Warum Industrial Ethernet?

Was ist Ethernet/Industrial Ethernet?

Ethernet ist ein Verfahren, dass Hardware und Software für kabelgebundene Datennetze beschreibt. Ethernet war ursprünglich für lokale Datennetze gedacht und wird deshalb auch als LAN-Technik bezeichnet. Ethernet ermöglicht also den Datenaustausch zwischen allen an ein lokales Netz angeschlossenen Geräten in Form von sogenannten Datenpaketen.

Industrial Ethernet ist eine Weiterentwicklung des Ethernets. Hierbei geht es darum, die Möglichkeiten des Ethernets auch auf Geräte, die mit der industriellen Fertigung und Kontrolle beschäftigt sind, anzuwenden (auch Echtzeit-Ethernet genannt). Im Allgemeinen werden dabei die Geräte zur Steuerung und Kontrolle von Produktionsprozessen in das meist schon vorhandene LAN-Netzwerk der Mitarbeiter-Computer integriert.

Angefangen hat die intensive Forschung vor mehr als 10 Jahren unter der Leitung der IAONA (Industrial Automation Open Networking Alliance). Die Idee war, dass man Ethernet in Verbindung mit TCP/IP-Protokollen nutzen wollte, um auf dieser Basis ein einheitliches Echtzeitprotokoll zu erstellen, das für die Kommunikation von Automatisierungsprozessen genutzt werden kann. Für diese Kommunikation war das Ursprungs-Ethernet mit einer Übertragung von 10 Mbit/s nicht geeignet, da es sehr kollisionsbehaftet war. Das führte zunächst zur Entwicklung von Fast Ethernet. Hierbei wurden durch den Einsatz von Switches, Nachrichtenpriorisierung und einer Full-Duplex-Übertragung Nachrichten kollisionsfrei übertragen. Die Geschwindigkeit beträgt dabei 100 Mbit/s. Damit war die Grundlage für die gewünschte schnelle Echtzeitdatenübertragung gelegt.

Industrial Ethernet – Grundlagen

Für Industrial Ethernet gibt es ungefähr 20 verschiedene Protokolle, die sich an IEEE 802.3 orientieren. Dabei werden Feldbuss-Protokolle mittels Tunneling oder Encapsulation über Ethernet übertragen. Vorteile liegen in der Durchgängigkeit der Kommunikationssysteme, sowie in der direkten Übernahme der Anwendungsschicht des Feldbus und der einfachen Portierbarkeit.

Nachteile sind der große Overhead bei der Benutzung des TCP-Protokolls.
Industrial Ethernet nutzt die internationalen Verkabelungsstandards.
Das für die industriellen Anwendungen entscheidende Protokoll ist das CIP-Protokoll. Dieses ermöglicht den zyklischen und zeitkritischen Datenverkehr der Automatisierungstechnik. CIP-Netzwerke sind untereinander interoperabel. Das ermöglicht beispielsweise, dass ein DeviceNet mit einem EtherNet/IP arbeiten kann.

Echtzeitdatenübertragung

Industrielle Kommunikationsnetzwerke werden in drei Kommunikationsebenen eingeteilt:

  1. Die Leitebene: diese findet man zum Beispiel in der Automobilherstellung oder der Prozesstechnik, also in großen hochstandardisierten und – automatisierten Produktionsanlagen. Hier ist die Übertragung zwischen den einzelnen Systemen meist nicht sehr zeitkritisch. Standard-Ethernet (in Kombination mit Protokollen der Informationstechnik) wird hier schon seit Jahren eingesetzt.
  2. Die Steuerebene
  3. Die Aktor-/Sensorebene: bei diesen beiden Ebenen sind die Echtzeiteigenschaften des Industrial Ethernet von besonderer Bedeutung.

Ziel des Industrial Ethernet

Industrial Ethernet soll ein basisorientiertes und einheitliches Kommunikationssystem zwischen den Systemen der Leitebene, der Steuerebene und der Sensorebene etablieren, dass eine Kommunikation in Echtzeit ermöglicht. Dadurch können Verluste durch System-und Übertragungsfehler vermieden werden. Wichtig ist es dabei vor allem, eine Infrastruktur zu definieren, die für alle drei Ebenen gültig ist.

