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Industrial Ethernet – Lösungskonzepte

Die am Markt befindlichen Lösungskonzepte und Produkte für Real-Time-Ethernet lassen sich in drei Kategorien einteilen. Sie unterscheiden sich dabei hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit entsprechend den beschriebenen Anforderungskategorien und dem Grad der Konformität zum Ethernet-Standard.

Kategorie A: TCP/IP-basierte Lösungen

Die Ethernet-Lösungen dieser Kategorie nutzen für die Prozessdatenkommunikation TCP/ IP-basierte Automatisierungsprotokolle. Sie setzen auf Standard-TCP/IP-Software-Stacks auf und nutzen Standard-Ethernet-Hardware. Die Echtzeitfähigkeit ist begrenzt und wird vor allem durch das Zeitverhalten des TCP/IP-Stacks bestimmt. Die Adressierung der Teilnehmer erfolgt IP-basiert und ermöglicht die Kommunikation auch über lokale Netze hinaus. Da die IT-Dienste auf den gleichen Kommunikationsstandards aufsetzen, lassen sich homogene Infrastrukturen aufbauen, die eine Integration in Unternehmensnetzen erleichtert. Zu dieser Kategorie zählen Lösungen wie z. B. MODBUS-TCP.

Ethernet-Kommunikation mit Standard-TCP/IP

Ethernet-Kommunikation mit Standard-TCP/IP

Kategorie B: Ethernet-MAC

Bei dieser Kategorie wird auf den Einsatz des IP-Protokolls und damit des TCP/IP-Stacks für die Prozessdatenkommunikation verzichtet. Das Automatisierungsprotokoll setzt direkt auf dem Ethernet-Frame auf und arbeitet mit Standard-Ethernet-Hardware. Die Adressierung der Teilnehmer erfolgt über die MAC-Adressen der Netzwerkkarten. Der geringere Protokoll-Overhead führt zu einem verbesserten Zeitverhalten mit höherer Deterministik und geringerem Jitter. Aus Sicht der Kommunikationsteilnehmer stehen damit zwei parallele Kommunikationskanäle zur Verfügung: IP-basierte Dienste und MAC-basierte Echtzeitkommunikation. Beide Kommunikationskanäle können über die gleiche (Kabel-) Infrastruktur berieben werden. Damit kann einerseits die Echtzeitkommunikation auf Netzsegmente (Broadcast-Domänen) begrenzt werden, gleichzeitig können aber IT-Dienste genutzt werden und die Integration der Teilnehmer in das Unternehmensnetz erfolgen. Typischer Vertreter dieser Kategorie ist PROFINET RT, das als zusätzliches Merkmal die Priorisierung des Echtzeitdatenverkehrs durch Nutzung des Ethernet VLAN-Tags realisiert.

Ethernet-Kommunikation mit Standard-TCP/IP

Protokoll mit IP-basierten Diensten und MAC-basierter Echtzeitkommunikation

Kategorie C: Ethernet mit modifiziertem Buszugriffverfahren und Timing

Die dritte Kategorie beschreibt Lösungen, bei denen das Automatisierungsprotokoll ebenfalls direkt auf dem Ethernet-Frame aufsetzt. Im Gegensatz zur Ethernet-MAC-Kategorie wird jedoch zusätzlich das Ethernet-Buszugriffsverfahren (Layer 2) bzw. das Timingverhalten modifiziert und der Einsatz spezifischer Ethernet-Hardware erforderlich. Die Lösungen dieser Kategorie decken die heute höchsten Anforderungen an das Zeitverhalten von Echtzeit-Ethernet ab (Aktualisierungsintervall < 1 ms, Jitter < 1 μs). Die Kategorie des Ethernet mit modifiziertem Buszugriffsverfahren und Timing stellt allerdings auch die größte Abweichung gegenüber dem Standard-Ethernet dar. Gleichzeitig sind die Unterschiede zwischen den einzelnen Lösungen in dieser Kategorie auch am größten. EtherCAT basiert beispielsweise auf dem Ansatz des Summenrahmenverfahrens und benötigt spezielle Slave-Hardware. PROFINET IRT setzt dagegen ein Zeitschlitzverfahren ein und erfordert entsprechende Hardware-Unterstützung in den Infrastrukturkomponenten (Switch). Ebenfalls zu dieser Kategorie zählt POWERLINK, das im Sinne eines Master-Slave-Konzepts ein Pollingverfahren einsetzt. Trotz der teilweise erheblichen Abweichungen gegenüber dem Standard-Ethernet unterstützen auch diese Lösungen TCP/IP-basierte Kommunikation und die Nutzung entsprechender IT-Dienste. Die Bereitstellung dieser Dienste und die Nutzung eines TCP/IP-basierten Kommunikationskanals ist in dieser Kategorie jedoch auch sehr unterschiedlich gelöst.

Ethernet-Kommunikation mit Standard-TCP/IP

Industrial Ethernet mit spezifischen Hardware-Anforderungen