State of the art der Kommunikation?

Industrieelektronik - Ethernet setzt seinen Siegeszug in der Feldbuslandschaft fort. Damit die Ethernet-Euphorie dem Anwender nutzt, kommt es auf die aktiven Netzwerkkomponenten an - und diese müssen ganz gezielt für den entsprechenden Einsatz- bzw. Montageort zugeschnitten sein.

22. Juni 2005

Im Bereich der industriellen Kommunikation in der Fabrik- und Maschinenautomation unterscheidet man vier Ebenen: Leitebene, Zellebene, Prozessebene und Sensor/Aktor-Ebene.

Ab der Prozessebene spricht man von der Feldebene. Hier sind heute Feldbussysteme wie z.B. Profibus, DeviceNet, Interbus, CANopen oder AS-Interface als Datenübertragungssysteme etabliert. Diese Feldbussysteme mit jeweils eigenen Verbindungstechniken sind für den Transport kleinerer Datenmengen ausgelegt und stellen daher Bandbreiten von etwa 500 KBit/s bis 12 MBit/s bereit.Für den »High-Speed«-Bereich zur Antriebsvernetzung ist Sercos Interface als reiner Antriebsbus etabliert.

In der Fabrikautomation kommt Ethernet als Netzwerktechnik meist auf der Leitebene zum Zuge, das heißt bei der Verwaltung eines Fertigungsnetzes oder der bei der Maschinen- und Anlagenvernetzung mit der Leitebene. Hier wird Ethernet mit den übergelagerten Protokollen TCP (Transmit Control Protocol) und IP (Internet Protocol), besser bekannt als Ethernet TCP/IP, eingesetzt. Seit einigen Jahren hält die Ethernet-Technologie in der Feldebene Einzug. Derzeit sind ca. 5.000 Ethernetknoten in der Feldebene installiert. Hier ist zukünftig mit einer Steigerung zu rechnen, da industrielles Ethernet heute dank erreichter Echtzeitfähigkeit technisch die etablierten Feldbussysteme ablösen kann. In den nächsten Jahren wird bei Neuinstallationen häufiger auf die Ethernet-Technologie gesetzt. Ethernet wird jedoch die bisher etablierten Feldbussysteme auch langfristig nicht ganz aus der Feldebene verdrängen. Systeme wie z.B. AS-Interface als klassischer Sensor/Aktor-Bus der untersten Feldebene werden weiterhin ihre Daseinsberechtigung haben.

Die Grundidee von Industrial Ethernet besteht darin, den weltweiten Kommunikationsstandard Ethernet auch für die Industrieautomation zu nutzen. Es soll möglich sein, vom Internet über die Betriebs- und Leitebene bis hinunter in die Feldebene mit einem einheitlichen leistungsfähigen Datenkommunikationssystem zu arbeiten.

Die Hauptschwäche von Ethernet war sein nicht deterministisches Verhalten, das durch den Einsatz von Switched Ethernet weitestgehend eliminiert werden kann.

Ein Trendsetter für Ethernet ist die Automobilindustrie. Auch der Trend der wachsenden Dezentralisierung wird durch den Einsatz von Ethernet und die dadurch benötigten aktiven Netzwerkkomponenten wie z.B. Switches und Hubs noch weiter verstärkt. Es hat sich gezeigt, dass die reine Sterntopologie, die in der »Office Welt« Standard ist, in der Industrie- und Maschinenautomation nicht immer sinnvoll ist. Hier werden in der Zukunft, je nach Anlagen- und Maschinentyp, Ring- bzw. Linien-Topologien oder Mischformen zwischen Ring-, Linien- und Sterntopologien vorherrschen.

Um den Verkabelungsaufwand sowie die Installationskosten gering zu halten, ist es häufig erforderlich, die aktiven Netzwerkkomponenten nicht zentral im Schaltschrank, sondern dezentral in der Nähe der Endgeräte zu platzieren. Hier ist es entscheidend, dem Kunden nicht nur eine aktive Netzkomponente anzubieten, sondern diese ganz gezielt für den entsprechenden Einsatz- bzw. Montageort zu designen. Nur so ist der maximale Kundennutzen bei geringen Kosten für den Aufbau der Netzwerkstruktur zu erreichen. Denn im Vergleich mit einer Feldbustopologie sind die Kosten für ein industrielles Ethernet-Netzwerkin der Feldebene technologiebedingt höher anzusetzen.

Grundsätzlich können drei Gerätevarianten für aktive Netzwerkkomponenten unterschieden werden: Die IP 20-Variante innerhalb eines Schaltschranks, eine Durchführungsvariante, die von der IP 20-Welt in die IP 67-Welt führt, und die dezentrale IP 67-Variante.

Als IP 6X-Spezialist verfolgt die Technologiegruppe Harting ein Gerätekonzept, das die beiden IP 67-Varianten unterstützt: Erstens eine integrierte Lösung, die Ethernet Switch und Wanddurchführung in einem Gerät vereint. Der Ethernet Switch »ESC 67-30 TP05U« kann direkt an die Schaltschrank- bzw. Klemmenkasten-Außenwand montiert werden. Innerhalb des Schaltschranks stehen bis zu drei Ports für die Vernetzung in IP 20 zur Verfügung. Außerhalb des Schaltschrankes ist der Ethernet Switch für die Linienvernetzung mit zwei Ports in IP 65 / IP 67 ausgestattet. Zweitens eine IP67 Ethernet Switch-Gerätereihe ESC 67-10 TP05U. Das robuste Metallgehäuse in Schutzart IP 65 / 67 und seine variablen Befestigungsmöglichkeiten erlauben eine Montage direkt an der Maschine bzw. der Produktionsanlage. Hierdurch wird ein reduzierter Verkabelungsaufwand beim Aufbau von Industrienetzwerken erreicht. Für eine schnelle und problemlose Montage sind alle Anschlüsse steckbar ausgeführt.

Alle Switches sind PROFInet-konform, unterstützen wahlweise 10BASE-T oder 100BASE-TX und sind für Betriebstemperaturen von -40 bis +70°C ausgelegt. Eine Echtzeitfähigkeit für Ethernet auf Feldbusniveau und darüber hinaus z.B. für die ­Antriebsvernetzung ist nur mit zusätz­lichen Maßnahmen zu erreichen. Derzeit gibt es bei Industrial Ethernet noch keinen einheitlichen Standard in Bezug auf den Datenverkehr in Echtzeit. Bei EtherNet/IP wurden große Teile aus der DeviceNet-Spezifikation einschließlich der Geräteprofile übernommen. PROFInet wurde weitestgehend neu aufgesetzt. Hier sind unterhalb von TCP/IP zwei Echtzeitstufen definiert: SRT (Soft Real Time) und IRT (Isochrones Real Time), welches hardwarebasiert ausgeführt wird.

Ethernet Powerlink arbeitet auf der Basis von Zeitscheiben. Hier wird jedem Teilnehmer ein Zeitfenster für Datenübertragung von dem Powerlink-Master zugestanden. Zukünftig werden die in der CiA für CAN open definierten Geräteprofile von Ethernet Powerlink verwendet.

Bei EtherNet/IP und PROFInet ist eine uneingeschränkte Mischbarkeit von TCP/IP-Datenverkehr und Echtzeit-Datenverkehr möglich. Um TCP/IP-Datenverkehr in Ethernet Powerlink zu realisieren, ist eine Art Ethernet/Ethernet Powerlink-Gateway erforderlich, das den TCP/IP-Datenverkehr in die im Powerlink vorgesehene Zeitscheibe für den asynchronen Datenverkehr verpackt.

Erschienen in Ausgabe: 01/2004