Technik und Trends

EtherNet/IP

Das Ethernet Industrial Protocol (EtherNet/IP) ist ein offener Standard für industrielle Netzwerke. EtherNet/IP dient zur Übertragung zyklischer E/A-Daten sowie azyklischer Parameterdaten. EtherNet/IP wurde von Rockwell Automation und der ODVA (Open DeviceNet Vendor Asscociation) entwickelt und in der internationalen Normenreihe IEC 61158 standardisiert. EtherNet/IP ist insbesondere im amerikanischen Markt und im Umfeld von Rockwell-Steuerungen ein weit verbreiteter Kommunikationsstandard.

EtherNet/IP benutzt die praxisbewährte Basistechnologie von Ethernet-TCP/IP. Als Übertragungsmedium kommen normale Ethernet-Twisted-Pair-Kabel oder Lichtwellenleiter zum Einsatz. Als Anwendungsprotokoll wird das von DeviceNet und ControlNet bekannte CIP-Protokoll (Common Industrial Protocol) verwendet.

Netztopologie
EtherNet/IP-Netzwerke nutzen eine aktive Sterntopologie. Die Geräte werden über eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung an einen Switch angeschlossen. Der Vorteil der Sterntopologie liegt darin, dass Geräte mit einer Übertragungsrate von 10 MBit/s oder 100 MBit/s im selben Netzwerk betrieben werden können. Standardmäßige Twisted-Pair- und Glasfaserkabel sind mit EtherNet/IP voll funktionsfähig. Durch den konsequenten Einsatz von Switches werden Kollisionen vermieden und das Netzwerk für Echtzeit-Steuerungsanwendungen nutzbar gemacht.

CIP-Anwendungsprotokoll
Das auf den Schicht-4-Standards von TCP und UDP aufgesetzte EtherNet/IP-Anwendungsprotokoll heißt „Common Industrial Protocol“ (CIP). CIP kommt auch bei DeviceNet und ControlNet zum Einsatz. Der Vorteil ist, dass Anwender, die schon einmal mit DeviceNet oder ControlNet gearbeitet haben, sich auch im EtherNet/IP auf Anhieb zurechtfinden. Wesentliche Unterschiede gibt es lediglich in der Übertragungstechnik. Ebenso wurden die Geräteprofile weitgehend unverändert auf EtherNet/IP übertragen. Auch für die Konfiguration können die von DeviceNet und ControlNet bekannten Konfigurationstools eingesetzt werden. Dies spart Engineeringaufwand und verkürzt die Inbetriebnahmezeiten.

Der Steuerungsteil von CIP wird für die schnelle zyklische Übertragung von Prozessdaten (E/A-Daten) genutzt. Die Übertragungsdienste werden als "implicit Messaging" bezeichnet. Für die zeitkritischen E/A-Daten verwendet EtherNet/IP das UDP-Protokoll der Schicht 4. Zeitkritische Datenübertragungen sind typischerweise kleinere Datenpakete, die über langfristig bestehende implizite Verbindungen zwischen einem Sender (SPS) und einer beliebigen Zahl von Zielgeräten ausgetauscht werden.

Der Informationsteil von CIP dient der azyklischen Nachrichtenübertragung (explicit Messaging). Hier kommt das TCP-Protokoll zum Einsatz.

TCP/IP-Basisfunktionen
TCP/IP ist das Transport- und Netzwerkprotokoll des Internets und wird üblicherweise mit Ethernet-Installationen und Business-Anwendungen in Verbindung gebracht. TCP (Transmission Control Protocol) beschreibt ein Verfahren, das zusammen mit dem Internet Protocol (IP) verwendet wird, um über das Netzwerk (Internet/Intranet) Nachrichten zwischen Computern zu versenden. Während das IP-Protokoll für die eigentliche Übermittlung der Daten zuständig ist, überwacht TCP die einzelnen Datenpakete einer Nachricht, um so sichere Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zu gewährleisten.

