Grundagen der industriellen Netzwerke

Industrial Ethernet im Überblick

Dass sich Industrial Ethernet auch in der Automatisierungstechnik etabliert, bezweifelt heute niemand mehr. Die enormen technischen Fortschritte wie Fast Ethernet, Switching und Full-Duplex-Übertragung haben aus dem guten alten Ethernet ein leistungsfähiges Kommunikationssystem gemacht, das eine geradezu magische Anziehungskraft auf Anwender und Hersteller in der Industrie ausübt. Trotz aller Standardisierungs­bemühungen ist es jedoch nicht gelungen, ein einheitliches Anwendungsprotokoll festzulegen, das auf die Belange der Automatisierungstechnik zugeschnitten ist. Das Resultat sind unterschiedliche Varianten, die untereinander inkompatibel sind.

Die verschiedenen Industrial-Ethernet-Protokolle heißen: Profinet (PNO/Siemens), EtherNet/IP, (ODVA/Rockwell Automation), EtherCAT (ETG/Beckhoff), Powerlink (EPSG/B&R), Modbus-TCP (Modbus-IDA/Schneider), Sercos-III (Sercos/Rexroth), Foundation Fieldbus HSE (FF, Rosemeount) und FLNet (JEMA/Mitsubishi). Diese Systeme unterscheiden sich hinsichtlich der Anwendungsprotokolle und Echtzeiteigenschaften deutlich voneinander und sind inkompatibel zueinander. Nachfolgend werden die Grundlagen der Systeme kurz erläutert und Lösungen für die Realisierung einer universellen Kommunikationsschnittstelle für ALLE Systeme vorgestellt.

In den unteren Schichten gibt es Gemeinsamkeiten
Trotz der unterschiedlichen Ansätze für die Echtzeitkommunikation gibt es bei allen Konzepten einen gemeinsamen Kern. Er umfasst die etablierten Standards der Ebenen 1-2, wie die Ethernet-Übertragungstechnik und das Buszugriffsverfahren (CSMA/CD, Layer 2). Darüber hinaus unterstützen alle Systeme industrielle IT-Funktionen wie Webserver, File-Transfer und E-Mail-Versand. Für diese IT-Funktionen werden einheitlich das Internet-Protokoll (Layer 3) sowie das TCP- und UDP-Protokoll (Ebene 4) angewendet. Darüber hinaus kommen weitere Standards der IT-Welt wie das Hypertext-Transfer-Protokoll (http) und das File-Transfer-Protokoll (FTP) zum Einsatz.

Unterschiede
Die Unterschiede zwischen den einzelnen Systemen liegen in der grundlegenden Protokollarchitektur, den Anwendungsprotokollen in der Ebene 7, den Objektmodellen sowie den Engineering-Konzepten und Tools.

Encapsulation-Systeme
Unter dem Begriff Encapsulation wird die Einbettung einer Schicht-7-Nachricht in einen TCP- oder UDP-Container der Schicht 4 verstanden. Typische Vertreter dieser Kategorie sind das von Rockwell Automation und der ODVA entwickelte EtherNet/IP, die High-Speed-Ethernet-Technologie (HSE) der Fieldbus Foundation, Modbus-TCP von Schneider Automation. Allen diesen Konzepten ist gemeinsam, dass ein mehr oder weniger unverändertes Feldbus-Telegramm als „Nutzlast“ in einen TCP/UDP-Frame eingebettet und über Ethernet übertragen wird. Der Vorzug dieser Methode liegt darin, dass die Vorteile von Ethernet mit seiner leistungsfähigen Übertragungstechnik sich optimal mit den bewährten Eigenschaften der zugrunde liegenden Feldbusprotokolle ergänzen. Die grundlegenden Eigenschaften und Engineering-Werkzeuge der zugrunde liegenden Feldbusse bleiben unverändert.

Systeme für die verteilte Automatisierung
Die zweite Kategorie der Ethernet-basierten Systeme ist für die Kommunikationsanforderungen von verteilten Systemen besonders gut geeignet . Hierbei wird das Anwendungsprogramm auf mehrere über Industrial Ethernet verbundene Controller aufgeteilt. Diese neue Philosophie wurde von der Firma Jetter mit der JetWeb-Technologie erstmals propagiert. Der Slogan „das Netz ist die Steuerung“ verdeutlicht einfach und prägnant das Funktionsprinzip. Die Systeme IDA und Profinet CBA zielen beide auf diese Philosophie.

Systeme für Echtzeitkommunikation
Diese Systeme haben sich zum Ziel gesetzt, schnelle Echtzeitkommunikation auf Basis der Ethernet-Übertragungstechnik zu ermöglichen. Alle Systeme benutzen dafür spezifische Echtzeitprotokolle und verzichten für die Echtzeitkommunikation auf die TCP/IP-Protokolle. Zu diesen Systemen zählen Profinet IO, Powerlink, EtherCAT und SERCOS III.

