Industrial Ethernet Übersicht

Nach dem Erfolg der klassischen Feldbusse

wuchs in den 90ern nach dem Millennium der Bedarf nach schneller Übertragung, größerer Datenmengen, vieler Teilnehmer über ein einheitliches Medium. Die IAONA (Industrial Automation Open Network Alliance) legte mit über 100 Firmen den Grundstein für Industrial Ethernet auf Basis der Norm IEE802.3.

Dabei waren die zu der Zeit üblichen 10Mbit/s und die kollisionsbehaftete Übertragung Hürden die genommen werden mussten. Erst auf Basis der Fast-Ethernet Technik mit Switch-Technik, Voll-Duplex-Übertragung und Kollisionserkennung war das Ziel einer durchgängigen Infrastruktur auch vertikal greifbar. Dabei können sowohl industrielle Protokolle als auch IT-Protokolle über das gleiche Medium übertragen werden.

Die ersten standardisierten Protokolle am Markt waren hier ModbusTCP und Ethernet/IP. Für die meisten Anwendungen waren diese gut geeignet und sind daher nun sehr weit verbreitet.

Es gibt viele Industrial Ethernet Protokolle bei denen ganze Feldbus-Protokolle oder Datenstrukturen vom bisherigen Feldbus-Medium auf Ethernet umgesetzt wurden. Diese wurden einfach in einen Ethernet-Protokollrahmen eingebettet.

FeldbusIE-Variante
ModbusRTUModbusTCP
PROFIBUSPROFINET
       DeviceNet/ControlNet       Ethernet/IP
CANopenEtherCAT
Sercos IISercos III
CC-Link       CC-Link IE Field       

Die ersten Industrial Ethernet Protokolle waren allerdings nur bedingt echtzeitfähig, da abhängig von Infrastruktur und Auslastung durch den Datenverkehr die Übertragungszeiten variieren können. Zu diesem Zeitpunkt hatten die klassischen Feldbusse noch ihre Vorteile bedingt durch das deterministische (vorhersagbare) Verhalten der Übertragungszeiten. Da in einem Ethernet Netzwerk jeder Teilnehmer nach Bedarf auf das gemeinsame Medium (Ethernet) zugreift ist das Zeitverhalten gegenüber einem Master/Slave basiertem Netzwerk mit festgelegten Buszyklen, schwer einschätzbar.

Das gemeinsame Medium bricht auch mit dem Modell der klassischen Automatisierungspyramide der Feldbusse, bei denen es bestimmte Systeme für die verschiedenen Ebenen gab. Nun kann ein Sensor der Feldebene, Prozessdaten an die SPS liefern und gleichzeitig Qualitäts- und Zustandsdaten an ein überlagertes System.

Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit komplexere Strukturen zu bilden und zum Beispiel Netzwerke zu segmentieren und definierte Übergänge zu schaffen.

Bedingt durch die neuen Möglichkeiten des gleichzeitigen Buszugriffs nach Bedarf jedes Teilnehmers war die klassische Denkweise in Master/Slave Teilnehmern überholt und die Begrifflichkeit der Client/Server Architektur wurde geprägt. Dabei stellt ein Teilnehmer zum Beispiel Daten oder Dienste bereit, Server genannt. Der Client in dem Falle der aktive Teilnehmer greift auf die Daten oder Dienste zu. Dem entsprechend können bei vielen Industrial Ethernet Systemen mehrere Clients auf einen Server zugreifen. Für einige Industrial Ethernet Technologien gibt es allerdings auch andere Begrifflichkeiten auch bedingt durch abgewandelte Funktionalität. Grob kann man diese aber wie folgt zuordnen:

Klassischer FeldbusMasterSlave
ModbusTCPClientServer
PROFINET     Controller          Scanner     
       Ethernet/IP       Scanner     Adapter     
EtherCATMasterSlave
Sercos IIIMasterSlave
PowerlinkMasterSlave
OPC-UAClientServer
MQTTBrokerAgent

Das Problem mit dem deterministischen Zeitverhalten wurde beginnend 2010 mit sogenannten "Echtzeitfähigen Industrial Ethernet Protokollen" angegangen. Diese legen eine klare Priorisierung der Kommunikation auf Prozessdaten, wie PROFINET, IO, CC-Link IE Field,..

Für Anwendungen zum Beispiel in der Antriebssteuerung gibt es zusätzlich Industrial Ethernet Varianten, die zwar die Anforderungen auf minimale Latenzzeiten erfüllen, aber über die nur bedingt IT-Protokolle übertragen werden können. Um die benötigten Übertragungszeiten zur erreichen werden spezielle Switche/Hubs benötigt, wie bei PROFINET IRT oder EtherCAT. Nur in dieser Kategorie der Industrial Ethernet Technologien sind auch Topologien für redundanten Verdrahtung vorgesehen. Hier gibt meist die Steuerung den Takt vor und die Bezeichnung Master/Slave für Teilnehmer war passend.

Industrial Ethernet ProtokollEchtzeitfähigMotion Control
ModbusTCPEthernet/IPEtherCAT
    PROFINET IO        PROFINET IRT     
             Powerlink     Sercos III     
Ethernet Entwicklung in der Fabrikautomation
1970er1980er1990er2000erheute

Ethernet





 

Ethernet




 

Ethernet





 

PROFINET
Ethernet/IP
EtherCAT
Powerlink
ModbusTCP
CC-Link-IE
Sercos III  

PROFINET
Ethernet/IP
EtherCAT
Powerlink
ModbusTCP
CC-Link-IE
Sercos III 

Medienvielfalt

Die bereits in der IT verfügbaren Medienvielfalt, wie Kupfer oder Glasfaser Verbindungen, kann für viele Protokolle ebenso genutzt werden, z. B. Funk-Verbindungen wie WLAN oder Bluetooth. Diese Vielfalt erweitert das Anwendungsspektrum enorm.

IT-Funktionen und Protokolle

Auf Grund der Möglichkeit von Ethernet Teilnehmern mehrere gleichzeitige Verbindungen aufzubauen, ergibt sich bei Industrie-Geräten zusätzlich zu einem Industrial Ethernet Protokoll die Möglichkeit IT-Funktionalität und Protokolle zu implementieren.

Industrie-Geräte mit Webserver die mit dem http-Protokoll können per Weboberfläche zum Beispiel konfiguriert und diagnostiziert werden oder Daten visualisieren.

Per FTP-Protokoll lassen sich Beispielsweise Firmware-Updates einspielen.

Das SNMP-Protokoll ermöglicht die Überwachung industrieller Komponenten. In der IT-Welt wird dies bereits mit Servern, Swichten, Routern praktiziert, um deren Status, Auslastung, etc. zu überwachen.

Per SMTP-Protokoll können Geräte auch E-Mails verschicken.

Mit den Vorteilen kommen die Risiken

Durch die Vernetzung von IT und OT sind Anlagen und Maschinen nun mit ähnlichen Risiken konfrontiert wie die IT-Welt bzgl. Cybersicherheit.