Industrial Ethernet Protokolle

Ethernet ist ein weit verbreiteter Kommunikationsstandard, um große Datenmengen schnell zwischen Geräten zu übertragen. Ohne Ethernet wäre die Kommunikation in unserer heutigen Welt nicht möglich, da die meisten vernetzten Geräte den Ethernet Standard nutzen.

Daten werden bei Ethernet, wie auch bei anderen Schnittstellentechnologien, in Form von elektrischen Spannungsänderungen bzw. Lichtsignalen bei Glasfaser oder per Funkwellen bei Wi-Fi übertragen.

Ethernet ist äußerst flexibel und kann in einer Vielzahl von Umgebungen eingesetzt werden, angefangen bei Heimnetzwerken bis hin zu großen Unternehmensnetzwerken. Aber auch in der Fabrikautomation hat nach der einstigen Dominanz der Feldbusse heute der Wandel hin zum Ethernet stattgefunden.

Ethernet wurde bereits 1983 in der IEEE 802.3 standardisiert und definiert Layer eins und zwei der sieben Layer im OSI-Model. Vereinfacht ausgedrückt: Layer eins (Physical Layer) sorgt dafür, dass die Bits und Bytes von Punkt A nach Punkt B gelangen. Zu diesem Layer werden beispielsweise Netzwerk- und Glasfaserkabel sowie Netzwerkkarten gezählt. Layer zwei (Data Link) gewährleistet die fehlerfreie und zuverlässige Übertragung von Datenblöcken zwischen zwei Geräten, die über Layer eins verbunden sind. Zu diesem Layer werden beispielsweise Switche und die MAC-Adresse gezählt. Alles weitere, wie die verwendeten Protokolle, befindet sich in den darüberliegenden Layern drei bis sieben des OSI-Models und ist nicht in der IEEE 802.3 für Ethernet spezifiziert.

Ethernet und Industrial Ethernet sind grundsätzlich dasselbe. Der Unterschied liegt darin, dass für Industrial Ethernet robustere Bauteile verwendet werden, welche den Bedürfnissen der Industrie entsprechen. Beispielsweise müssen diese Bauteile extremen Temperaturen, Feuchtigkeit, Vibrationen und elektromagnetischen Störungen standhalten. Die grundlegende physikalische Funktionsweise bleibt identisch. Es können daher auch Industrial Ethernet Komponenten in „normalen“ Ethernet Netzen genutzt werden.

Ein einfaches Beispiel für den Unterschied zwischen Ethernet und Industrial Ethernet Komponenten ist der Stecker. Bei Ethernet wird meist ein RJ45 Stecker verwendet. Dieser ist für Heim- und Büroanwendungen bestens geeignet, für die raue Industrieumgebung jedoch ungeeignet. Daher wird bei Industrial Ethernet ein D-Kodierter M12 Steckverbinder eingesetzt, welcher neben deutlich höherer mechanischer Belastbarkeit auch eine Schutzart von bis zu IP69K aufweisen kann.

Sobald Daten von einem Gerät bereitgestellt und weitergegeben werden sollen, wird eine Schnittstelle für die Datenübertragung benötigt. Geräte, welche große Datenmengen erzeugen oder hohe Datenübertragungsgeschwindigkeiten benötigen, setzen heute auf Ethernet als Schnittstelle.
Als weitere Schnittstelle zur Datenübertragung hat sich für kleinere bzw. kostensensitivere Geräte IO-Link als Schnittstelle am Markt etabliert. Sollen nur simple Informationen ausgetauscht werden, kann auch eine digitale I/O oder analoge Schnittstelle eingesetzt werden.

Welche besonderen Herausforderungen stellt die Industrie an die Ethernet-Kommunikation?

Im Gegensatz zum Datenaustausch im Büroalltag, wo teils sehr große Datenmengen versendet und empfangen werden, jedoch ein Paketverlust oder eine Verzögerung beim Senden/Empfangen von diesen Daten in Kauf genommen wird (z.B. wenn eine E-Mail mit kurzer Verzögerung zugestellt wird oder eine Webseite neu geladen werden muss), ist dies im industriellen Produktionsumfeld nicht ausreichend. Werden hier erfasste Zustände oder Messdaten zu spät bzw. unzuverlässig an die Steuerung übertragen, entspricht der aktuelle Zustand/Messwert in der Maschine bereits nicht mehr dem detektierten Zustand/Messwert und eine Regelung erfolgt mit veralteten Daten.

Welche Lösung gibt es für industrielle Produktionsumfelder?

