Industrial Ethernet Den Durchblick bei industriellen Ethernet-Protokollen behalten

Autor / Redakteur: Zhihong Lin, Srik Gurrapu, Stephanie Pearson / Reinhard Kluger

Industrial-Ethernet-Protokolle gibt es zahlreiche. Es besteht wachsender Bedarf an einer einheitlichen Hard- und Softwareplattform. Diese sollte für mehrere Standards geeignet sein und Voraussetzungen für die industrielle Kommunikation mitbringen. Der folgende Artikel gewährt detaillierte Einblicke in mehrere Industrial Ethernet-Protokolle.

Firmen zum Thema

Die Prozessoren für die Ethernet-Kommunikation müssen die Voraussetzungen Echtzeitfähigkeit, Determinismus und kurze Latenzzeiten erfüllen.
Die Prozessoren für die Ethernet-Kommunikation müssen die Voraussetzungen Echtzeitfähigkeit, Determinismus und kurze Latenzzeiten erfüllen.
(ARM)

Um wettbewerbsfähig und erfolgreich zu bleiben, setzen viele Unternehmen zunehmend auf ausgefeilte industrielle Automatisierungstechniken, mit denen sich Produktivität, Größeneffekte und Qualität maximieren lassen. Die zunehmende Vernetzung der Welt macht selbstverständlich vor den Fabriken nicht halt. Mensch-Maschine-Schnittstellen (Human Machine Interfaces – HMI), speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), Motorregelungen und Sensoren müssen hier skalierbar und effizient vernetzt werden.

Ermöglicht höhere Übertragungsraten und größere Übertragungsdistanzen

In der Vergangenheit wurden viele industrielle Komponenten mithilfe verschiedener Feldbus-Protokolle wie etwa Controller Area Network (CAN), Modbus, Profibus und CC-Link vernetzt. In den letzten Jahren allerdings wurde das so genannte Industrial Ethernet immer beliebter. Es ermöglicht höheren Übertragungsraten und größere Übertragungsdistanzen, und außerdem lassen sich mehr Knoten anschließen. Getrieben von den verschiedenen Industrieanlagen-Herstellern, sind mehrere Industrial Ethernet-Protokolle entstanden wie zum Beispiel EtherCAT, ProfiNET, Ethernet/IP, Sercos III und CC-Link, um nur einige zu nennen. Der folgende Artikel gewährt detaillierte Einblicke in mehrere Industrial Ethernet-Protokolle. Er widmet sich außerdem dem wachsenden Bedarf an einer einheitlichen Hard- und Softwareplattform. Diese muss für mehrere Standards geeignet sein und mit Echtzeitfähigkeit, Determinismus und kurzen Latenzzeiten die Voraussetzungen für die industrielle Kommunikation mitbringen.

Bildergalerie

Komponenten der Industrieautomatisierung

Speicherprogrammierbare Steuerungen, HMI-Panels, Industrieantriebe und Sensoren sind die vier Hauptbestandteile industrieller Automatisierungslösungen. Dabei stellt die SPS gewissermaßen das Gehirn des Systems dar. Sie ist für die Relaisansteuerung, Achssteuerungen, Ein- und Ausgaben industrieller Prozesse sowie die dezentrale System- und Netzwerksteuerung zuständig. SPS werden nicht selten unter recht rauen Umgebungsbedingungen eingesetzt und sind somit neben Wärme, Kälte, Feuchtigkeit und Vibrationen weiteren extremen Einflüssen ausgesetzt. Gleichwohl müssen sie den anderen Komponenten des jeweiligen industriellen Steuerungssystems über zuverlässige Kommunikationsverbindungen präzise, deterministische Steuersignale liefern – und dies in Echtzeit.

HMI ist über Kommunikationsverbindungen vernetzt.

