Alles steht auf Standard

Ethernet - Mit rasanter Geschwindigkeit setzt sich Industrial Ethernet durch. Alle großen Systemanbieter sind auf den Zug aufgesprungen und setzen Industrial-Ethernet-Standards in ihren Geräten und Steuerungen ein. Doch die Anforderungen steigen.

14. Dezember 2005

Netzwerkkomponenten müssen besondere Anforderungen in der Industrie erfüllen. Geräte, die auch unter extremen Bedingungen eine hohe Betriebssicherheit bieten, sind heute verfügbar. Durch die Dezentralisierung und dem damit verbundenen Anstieg der Kommunikation zwischen den einzelnen intelligenten Steuerungen nimmt der Datendurchsatz jedoch deutlich zu. Wo gestern noch 10 Mbit/s ausreichten, sind heute 100 Mbit/s Standard.

Die ersten Switches unterstützen bereits 1000 Mit/s bei den Uplink-Ports. Da das Netzwerk der zentrale Nervenstrang einer Automatisierungsanlage ist, besitzt es eine grundlegende Bedeutung für die Anlagenverfügbarkeit. Deshalb sind Redundanzmechanismen erforderlich, die die Verfügbarkeit der Applikationen absichern, auch wenn einzelne Verbindungen oder Geräte ausfallen sollten. Der Trend geht dahin, Rekonfigurationszeiten im Bereich von 50 ms und kleiner auch in größeren Netzen zu gewährleisten.

Segmentierung von Produktionsinseln

Die vertikale Integration über eine einheitliche Netzwerkinfrastruktur hat das Thema Security in die Diskussion gebracht. Hierbei stellt nicht der in den Medien oft publikumswirksam thematisierte Hackerangriff das eigentliche Problem dar, sondern vielmehr gilt es, einzelne Produktionseinheiten durch Industrial-Security-Router zu segmentieren. Denn neben der Sicherstellung des berechtigten Zugriffs auf das Netzwerk der Fertigungseinheit regelt solch ein Router auch den Datenverkehr in dieses Segment hinein und umgekehrt. Damit haben Netzstörungen durch Fehlprogrammierung von Netzteilnehmern oder Fehlfunktionen keine Auswirkung auf die einzelnen Produktionseinheiten.

Auch die Wireless-Technologie, gewinnt an Bedeutung. Das Industrial Wireless LAN als netzintegrierte Standardtechnologie ergänzt Wireline-Netzwerke in der Fabrik- und Prozessautomatisierung oder der Produktionslogistik. Für kurze Distanzen und geringe Datenraten wird sich Bluetooth durchsetzen. Die wichtigste Technologie ist jedoch Wireless LAN (WLAN) mit Datenraten von mehr als 56 Mbit/s und einer Reichweite im Kilometerbereich. Der technologische Fortschritt ist indessen rasant, und ständig werden neue Standards definiert, angefangen von IEEE 802.11b über IEEE 802.11g und in Zukunft IEEE 802.11a und h. Die Datenkommunikation über WLANs gemäß IEEE802.11 lässt sich mittels Standards wie WPA und 802.11i sicher verschlüsseln. Zudem können Technologien aus dem Wireline-Bereich wie VPN und IPSec mit Wireless verknüpft werden.

Damit ist es möglich, WLANs so sicher zu machen wie verdrahtete LANs. Schließlich kommt es im industriellen Umfeld, wo beispielsweise reflektierende Metallteile von Maschinen die Empfangsbedingungen einschränken können, auf eine zuverlässige Datenübertragung an, die bisher nur der IEEE 802.11b-Standard gewährleistet. Das 2,4 GHz Band, auf dem dieser Standard sendet, bietet zudem weltweit eine einheitliche Technologie und ist bezüglich Signalempfindlichkeit besser als Dualband-Verfahren, die das 2,4-GHz- und das 5-GHz-Frequenzband unterstützen. Ein weiterer Vorteil des 802.11b-Standards ist die Verfügbarkeit von Chipsätzen für den erweiterten Temperaturbereich von - 20 bis + 70 °C, wie er in der Industrie verlangt wird. Während Industrial Wireless gleichsam noch in den Kinderschuhen steckt, hat sich Realtime Ethernet in verschiedenen Ausprägungen bereits weitgehend etabliert.

Die Varianten Profinet IRT und Ethernet Powerlink setzen auf den Ethernetstandard IEEE 802 mit einer mikrosekundengenauen Datenübertragung in festen Zeitschlitzen auf. Eine interessante Alternative stellt die von der ODVA propagierte Lösung CIP Sync dar. Hier werden alle relevanten Komponenten der Automatisierungslösung mit hochpräzisen Uhren ausgestattet, die nach dem Standard IEEE 1588 mikrosekundengenau synchronisiert werden. Vernetzt und übertragen werden die Daten mittels Standard-Ethernet und Industrial Ethernet-Komponenten. Für den Einsatz von Ethernet auf der Feld- bzw. Aktor/Sensor-Ebene industrieller Datennetze kommen feldtaugliche Switches auf den Markt.

Diese Geräte, die hohe Anforderungen bezüglich Schock, Vibration und IP-Schutzart erfüllen, lassen sich ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen direkt an der Maschine montieren. Damit bleibt die im Produktionsbereich übliche busförmige Verkabelungsstruktur beibehalten. Bei der Anschlusstechnik im Feld haben sich zwei alternative Lösungsansätze herauskristallisiert. Zum einen wurde der klassische RJ45-Stecker aus der Bürowelt modifiziert und von den Herstellern in unterschiedlicher Form gekapselt. Allerdings konnten sich die Hersteller nicht auf einen gemeinsamen Standard einigen. Alternativ wurde der im industriellen Umfeld bewährte M12-Stecker für Datenraten bis 100 Mbit/s getestet und in verschiedenen Varianten von mehreren Herstellern freigegeben.

Der M12-Steckverbinder wird bereits seit Jahrzehnten in industriellen Applikationen verwendet. Er dient dabei nicht nur als Standardverbindung für Sensoren, sondern auch für Feldbusse. Aufgrund der extremen Ausfallsicherheit hat der M12-Steckverbinder gerade in industriellen Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Verbindungstechnik wie etwa in der Automobilindustrie Maßstäbe gesetzt. Ein weiterer Vorteil ist die deutlich kleinere Bauform. Die Kompatibilität zwischen den verschiedenen Steckverbindertypen ist durch die Normierung des Steckbildes im Standard IEC 60947-5-2 sichergestellt.

Andreas Gramer, Hirschmann Automation and Control

Erschienen in Ausgabe: Wer macht was?/2006