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Industrial Ethernet – Status und Ausblick

Ethernet hat sich in der Automatisierungstechnik heute fest etabliert. Möglich wurde dies durch die enormen technischen Fortschritte wie Fast Ethernet, Switching-Technologie und Full-Duplex-Übertragung.

Industrial Ethernet ist heute der Oberbegriff für alle Bestrebungen, den Ethernet-Standard gemäß der internationalen Normenreihe IEE 802.xx für die Vernetzung von Geräten in der Automatisierungstechnik nutzbar zu machen. In diesem Zusammenhang spricht man dann auch von Echtzeit-Ethernet. Der Paradigmenwechsel begann vor mehr als 10 Jahren, als unter der Federführung der IAONA (Industrial Automation Open Networking Alliance) über 100 Firmen und Interessenverbände gemeinsam überlegten, unter welchen Randbedingungen man Ethernet gemäß IEE 802.3 in Verbindung mit den weit verbreiteten TCP/IP-Protokollen als Basis für ein einheitliches Echtzeitprotokoll für die Kommunikation in der Automatisierungstechnik nutzen kann.

Das kollisionsbehaftete 10-Mbit/s-Ursprungs-Ethernet war für die Echtzeitkommunikation nicht geeignet. Ganz anders Fast Ethernet: Dank konsequentem Einsatz von Switches, Full- Duplex-Übertragung und Nachrichtenpriorisierung war ein kollisionsfreies Übertragungsverfahren gefunden, dass mit einer Geschwindigkeit von 100 Mbit/s alle wesentlichen Anforderungen für die schnelle Echtzeitübertragung in der Automatisierungstechnik erfüllte.

Echtzeitdatenübertragung

Industrielle Kommunikationsnetzwerke lassen sich traditionell in drei Kommunikationsebenen strukturieren: Leit-, Steuer- und Aktor-/Sensorebene. Die Leitebene findet man typischerweise nur in großen hoch automatisierten Anlagen, wie beispielsweise im Automobilbau oder der Prozesstechnik. Hier ist der Kommunikationsbedarf zwischen den intelligenten Automatisierungssystemen meist nicht sehr zeitkritisch und es kommt auch bereits seit vielen Jahren Standard-Ethernet in Kombination mit Protokollen der Informationstechnik zum Einsatz. Betrachtet man hingegen die in allen automatisierten Anwendungen zu findende Steuer- und Sensor/Aktorebene, gewinnen die Echtzeiteigenschaften des eingesetzten Kommunikationssystems zunehmend an Bedeutung.

Ziel von Industrial Ethernet

Ziel der Industrial-Ethernet-Technologie ist es, ein einheitliches Kommunikationssystem zu definieren, dass einerseits eine gute Anbindung an die IT-Systeme in der Leitebene und andererseits gute Echtzeiteigenschaften für die Kommunikation der dezentralen Feldgeräte mit den Steuerungen ermöglicht. Dabei ist es wichtig, eine transparente Kommunikation und vor allem eine über alle Ebenen durchgängige Netzinfrastruktur zu definieren. Industrial Ethernet bietet dafür mit seiner anwendungsneutralen Verkabelung eine zukunftsgerechte Lösung.

Vorteile von Industrial Ethernet gegenüber Feldbussen

  • Echtzeitdaten und IT-Daten können quasi zeitgleich über ein gemeinsames Medium übertragen werden
  • Es steht ein großer Adressbereich mit einer fast unbegrenzten Anzahl an Teilnehmern zur Verfügung
  • Durch Kaskadierung von Switches sind große Netzwerkausdehnungen realisierbar
  • Größere Datenmengen können effizient übertragen werden
  • Es ist ein gleichberechtigter Buszugriff für alle Netzwerkteilnehmer möglich
  • Die Kombination verschiedener Übertragungsmedien ist möglich (Kabel, Lichtwellenleiter, Funk)

Industrial-Ethernet-Standards und korrespondierende Feldbusse

Wie bei den Feldbussystemen sind auch bei Industrial Ethernet miteinander konkurrierende Protokollstandards entstanden, die sich meist an den zugrunde liegenden Feldbusstandards orientieren. Einzig bei der Übertragungstechnik (Ebene 1) und dem Buszugriffsprotokoll (Ebene 2) hat sich mit Fast Ethernet ein gemeinsamer Kern herausgebildet, der heute einheitlich bei allen Systemen zur Anwendung kommt.

Feldbus Ethernet-Variante Interessenverband
Profibus Profinet PI (PNO)
DeviceNet / ControlNet EhterNet/IP ODVA
CANopen EtherCAT / Powerlink CiA / ETG / EPSG
SERCOS II SERCOS III SERCOS international
CC-Link CC-Link IE Field CLPA
Modbus-RTU Modbus-TCP Modbus IDA

Ausblick

Industrial Ethernet ist heute eine etablierte, aber noch relativ junge Technologie, die nach wie vor einer rasanten technischen Weiterentwicklung unterliegt. Aktuelle Innovationsthemen sind die weitere Verbesserung der Performance und Taktsynchronität, die Integration von Safety-Protokollen, die Abbildung der aus der Feldbuswelt bekannten Geräteprofile und ganz aktuell das Thema Energiemanagement.

Industrial Ethernet verzeichnet hohe Wachstumsraten, bleibt jedoch in der installierten Basis noch sehr weit hinter den klassischen Feldbussen zurück. Der Einsatz von Industrial Ethernet lohnt sich immer dann, wenn Gesichtspunkte wie IT-Funktionen, große Datenmengen, Performance oder Taktsynchronität für die Funktion der Anlage wichtig sind.

Für viele klassische Anwendungen im Maschinenbau oder der Anlagentechnik, bei denen die zyklische E/A-Datenübertragung im Vordergrund steht, werden Feldbusse noch viele Jahre eine wichtige Rolle spielen.

Der Traum der Anwender nach einem einheitlichen Standard für die industrielle Kommunikation bleibt auch mit Industrial Ethernet weiter eine Illusion. Gerätehersteller sollten in jedem Fall die geräteinterne Kommunikationsschnittstelle so flexibel gestalten, dass eine Ankopplung an alle relevanten Feldbus- und Industrial-Ethernet-Systeme möglich und die Umsetzung technischer Weiterentwicklungen ohne Re-Design des Feldgerätes möglich ist.