Das HMI fungiert als grafische Benutzeroberfläche für die industrielle Steuerung. Es bietet die Möglichkeit zur Befehlseingabe und liefert Rückmeldungen zum Steuern der Industriemaschinen. Das HMI ist über Kommunikationsverbindungen mit den übrigen Teilen des Systems vernetzt.

Industrieantriebe sind Motorregelungen, die einen Motor in optimaler Weise ansteuern. Sie werden in den unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt und sind für verschiedenste Spannungs- und Leistungsbereiche verfügbar. Neben Gleich- und Wechselstromantrieben gibt es auch Servoantriebe, die mit Rückmeldesystemen das Verhalten und die Leistungsfähigkeit von Servomechanismen regeln und anpassen.

Effiziente industrielle Automatisierungssysteme

Sensoren sind gewissermaßen die Sinnesorgane des Automatisierungssystems. In Echtzeit überwachen sie die Einsatzbedingungen und nehmen Inspektionen und Messungen vor. Als integrale Bestandteile des Automatisierungssystems liefern sie Triggersignale und Rückmeldungen für die Steuerung.

Die Kommunikation schließlich bildet das Rückgrat aller Komponenten für effiziente industrielle Automatisierungssysteme.

Industrielle Kommunikationsprotokolle älteren Datums

In der Vergangenheit wurden industrielle Kommunikationslösungen vorwiegend auf der Basis serieller Schnittstellen entwickelt, die von unterschiedlichen Unternehmen hervorgebracht und später als Standards übernommen wurden. Hieraus erklärt sich die Vielzahl der Standards auf dem heutigen Markt. Da hinter den Standards große Unternehmen stehen, müssen die Hersteller industrieller Automatisierungslösungen in ihren Systemen stets mehrere Protokolle implementieren. Die lange Lebensdauer industrieller Systeme bringt es außerdem mit sich, dass zahlreiche auf serieller Übertragung beruhende Protokolle (z. B. Profibus, CAN, Modbus und CC-Link) auch heute noch sehr populär sind.

Der Profibus

Der Profibus als die weltweit erfolgreichste Feldbus-Technologie wird in großem Umfang in industriellen Automatisierungssystemen unter anderem für die Fabrik- und Prozessautomatisierung eingesetzt. Die digitale Übertragung von Prozessdaten und weiteren Daten wird vom Profibus mit Übertragungsraten bis zu 12 MBit/s unterstützt. Es können bis zu 126 Adressen vergeben werden.

Der CAN-Bus

Der CAN-Bus ist ein serielles Bussystem von hoher Integrität, das ursprünglich für Kraftfahrzeuge entwickelt und später auch als Feldbus in der Industrieautomatisierung verwendet wurde. Er stellt die Bit-Übertragungsschicht (Physical Layer) und die Sicherungsschicht (Data Link Layer) für die serielle Kommunikation mit bis zu 1 MBit/s bereit. CANopen und DeviceNet sind höhere, auf den CAN-Bus aufsetzende Protokolle, die die Interoperabilität mit anderen Geräten am selben Industrienetzwerk ermöglichen. Während CANopen bis zu 127 Knoten unterstützt, können bei DeviceNet bis zu 64 Knoten an ein Netzwerk angeschlossen werden.

Der Modbus

Modbus ist ein ebenso einfacher wie robuster, öffentlich zugänglicher und gebührenfrei nutzbarer serieller Bus, der den Anschluss von bis zu 247 Knoten unterstützt. Der einfach implementierbare Modbus nutzt RS-232 oder RS-485 als Bit-Übertragungsschicht mit Übertragungsraten bis zu 115 Kbaud.

Der CC-Link

CC-Link wurde ursprünglich von Mitsubishi entwickelt. Das industrielle Netzwerkprotokoll mit offener Architektur ist in Japan und Asien allgemein verbreitet. CC-Link basiert auf RS-485 und kann an einem Netzwerk bis zu 64 Knoten mit bis zu 10 MBit/s verbinden.

