Was ist Industrial Ethernet?

Ethernet ist in unseren Wohn- und Büroumgebungen weit verbreitet. Moderne Menschen verlassen sich auf das Ethernet-Protokoll für schnelle Datenübertragung und das Surfen im Internet. Aber haben Sie schon einmal von industriellem Ethernet gehört? Es ist der Trend in der Fabrikhalle. Dieser Blog befasst sich mit industriellem Ethernet und den Unterschieden zwischen industriellem und kommerziellem Ethernet.

Was ist Ethernet?

Ethernet wurde erstmals in den 1970er Jahren vorgeschlagen und später im Jahr 1983 als IEEE 802.3 standardisiert. (IEEE ist die Abkürzung für das Institute of Electrical and Electronics Engineers, das die physikalische und Datenschicht des Ethernet definiert.) Ethernet ist eine Netzwerktechnologie, die es Computern ermöglicht, in einem lokalen Netzwerk (LAN) oder Weitverkehrsnetz (WAN) miteinander zu verbinden.

Ethernet ist unerlässlich, damit verschiedene vernetzte Geräte miteinander kommunizieren können. Wenn beispielsweise viele Personen gleichzeitig miteinander sprechen, können sie die anderen nicht klar verstehen. Dasselbe gilt für ein Netzwerk. Datenpakete können durcheinander geraten, wenn das Signal gleichzeitig über ein gemeinsames Glasfaser- oder Ethernet-Kabel gesendet wird. Ethernet regelt die Datenübertragung, um Paketkollisionen zu vermeiden.

Was ist Industrial Ethernet?

Industrial Ethernet hat sich weltweit zur führenden Netzwerkverbindungstechnologie in Fabrikhallen entwickelt. Diese Weiterentwicklung von Ethernet ist speziell auf die Anforderungen von Fabriken zugeschnitten. Wie der Name schon sagt, wird Industrial Ethernet in Automatisierungs- und Steuerungssystemen in der industriellen Fertigung eingesetzt.

Echtzeit, geringe Latenz und Determinismus sollten für Routing, Steuerung und Sensorik in industriellen Umgebungen gewährleistet sein. Um den Anforderungen industrieller Umgebungen gerecht zu werden, verwendet Industrial Ethernet spezielle Protokolle, die für den Einsatz in industriellen Umgebungen entwickelt wurden. Es gibt etwa 20 Protokolle für Industrial Ethernet, und wir werden hier sechs gängige Protokolle vorstellen.

5 gängige Industrial-Ethernet-Protokolle

EtherCAT

EtherCAT steht für Ethernet für die Steuerungsautomatisierungstechnik und wurde 2003 von Beckhoff eingeführt. EtherCAT basiert auf dem MAC-Protokoll und nutzt einen Master- und Slave-Modus für die Echtzeit-Datenübertragung im Automatisierungssystem. Das herausragende Merkmal von EtherCAT ist die „On-the-Fly-Verarbeitung“, da jeder Knoten (Slave-Gerät) relevante Informationen aus dem Paket erkennt und die Daten gleichzeitig sendet, um Zeit zu sparen und die Effizienz zu steigern.

EtherNet/IP

EtherNet/IP ist ein industrielles Ethernet-Protokoll, das von der Open Device Vendors Association (ODVA) unterstützt und von Rockwell Automation übernommen wurde. Es basiert vollständig auf dem Ethernet-Protokoll und umfasst eine standardmäßige Ethernet-Bitübertragungsschicht, eine Datenverbindungs-, Netzwerk- und Übertragungsschicht sowie CIP (CIP bietet universelle Dienste für industrielle Automatisierungssysteme). EtherNet/IP verwendet Standard-Ethernet und Switches und unterstützt so eine unbegrenzte Anzahl von Knoten. Obwohl EtherNet/IP mit mehreren Ethernet-Protokollen kompatibel ist, bietet es nur eingeschränkte Echtzeitkommunikationsfunktionen.

