Überblick über Ethernet/IP

Immer mehr Industriebetriebe entscheiden sich für Ethernet. Personalcomputer, Drucker und andere Peripheriegeräte, die mit Ethernet NIC-Karten (Network Interface Cards) ausgestattet sind, halten in die Industrieumgebung Einzug. Und wenn Ethernet mit intelligenten Switches und Routern kombiniert wird, gewinnt dieses System auch eine immer größere Akzeptanz. Für die Industrie bestand das einzige Hindernis, das der Anwendung von Ethernet im Wege stand, im Fehlen einer akzeptierten Anwendungsschicht und einer für robuste Industrieanwendungen geeigneten Vernetzungsmöglichkeit, die auf die automatisierte Fertigung abgestimmt ist.

Ethernet/IP ist ein Protokoll für die Anwendungsschicht. Es wurde für industrielle Zwecke entwickelt und kommt in der Industrieautomation zum Einsatz. Ethernet/IP wurde auf der Grundlage von standardmäßigen TCP/IP-Protokollen errichtet und verwendet praxisbewährte Ethernet-Hardware und - Software für die Definition einer Anwendungsschicht. Diese ermöglicht Konfiguration, Zugang und Steuerung von Geräten im Bereich der Industrieautomation. Ethernet/IP klassifiziert Ethernet- Verbindungsknoten als vordefinierte Gerätetypen mit spezifischen Verhaltensweisen. Das Protokoll für die Anwendungsschicht von Ethernet/IP beruht auf der CIP-Schicht (Control and Information Protocol – Steuerungs- und Informationsprotokoll), die sowohl bei DeviceNet™ als auch bei ControlNet™ verwendet wird. Aufbauend auf diesen Protokollen stellt Ethernet/IP ein nahtlos integriertes System zur Verfügung, das von der industriellen Fertigung bis zum Unternehmensnetzwerk reicht.

Entwicklungsgeschichte

Das physikalische Medium Ethernet, die Kabel und Steckverbinder für den Anschluss von Bürocomputern, Druckern und anderen Peripheriegeräten verarbeitet eine Reihe von Kommunikationsprotokollen, wie beispielsweise IP (Internet Protocol – Internetprotokoll), TCP (Transport Control Protocol – Protokoll für die Übertragungskontrolle) sowie zahlreiche andere Protokolle für Netzwerkinformationen. Diese Gruppe von Protokollen und die Anschlussmöglichkeiten eignen sich gut für Büroumgebungen. Nutzer können damit Dateien gemeinsam nutzen, haben Zugang zu Druckern, können E-Mails versenden, im Internet nach Informationen suchen und haben alle Kommunikationsmöglichkeiten, die in einer Büroumgebung angewendet werden. Die Anforderungen im Bereich der Fertigung sind jedoch viel anspruchsvollere und müssen spezielle Kriterien erfüllen. In der Fertigung müssen die Controller Daten von Laufwerksystemen, Arbeitsstationen und Eingabe- Ausgabe-Geräten abrufen. Beim Normalbetrieb muss der Nutzer so lange warten, bis die Software die Aufgabe ausgeführt hat. Die Bearbeitung von Daten, die im Fertigungsbereich anfallen, ist jedoch zeitkritisch und eine Kommunikation in Echtzeit erforderlich. Um einen Schweißroboter oder die Befüllung einer Flasche zu stoppen, muss der richtige Zeitpunkt präzise abgepasst werden. Anders verhält es sich, wenn eine Datei von einem entfernten Server abgerufen oder eine Website im Internet geöffnet wird.

Ethernet/IP ist ein Protokoll für die Anwendungsschicht, das für industrielle Umgebungen konzipiert wurde. Vier Arbeitsgruppen haben ihre Kräfte gebündelt, um Ethernet/IP als eine allgemein verfügbare Ethernet-Anwendungsschicht für die Industrieautomation zu entwickeln und voranzubringen: ODVA (Open DeviceNet Vendor Association), IOANA (Industrial Open Ethernet Association), CI (Control Net International) und IEA (Industrial Ethernet Association). Ihre gemeinsamen Ziele zeigen, wie Ethernet/IP einen gemeinsamen Standard bieten kann, der sich für eine breite Palette von Automatisierungsgeräten eignet. Dieselben Arbeitsgruppen arbeiten gerade an den Anforderungen an die Vernetzungsmöglichkeiten der physikalischen Schicht, die in den rauen Umgebungen der industriellen Fertigung erfüllt sein müssen.

