Was ist los mit Industrial Ethernet?

18. Oktober 2018 / Allgemein, Norm und Zertifizierung, Industrienetzwerke

Aufgrund der inhärenten Zuverlässigkeit, Leistung und Interoperabilität hat Ethernet die Werkshallen als Kommunikationsprotokoll der Wahl für Automatisierungs- und Steuerungssysteme infiltriert. In diesem Jahr hat Industrial Ethernet Marktanteile von herkömmlichen Feldbus-Protokollen übernommen, die in der Regel mehrere getrennte und proprietäre Verkabelungsanlagen erfordern.

Um den Anforderungen des industriellen Umfelds gerecht zu werden, verwendet Industrial Ethernet im Wesentlichen spezielle industrielle Protokolle, die innerhalb des Ethernet-Protokolls so verkapselt sind, dass die richtigen Informationen gesendet und empfangen werden, wann und wo sie benötigt werden, um eine spezifische Operation auszuführen. Werfen wir einen Blick auf diese Protokolle und prüfen, wie sich Industrial Ethernet-Netzwerke von der kommerziellen Ethernet-LAN-Umgebung unterscheiden.

Die Big Four

Die industrielle Kommunikation erfolgt auf der Routing-Ebene, auf der Steuerungsebene und auf der Sensorebene – die jeweils unterschiedliche Ebenen von Echtzeit-Informationsübertragung, Kollisionserkennung und Determinismus erfordern (was im Wesentlichen die Route zwischen zwei Knoten bestimmt). Während es mehrere Industrial Ethernet-Protokolle gibt, die eine Vielzahl von Kommunikationsanforderungen in der Werkshalle unterstützen, gibt es vier wichtige Teilnehmer, die erwähnenswert sind – Modbus TCP/IP, Ethernet Cat, EtherNet/IP und Profinet

Modbus TCP/IP war das erste Industrial Ethernet-Protokoll, das eingeführt wurde, und es ist im Wesentlichen eine traditionelle Modbus-Kommunikation, die innerhalb eines Ethernet-Transportschichtprotokolls komprimiert wird, um diskrete Daten zwischen Steuergeräten zu übertragen. Es verwendet eine einfache Master-Slave-Kommunikation, bei der der „Slave“-Knoten keine Daten ohne Anfrage des „Master“-Knotens überträgt, es wird aber nicht als Echtzeitprotokoll betrachtet.

EtherCAT wurde 2003 eingeführt und ist ein Industrial Ethernet-Protokoll, das die Echtzeitkommunikation in einer Master/Slave-Konfiguration für Automatisierungssysteme bietet. Das Schlüsselelement von EtherCAT ist die Möglichkeit für alle vernetzte Sklaven, nur die relevanten Informationen, die sie benötigen, aus den Datenpaketen zu extrahieren und Daten in den Rahmen einzufügen, während er Downstream gesendet wird – was oft als „spontane“ Kommunikation bezeichnet wird.

Ethernet/IP, ursprünglich 2000 veröffentlicht, ist ein weit verbreitetes, Industrial Ethernet-Protokoll der Anwendungsschicht, das von der Open Device Vendors Association (ODVA) unterstützt und in erster Linie von Rockwell Automation geliefert wird. Es ist das einzige Industrial Ethernet-Protokoll, das ausschließlich auf Ethernet-Standards basiert und physische, Datenlink-, Netzwerk- und Transportschichten für Standard-Ethernet verwendet. Da es die Standard-Ethernet-Schaltung verwendet, kann es eine unbegrenzte Anzahl von Knoten unterstützen. Allerdings erfordert es eine begrenzte Reichweite, um Latenz zu vermeiden und Echtzeitkommunikation zu unterstützen.

Ein weiterer großer Akteur ist PROFINET (vor allem, weil es in Siemens- und GE-Controllern eingebettet ist), ein von Siemens in Zusammenarbeit mit Mitgliedsunternehmen einer PROFIBUS-Anwenderorganisation entwickeltes Anwendungsprotokoll. Mit speziellen, in Geräte integrierten Schaltern erweitert es im Wesentlichen die Kommunikation von PROFIBUS-E/A-Controllern im Ethernet.