PROFINET

PROFINET wurde Anfang der 2000er Jahre eingeführt und ist eine der gängigsten industriellen Ethernet-Lösungen. Es wurde von Siemens gemeinsam mit Mitgliedern von Profibus entwickelt. PROFINET umfasst drei Klassen: CC-A, CC-B und CC-C. CC-A ist der Basisstandard für Echtzeit- und azyklische Echtzeit. Die typische Anwendung des CC-A-Standards ist ein Geschäftsautomatisierungssystem. CC-B bietet Unterstützung für das Simple Network Management Protocol (SNMP) und wird häufig für die Verarbeitung von Automatisierungssystemen eingesetzt. CC-C, auch bekannt als PROFINET IRT, ermöglicht Echtzeit-Datenänderungen und reduziert die Zykluszeit auf unter 1 ms, was für Motion-Control-Anwendungen geeignet ist.

Modbus TCP/IP

Modbus TCP/IP ist eine Weiterentwicklung des in den 1970er Jahren entwickelten Modbus RTU-Feldbusses. Es kombiniert das physische Netzwerk Ethernet, den Netzwerkstandard TCP/IP und die Datenübertragungsmethode Modbus. Modbus TCP/IP verwendet ein Master-Slave-Kommunikationssystem (Client-Server). Nur ein Gerät ist der Master, Peripheriegeräte können Slaves sein. Slaves fordern eine Anfrage an, die der Master bearbeitet. Daher können Slaves ohne die Erlaubnis des Masters keine Daten übertragen. Es ist zu beachten, dass Modbus TCP/IP kein Echtzeitprotokoll ist.

POWERLINK

POWERLINK wurde von B&R entwickelt und ist ein Echtzeit-Ethernet-Protokoll für die industrielle Automatisierung gemäß dem Ethernet-Standard IEEE 802.3. Es ermöglicht die freie Wahl der Netzwerktopologie, Hot-Plug-Funktionalität und Querverbindungen. Durch Polling und Zeitschlitze kann jeweils ein Knoten Daten senden. Das POWERLINK-Protokoll unterstützt verschiedene Bereiche der industriellen Automatisierung.

Industrielles Ethernet vs. kommerzielles Ethernet

Sie kennen vielleicht kommerzielles Ethernet, da es in Heim- oder Büronetzwerken üblich ist. Industrielles Ethernet unterscheidet sich jedoch etwas. Es gibt einige entscheidende Unterschiede zwischen industriellem und kommerziellem Ethernet, die wir im Folgenden näher erläutern.

• Standards und Protokolle: Das wichtigste Kommunikationsprotokoll für kommerzielles Ethernet ist IEEE 802.3, das die Regeln für die Datenübertragung im Ethernet definiert. Für industrielles Ethernet sollten jedoch speziell für den industriellen Einsatz entwickelte Protokolle wie EtherNet/IP und EtherCAT verwendet werden.
• Netzwerkgeschwindigkeit: Für ein besseres Interneterlebnis streben Sie vielleicht ein Hochgeschwindigkeitsnetzwerk an. Aber wissen Sie, welche Netzwerkgeschwindigkeit in industriellen Umgebungen erforderlich ist? Tatsächlich ist die Geschwindigkeit von Industrial Ethernet deutlich geringer als die von LAN, da das Netzwerk nur für die Übertragung von Steuerungs- und Automatisierungsdaten benötigt wird.
• Stabilität, Zuverlässigkeit und Sicherheit: Herkömmliches Ethernet bietet unter rauen Bedingungen keine optimale Leistung. Industrielles Ethernet hingegen ist so konzipiert, dass es Staub, Chemikalien, Vibrationen, extrem hohen oder niedrigen Temperaturen sowie elektromagnetischen Störungen standhält. Daher können sich Industriekabel, Switches und Router von denen im kommerziellen Ethernet unterscheiden. Beispielsweise verfügen Industriekabel oft über einen robusteren Kabelmantel und einen größeren Querschnitt als Standardkabel, um eine bessere Leistung in extremen Umgebungen zu erzielen.
• Echtzeitkommunikation: Kommerzielles Ethernet kann im Allgemeinen keine Echtzeitdatenübermittlung gewährleisten, ist jedoch für industrielle Umgebungen wie Automatisierungs- und Steuerungssysteme unerlässlich. Für eine Echtzeitsteuerung müssen die Daten in präzisen Zeitintervallen übertragen werden.

Abschluss

Industrial Ethernet findet Anwendung in der Fabrikautomatisierung, in Prozess- und Steuerungssystemen, der Robotik, im Transportwesen, der Öl- und Gasindustrie usw. Es ist Industrie 4.0-kompatibel und gewährleistet eine gute Konnektivität und Datenübertragung in der Automatisierung. Auch in Zukunft kann es stark wachsen.

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