Industrielles Ethernet vs. Kommerziell
2. April 2020 / Allgemeines, 101 Lernen, Standard und Zertifizierung, Industrienetzwerke
Wir alle wissen, dass Ethernet das De-facto-Kommunikationsprotokoll der physischen Ebene für die Datenübertragung zwischen Geräten in einem lokalen oder Wide-Area-Netzwerk ist. Es hat sich im Laufe der Jahre weiterentwickelt, um höhere Leistungsniveaus bei gleichzeitiger Abwärtskompatibilität, Zuverlässigkeit und relativ niedrigen Kosten zu erreichen, weshalb es unverändert beliebt ist.
In der letzten Zeit haben Sie vielleicht Ethernet im Kontext von „gewerblichem Ethernet“ und „industriellem Ethernet“ gehört. Wenngleich beide Ethernet sind, da sie Frames zum Senden von Informationen an und von Geräten über MAC-Adressen verwenden, sind sie nicht genau gleich. Sie unterscheiden sich in der Art und Weise, wie sie Informationen senden und empfangen, über die eingesetzten Topologien bis hin zu den Komponenten und Testbetrachtungen.
Schauen wir uns die Hauptunterschiede zwischen den beiden an.
Mit Zeit und Vorherbestimmung
Das standardmäßige gewerbliche Ethernet ist von Natur aus nicht echtzeitfähig, da es Carrier Sense, Multiple Access with Collision Detection (Mehrfachzugriff mit Kollisionserkennung, CSMA/CD) verwendet. Dies ermöglicht die Erkennung der Netzwerk- und Zieladresse (CSMA) und die Fähigkeit eines Geräts zu erkennen, dass es versucht hat, Informationen zur gleichen Zeit wie ein anderes Gerät (CD) zu übertragen. Wenn eine Kollision erkannt wird, wird die Übertragung unterbrochen und erneut gesendet, wenn die Sendebereitschaft gegeben ist. Anders ausgedrückt, die Zeit, die ein bestimmtes Paket braucht, um an seinem Ziel anzukommen, kann nicht bestimmt werden, d. h. sie ist nicht deterministisch.
Die Kollisionserkennung eignet sich zwar hervorragend für die effektive Übertragung von Unternehmensinformationen, verursacht jedoch eine leichte Verzögerung, die bis zu Hunderte von Millisekunden betragen kann. Das ist nichts, was uns in einem kommerziellen Unternehmensumfeld auffällt oder uns wirklich interessiert. Aber in einem industriellen Umfeld ist selbst die geringste Verzögerung inakzeptabel, da Automatisierungs- und Steuerungssysteme davon abhängen, dass Informationen exakt ankommen, wo und wann sie benötigt werden. Aus diesem Grund stützt sich die Kommunikation auf der Geräteebene in einer industriellen Umgebung seit langem auf Protokolle wie Profibus und Modbus, die zeitempfindliche Übertragung und Determinismus bieten.
Glücklicherweise konnte die IEEE 802,1 Task Group Time-Sensitive Networking (TSN) dieses Problem mit neuen Priorisierungsmechanismen und Algorithmen unter Verwendung der Zeitsynchronisation angehen. Dies führte zu einer Reihe von deterministischen Echtzeit-Standards für das Ethernet für die Übertragung zeitkritischer Informationen auf der Datenverbindungsschicht, die selbst für die anspruchsvollsten Motion-Control-Anwendungen ideal sind. Kurz gesagt, TSN ist das, was die Anforderungen der Industrie an Ethernet erfüllt.
Mögliche Topologie-Variationen
Während kommerzielle Ethernet-Netzwerke fast immer in einer Sterntopologie konfiguriert sind, umfasst Industrial Ethernet oft eine Kombination aus Stern-, Ring- und Bustopologien, um einer Vielzahl von Anwendungen gerecht zu werden. Bustopologien, die in industriellen Anwendungen als Multidrop- oder Multisegment-Topologien bezeichnet werden, sind üblich, wenn mehrere Knoten eine gemeinsame Verbindung teilen müssen. Aus diesem Grund ermöglicht das neue 10BASE-T1L Single-Pair-Ethernet bis zu 10 Inline-Anschlüsse.
Darüber hinaus ist die hierarchische Sterntopologie ideal für kommerzielles Ethernet, während Industrial Ethernet eine noch bessere Redundanz und die Eliminierung von Single Points of Failure erfordert. Zu diesem Zweck hat Industrial Ethernet hybride Sternring-Topologien angepasst, die die Ausfallzeiten für Produktionszyklen durch Null-Failover minimieren. Neue Protokolle, wie die in IEC 62439-3 definierte „High-availability Seamless Redundancy“ (HSR) sind konzipiert, eine Null-Wiederherstellungszeit in einem Ring zu erreichen, indem jedes Paket gleichzeitig in beide Richtungen gesendet wird, so dass der empfangende Knoten das erste ankommende Paket akzeptiert und das zweite ignoriert.
