15.03.2018
Grundlagen

Grundlagen: Industrial Ethernet

Moderne industrielle Ethernet-Netzwerke können die Vielzahl der Maschinen und Geräte im Feld mit klassischer Büro-IT-Technik vernetzen und ermöglichen somit, Produktionsparameter permanent zu überwachen und Diagnose-Daten darzustellen. Die Wahl des richtigen Protokolls orientiert sich an den Anforderungen der Applikation und den geforderten Daten-Management-Fähigkeiten des zukünftigen Systems.

Die Anforderungen an industrielle Netzwerke steigen. So werden zum Beispiel eine dezentrale Anlagensteuerung, Diagnose von Feldgeräten oder automatische Wartungsroutinen gefordert. Zunehmend leistungsfähigere Netzwerkprotokolle sorgen daher für die Integration von industriellen Anlagen und Steuerungen sowie den Austausch von Statusinformationen und Produktionsdaten. Moderne Automatisierungsstrukturen setzen auf durchgängige Integration und Vernetzung der Systeme vom Feld bis zum ERP-System. Voraussetzung für diese Durchlässigkeit sind industrielle Kommunikationsnetzwerke, die auf den gleichen Basis-Protokollen aufbauen wie Büro-Netzwerke beziehungsweise diese zumindest unterstützten.

Was ist Industrial Ethernet?

Industrial Ethernet (IE) basiert wie klassisches Büro-Ethernet auf dem Standard IEEE 802.3. Allerdings sind manche der Büronetzwerk-Eigenschaften für industrielle Anforderungen nicht geeignet. Die Entwickler industrieller Ethernet-Protokolle mussten daher Lösungen für die industriellen Anforderungen wie Echtzeit-Fähigkeit und Determinismus finden. Viele Unternehmen unterhalten getrennte Netzwerke für Produktion und andere Geschäftsprozesse. Das Büro-Netzwerk unterstützt die klassischen Verwaltungs-Funktionen, das Netzwerk auf Steuerungs-Ebene verbindet die Steuerungs- und Überwachungsgeräte des Unternehmens. Das Netzwerk der Feld-Ebene verbindet die Anlagen-Steuerung mit den I/O-Geräten im Feld. Industrial Ethernet kann all diese Netzwerkebenen integrieren und Büro-Kommunikation, Anlagen-Überwachung und Feldgeräte-Steuerung in einem einzigen Netzwerk vereinen.

OS- Referenz-Modell

OSI steht für Open Systems Interconnection. Das OSI-Modell beschreibt, wie Software-Informationen eines Computers durch das Netzwerk zur Software-Anwendung auf einem anderen Computer gelangen.

Das Modell wurde 1984 von der ISO (Internationale Organisation für Standardisierung) entwickelt und gilt als erste Grundstruktur zur Kommunikation zwischen Computern. Das OSI-Modell unterteilt die Aufgaben, die an diesem Prozess beteiligt sind, in sieben kleinere und besser handzuhabende Pakete. Die Aufgaben werden dann den sieben Ebenen im OSI-Modell zugeordnet. Jede Schicht ist eigenständig, sodass die zugewiesenen Aufgaben unabhängig voneinander verarbeitet werden können.
Die sieben Schichten sind in wiederum zwei Hauptgruppen geteilt: die obere und die untere Ebene. Die unteren Ebenen (Physikalische, Data-Link-, Netzwerk- und Transport-Schicht) konzentrieren sich auf den Datentransport, während sich die oberen Ebenen (Sitzungs-, Präsentations-, und Applikations-Schicht) auf die Applikation beziehen.

TCP/IP

Ethernet-Kommunikation stützt sich immer auf Protokolle, die in der Internetprotokollfamilie (internet protocol suite) enthalten sind. Sie bildet die Basis für die Netzkommunikation im WWW, in Büronetzwerken sowie in industriellen Ethernet-Netzwerken. Meist wird die Protokoll-Familie nach ihren bekanntesten Protokollen als TCP/IP bezeichnet: Transmission Control Protocol (TCP) und Internet Protokoll (IP).
Das Internet-Protokoll legt die Adresse fest, mit der das Netzwerk das Informationspaket vom Sender zum Empfänger transportiert. Das IP erlaubt die Übermittlung von Datagrammen oder Paketen innerhalb des Netzwerks auch ohne direkte Verbindung. Datagramme können damit auch geteilt und wieder zusammengesetzt werden. So können auch Datenverbindungen mit unterschiedlichen maximalen Übertragungseinheiten (MTU) genutzt werden.

