Texas Instruments Kommunikationsprotokolle für industrielles Ethernet

Die industrielle Automatisierung ist von der Vernetzung geprägt.
Die industrielle Automatisierung ist von der Vernetzung geprägt.

In unserer zunehmend vernetzten Welt sind auch die Fabriken von wachsender Vernetzung geprägt. Gefragt sind deshalb Möglichkeiten, Mensch-Maschine-Schnittstellen, speicherprogrammierbare Steuerungen, Motorsteuerungen und Sensoren auf skalierbare und effiziente Weise miteinander zu verbinden.

In der Vergangenheit wurden viele industrielle Komponenten mithilfe unterschiedlicher serieller Feldbus-Protokolle wie Control Area Network (CAN), Modbus, PROFIBUS und CC-Link vernetzt. In den letzten Jahren allerdings gewann Industrial Ethernet an Popularität. Es ermöglicht höhere Übertragungsraten und größere Verbindungsdistanzen und ermöglicht die Vernetzung von mehr Knoten.

Vorangetrieben durch die verschiedenen Hersteller von Industrieanlagen, gibt es eine ganze Reihe unterschiedlicher Industrial-Ethernet-Protokolle, zu denen unter anderem Ether-CAT, PROFINET, EtherNet/IP, Sercos III und CC-Link gehören. Der folgende Beitrag befasst sich detailliert mit einigen Industrial-Ethernet-Protokollen und geht dabei auf den verstärkten Bedarf an einer einheitlichen Hard- und Softwareplattform ein, die sich für mehrere Standards eignet und zusätzlich mit der Echtzeitfähigkeit, dem Determinismus und der geringen Latenz aufwartet, die für industrielle Kommunikations-Anwendungen erforderlich sind.

Komponenten für die industrielle Automatisierung

Bei der industriellen Automatisierung gibt es vier Haupt-Komponenten: speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), Mensch-Maschine-Schnittstellen (Human Machine Interfaces, HMIs), Antriebe und Sensoren.

Die SPS ist die Denkzentrale eines industriellen Automatisierungssystems. Sie steuert Relais und Bewegungssteuerungen an, verarbeitet Eingangssignale, erzeugt im Gegenzug Ausgangssignale, steuert dezentrale Systeme und übernimmt die Netzwerksteuerung. SPS werden oft unter rauen Umgebungsbedingungen eingesetzt und müssen beispielsweise mit Hitze, Kälte, Feuchtigkeit, Vibrationen und anderen extremen Bedingungen fertig werden. Gleichzeitig müssen sie über zuverlässige Kommunikationsverbindungen präzise und deterministische Echtzeit-Steuersignale an andere Teile des industriellen Automatisierungssystems senden.

Das HMI-Panel fungiert als grafische Benutzeroberfläche für die industrielle Steuerung. Es dient der Eingabe von Befehlen und der Ausgabe der Rückmeldungen beim Steuern der Industriemaschinen. Es ist über die üblichen Kommunikationsverbindungen an die übrigen Teile industrieller Systeme angeschlossen.

Industrielle Antriebe sind Motorsteuerungen, die für einen optimalen Betrieb des jeweiligen Motors sorgen. Sie kommen in einer enormen Vielzahl industrieller Anwendungen zum Einsatz und werden mit einem breiten Spektrum an Spannungen und Leistungen angeboten. Bei den Antrieben kann man unter anderem zwischen Gleich- und Wechselstromantrieben und Servoantrieben unterscheiden. Letztere nutzen ein Rückmeldesystem zur Regelung und Anpassung des Verhaltens und der Leistungsfähigkeit von Servo-Mechanismen.

Sensoren sind so etwas wie die Sinnesorgane eines industriellen Automatisierungssystems, die in Echtzeit die betrieblichen Bedingungen erfassen und Inspektionen, Messungen usw. vornehmen. Sie bilden einen integralen Bestandteil der Systeme und stellen Ansteuersignale und Rückmeldungen für Regelungssysteme zur Verfügung.

Die Kommunikation bildet das Rückgrat aller industriellen Komponenten und ermöglicht damit die Realisierung effizienter automatischer Produktionssysteme. Bild 1 zeigt exemplarisch, wie die verschiedenen Komponenten über die Kommunikationsmedien miteinander verbunden sind.

Ältere industrielle Kommunikations-Protokolle

In der Vergangenheit stützte sich die industrielle Kommunikation auf serielle Schnittstellen, die ursprünglich von verschiedenen Unternehmen entwickelt und später als Normen übernommen wurden. Das führte dazu, dass auf dem Markt eine große Zahl verschiedener Standards existiert. Hinter den einzelnen Standards stehen allerdings jeweils große Unternehmen, und so müssen die Hersteller von industriellem Automatisierungs-Equipment stets mehrere dieser Protokolle implementieren. Die lange Einsatzdauer industrieller Systeme bringt es mit sich, dass viele serielle Protokolle wie etwa Profibus, CAN, Modbus und CC-Link mit Master/Slave-Konfigurationen nach wie vor sehr populär sind.

Profibus ist der weltweit erfolgreichste Feldbus und genießt in industriellen Automatisierungs-Systemen, darunter beispielsweise die Fabrik- und Prozessautomatisierung, große Verbreitung. Das Protokoll ermöglicht die digitale Kommunikation von Prozessdaten und zusätzlichen Daten mit Übertragungsraten bis zu 12 MBit/s und unterstützt bis zu 128 Adressen.

Der CAN-Bus (Control Area Network) ist ein hoch integres serielles Bussystem, das ursprünglich für Kraftfahrzeuge entwickelt und erst später als Feldbus für die industrielle Automatisierung genutzt wurde. Er implementiert den Physical Layer (Bitübertragungsschicht) und den Data Link Layer (Sicherungsschicht) für die serielle Kommunikation mit bis zu 1 MBit/s. CANopen und DeviceNet sind übergeordnete, auf den CAN-Bus aufsetzende Protokolle, die für Interoperabilität zu Geräten sorgen, die an dasselbe Industrie-Netzwerk angeschlossen sind. CANopen unterstützt 127 Knoten an einem Netzwerk, während es bei DeviceNet 64 sind.

Modbus ist ein ebenso einfacher wie robuster, allgemein zugänglicher und ohne Lizenzgebühren nutzbarer serieller Bus, mit dem sich bis zu 247 Knoten verbinden lassen. Modbus lässt sich einfach auf der Basis von RS-232 oder RS-485 als Bitübertragungsschicht implementieren und betreiben, wobei Übertragungsraten bis zu 115 kBaud erzielt werden.

CC-Link wurde ursprünglich von Mitsubishi entwickelt und hat sich in Japan und dem übrigen Asien zu einem populären Industrienetzwerk-Protokoll mit offener Architektur entwickelt. CC-Link basiert auf RS-485 und erlaubt die Verbindung von bis zu 64 Knoten in einem Netzwerk mit Übertragungsraten bis zu 10 MBit/s.