeidung von Genauigkeitsschwankungen und schnelle Datenübertragung.

Einheitliches Protokoll aber dennoch unterschiedlich

Alle Konzepte basieren auf TCP/IP und teilen sich daher ein gemeinsames Protokoll. Trotzdem unterscheiden sich einzelne Systeme beispielsweise durch unterschiedliche Anschlüsse und differierende Mechanismen für Kontrollfunktionen. Als die einfachsten Abgrenzungskriterien gelten die Faktoren Geschwindigkeit der Datenübertragung und Echtzeitfähigkeit.

Multifunktionales Ethernet?

Trotz der immer leistungsfähigeren und ausgereifteren Systeme gibt es immer noch keine komplette Standardisierung. Beispiele für die Integration mehrerer wichtiger Aspekte gibt es dennoch: SERCOS III kann als Ethernet mit multiplen Verbindungsfähigkeiten gesehen werden. Es besitzt Schnittstellen, die ermöglichen mit anderen Systemen zu kommunizieren. Diese Eigenschaft bringt enorme Vorteile mit sich, da mehrere Funktionen miteinander verbunden werden können.

Letztendliches Ziel: Maximale Effizienz

Am Ende kommt es bei der Produktion auf das Ergebnis an. Je effizienter im Voraus gearbeitet wurde, desto besser ist das Resultat. Das Primärziel liegt daher in der Wirkung der Technologie, die eingesetzt wird. Eine genaue Planung ist immer der erste Schritt, deshalb sollte zuallererst die Frage beantwortet werden, welchen Zweck die Technologie erfüllen soll. Ein optimales Gleichgewicht in Bezug auf Effizienz und Flexibilität der einzelnen Bereiche ist stets zu beachten. Dieses Gleichgewicht kann zwar nicht mit einem zentralen Programm alleine hergestellt werden, wohl aber durch die bestmögliche Kommunikation mehrerer Programme. Um dies zu erreichen, müssen separate Bereiche ständig weiterentwickelt werden und Verwaltungsaufgaben so gering wie möglich gehalten werden. Innovativ gearbeitet werden sollte dort, wo sich das meiste Wissen über prozedurale Vorgänge befindet. Um eine koordinierte Kommunikation zu erzielen, bedarf es einer genormten Softwarelösung. Nur gewisse Standardisierungen garantieren einen zuverlässigen Datentransport.