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Anforderungen an Industrial Ethernet

Ethernet wird in der Automation nicht nur unter dem Aspekt der Echtzeitfähigkeit eingesetzt. Im Vergleich zu Feldbussystemen kommt Ethernet gerade vor dem Hintergrund der Integration eine entscheidende Bedeutung zu. Während Lösungen auf Basis von Feldbussystemen eher abgegrenzten Kommunikationsinseln entsprechen, lassen sich auf Basis von Ethernet durchgängige Kommunikationsinfrastrukturen realisieren, die einen direkten Datenaustausch zwischen allen Ebenen der Automatisierungspyramide und der IT-Welt (MES, ERP) in einem Unternehmen ermöglichen (Vertikale Integration). Dafür müssen Ethernet-Lösungen zwei Voraussetzungen erfüllen: Sie müssen standardisierte Kommunikationsprotokolle und -dienste der IT-Welt unterstützen und die Echtzeitanforderungen der Automation erfüllen.

Standardisierte Kommunikationsdienste

Die Forderung nach standardisierten Kommunikationsdiensten wird heute faktisch durch den Einsatz von TCP/IP-basierten Protokollen umgesetzt, die mit der Einführung von Ethernet zunehmend auch in der Automatisierungswelt eine Selbstverständlichkeit sind. TCP/IP-basierte Lösungen finden sich dabei in praktisch allen Ebenen der Automatisierungspyramide bis hin zu Feldgeräten. Typische Beispiele sind Bedienpanel, die per IP-Protokoll mit Steuerungen kommunizieren oder integrierte Webserver in Geräten, die für die Inbetriebnahme oder Diagnose diverse Webseiten bereitstellen.

Echtzeitanforderungen der Automation

Anforderung an die Echtzeitfähigkeit hängen stark vom jeweiligen Einsatzgebiet und Anwendungsfall ab. Üblicherweise unterscheidet man heute drei Anforderungskategorien, die durch typische Aktualisierungsraten der Prozessdaten beschrieben werden können:

  • Anwendungen mit geringen Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit typischen Aktualisierungsraten von bis zu 100 ms
  • Anwendungen mit hohen Anforderungen and die Echtzeitfähigkeit und typischen Aktualisierungsraten von bis zu 10 ms. In dieser Kategorie finden sich heute die meisten Anwendungen ethernet-basierter Kommunikationssysteme in der Automatisierungstechnik. Ein typisches Einsatzfeld ist die Fertigungsautomation.
  • Anwendungen mit höchsten Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit und typischen Aktualisierungsraten von weniger als 1 ms. In diese Kategorie fallen Motion-Control-Anwendungen.

Ist von Industrial Ethernet die Rede, wird damit häufig implizit der Einsatz von IP-basierter Kommunikation verbunden. Tatsächlich ist die Echtzeitfähigkeit rein IP-basierter Kommunikation begrenzt und es haben sich daher Lösungsvarianten entwickelt, die auch ohne IP-basierte Kommunikation arbeiten. Gerade diese vielschichtigen Kommunikationsvarianten lassen die unterschiedlichen Konzepte der einzelnen Real-Time-Ethernet-Lösungen aus Anwendersicht sehr intransparent erscheinen.

Um die einzelnen Lösungskonzepte einordnen zu können, ist es daher hilfreich, die zugrunde liegenden Grundmechanismen zu kennen. Diese lassen sich durch die folgenden drei Kommunikationselemente beschreiben:

  • Der eigentliche Transportmechanismus auf Basis von Ethernet-Paketen: Dieser Mechanismus wird auf den Layern 1 und 2 des ISO/OSI-Kommunikationsmodells spezifiziert. Auf Layer 2 werden dabei insbesondere die Eigenschaften der Datenpakete (z. B. die MAC-Adressierung oder die max. Größe des Datenpaketes) und das Verfahren für den Zugriff auf das Übertragungsmedium (Buszugriffsverfahren CSMA/CD) beschrieben.
  • Der TCP/IP-Stack (Layer 3 und 4): Er erlaubt eine hardware-unabhängige Adressierung der Kommunikationsteilnehmer über die IP-Adressierung, die auch die Kommunikation über Netzwerkgrenzen hinaus ermöglicht.
  • Das Applikationsprotokoll: Es interpretiert die Inhalte der Datenpakete und legt die Häufigkeit der Datenaktualisierung fest.