Ethernet/IP-Technologie

Ethernet/IP verwendet die Protokolle des herkömmlichen Ethernet. Dazu zählen das TCP (Transport Control Protocol), das IP (Internet Protocol) sowie die Technologien für den Zugang zu den Medien und die Signalisierung, die auf allen Ethernet-NICs (Network Interface Cards) verfügbar sind. Wenn man auf standardmäßigen Ethernet-Technologien aufbaut, dann bedeutet das, dass die Zusammenarbeit zwischen Ethernet/IP und allen anderen Standard-Ethernet-Geräten, die heute verfügbar sind, transparent vonstatten geht. Und was noch wichtiger ist, der Aufbau von Ethernet/IP auf standardmäßigen Plattformen für Ethernet-Technologien gewährleistet, dass wenn sich diese Technologien weiterentwickeln, dass sich Ethernet/IP mitentwickelt.

Die Aktivitäten der Arbeitsgruppe, die Ethernet/IP unterstützen, konzentrieren sich darauf, einen umfassenden und konsistenten Standard zu erarbeiten. An den Arbeiten am Ethernet/IP-Standard sind mehrere Hersteller beteiligt. Dazu gehören das Erstellen einer Spezifikationen sowie gründliche und umfassende Tests in zertifizierten Testlabors.

Protokollschicht mit breitem Einsatzbereich

Ausgangspunkt der Konzeption von Ethernet/IP ist ein Standard mit breitem Einsatzbereich, der bei DeviceNet und ControlNet verwendet wird und als CIP (Control and Information Protocol – Steuerungs- und Informationsprotokoll) bezeichnet wird. Dieser Standard organisiert die Netzgeräte als eine Sammlung von Objekten. Er definiert Zugang, Verhalten und Erweiterungen, sodass eine breite Palette unterschiedlicher Geräte mit einem einzigen gemeinsamen Protokoll angesteuert werden können. Ethernet/IP beruht auf einem Standard, der von vielen Geräten verstanden und in eben diesen Geräten eingesetzt wird.

Von CIP zu Ethernet/IP

Die CIP-Schicht über Ethernet/IP bietet zahlreiche Vorteile. Ein konsistenter Zugang zu Geräten bedeutet, dass ein Konfigurationstool verwendet werden kann, um CIP-Geräte auf verschiedenen Netzwerken von einem Zugangspunkt aus und ohne herstellerspezifische Software zu konfigurieren. Wenn alle Geräte als Objekte klassifiziert werden, sinken die Schulungs- und Anlaufkosten, die für die Integration von neuen Geräten in das Netzwerk erforderlich sind. Ethernet/IP verringert die Antwortzeiten und erhöht den Datendurchsatz im Vergleich zu DeviceNet oder ControlNet. Ethernet/IP verbindet Geräte von der Bus- zur Steuerungs- und von dort zur Unternehmensebene, wobei eine konsistente Anwendungsschnittstelle verwendet wird.

Industrielle Verbindungsstrukturen in der Fertigung

Die herkömmlichen Produkte zur Herstellung von Verbindungsstrukturen gewährleisten, dass Kunden jahrelang von einem zuverlässigen Service in typischen Büroumgebungen profitieren. Setzt man jedoch dieselben Kupfer- oder Glasfaserkabel-Verbindungsstücke extremen Bedingungen aus, wie Staub, hohen/niedrigen Temperaturen, Feuchtigkeit, elektromagnetischen Störungen oder Vibrationen, dann werden Leistungskraft und Zuverlässigkeit beeinträchtigt. In rauen Umgebungen, in denen diese Bedingungen täglich auftreten – sei es teilweise oder in vollem Umfang – können die üblichen Steckerverbinder für Ethernet (d. h. RJ-45- Steckverbinder) durch Korrosion, Verschleiß, Verschmutzung und möglicherweise Versagen gestört werden. Letztendlich haben die Kunden auf Grund von Fehlerbeseitigung und Austausch von Komponenten hohe Wartungskosten zu tragen.

Nun steht eine neue Generation von Verbindungssteckern zur Verfügung, die so konstruiert wurden, dass eine robuste Ethernet-Verbindungen auch in rauesten Umgebungsbedingungen gewährleistet ist. Die neuen Stecker sind strapazierfähiger, stärker und widerstandsfähiger als jeder bisherige Ethernet- Verbindungsstecker. Diese neue Schnittstelle wird im Allgemeinen als „Industriestecker“ bezeichnet. Der Anwendungsbereich beschränkt sich aber nicht auf die Fertigung. Da der Verbindungsstecker nun so ausgelegt ist, dass seine Funktionsfähigkeit auch unter industriellen Bedingungen aufrechterhalten wird, bestehen die Anwendungen auch in Umgebungen, die durch Feuchtigkeit, Flüssigkeit, Luftverschmutzungen, Vibrationen und/oder extreme Temperaturen gekennzeichnet sind.