Größerer Komponentenschutz
Wie bereits in einem vorhergehenden Blog erläutert, unterscheiden sich Anschlüsse, die für Industrial Ethernet verwendet werden, auch dadurch, dass sie härteren mechanischen Faktoren, dem Potenzial für Eindringen, extremen Temperaturen, Chemikalien und elektromagnetischen Störungen standhalten müssen. Daher werden häufig M12- und M8-Anschlüsse mit Verriegelungsgewinde verwendet, da sie im Vergleich zu kommerziellen Ethernet-RJ-45-Anschlüssen wesentlich haltbarer und besser für den Umgang mit anhaltenden Vibrationen ausgelegt sind. Auch Kabel müssen in der Lage sein, härteren Umgebungen zu widerstehen, weshalb sie Mantelmaterialien mit höherer Zugfestigkeit und chemischer Beständigkeit sowie höhere Litzenzahlen für Flexibilität aufweisen. Sowohl Anschlüsse als auch Kabel müssen strengere M.I.C.E.-Parameter erfüllen, die zur Klassifizierung von Komponenten in einem industriellen Netzwerk verwendet werden, wobei M für mechanisch (Biegung, Vibration), I für Eindringen (Feuchtigkeit), C für klimatisch (Temperatur) und E für elektromagnetisch (Rauschen) steht. Die MICE-Normen gelten für jedes industrielle Ethernet-Protokoll, einschließlich Ethernet/IP, ProFinET, EtherCAT, Modbus-TCP und andere industrielle Protokolle.
Aber nicht nur die Kabel und Anschlüsse unterscheiden sich. Die Ethernet-Switches selbst müssen ebenfalls größeren Temperaturbereichen, Stößen, Vibrationen usw. standhalten, und sie werden häufig in industriellen Stahlgehäusen mit DIN-Schienenmontage untergebracht. Sie erfordern auch eine hohe Zuverlässigkeit und Redundanz. Während ein gewerblicher Ethernet-Switch gewöhnlich eine einzige Stromzufuhr besitzt, haben industrielle Ethernet-Switches fast immer eine redundante Versorgung.
Spezielle Tests und Fehlersuche
Mehr als die Hälfte aller Probleme im industriellen Ethernet lässt sich auf die Verkabelung zurückführen. Auch raue industrielle Bedingungen können dabei eine Rolle spielen und beim Testen sowie bei der Fehlersuche ein Umdenken erfordern. Beispielsweise können bei industriellen Ethernet-Kabeln Kontinuitätsprobleme auftreten, die durch Biegung, Vibration, Korrosion und Temperaturänderungen verursacht werden. Wenngleich Kontinuitätstests offene Anschlüsse ausfindig machen, muss bei der Suche nach einer schlechten Verbindung der Widerstand jedes einzelnen Leiters gemessen werden. Hierzu müssen Sie mit Ihrem Fluke Networks Testgerät der Reihe DSX CableAnalyzer™ auf DC-Widerstands-Unausgeglichenheit testen, was sich mit dem Widerstandsunterschied zwischen den einzelnen Leitern eines Paares befasst. Wenn er zu hoch ist, könnte dies auf eine schlechte Verbindung hindeuten.
Elektromagnetische Interferenz (EMI), also das „E“ in „M.I.C.E.“, kann industrielle Ethernet-Pakete ebenfalls beschädigen. Um festzustellen, ob ein Kabel für EMI anfällig ist, testet der DSX CableAnalyzer auf Transversalkonversionsdämpfung (TCL) und Equal Level Transversal Conversion Transfer Loss (ELTCTL), die sowohl in den TIA- als auch in den ISO M.I.C.E.-Normen behandelt werden. Beim Testen können die Grenzwerte für M.I.C.E.-Normen in Ihrem Testgerät so gewählt werden, dass sie der „E“-Stufe der Umgebungen entsprechen, also E1 für gewerbliche Büroumgebungen, E3 für Umgebungen in der Nähe starker EMI-Quellen und E2 für Kabelverläufe zwischen den Zonen E1 und E3.
Natürlich müssen Sie beim Testen auch darauf achten, dass Ihr Tester die richtige Schnittstelle und den richtigen Testaufbau hat. In industriellen Anwendungen ist es üblich, Kabel mit M12-Anschlüssen in einer Punkt-zu-Punkt-Konfiguration ohne Quer- oder Zwischenverbindungen abzuschließen, was sie im Wesentlichen zu einem langen Patchkabel macht. Da bei der Kanalprüfung die Leistung der Stecker an beiden Enden nicht berücksichtigt wird, hat ISO/IEC End-to-End-Testgrenzen (E2E) zur 11801-3-Norm hinzugefügt, die mit DSX M12D- oder M12X-Adaptern getestet werden und in der Testgerätereihe DSX CableAnalyzer erhältlich sind. Es ist üblich, dass einige dieser Punkt-zu-Punkt-Verbindungen an einem Ende mit einem M12-Stecker und am anderen Ende mit einem RJ45-Stecker abgeschlossen werden. In diesem Fall benötigen Sie auf der einen Seite einen M12-Adapter und auf der anderen Seite einen Patchkabel-Adapter, da dieser zum Testen der Leistung des feldkonfektionierten RJ45-Steckers verwendet wird.
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