EtherNet/IP
EtherNet/IP-LogoDas Industrial-Ethernet-Protokoll (EtherNet/IP) wurde von der ODVA und Rockwell Automation entwickelt.
Als Anwendungsprotokoll kommt das von DeviceNet und ControlNet bekannte "Common Industrial Protocol" (CIP) zum Einsatz. Für EtherNet/IP stehen heute bereits viele Produkte zur Verfügung. EtherNet/IP wird in vielen industriellen Anwendungen eingesetzt und ist bei General Motors weltweit für alle Werke vorgeschrieben.

Profinet IO
Profinet-LogoProfinet IO wurde von Siemens und der Profibus-Nutzerorganisation entwickelt. Es baut auf dem bewährten Funktionsmodell von Profibus-DP auf und benutzt die Fast-Ethernet-Technologie als physikalisches Übertragungsmedium. Das System ist für die schnelle Übertragung von I/O-Daten zugeschnitten und bietet zeitgleich eine Übertragungsmöglichkeit für Bedarfsdaten und Parameter sowie IT-Funktionen. Bestehendes Profibus-DP-Know-how kann weiter genutzt werden. Wie bei Profibus-DP werden die dezentralen Feldgeräte bei Profinet IO über eine Gerätebeschreibung in das Projektierungstool eingebunden. Die Eigenschaften des Feldgerätes (Profinet IO Device) werden vom Gerätehersteller in einer GSD-Datei beschrieben. Die Peripheriesignale der Feldgeräte werden zyklisch in die SPS eingelesen, dort verarbeitet und anschließend an die Feldgeräte wieder ausgegeben. Bei Profinet IO wird im Gegensatz zum Master-Slave-Verfahren von Profibus ein Provider-Consumer-Modell verwendet, das die Kommunikationsbeziehungen zwischen den gleichberechtigten Teilnehmern am Ethernet unterstützt.

EtherCAT
Logo EtherCATEtherCAT ist eine schnelle, offene Echtzeitlösung, die von Beckhoff entwickelt wurde. EtherCAT setzt neue Maßstäbe für das Echtzeitverhalten. So kann man zum Beispiel 1.000 verteilte E/A-Daten in nur 30 µs übertragen oder 100 Achsen in 100 µs synchronisieren. EtherCAT ist flexibel hinsichtlich der Installation und unterstützt sowohl linienförmige als auch Baum- oder Stern-Topologien und verzichtet auf aktive Netzwerkkomponenten wie Switches oder Hubs.

Powerlink
Powerlink-LogoEthernet Powerlink ist eine offene Echtzeitlösung, die von B&R und der EPSG-Gruppe standardisiert wurde. Powerlink ist kompatibel zum IEEE-802.3u-Standard für Fast Ethernet. Dadurch können alle IP-basierten Protokolle wie TCP, UDP und http gleichzeitig mit den harten Echtzeitdaten übertragen werden.

SERCOS-III
SercosSERCOS-III basiert auf den bewährten Echtzeitmechanismen des aktuellen SERCOS Interface und nutzt weiterhin das Prinzip der zyklischen Übertragung mit exakt festem Zeitraster. Die hardware-basierte Synchronisation ist die Voraussetzung für die sichere Realisierung anspruchsvoller Bewegungsaufgaben, beispielsweise elektronischer Wellen in Zeitungsdruckmaschinen, Verpackungsmaschinen oder mehrachsigen Werkzeugmaschinen.

FL-Net
Logo FL-NetFL-Net (OPCN-2) ist das Ergebnis einer Standardisieungsinitiative der japanischen JEMA (Japan Electrical Manufacturers Asscociation) unter Federführung von Mitsubishi. FL-Net ist ein Ethernet-basierter Standard für die Kommunikation von intelligenten Controllern (SPS-Steuerungen) untereinander.

Realisierung einer universellen Kommunikationsschnittstelle
Für die Realisierung einer universellen Kommunikationsschnittstelle für alle Industrial-Ethernet-Systeme in Automatisierungsgeräten bieten sich die Anybus-Kommunikationsmodule von HMS an. Die Module sind kompakt aufgebaut und beinhalten alle Hardware- und Software-Komponenten einer Industrial-Ethernet-Schnittstelle. Die Module stehen für die Industrial-Ethernet-Varianten Profinet IO, EtherNet/IP, Modbus-TCP, EtherCAT und SERCOS III sowie für viele verschiedene Feldbusse zur Verfügung. Alle Anybus- Module haben eine einheitliche Hardware- und Software-Schnittstelle. Auch hinsichtlich der Mechanik sind die Module standardisiert und damit einfach untereinander austauschbar. Übersicht einbaufertiger Anybus-Module

Gateways verbinden Feldbusse und Industrial-Ethernet-Netze
Für den Datenaustausch zwischen Feldbussen und den verschiedenen Industrial-Ethernet-Systemen bietet HMS eine große Palette von Gateways an. Die Gateways ermöglichen die transparente Übertragung von E/A-Daten zwischen zwei industriellen Netzwerken. Übersicht Gateway-Produkte

Fazit
Vergleicht man die unterschiedlichen Lösungsansätze, so wird deutlich, dass es in der Automatisierungstechnik keinen einheitlichen Standard für Industrial Ethernet gibt. Anwender und Gerätehersteller müssen sich auf eine noch größere Vielfalt an industriellen Kommunikationssystemen einstellen.