Ethernet in der Automatisierung – Teil 1 Die Vorteile des industriellen Ethernets

Für industrielle Anwendungen werden eine gute Echtzeit-Leistung und hohe Robustheit benötigt. Darum sind Fabriken rund um die Welt abhängig von Ethernet-Lösungen. Doch was sind die Vorteile des industriellen Ethernets in der Fertigung und wie kann es dabei helfen auf das IoT überzugehen?

Verglichen mit traditionellen Feldbussen bietet Ethernet höhere Geschwindigkeiten, bessere Handhabung von großen Datenvolumen und schließlich größere Einsparungen durch hervorragende Energieeffizienz und effizienterem Equipment. Es kann auch als eine einzige Netzwerk-Technik dienen, um die Automatisierung in der Fertigung mit der Unternehmens-IT zu verbinden – was das Netzwerk-Design insgesamt vereinfacht und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit steigert.

Warum eignet sich Ethernet so gut für die Produktion und wie wirkt sich das aus? Es gibt viele Gründe dafür, aber folgende sind besonders hervor zu heben:

  • Die meisten industriellen Netzwerke arbeiten im Vollduplex-Betrieb, um Datenkollisionen zu vermeiden. Obwohl Kollisionen im Halbduplex-Betrieb möglich sind, stellen sie solange kein Problem dar, bis das Verhältnis von Kollisionen zu Daten-Frames einen bestimmten Schwellwert überschreitet. Der Vollduplex-Betrieb vermeidet Datenkollisionen immer vollständig.
  • Fabriken, wie auch andere populäre Anwendungen für das industrielle Ethernet – wie Windfarmen, Öl- und Gas-Raffinerien – sind häufig rauen Umgebungen und Betriebsbedingungen ausgesetzt. Die Betreiber müssen Vibrationen, Feinstaub und extreme Temperaturen berücksichtigen und sie können das, indem sie industrielle Ethernet-Kabel und -Steckverbinder in ihren Automatisierungs- und Regelsystemen einsetzen.
  • Das industrielle Ethernet bietet eine Vielzahl an Möglichkeiten unterschiedlicher Topologien und Protokollen. Die Fabriken können sich von der Stern-Topologie lösen, die das kommerzielle Ethernet dominiert, und z.B. aus Gründen der Redundanz und schnellen Wiederherstellung eine Ring-Topologie verwenden. Darüber hinaus decken Protokolle wie EtherNet/IP und EtherCAT einen weiten Bereich an Applikationen und System-Designs ab.

Die Entwicklung von Ethernet: Vergangenheit und Zukunft

Die Entwicklung des Ethernets begann bereits vor mehreren Dekaden und die Technik wurde von einer großen Basis von Herstellern weiter kultiviert, um den rapiden Ausbau des Produkt-Ecosystems voran zu treiben. Da die Leistungsfähigkeit des Ethernets kontinuierlich gesteigert wurde, machte die Kombination von hoher Geschwindigkeit und Ausgereiftheit das Ethernet zu einem zunehmend geeigneten Ersatz für andere Protokolle, die für serielle Schnittstellen entwickelt waren.

Dazu wird z.B. die Entwicklung von Controllern und Switches betrachtet, die Ethernet basierte Automatisierungssysteme unterstützen. Heutige Chips können mit einem Echtzeit-Betriebssystem modifiziert werden, um eine deterministische Datenverarbeitung zu unterstützen, wobei ihre I/O-Controller so eingestellt sind, dass sie mit einem industriellen Automatisierungsprotokoll, angefangen bei EtherNet/IP bis hin zu ModBus/TCP2 zusammenarbeiten.

Diese Produkte sind bezeichnend dafür, was das industrielle Ethernet in der modernen Fertigung alles machen kann. Zyklus-Antwortzeiten können optimiert werden, wobei vor unerwünschten Unterbrechungen geschützt wird. Als ein zusätzlicher Vorteil bieten die Anbieter und Standardisierungs-Gremien in der Ethernet-Community eine fortlaufende Unterstützung bei der Lösung von Problemen bei Automatisierungslösungen.

»Das Ethernet und die drahtlose Kommunikation bieten eine Bandbreite, die größer als die der meisten dedizierten Automatisierungs-Netzwerke ist und die für eine kontinuierliche Weiterentwicklung stark von den etablierten Standardisierungs-Organisationen und einer großen Lieferantenbasis abhängt«, erklärt Chantal Polsonetti, Vice President der ARC Advisory Group, 2013 in einem Artikel für die Automation World. »Besonders Ethernet hat seine Fähigkeit bewiesen die richtigen Daten zuverlässig zur richtigen Zeit an den richtigen Ort zu liefern, wobei die Hersteller verbreitet drahtlose Messgeräte einsetzen, um unternehmerische Herausforderungen abzudecken, die von einem verbesserten Prozessablauf, höherer Zuverlässigkeit und Effizienz reichen, um behördliche Vorschriften einzuhalten.«

Die unverwechselbaren Leistungsmerkmale von Ethernet sind auch als Basis für Automatisierungssysteme nützlich, die in das Internet der Dinge (IoT) integriert sind. Viele der vielversprechenden Vorteile des IoT sind abhängig vom Konzept, Echtzeitdaten und -aktivitäten anstatt historischer Informationen zu nutzen, um Entscheidungen zu treffen. Die Systemebene kann erweitert werden, und überwindet damit Einschränkungen der Netzwerk- und Maschinenebene, wie Polsonetti in ihrem Artikel hervorhob.

Der nächste Artikel dieser Reihe greift das Thema industrielle Ethernet-Protokolle wie EtherNet/IP und PROFINET. Anstatt aber ihre wesentlichen Eigenschaften zu wiederholen, wird untersucht, wie sie in einer Fabrik implementiert werden können, besonders für die fabrikweite Automatisierung und die Erstellung eines konvergierten Netzwerks, das sowohl den Interessen der Fertigungsingenieure als auch der Unternehmens-IT gerecht wird.