Kabelanlagen-Eigenschaften

Wenn es um die Kabelanlage geht, die diese Industrial Ethernet-Netzwerke unterstützt, gibt es einige wesentliche Unterschiede im Vergleich zum kommerziellen Ethernet-LAN. Erstens sind die Geschwindigkeiten die wir für Industrial Ethernet besprechen, viel niedriger als die Gigabit- und höhere Bandbreiten-Bedürfnisse, die wir im LAN sehen – etwa 100 MB/s sind die gängigen Geschwindigkeiten, die im Industrial Ethernet verwendet werden. Das hat Sinn, da die Bandbreite, die für das Versenden von Steuerungs- und Automatisierungs-Informationen in einem industriellen Netzwerk benötigt wird, nur einen Bruchteil dessen ausmacht, was zum Herunterladen eines Videos von YouTube erforderlich ist.

Da industrielle Umgebungen Kabel und Konnektivität benötigen, die einer Vielzahl von rauen Bedingungen – Vibrationen, Flüssigkeiten, Staub, Chemikalien und elektromagnetischen Störungen – widerstehen müssen, verfügen die Bauteile über eine robustere Konstruktion als die in der Office LAN verwendeten. Während zum Beispiel das Kabel nur eine Kategorie 5 oder Kategorie 5E-Leistung benötigen mag, verfügen Industriekabel oft über einen größeren Durchschnitt (typischerweise 22AWG), um höhere Temperaturen, abgeschirmte Konstruktion zur Rauschdämmung, geflochtene Leiter für Flex- und spezielle Ummantelungs-Materialien wie Polyurethan für chemische, Öl- und Abriebbeständigkeit zu ermöglichen. Die Leiter selbst können sogar beschichtet werden, um Korrosion vorzubeugen. Diese Eigenschaften ergeben im Vergleich zu alltäglichen LAN-Kabeln einen deutlich höheren Preis für Industrial Ethernet-Kabel.

Steckverbinder, die im Industrial Ethernet verwendet werden, müssen auch robuster sein. Während auf robusten RJ45-Anschlüssen, die für den Einsatz in industriellen Umgebungen entwickelt wurden, Eigenschaften wie Abdichtung gegen Staub und Feuchtigkeit und chemisch beständige Materialien zur Verfügung stehen, sind M12-Anschlüsse im Industrial Ethernet viel weiter verbreitet aufgrund ihres kleineren kreisförmigen Formfaktors und des 12-mm-Anzugsgewindes, das auch bei Schock und Vibrationen eine zuverlässige Verbindung bewahrt. Darüber hinaus werden M12-Verbinder in der Regel mit einer breiteren Palette von Schutzarten angeboten, um Hochdruckwaschern standzuhalten und Korrosionsbeständigkeit zu bieten.

Die gängigsten M12-Verbinder sind in geraden und abgewinkelten Konfigurationen für eine Vielzahl von Maschinenanschlüssen erhältlich und sind entweder 4- oder 8-polig. Der 4-polige Steckverbinder unterstützt die 100-Mbit/s-Geschwindigkeiten, die in den meisten Industrial Ethernet-Anwendungen zu finden sind, während der 8-polige Verbinder für Gigabit-Ethernet benötigt wird, der alle vier Paare für die Übertragung erfordert – klingt vertraut? Wenn es um PoE geht, kann der 4-polige M12 auch nur Typ 1 PoE mit Gleichstrom mit gleichzeitig gelieferten Daten über die gleichen Paare unterstützen, während der 8-polige M12 für Typ 2 und darüber benötigt wird. M12-zu-RJ45-Kabelbaugruppen sind auch dort sehr häufig zu finden, wo nur ein Ende des Kabels mit Maschinen verbunden werden muss, bei denen Schock und Vibrationen vorhanden sind.

Da Industrial Ethernet weiter expandiert und die Normungsgremien weitere Standards zu ihrer Unterstützung entwickeln, wird Fluke Networks Sie auf dem Laufenden halten, wie Sie diese Systeme testen und zertifizieren können… Weitere Ressourcen zum Industrial Ethernet.