Jetzt auf Ethernet setzen

Netzwerke - Ethernet ja oder nein, das ist mittlerweile kein Thema mehr. Heute entwickelt jeder Hersteller von Automatisierungsgeräten neue Produkte mit einer Ethernet-Schnittstelle. Trotz alledem sind viele Anwender noch verunsichert und warten häufig noch damit, Ethernet in ihren Maschinen einzusetzen.

14. Dezember 2005

Alle Prognosen sehen Ethernet als die führende Netzwerktechnologie in der Automatisierungstechnik. Die Analysten der ARC sehen ein weltweites jährliches Wachstum von mehr als 50 % für die nächsten Jahre. Andere Umfragen zeigen, dass auch der Einsatz im Feldbereich für die meisten Anwender geplant ist. Mehr als ein Drittel der Anwender will Ethernet zukünftig auch für die Anbindung von Antriebsreglern nutzen. Voraussetzung hierfür ist allerdings, dass es technologisch möglich ist und es entsprechende Produkte am Markt zu kaufen gibt. Im Moment beschränkt sich der Einsatz von Ethernet häufig noch auf die Vernetzung von Steuerungen und Leitrechnern. Dies muss nicht so sein, denn es gibt Lösungen, die weite Teile des Feldbereichs bereits jetzt mit Ethernet abdecken.

Alles vernetzen

Die Daten, die in der Leitebene ausgetauscht werden, sind in aller Regel zeitlich unkritisch, was Echtzeitanforderungen größer 50 Millisekunden bedeutet. Diese Anforderungen können mit den aus der IT-Welt bekannten Protokollen und Mechanismen erreicht werden. Typischerweise werden auf dieser Ebene vergleichsweise große Datenmengen kommuniziert, wofür sich Ethernet-TCP/IP durch die großen Datenpakete hervorragend eignet. Beispiele sind:

- Anbindung an EDV-Datenbanken

- Rezepturverwaltung

- Datensicherung

- Visualisierung

- Condition Monitoring

Um Ethernet für solche Anwendungen zu verwenden, braucht es lediglich Geräte, die über eine Ethernet-Schnittstelle verfügen und die Internet-Protokolle unterstützen. Als Kommunikationsprotokoll auf der Anwenderschicht kann beispielsweise Modbus-TCP genutzt werden, ein Protokoll, das über die weltweit größte Verbreitung im industriellen Ethernet-Bereich verfügt. OPC bietet gerade im Zusammenspiel mit Ethernet eine gute Möglichkeit für den Datenaustausch zwischen den Automatisierungsgeräten und diverser Software, bis hin zu Datenbanken. In der Feldebene stellt sich die Situation etwas anders dar. Zum einen werden höhere Anforderungen an das Echtzeitverhalten gestellt, zum anderen handelt es sich um relativ kleine und kostengünstige Geräte. Im Feldbereich sind Reaktionszeiten im Bereich von 1 bis 20 Millisekunden erforderlich - Determinismus ist Pflicht. Um diese Vorgaben ohne die Verletzung der Ethernet- und IP-Spezifikation zu erreichen, gibt es Voraussetzungen: geswitchtes Ethernet, verbindungslose UDP/IP-Kommunikation sowie bestimmte Protokolle. Bewegt man sich auf dieser Ebene im Bereich von Geräten eines einzelnen Herstellers, können die dort verfügbaren Protokolle verwendet werden. Eine Alternative ist auch hier Modbus TCP für die Kommunikation zwischen Steuerungen und dezentralen I/O-Einheiten. Für die in der Antriebstechnik gewünschte ›harte Echtzeit‹ oder wenn es um Anforderungen in der unteren Millisekunden-Skala geht, dann ist dieses Protokoll nicht mehr geeignet. Andere herstellerübergreifende Lösungen sind zwar spezifiziert, befinden sich jedoch erst in der Einführungsphase. Deshalb gibt es noch nicht ausreichend viele Geräte unterschiedlicher Hersteller.

IT-kompatibles Ethernet in Echtzeit

Höchste Anforderungen an ein Kommunikationsmedium in Bezug auf Synchronisation und Reaktionszeit stellt die Antriebstechnik. Dort geht es um Mikrosekunden. Bei der Synchronisation ist der Jitter die entscheidende Größe, denn dieser Wert drückt die zeitlichen Abweichungen aus, die sich direkt auf die Synchronität der Antriebe auswirken. Das einfachste Beispiel ist der Gleichlauf mehrerer Achsen. In Abhängigkeit der Geschwindigkeit kann leicht errechnet werden, welche Folgen eine zeitliche Abweichung hat. Verfährt ein Antrieb beispielsweise mit 2 m/s, dann bringt eine zeitliche Abweichung von 100 Mikrosekunden bereits einen Wegversatz von 0,0002 Metern, sprich 0,2 Millimetern beim synchronisierten Antrieb. Das ist bei vielen Anwendungen, wie beispielsweise bei Druckmaschinen, entscheidend zu viel. Die Jetter AG hat mit ›JetSync‹ eine Technologie entwickelt, die es ermöglicht viele Antriebe über Ethernet zu synchronisieren, ohne den IT-Standard zu verlassen. JetSync braucht also keine speziellen Ethernet-Komponenten (Prozessoren oder ASICS), wie dies bei manchen industriellen Ethernet-Lösungen der Fall ist. Auch findet während der Laufzeit TCP/IP-Kommunikation statt. Die Internet-Protokolle Können zu jeder Zeit genutzt werden können, was zum Beispiel bei der Online-Diagnose oder beim Tausch eines Gerätes im laufenden Betrieb erforderlich ist. Auch dies ist bei mancher Echtzeit-Ethernet-Lösung, die im Bereich der Antriebstechnik eingesetzt wird, nicht der Fall - JetSync kann es. Wer die Vorteile von Ethernet ausschöpfen will, der kann es bereits jetzt von der Leitebene bis zur Synchronisierung von Antrieben einsetzen. Dies ist zwar noch nicht konsequent herstellerübergreifend der Fall, doch es gibt mit Modbus TCP ein Protokoll, das Geräte verschiedenster Hersteller anbindet. Nur eine Steuerungstechnologie, die eine durchgängige Nutzung von Ethernet bietet, vermeidet Schnittstellenprobleme, erhöht die Anlagentransparenz für Diagnose und Wartung und steigert auch die Performance. Jetter setzt eigene offene Ethernet TCP/IP Protokolle ein, die mit Standard-IT-Protokollen verträglich sind, und die auf die Anwendung, zum Beispiel die Achssynchronisation, optimiert sind.

Martin Buchwitz, Jetter AG

Erschienen in Ausgabe: Wer macht was?/2006