Die Industrial Ethernet-Kommunikationsprotokolle

Ethernet wird zusehends allgegenwärtig und kosteneffektiv und wartet mit einheitlichen physischen Verbindungen und wachsenden Übertragungsraten auf. So erklärt es sich, dass viele industrielle Kommunikationsprotokolle auf Ethernet-basierte Lösungen umsteigen. Die Ethernet-Kommunikation mit TCP/IP ist allerdings nicht deterministisch, und die Antwortzeiten liegen oft bei 100 ms. Industrial Ethernet-Protokolle nutzen eine modifizierte MAC-Schicht (Media Access Control), um sehr kurze Latenzzeiten und deterministische Reaktionen zu erzielen. Hinsichtlich der Netzwerk-Topologie ist Ethernet ebenso flexibel wie bezüglich der Anzahl der Knoten in einem System. Einige der populären Industrial Ethernet-Protokolle sollen jetzt genauer betrachtet werden.

Das EtherCAT

EtherCAT wurde ursprünglich von Beckhoff entwickelt, um die Paketverarbeitung im Durchlauf zu ermöglichen und ein echtzeitfähiges Ethernet für Automatisierungs-Anwendungen zur Verfügung zu stellen. EtherCAT ermöglicht skalierbare Konnektivität für komplette Automatisierungssysteme von großen SPS bis auf die E/A- und Sensor-Ebene herab.

EtherCAT ist ein für Prozessdaten optimiertes Protokoll und nutzt standardmäßige Ethernet-Rahmen gemäß IEEE 802.3. Jeder Slave-Knoten verarbeitet sein Telegramm und fügt im Durchlauf neue Daten in den Rahmen ein. Da dies hardwaremäßig erfolgt, entsteht durch jeden Knoten nur ein Minimum an Verarbeitungs-Latenz und es werden kürzeste Reaktionszeiten erzielt. Als MAC-Layer-Protokoll ist EtherCAT für alle übergeordneten Ethernet-Protokolle wie TCP/IP, UDP, Web-Server usw. transparent. Bis zu 65.535 Knoten in einem System lassen sich mit EtherCAT verbinden. Da ein standardmäßiger Ethernet-Controller als EtherCAT-Master fungieren kann, vereinfacht sich die Netzwerk-Konfiguration. Wegen der geringen Latenz der einzelnen Slave-Knoten ergibt EtherCAT flexible, kostengünstige und netzwerkkompatible Industrial Ethernet-Lösungen.

Und das EtherNet/IP

EtherNet/IP ist ein ursprünglich von Rockwell entwickeltes Industrial Ethernet-Protokoll. Im Unterschied zu EtherCAT als MAC-Layer-Protokoll handelt es sich bei EtherNet/IP um ein auf TCP/IP aufsetzendes Application-Layer-Protokoll. EtherNet/IP nutzt die standardmäßige Bitübertragungs-, Sicherungs-, Netzwerk- und Transportschicht von Ethernet, verwendet aber das Common Industrial Protocol (CIP) über TCP/IP. CIP stellt einen einheitlichen Satz an Nachrichten und Diensten für industrielle Automatisierungssteuerungs-Systeme zur Verfügung und kann mit mehreren physischen Übertragungsmedien verwendet werden. Zum Beispiel wird CIP über CAN als DeviceNet bezeichnet und CIP über ein spezielles Netzwerk wird ControlNet genannt. CIP über Ethernet schließlich ist EtherNet/IP. Dieses richtet Verbindungen von einem Applikationsknoten zum anderen über CIP-Verbindungen ein, die wiederum über eine TCP-Verbindung laufen. Über eine TCP-Verbindung können mehrere CIP-Verbindungen eingerichtet werden.