Auch das UDP/IP-Protokoll (User Datagram Protocol) wird zusammen mit Ethernet-Netzwerken eingesetzt. UDP/IP ermöglicht den schnellen und effizienten Datentransport, wie er für Austausch der E/A-Daten in Echtzeit erforderlich ist.

Industrielle IT-Funktionen
Zusätzlich zu den Kommunikationsfunktionen für die Übertragung der Prozessdaten und Parameter unterstützt EtherNet/IP auch die industriellen IT-Funktionen wie Web-Server und E-Mail-Client.

Realisierung der EtherNet/IP-Geräteschnittstelle
Für die Realisierung der EtherNet/IP-Schnittstelle in Automatisierungsgeräten bieten sich die Anybus-S-Kommunikationsmodule an. Die Module sind im Kreditkartenformat aufgebaut. Sie beinhalten alle Hardware- und Software-Komponenten einer Industrial-Ethernet-Schnittstelle. Die Module stehen für die Industrial-Ethernet-Varianten Profinet IO, EtherNet/IP und Modbus-TCP sowie für 16 verschiedene Feldbusse, u.a. auch für DeviceNet und ControlNet, zur Verfügung. Alle Anybus-S-Module haben eine einheitliche Hardware- und Software-Schnittstelle. Auch hinsichtlich der Mechanik sind die Module standardisiert und damit einfach untereinander austauschbar.

EtherNet/IP-Comchip
Auch einfache Feldgeräte ohne eigenen Mikroprozessor können in EtherNet/IP-Netzwerke eingebunden werden. Hierfür bietet HMS das Anybus-IC für EtherNet/IP an. Das Anybus-IC realisiert auf nur 8 cm² alle Funktionen einer leistsungsfähigen EtherNet/IP-Schnittstelle einschließlich eines Web-Servers und E-Mail-Clients. Das IC kann bis zu 128 Bit E/A-Daten direkt ansteuern. HMS bietet auch Single-Chip-Lösungen für Profibus und DeviceNet an. Die Anybus-ICs sind für den Einsatz in kompakten Automatisierungsgeräten wie Sensoren und Aktuatoren optimiert. In einfachsten Geräten, wie z.B. Ventilinseln, wird das Anybus-IC im Stand-alone-Modus betrieben und kann direkt die digitalen oder analogen Signale ansteuern. In Feldgeräten mit eigenem Mikroprozessor arbeitet das Anybus-IC wie ein Ethernet-UART und entlastet den Geräteprozessor vollständig von der Ethernet-TCP/IP-Protokollbearbeitung.

Netzübergänge
Kommen in einer Anlage verschiedene Netze zum Einsatz, so können diese über Anybus X-gateways miteinander verbunden werden. Dank des einheitlichen CIP-Anwendungsprotokolls lassen sich die Netzübergänge zwischen EtherNet/IP und DeviceNet sowie EtherNet/IP und ControlNet sehr elegant und völlig transparent realisieren. Auch Übergänge von EtherNet/IP in andere Netzwerke wie Profibus oder Profinet lassen sind mit den Anybus X-gateways von HMS einfach und ohne großen Engineeringaufwand herstellen. Die Anybus X-gateways übertragen E/A-Daten und Parameterdaten transparent zwischen den beiden Netzwerken. Die Gateways stehen in über 130 verschiedenen Varianten zur Verfügung.

EtherNet/IP-Anschluss über Protokollkonverter
Alle Feldgeräte, die über eine serielle RS-232- oder RS-485-Schnittstelle verfügen, können über einen Protokollkonverter in EtherNet/IP-Netze eingebunden werden. Der Protokollkonverter wandelt die Telegramme der seriellen RS-Schnittstelle in EtherNet/IP-Nachrichten um. Der Einsatz eines Protokollkonverts hat den Vorteil, dass die Elektronik des Feldgerätes unverändert bleiben kann.