TCP ist ein Transportdienst, der basierend auf dem IP, für die zuverlässige Übermittlung der Datenpakte zwischen zwei Geräten sorgt. TCP baut Verbindungen zwischen Anwendungen auf und ermöglicht, gegenseitig Datenpakete auszutauschen. Nachdem ein Datenpaket verschickt wurde, bleibt es dennoch im Urzustand erhalten. So wird sichergestellt und überprüft, dass alle Pakete angekommen sind. Und falls ein Paket verloren geht oder während des Transports beschädigt wird, kann TCP das Datenpaket erneut versenden.

Standard-Ethernet-Referenzmodell

Das Standard-Ethernet-Referenzmodell basiert auf vier Schichten, von denen jede unterschiedliche Protokolle umfasst: Zunächst die Netzzugangs-Schicht (zum Beispiel Ethernet), die Kommunikationstechnologie für lokale Netzwerke enthält. Dann folgen die Internet-Schicht (zum Beispiel IP) zum Verbinden der lokalen Netzwerke und die Transport-Schicht (zum Beispiel TCP) zum Herstellen einer Ende-zu-Ende-Verbindung. In der übergeordneten Anwendungs-Schicht (zum Beispiel HTTP) sind alle Protokolle für spezifische Datenkommunikations-Dienste enthalten, die auf dieser Ebene zwischen zwei Prozessen ablaufen, beispielsweise die Kommunikation eines Web-Browsers mit einem Web-Server.
Auch die industriellen Ethernet-Protokolle verwenden in der Regel die vier Ebenen des Ethernet-Referenzmodells. Jedoch unterscheiden sich beispielweise Modbus TCP, Ethernet/IP und Profinet in der Art, wie sie die vier Schichten nutzen: Während Modbus TCP jede der vier Schichten des Modells nutzt, insbesondere die TCP- und die IP-Schicht, nutzt Ethernet/IP TCP nur für Administrationsaufgaben wie Diagnose und andere niederpriore Kommunikation. Für die zeitkritische Prozessdatenkommunikation kommt bei Ethernet/IP die UDP/IP-Datenübertragung zum Einsatz. Profinet umgeht die TCP- (beziehungsweise UDP-) und die IP-Schicht für die zeitkritischen Prozessdaten vollständig, um Echtzeit-Geschwindigkeit zu erreichen. Das Protokoll legt einen sogenannten Bypass darum.
Für die Auswahl der optimalen Netzwerk-Lösung müssen Anwender die individuellen Kommunikationsanforderungen und Umgebungsbedingungen ihrer Applikation kennen. Die folgende Übersicht beschreibt die Ethernet-Protokolle Ethernet/IP, Modbus TCP und Profinet.

Ethernet/IP: Ethernet/IP ist ein Kommunikations-Protokoll, das von der ODVA (Open DeviceNet Vendors Association) unterstützt wird und für den Einsatz in der Fabrik- und Prozess-Automation weiterentwickelt wurde. Es implementiert das Common Industrial Protokoll (CIP) auf der Basis von Ethernet. CIP umfasst eine große Bandbreite an Befehlen und Diensten für eine Vielzahl von Anwendungen, inklusive Safety-Anwendungen, Steuerung, Konfiguration und Informationsaustausch. Bei Ethernet/IP basiert der Datenaustausch auf einem Producer/Consumer-Model. Ein übermittelndes Gerät (Producer) stellt dem Netzwerk Daten zur Verfügung und mehrere Empfänger-Geräte (Consumer) können diese Daten gleichzeitig empfangen.
Der Datenverehr besteht aus Eingangs- und Ausgangsdaten sowie Statusinformationen, die von Geräten an die Steuerungen gesendet werden. Daten, die mit Ethernet/IP gesammelt und verteilt werden, können eine nicht-bestätigte Methode (unacknowledged) der Informationsübermittlung zwischen Geräten im Netzwerk verwenden. Um eine gesicherte Datenübermittlung zu erreichen, muss eine weitere Schicht vor der Datenübermittlung implementiert werden.

Modbus TCP: Modbus TCP ist eine Protokoll-Variante aus der Modbus-Familie. Es wurde zum Einsatz in Automationssystemen entwickelt und ermöglicht die Verwendung von Modbus-Nachrichten durch TCP/IP-Protokolle. Wenn Modbus über TCP/IP Informationen versendet, übergibt es die Daten erst an die Transportschicht TCP und darauf an das Internet-Protokoll, wobei jeweils zusätzliche Informationen ergänzt werden. Die Daten werden dann in einem Paket gebündelt und übermittelt. TCP als verbindungsbasiertes Protokoll muss erst eine Verbindung aufbauen, bevor Daten übertragen werden können. Der Master (oder Client bei Modbus TCP) baut die Verbindung mit dem Slave (oder Server) auf. Der Slave wartet auf die eingehende Verbindung durch den Master. Ist eine Verbindung eingerichtet, antwortet der Slave so lang auf die Anfragen des Masters, bis die Verbindung getrennt wird.
Die Vorteile von Modbus TCP liegen in seiner Offenheit, Einfachheit und der kostengünstigen Einrichtung und Hardware, die dafür benötigt wird. Die Bediener können einfach Standard-PC-Ethernet-Karten verwenden, um mit den angeschlossenen Geräten zu kommunizieren. Zudem ist die Interoperabilität zwischen den Geräten unterschiedlicher Anbieter gegeben.

