Hayden Ali, Netzwerkingenieur
Industrielles Ethernet-Glossar
Industrielle Ethernet-Kommunikationsprotokolle
Ethernet wird allgegenwärtig und kostengünstig, mit gemeinsamen physischen Verbindungen und höherer Geschwindigkeit. Daher werden viele industrielle Kommunikationsprotokolle auf Ethernet-basierte Lösungen umgestellt. Die Ethernet-Kommunikation mit TCP/IP ist in der Regel nicht deterministisch und die Reaktionszeit beträgt häufig etwa 100 ms. Industrielle Ethernet-Protokolle verwenden eine modifizierte Media Access Control (MAC)-Schicht, um eine sehr geringe Latenz und deterministische Antworten zu erreichen. Ethernet ermöglicht außerdem eine flexible Netzwerktopologie und eine flexible Anzahl von Knoten im System. Schauen wir uns einige der beliebtesten Industrial Ethernet-Protokolle im Detail an.
EtherCAT, ein für Prozessdaten optimiertes Protokoll, verwendet Standard-IEEE 802.3-Ethernet-Frames. Jeder Slave-Knoten verarbeitet sein Datagramm und fügt die neuen Daten in den Frame ein, während jeder Frame durchläuft. Der Prozess wird in Hardware abgewickelt, sodass jeder Knoten eine minimale Verarbeitungslatenz verursacht und so die schnellstmögliche Reaktionszeit ermöglicht. EtherCAT ist das MAC-Layer-Protokoll und ist für alle übergeordneten Ethernet-Protokolle wie TCP/IP, UDP, Webserver usw. transparent. EtherCAT kann bis zu 65,535 Knoten in einem System verbinden, und der EtherCAT-Master kann ein Standard-Ethernet-Controller sein, wodurch die Netzwerkkonfiguration vereinfacht wird. Aufgrund der geringen Latenz jedes Agentenknotens liefert EtherCAT flexible, kostengünstige und netzwerkfähige Industrial-Ethernet-Lösungen.
EtherNet / IP ist ein auf TCP/IP aufbauendes Anwendungsschichtprotokoll. EtherNet/IP nutzt Standard-Ethernet-Physik-, Datenverbindungs-, Netzwerk- und Transportschichten und verwendet gleichzeitig Common Industrial Protocol (CIP) über TCP/IP. CIP bietet einen Standardsatz an Nachrichten und Diensten für industrielle Automatisierungssteuerungssysteme und kann in mehreren physischen Medien verwendet werden. Beispielsweise heißt CIP über den CAN-Bus DeviceNet, CIP über das dedizierte Netzwerk heißt ControlNet und CIP über Ethernet heißt EtherNet/IP. EtherNet/IP stellt die Kommunikation von einem Anwendungsknoten zu einem anderen über CIP-Verbindungen über eine TCP-Verbindung her, und über eine TCP-Verbindung können mehrere CIP-Verbindungen hergestellt werden.
PROFINET ist ein weit verbreitetes industrielles Ethernet, das von großen Industrieanlagenherstellern wie Siemens und GE verwendet wird. Es gibt drei verschiedene Klassen. PROFINET Klasse A ermöglicht den Zugriff auf ein Profibus-Netzwerk über einen Proxy und verbindet Ethernet und Profibus mit einem Remote-Prozeduraufruf über TCP/IP. Seine Zykluszeit beträgt etwa 100 ms, und das ist es auch
Wird hauptsächlich für Parameterdaten und zyklische E/A verwendet. Die typische Anwendung umfasst Infrastruktur und Gebäudeautomation. PROFINET Klasse B, auch PROFINET Real-Time (PROFINET RT) genannt, führt einen softwarebasierten Echtzeitansatz ein und reduziert die Zykluszeit auf etwa 10 ms. Klasse B wird typischerweise in der Fabrikautomatisierung und Prozessautomatisierung eingesetzt. PROFINET Klasse C (PROFINET IRT) ist isochron und in Echtzeit und erfordert spezielle Hardware, um die Zykluszeit auf weniger als 1 ms zu reduzieren und eine ausreichende Leistung auf dem Echtzeit-Industrie-Ethernet für Bewegungssteuerungsvorgänge bereitzustellen. PROFINET RT kann in SPS-ähnlichen Anwendungen eingesetzt werden, während PROFINET IRT gut für Bewegungsanwendungen geeignet ist. Branch und Star sind die gebräuchlichsten Topologien für PROFINET. Für PROFINET-Netzwerke ist eine sorgfältige Topologieplanung erforderlich, um die erforderliche Leistung des Systems zu erreichen.
POWERLINK wurde ursprünglich von B&R entwickelt. Ethernet POWERLINK ist auf Basis von IEEE 802.3 implementiert und ermöglicht daher die freie Wahl von Netzwerktopologie, Cross-Connect und Hotplug. Es nutzt einen Polling- und Time-Slicing-Mechanismus für den Datenaustausch in Echtzeit. Ein POWERLINK-Master oder „Managed Node“ steuert die Zeitsynchronisation durch Paketjitter im Bereich von 10 Nanosekunden. Ein solches System eignet sich für alle Arten von Automatisierungssystemen, von der SPS-zu-SPS-Kommunikation und Visualisierung bis hin zur Bewegungs- und I/O-Steuerung. Aufgrund der Verfügbarkeit von Open-Source-Stack-Software sind die Hürden für die Implementierung von POWERLINK recht gering. Darüber hinaus ist CANopen Teil des Standards, der einfache System-Upgrades von früheren Feldbus-Protokollen ermöglicht.
Sercos III ist die dritte Generation des Serial Real-time Communication System (Sercos). Es kombiniert die On-the-Fly-Paketverarbeitung für die Bereitstellung von Echtzeit-Ethernet und Standard-TCP/IP-Kommunikation, um industrielles Ethernet mit geringer Latenz bereitzustellen. Ähnlich wie bei EtherCAT verarbeitet ein Sercos III-Slave das Paket, indem er Daten im laufenden Betrieb extrahiert und in den Ethernet-Frame einfügt, um eine geringe Latenz zu erreichen. Sercos III trennt Eingabe- und Ausgabedaten in zwei Frames. Mit Zykluszeiten ab 31.25 Mikrosekunden ist es so schnell wie EtherCAT und PROFINET IRT. Sercos III unterstützt Ring- oder Linientopologie. Ein wesentlicher Vorteil der Ringtopologie ist die Kommunikationsredundanz. Selbst wenn der Ring aufgrund des Ausfalls eines Slaves abbricht, erhalten alle verbleibenden Slaves weiterhin die Sercos III-Frames mit Ein-/Ausgabedaten. Sercos III kann 511 Slave-Knoten in einem Netzwerk haben und wird am häufigsten in Servoantriebssteuerungen verwendet.
Zeitsensitives Networking (TSN) ist eine vom Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) definierte Ethernet-Erweiterung, die darauf abzielt, Ethernet-basierte Netzwerke deterministischer zu machen. TSN ist ein lokales Netzwerk (LAN) – eine Lösung, die mit Nicht-TSN-Ethernet funktionieren kann, die Aktualität ist jedoch nur innerhalb des TSN-LAN gewährleistet. Sie können TSN-Standards nach dem gelösten Anwendungsfall gruppieren: eine gemeinsame Zeitansicht, garantierte maximale Latenz oder Koexistenz mit Hintergrund- oder anderem Datenverkehr. Wie jeder gängige Standard entwickelt sich auch die TSN-Toolbox an Standards weiter.