Einheitlicher Standard?

Bei Industrial Ethernet sind ebenso wie bei den Feldbussen zahlreiche miteinander konkurrierende Protokollstandards entstanden. Die meisten dieser Standards orientieren sich an den zugrunde liegenden Feldbusstandards. Allerdings hat sich mit Fast Ethernet ein gemeinsamer Kern gebildet, der heute bei allen Systemen einheitlich eingesetzt wird. Die Entwicklungen zum Echtzeit-Ethernet werden sowohl im europäischen Raum(zum Beispiel: EtherCAT, TTEthernet, Ethernet-Powerlink, Profinet und Sercos III) als auch in den USA (zum Beispiel :Open DeviceNet Vendor Association (ODVA), ControlNet International (CI) und die Industrial Ethernet Association (IEA)) unterstützt.

Die wichtigsten Anbieter von Industrial Ethernet sind derzeit:

Interessenverband

Ethernet-Angebot

Korrespondierende Feldbusse

SERCOS international

Sercos III

Sercos II

ODVA

Ethernet/IP

DeviceNet/Control/Net

PI(PNO)

Profinet

Profibus

CLPA

CC-Link IE Field

CC- Link

Modbus IDA

Modbus TCP

Modbus RTU

CiA/ETG/EPSG

EtherCat/ Powerlink

CANopen

Obwohl Industrial Ethernet hohe Anwendungsraten verzeichnet, überwiegt immer noch die Anwendung von Feldbussen. Feldbusse eignen sich vor allem in solchen Produktionsprozessen, in denen nur die zyklische E/A-Datenübertragung wichtig ist (zum Beispiel beim Maschinenbau), wohingegen Industrial Ethernet vor allem in Produktionsprozessen, in denen es auf Performance und Taktsynchronität ankommt, immer mehr Verwendung findet.

Vorteile gegenüber Feldbussen

  • Die Übertragung von IT-Daten und Echtzeitdaten erfolgt gleichzeitig
  • Große Netzwerkausdehnungen durch Kaskadierung von Switches sind möglich
  • Übertragung größerer Datenmengen
  • Alle Netzwerkteilnehmer können gleichberechtigt auf Busse zugreifen
  • Die Anzahl der Teilnehmer ist aufgrund des großen Adressbereichs fast unbegrenzt
  • Verschiedene Übertragungsmedien können kombiniert werden (zum Beispiel Kabel, Funk, Lichtwellenleiter)

Probleme

In der Verkabelung wird konsequent auf internationale Verkabelungsstandards wie ISO/IEC 11801 gesetzt. Dieser bildet die Verkabelungsstruktur für alle Fabrik- und Hallennetze. Das Problem sind die Stecker: Ethernet wurde ursprünglich für nicht-industrielle Anwendungen entwickelt in denen der RJ45-Stecker die Hauptrolle spielt.

Außerhalb der Büroumgebung können allerdings bis dato unbekannte Störfaktoren auftreten, die die Übertragungsqualität beeinflussen und für Fehler im System sorgen können. Dazu gehören:

  • Vibrationen
  • Schmutz
  • Feuchtigkeit
  • schädliche Substanzen

Eine Abhilfe bietet die Entwicklung neuer Steckverbindungen wie zum Beispiel der RJ45-Stecker mit Schutzartenklassifizierung IP67oder der M-Stecker. Diese ermöglichen zum Beispiel den Einsatz in der Schwerindustrie und in hochsterilen OP-Räumen.

Industrial Ethernet – Ausblick

Die Forschung macht ständig Fortschritte: Derzeit werden vor allem Themen wie Performance und Taktsynchronität behandelt. Auch die Integration von Sicherheitsprotokollen wird eingehend beforscht. Ganz aktuell ist auch das Thema Energiemanagement.