EtherNet/IP nutzt das standardmäßige Ethernet und Ethernet-Switches, sodass die Zahl der Knoten in einem System keiner Beschränkung unterliegt. Ein und dasselbe Netzwerk kann folglich eine Vielzahl unterschiedlicher Endpunkte in einer Fabrik abdecken. EtherNet/IP bietet umfassenden Producer-Consumer-Service und ermöglicht eine sehr effiziente Slave-Peer-to-Peer-Kommunikation. Es ist kompatibel zu vielen standardmäßigen Internet- und Ethernet-Protokollen, während die Eigenschaften in Sachen Echtzeitfähigkeit und Determinismus begrenzt sind.

Von Profinet ...

Profinet wird von wichtigen Industrieanlagen-Herstellern wie Siemens und GE in großem Umfang verwendet. Es gilt zwischen drei Klassen zu unterscheiden. Profinet Class A ermöglicht den Zugriff auf ein Profibus-Netzwerk per Proxy, ein überbrückendes Ethernet und Profibus mit einem Remote Procedure Call auf TCP/IP. Die Zykluszeit beträgt etwa 100 ms. Eingesetzt wird es hauptsächlich für Parameterdaten und zyklische E/A-Abläufe. Typische Anwendungen sind Infrastruktur- und Gebäudeapplikationen. Profinet Class B – auch als Profinet Real-Time (Profinet RT) bezeichnet – brachte ein softwarebasiertes Echtzeitkonzept und reduzierte die Zykluszeit auf rund 10 ms. Class B wird in erster Linie für die Fabrik- und Prozessautomatisierung verwendet. Profinet Class C als Isochronous Real-Time-Implementierung (Profinet IRT) erfordert besondere Hardware zur Verringerung der Zykluszeit auf unter 1 ms. Damit erhält das echtzeitfähige Industrial Ethernet hinreichend Performance für Bewegungs-/Achssteuerungs-Anwendungen.

... bis Profinet RT

Profinet RT eignet sich für SPS-ähnliche Anwendungen, während sich Profinet IRT in Bewegungssteuerungs-Anwendungen bewährt. Branch und Star sind die gängigen Topologien, die mit Profinet verwendet werden. Profinet setzt eine sorgfältige Topologieplanung voraus, damit das System die notwendige Performance erreicht.

Powerlink im Fokus

Powerlink wurde ursprünglich von B&R entwickelt. Ethernet Powerlink setzt auf IEEE 802.3 auf, erlaubt daher die freie Auswahl der Netzwerk-Topologie und bietet Cross Connect- und Hot Plug-Features. Für den Echtzeit-Datenaustausch nutzt es einen Polling- und Zeitschlitz-Mechanismus. Ein Powerlink-Master (bzw. ‚Managed Node‘) kontrolliert die Zeitsynchronisation per Paket-Jitter im Bereich von einigen zehn Nanosekunden. Ein solches System eignet sich für sämtliche Arten von Automatisierungssystemen, von der Kommunikation zwischen verschiedenen SPS über die Visualisierung bis zur Achs- und E/A-Steuerung. Dank der Verfügbarkeit quelloffener Stack-Software sind die Hürden für die Implementierung von Powerlink recht niedrig. Hinzu kommt, dass CANopen zum Standard gehört, sodass einfache System-Upgrades von früheren Feldbus-Protokollen möglich sind.

Sercos III ...

Sercos III ist die dritte Generation des Serial Real-time Communication System (Sercos). Es kombiniert die On-the-Fly-Paketverarbeitung für Echtzeit-Ethernet mit der standardmäßigen TCP/IP-Kommunikation, um ein Industrial Ethernet mit kurzen Latenzzeiten zu realisieren.