Um Ethernet überhaupt im industriellen Umfeld nutzen zu können, wird eine deterministische Kommunikation benötigt. Dies ist mit dem typischerweise genutzten TCP/IP Protokoll nicht möglich, weil es in Netzwerken aufgrund von Verzögerungen, Jitter, Bandbreitenkonkurrenz und Paketverlusten zu unvorhersehbaren Zeitvariationen bei der Datenübertragung kommen kann. Um dieses Problem zu lösen, wurden hierfür spezielle Industrial Ethernet Protokolle entwickelt. Diese zeichnen sich durch kurze Latenzzeiten, zyklische Kommunikation und deterministische Reaktionen aus.

Was ist Determinismus?

Im Ethernet-Netzwerk ist Determinismus die Vorhersagbarkeit und Konsistenz von Datenübertragungszeiten und -bedingungen, was bedeutet, dass Datenpakete in vorhersagbaren Intervallen empfangen bzw. gesendet und auch immer garantiert zugestellt werden.

Wozu dienen Industrial Ethernet Protokolle?

Sie bieten zyklische und azyklische Kommunikation, Echtzeitfähigkeit, Priorisierung von Datenverkehr und Robustheit, um den Bedürfnissen in Fabriken und Automatisierungssystemen gerecht zu werden. Der Aufbau eines Datenframes und deren Bedeutung ist zudem im Protokoll genau festgelegt und während herkömmliche TCP/IP-Verbindungen auf allgemeine Netzwerkanforderungen ausgerichtet sind und asynchrone und unregelmäßige Datenübertragungen nutzen, bieten Industrial Ethernet-Protokolle eine standardisierte Struktur für Datenübertragung, bei der der Aufbau der Daten in einem Datenpaket genau festgelegt ist. Dies ermöglicht es Anwendern, einfach auf verschiedene Arten von Daten, wie Parametrierungsdaten, Diagnosedaten und Ein-/Ausgangsdaten zuzugreifen, ohne sich um die komplizierte Zusammenstellung der Datenpakete oder aufwändige Überwachungsmechanismen kümmern zu müssen. Ohne diese Spezifikation müssten Anwender in automatisierten Systemen diese Prozesse individuell für jedes Gerät manuell auf Bit- und Byte-Ebene durchführen, was zeitaufwendig und fehleranfällig wäre.

Obwohl alle Industrial Ethernet Protokolle auf Ethernet basieren, sind diese untereinander nicht kompatibel. Ein PROFINET-Gerät kann daher beispielsweise nicht in einem EtherCAT-Netzwerk betrieben werden

Was ist ein Gateway?

Ein Gateway wird als externer „Übersetzer“ eingesetzt, um die Kommunikation zwischen Geräten zu ermöglichen, die unterschiedliche Protokolle oder Kommunikationsstandards verwenden.

Mit der Produktserie MA 200 bietet Leuze hier ein Gateway von RS 232 auf alle gängigen Industrial Ethernet Protokolle (PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT), Ethernet TCP/IP, wie auch die Feldbusse (PROFIBUS DP, DeviceNet, CANopen) an.

„PROFINET“ ist eines der weltweit am meisten genutzten Industrial Ethernet Protokolle. Die Steuerungen von Siemens verwenden das Industrial Ethernet Protokoll „PROFINET“. Alle Sensoren mit Industrial Ethernet Protokoll von Leuze haben diese Schnittstelle per „integrated connectivity“ bereits im Gerät integriert und sind anhand der Produktbezeichnung x48i erkenntlich. Ein zusätzliches Gateway ist hier nicht erforderlich.

Unter anderem die Steuerungen der Hersteller Allen Bradley / Rockwell und Schneider Electric verwenden das Industrial Ethernet Protokoll „EtherNet/IP“. Viele Sensoren von Leuze haben diese Schnittstelle per „integrated connectivity“ bereits im Gerät integriert und sind anhand der Produktbezeichnung x58i erkenntlich. Ein zusätzliches Gateway ist hier nicht erforderlich.

„EtherCAT“ ist das momentan in der Verbreitung am schnellsten wachsende Industrial Ethernet Protokoll. Vor allem wird EtherCAT von Beckhoff, aber auch von zahlreichen weiteren Steuerungsherstellern, verwendet. Viele Sensoren von Leuze haben diese Schnittstelle per „integrated connectivity“ bereits im Gerät integriert und sind anhand der Produktbezeichnung x38i erkenntlich. Ein zusätzliches Gateway ist hier nicht erforderlich