Profinet: Profinet ist ein offener industrieller Ethernet-Standard, der von der Profibus-Nutzerorganisation PI gepflegt wird. Profinet verwendet drei verschiedene Kanäle, um mit der Steuerung oder anderen Geräten Daten auszutauschen: Der Standard-TCP/IP-Kanal wird zur Parametrierung, Konfiguration und für azyklische Scheib/Lese-Prozesse verwendet, der Real-Time-Kanal (RT) für den zyklischen Datenaustausch und Alarmmeldungen. Der dritte Kanal, Isochronous Real Time (IRT), wird als Hochgeschwindigkeits-Kanal für Motion-Control-Applikationen genutzt.
Profinet nutzt für seine Administrationsaufgaben auch das Standard-Ethernet-Referenzmodell auf Basis von TCP/IP. Für die eigentliche Prozessdatenkommunikation legt es allerdings einen Bypass um den TCP/IP-Stack herum. In der Automobilindustrie ist Profinet eines der weitest verbreiteten Ethernet-Protokolle. Ebenso gefragt ist es im Maschinenbau, der Lebensmittel- und Verpackungsindustrie und in Logistik-Applikationen.
Profinet erlaubt zahlreiche anspruchsvolle Funktionen wie zum Beispiel die datenintensive Parameterzuweisung oder synchrone I/O-Signalübertragung. Ferner kann Profinet-Kommunikation in allen Applikationen über dasselbe Kabel laufen, ob es um einfache Steuerungsaufgaben geht oder um anspruchsvolle Motion-Control-Anwendungen.

Da Profinet-RT auf Standard-Ethernet aufsetzt, können die Anwender auch einfach kabelgebundene und kabellose Kommunikation kombinieren. So lassen sich WLAN-Netzwerke in Profinet integrieren. Weitere Vorteile von Profinet sind die hohe Flexibilität bei der Steuerung von Automatisierungsgeräten, der mögliche Einsatz in High-Speed-Applikationen aufgrund der Echtzeit-Kommunikation sowie seine einfache Netzwerkstruktur.

Drei Protokolle - ein Gerät

Die Auswahl eines Ethernet-Protokolls ergibt sich meistens aus der Steuerung einer Maschine oder Anlage. Während Steuerungen von Rockwell Ethernet/IP nutzen, setzen Siemens-Steuerungen Profinet ein. Hat sich ein Kunde einmal für einen Steuerungshersteller entschieden, trifft er damit in der Regel auch die Entscheidung über sein Ethernet-Protokoll.
Für Anlagen- und Maschinenbauer, die ihren Kunden Lösungen für unterschiedliche Steuerungen anbieten wollen, bietet Turck mit seinen Multiprotokoll-Geräten eine Lösung an, die alle drei Protokolle in einem I/O-Gerät vereint. Das erleichtert die Integration im jeweiligen Steuerungssystem. Die Multiprotokoll-Geräte können in jeder Applikation eingesetzt werden, die eines der Host-Systeme Modbus TCP (Client), Ethernet/IP (Scanner) oder Profinet (Master) einsetzt.
Beim Hochfahren des Netzwerks erkennt das Multiprotokoll-Gerät das im Netzwerk gesprochene Protokoll und erlaubt nur einem Ethernet-Master, die Ausgänge zu steuern. Unterdessen bleiben Input- und Diagnose-Daten auch für die anderen beiden Protokolle verfügbar. Damit erübrigt sich die Konfiguration von Geräten auf das Host-System eines Kunden. Geräte-Einrichtung, -Wartung und -Identifizierung werden damit erheblich vereinfacht. Da Ethernet/IP und Profinet beide zu Administrationszwecken auf Standard-Ethernet-Protokolle zurückgreifen, können mit Multiprotokoll-Geräten auch in Ethernet/IP-Dienste genutzt werden, die von Haus aus nur in Profinet zur Verfügung stünden. So können Ethernet/IP-Nutzer beispielsweise die Topologie-Erkennung verwenden, die von Drittanbietern für Profinet-Netzwerke angeboten wird.

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