Ethernet in der Automatisierung – Teil 2 EtherNet/IP in der fabrikweiten Automatisierung

Das Ethernet-Protokoll EtherNet/IP ist weitgehend kompatibel mit bestehenden Infrastrukturen. Doch wie kann der Standard in die fabrikweite Automatisierung und Regelsysteme implementiert werden?

Im ersten Teil dieser Artikelreihe wurde die Bedeutung des Ethernets in der Automatisierungsindustrie dargestellt und seine Vorteile gegenüber herkömmlichen Feldbussen erläutert. Ethernet bietet eine gute Bandbreite, Energieeffizienz und diverse Optionen für Geräte, die alle von der Flexibilität der grundlegenden Technik stammen, die seit Jahrzehnten weiterentwickelt wurde und mittlerweile eine umfassende Lieferantenbasis hat.

In diesem Teil geht es um EtherNet/IP und es wird untersucht, wie es in die fabrikweite Automatisierung und Regelsysteme implementiert werden kann. Der Standard ist Ethernet-basiert und weitgehend kompatibel mit bestehenden Infrastrukturen, wodurch es ein primärer Kandidat für die Ausweitung der Leistungsfähigkeit einer Fabrik ist und gleichzeitig noch die Kostenkontrolle verbessert.

»Eine einheitliche Systemarchitektur, die eine offene, Industriestandard-Netzwerktechnik, wie Ethernet, nutzt, ist notwendig, um die erforderliche Flexibilität, Sichtbarkeit und Effizienz in einer wettbewerbsfähigen Produktionsumgebung zu erreichen«, beschrieb eine gemeinsame Veröffentlichung von Cisco und Rockwell Automation im Jahre 2012.

EtherNet/IP als Basis für die Automatisierung

Eine Studie von Control Engineering unter 200 Teilnehmern, die als Bestandteil seiner Mobilitäts-, Ethernet- und drahtlosen Kommunikations-Studie im November 2013 durchgeführt wurde, ergab, dass EtherNet/IP das am weitesten verbreitetste industrielle Protokoll in dieser Gruppe war und mit einem komfortablen Abstand vor dem Rest des Feldes lag. Über 70 Prozent der Teilnehmer gaben an, EtherNet/IP in ihren Fertigungsstätten zu verwenden.

Die Popularität von EtherNet/IP in sehr vielen unterschiedlichen Branchen geht weit über Bergbau, und die Automobilproduktion hinaus. Besonders in der fabrikweiten Automatisierung kann EtherNet/IP die Konvergenz von zahlreichen Anwendungen unterstützen, und gleichzeitig das Echtzeitverhalten sicherstellen. Der Anwendung von Ethernet in der gesamten Fabrik verbindet EtherNet/IP sowohl die industrielle als auch Bürokommunikation eines Unternehmens miteinander.

EtherNet/IP kann in Übereinstimmung mit dem Converged Plantwide Ethernet (CPwE) von Cisco und Rockwell Automation, einer Referenzarchitektur für den Aufbau eines industriellen Netzwerks, implementiert werden. Das Ziel ist die Integration von Applikationen der industriellen Automatisierung und von Regelsystemen, via Standard-Netzwerk-Diensten, die auf Geräten laufen, mit dem umfassenderen Unternehmensnetzwerk. EtherNet/IP ermöglicht diese Struktur.

Wenn man EtherNet/IP fabrikweit implementiert, muss das Netzwerk mit der Multiswitch-Hierarchie der Ebenen 2 und 3 und auch der Zonensegmentierung, basierend auf der Funktion jedes Gerätes und der Leistung und Verfügbarkeit, die es besitzt, strukturiert werden. Auf der untersten Ebene könnte man Aktoren, Roboter und ähnliches haben, mit Anwendungen wie Antriebs- und Batch-Steuerung auf der nächsten Ebene und schließlich dem Unternehmensnetzwerk auf der höchsten Ebene.

Geht man in detailliertere Eigenschaften dieser EtherNet/IP-Einstellung über, können VLANS eingesetzt werden, um den industriellen vom nicht-industriellen Datenverkehr zu segmentieren und zusätzlich sind auch Firewalls zum Absperren der Fertigungs- und Unternehmensbereiche nötig. Darüber hinaus bieten gemanagte industrielle Ethernet-Switches die essenzielle Robustheit, Schleifenvermeidung, Multicast-Management, Diagnose und weitere Dienste für das Netzwerk. Gigabit-Glasfaser-Uplinks und redundante Pfade, zusammen mit logischer Topologie, modelliert mit dem physischen Aufbau der Fabrik, unterstützen ein verfügbares Netzwerk.

Was ereicht ein konvergiertes fabrikweites Ethernet via EtherNet/IP?

Erfahrene Fabrikbetreiber haben viele Ressourcen für das Einrichten von EtherNet/IP. Der Prozess wird zudem durch die Nutzung der standardmäßigen, nicht modifizierten Ethernet-Techniken von EtherNet/IP vereinfacht. Aber was bringt eine Implementierungsanleitung für EtherNet/IP durch CPwE4 (Converged Platwide Ethernet via EtherNet/IP) für Unternehmen wirklich?

Die grundlegenden Vorteile der Nutzung eines Ethernet-basierten Protokolls, wie EtherNet/IP, sind Kosteneffektivität, Flexibilität und die kontinuierliche Weiterentwicklung der Ethernet- und IP-Techniken. Ähnliche Vorteile gibt es auch bei modularen Standards, die bestehende Techniken verwenden, um eine verteilte Automatisierung zu ermöglichen. Diese Vorteile helfen Probleme wie folgende zu lösen:

  • Systemwartung: Ethernet ist eine gute Alternative für traditionelle Automatisierungs- und Regelsysteme, da es einfacher in das Unternehmen zu integrieren und weniger kostenintensiv zu warten ist. Zusätzlich sind Personal und Erfahrung mit Ethernet und IP häufiger verfügbar.
  • Datenmanagement: Das Nutzen von Ethernet basierten Protokollen ermöglicht eine höhere Verfügbarkeit und auch Leistungsfähigkeit mit Echtzeiteigenschaften. Das Nutzen eines einheitlichen Netzwerks vereinfacht das Datenmanagement über viele Anwendungen und Systeme hinweg.
  • Integration in Geschäftsprozesse: Die Verbindung der Fertigung mit den Unternehmenssystemen vereinfacht eine schnellere Entscheidungsfindung. Ein fabrikspezifisches Design und umfassende Validierung sichern die Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit.

Letzten Endes erfüllt der Einsatz von Ethernet-Protokollen für die fabrikweite Automatisierung, wie EtherNet/IP, die Anforderungen an ein deterministisches Verhalten durch den Einsatz von einfach zu wartenden Ethernet- und IP-Standards. Das industrielle Ethernet ist wegen seiner Kombination von geringem Leistungsbedarf und hohem Komfort, die weit über den Fähigkeiten traditioneller Feldbusse liegen, zukunftsfähig in der Automatisierungsindustrie.