Heute verfügbare industrielle Steckerlösungen

Das Unternehmen Siemon hat einen industriellen RJ-45-Steckverbinder entwickelt, der alle anstehenden TIA- und IEC-Anforderungen erfüllt und von der ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) anerkannt wurde. Die Industrial MAX Buchsen-Stecker-Kombination von Siemon gewährleistet hervorragende Beständigkeit bei rauesten Umgebungsbedingungen.

Siemon’s industrielle Lösung erzielt eine Klassifizierung nach IP67 durch Versiegelung der RJ-45 Buchsen-Stecker-Kombination . Der Stecker hat eine einzigartige Kupplungsmutter, die sich mit der Außenhülle der Buchse über eine einfache Vierteldrehung der Kupplungsmutter verbinden lässt. Die Buchsen-Stecker-Kombination RJ-45 ist kompatibel mit der Kategorie 5e und 6, und bei Kategorie 5e kann auch der Stecker vor Ort angeschlossen werden, sodass auch vor Ort maßgeschneiderte Patch-Kabel hergestellt werden können.

Durch die Gestaltung der Verbindung wird das Eindringen von Feuchtigkeit verhindert, die entweder in der Luft enthalten ist oder durch direkten Kontakt mit einer Flüssigkeit entsteht. Darüber hinaus ist die Steckverbindung auch vibrationsbeständig, denn die Position des Steckers in der Buchse wird beibehalten. Dadurch kann sich der Stecker bei Vibrationen nicht bewegen, und die Buchsenkontakte können nicht beschädigt werden.

Bei der Konstruktion des industriellen MAX-Steckverbinders von Siemon wurden darüber hinaus Materialien verwendet, die chemikalienbeständig sind und einen größeren Betriebstemperaturbereich haben als herkömmliche Steckverbinder. Der erweiterte Temperaturbereich des Steckverbinders erstreckt sich von -25° C (-13° F) bis 85° C (185° F). Im Vergleich zum Betriebstemperaturbereich von Standardverbindungen erweitert der Siemon Industrie Steckverbinder den gesamten Betriebstemperaturbereich um mehr als 50 %.

Schließlich bietet Siemon für Umgebungen mit höheren elektromagnetischen Störfeldern die geschirmte Variante (ScTP) des industriellen Steckverbinders an. ScTP-Lösungen sind im Prinzip UTP-Kabel mit einem kompletten Außenschirm bzw. einer Folie. Sie eignen sich ideal für Umgebungen, in denen zusätzlicher Schutz vor elektromagnetischen Störfeldern erforderlich ist, um die Integrität der Datensignale zu gewährleisten. Neben der Kabelabschirmung hat auch die Verbindungshardware eine hohe Schirmwirkung und eine geringe Transferimpedanz, damit auf diese Weise das Datensignal auf seinem Weg vom Horizontalkabel zum Geräreanschlußkabel abgeschirmt werden kann.

Anforderungen an die Installation

Die Installation von Ethernet/IP stellt durchaus hohe Anforderungen. Ein weit verbreitetes Problem besteht darin, dass nicht genügend geschultes Personal zur Verfügung steht, das sowohl grundlegende IT-Kenntnisse besitzt als auch das Automatisierungsnetzwerk versteht. Sowohl das Automatisierungsteam als auch die IT-Mitarbeiter müssen zusammenarbeiten, um das Ethernet/IPSystem zu installieren und einzuführen. Die zweite Herausforderung besteht in der korrekten Netzwerkkonfiguration. Ausschlaggebend ist die richtige Planung der Automatisierung einer betrieblichen Infrastruktur auf der Grundlage von Ethernet. Eine sorgfältige Dokumentation der Kabelwege, Zwischenräume, Verkabelung, Geräte und Geräteverbindungen ist wichtig, damit das Netzwerk den vorgesehenen Betrieb aufnehmen kann. Ebenso wichtig ist die Auswahl der richtigen Router und Switches. Ist Ethernet/IP erst einmal richtig installiert, ist der Wartungsaufwand gering.

Ethernet/IP hat viele Konkurrenten. Dazu zählen Modbus/TCP, ProfiNet, HSE-Feldbus und viele andere Proprietäre Protokolle. Kritiker des Einsatzes von Ethernet im Fertigungsbereich argumentieren oft, dass Ethernet nicht zuverlässig genug sei, um bei Automatisierungsanwendungen bestehen zu können. Dieses Argument war zwar in der Vergangenheit gültig, aber dennoch haben intelligente Switches ihm den Boden entzogen. Diese Switches schaffen separate Kollisionsdomänen, die genau die Zuverlässigkeit bieten, die von allen Automatisierungsanwendungen verlangt wird.

Die Entwicklung von Ethernet hin zur standardisierten Verwendung im Fertigungsbereich ist in vollem Gange.