Ganz ähnlich wie bei EtherCAT verarbeitet ein Sercos-III-Slave ein Paket, indem Daten im Durchlauf in den Ethernet-Rahmen eingefügt bzw. aus ihm entnommen werden. Dies erklärt die kurzen Latenzzeiten. Sercos III separiert Eingangs- und Ausgangsdaten in zwei Rahmen. Mit Zykluszeiten ab 31,25 µs ist es ebenso schnell wie EtherCAT und Profinet-IRT. Sercos III unterstützt Ring- und Reihen-Topologien. Ein entscheidender Vorteil der Ring-Topologien ist die Kommunikations-Redundanz: selbst wenn der Ring durch den Ausfall eines Slaves unterbrochen wird, erhalten die verbleibenden Slaves nach wie vor die Sercos-III-Rahmen mit Ein und Ausgangsdaten. Sercos III unterstützt in einem Netzwerk bis zu 511 Slave-Knoten und wird vorwiegend in Steuerungen für Servoantriebe genutzt.

... CC-Link IE

CC-Link IE ist die Industrial Ethernet-Technologie von CC-Link, ursprünglich entwickelt von Mitsubishi. Von CC-Link IE gibt es die beiden Versionen CC-Link IE Control und CC-Link IE Field. CC-Link IE Control ist für die Kommunikation von Controller zu Controller ausgelegt und unterstützt bis zu 120 Knoten pro Netzwerk. CC-Link IE Field dagegen zielt auf die E/A-Kommunikation und Achssteuerungen und lässt bis zu 254 Knoten pro Netzwerk zu. CC-Link IE nutzt die Sicherungsschicht von Ethernet, und seine Steuerungs-Rahmen sind unmittelbar in den Ethernet-Rahmen eingebaut. Ohne Switches wird von CC-Link nur die Ring-Topologie unterstützt. Diese sorgt zwar für Netzwerk-Redundanz, jedoch wird pro Netzwerk nur eine begrenzte Anzahl Knoten unterstützt. Außerdem hängt die Zykluszeit von der Zahl der Knoten im Netzwerk ab.

... und Modbus/TCP

Modbus/TCP, eine Erweiterung des Modbus und ursprünglich von Schneider Electric entwickelt, nutzt das Modbus-Messaging per TCP/IP auf der Grundlage von Ethernet. Modbus/TCP lässt sich auf einem standardmäßigen Ethernet-Netzwerk einfach implementieren, garantiert jedoch keine Echtzeit-Kommunikation und keinen Determinismus.

Der Zukunftstrend

Wir stehen am Beginn der dritten industriellen Revolution, in der es erneut die industrielle Automatisierung ist, die die Wirtschaft vorantreibt. Der Erfolg der industriellen Automatisierung hängt von der Verfügbarkeit eines zuverlässigen und effizienten Kommunikationsnetzwerks ab, das sämtliche Komponenten einer Fabrik so miteinander vernetzt, dass sie effektiv arbeiten können. Die Popularität und große Verbreitung von Ethernet wird für bestehende Fabriken weiterhin ein wichtiger Beweggrund sein, auf Industrial Ethernet aufzurüsten.

Gemeinsame, programmierbare Hardware-Plattform

Eine große Zahl unterschiedlicher Industrial Ethernet-Protokolle – alle mit ihren spezifischen Vor- und Nachteilen – wurden in der Vergangenheit im Feld implementiert. In der Zukunft wird man weitere Industrial Ethernet-Protokolle entwickeln und zusammenführen, um harte Echtzeitfähigkeit und deterministische Kommunikation, gepaart mit höherer Zuverlässigkeit und integrierter Sicherheit bieten zu können. Darüber hinaus erfordert Industrial Ethernet eine gemeinsame, programmierbare Hardwareplattform, wie sie Texas Instruments mit den Prozessoren Sitara AM335x ARM und AM437x ARM anbietet. Damit lassen sich die Voraussetzungen für kostengünstige, flexible Systeme schaffen, die mehrere Protokolle unterstützen und gleichzeitig für künftige Protokolle gerüstet sind, mit denen die industrielle Kommunikation für die industrielle Automatisierung möglich ist.

* Zhihong Lin, Strategic and Technical Marketing Manager, Srik Gurrapu, Business Manager, Industrial Automation, Stephanie Pearson, Strategic Marketing Manager, Texas Instruments

(ID:42944841)