Was ist Ethernet? Klassisches Ethernet Häufig verwendete Ethernet Übertragungsmedien Fast Ethernet

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1 Inhaltsverzeichnis Kapitel 00 Industrial Ethernet Seite Ethernet Was ist Ethernet? Klassisches Ethernet Häufig verwendete Ethernet Übertragungsmedien Fast Ethernet Switched Ethernet Das industrielle Ethernet Netzwerk Allgemeine Anforderungen an industrielle Ethernet-Netzwerke PROFINET-Übertragungstechnik und -Verkabelung Gigabit Ethernet in der strukturierten Gebäudeverkabelung Netzwerkinstallation konform zu industriellen Ethernet-Standards Glossar

2 Industrial Ethernet Was ist Ethernet? Ethernet ist eine relativ alte Spezifikation zur seriellen Datenübertragung, die ursprünglich von der Firma Xerox 1975 herausgegeben wurde. Seit 1985 ist Ethernet in der IEEE standardisiert und seither mehrfach erweitert worden. Das klassische Ethernet arbeitet mit einer Datenübertragungsrate von 10 Mbit/s. Seit den 90er Jahren entwickelte sich Ethernet auf den folgenden Gebieten weiter: Übertragungsmedien Datenübertragungsraten l Fast Ethernet 100 Mbit/s (1995) l Gigabit Ethernet 1 Gbit/s (1999) l Planungen für 10 Gigabit Ethernet Netzwerktopologien l Switched Ethernet Industrial Ethernet Ethernet ist heute weltweit die am meisten verbreitete Basistechnologie in kommerziellen EDV-Systemen und gewinnt auch in der industriellen Automatisierung mehr an Bedeutung. Durch den Einsatz von Ethernet wird eine homogene und standardisierte Kommunikationsinfrastruktur erreicht, die nahtlos von der Büroumgebung bis zur Maschine reicht. Klassisches Ethernet (Shared Ethernet) Beim Ethernet sind alle Netzwerkteilnehmer gleichberechtigt. Jeder Teilnehmer kann zu jeder Zeit mit einem anderen Teilnehmer Daten beliebiger Größe austauschen. Da das Ethernet als logisches Bus-System konzipiert ist, wird ein sendender Netzwerkteilnehmer von allen anderen Teilnehmern gehört. Jeder Ethernet-Teilnehmer filtert die für ihn bestimmten Datenpakete heraus, alle anderen werden von ihm ignoriert. Ausgenommen sind Telegramme, die für alle Teilnehmer bestimmt sind, so genannte Broadcast- oder Multicast-Telegramme. Häufig verwendete Ethernet Übertragungsmedien Netzzugriffsverfahren CSMA/CD Beim klassischen Ethernet, häufig auch Shared Ethernet genannt, teilen sich alle Netzwerkteilnehmer eine Kollisionsdomäne. Die Steuerung für den Netzzugriff ist im Ethernet über das CSMA/CD-Verfahren (Carrier- Sense Multiple-Access with Collision-Detection) geregelt. Möchte ein Netzwerkteilnehmer Daten übertragen, prüft er zuerst ob das Netz frei ist (Carrier-Sense). Falls ja, wird mit der Datenübertragung begonnen. Gleichzeitig wird überprüft ob andere Teilnehmer ebenfalls begonnen haben zu senden (Collision-Detection). Ist dies der Fall kommt es zu einer Kollision. Nun stellen alle daran beteiligten Netzwerkteilnehmer die Übertragung ein, warten eine nach einem Zufallsprinzip gebildete Zeit ab und starten die Übertragung erneut. Aufgrund dieser Tatsche ist die Übertragungszeit von Datenpaketen stark von der Netzauslastung abhängig und nicht vorher bestimmbar. Je mehr Kollisionen stattfinden, desto langsamer wird das gesamte Netzwerk. Shared Ethernet eignet sich daher nur bedingt für die industrielle Automation. Zudem ist die Netzausdehnung begrenzt. Sie ist von der verwendeten Datenrate sowie von der maximal zulässigen Laufzeit der Datenpakete abhängig. Ansätze zur Performanceverbesserung Zur Verbesserung der Performance wurden verschiedene Ansätze verfolgt: Segmentierung: -> Aufteilung der Kollisionsdomänen Höhere Bandbreiten: -> Fast Ethernet, Gigabit Ethernet Switching: -> Switched Ethernet und Kombinationen hiervon. Erst mit der Umsetzung dieser Ansätze wird Ethernet für die industrielle Automation interessant und nutzbar. In den folgenden Kapiteln wird daher nur Switched Ethernet und Fast Ethernet weiterbehandelt. Ethernet Installationen sind hauptsächlich durch zwei Parameter charakterisiert: Die Kategorie des Kabels (Category) und die Klasse des Kanals (Class). Bezeichnung Bedeutung Distanz 10 Mbit/s System 10 Base T [FD] 2 Adernpaare, mind. Category 3, UTP und STP >100 m 10 Base FX [FD] Lichtwellenleiter abhängig vom Fasertyp Mbit/s System (Fast Ethernet) 100 Base TX [FD] 2 Adernpaare, Category 5, UTP und STP 100 m 100 Base FX [FD] Lichtwellenleiter abhängig vom Fasertyp [FD] = Full-Duplex-Betrieb möglich

3 Industrial Ethernet Das Kabel ist durch die Category-Angabe nach seinen elektrischen Übertragungs- und Hochfrequenzeigenschaften wie folgt gekennzeichnet: Category 1: nicht spezifiziert Category 2: bis zu 1 MHz Category 3: bis zu 16 MHz Category 4: bis zu 20 MHz Category 5: bis zu 100 MHz Category 6: bis zu 250 MHz Category 7: bis zu 600 MHz Der Kanal ist der Punkt-zu-Punkt Übertragungsteil, der wie folgt spezifiziert ist: Class A: bis zu 100 KHz Class B: bis zu 1 MHz Class C: bis zu 16 MHz Class D: bis zu 100 MHz Class E: bis zu 250 MHz Class F: bis zu 600 MHz Je höher der Buchstabe, desto härter sind die Anforderungen an den Übertragungskanal und somit auch an das Kabel. Werden z.b. nur Category 5 Komponenten in einem System benutzt, wird die Leistungsfähigkeit eines Class D Kabels benötigt. Das gleiche gilt für Category 6 und Class E sowie für Category 7 und Class F. Ethernet mit Switching (Switched Ethernet) Definition Als Switched Ethernet wird ein Netzwerk bezeichnet, bei dem jedem Ethernet-Teilnehmer ein Port eines Switches zugeordnet ist. Switches lösen bisherige Kollisionsdomänen in einzelne Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen den Netzwerkkomponenten und den beteiligten Endgeräten auf. Durch den Ausschluss von Kollisionen steht jeder Punkt-zu-Punkt-Verbindung die volle Netzbandbreite exklusiv zur Verfügung. Das zweite Adernpaar der Ethernet-Leitung, welches sonst zur Erkennung von Kollisionen benötigt wird, kann jetzt zusätzlich als Übertragungsmedium genutzt und der Datendurchsatz dadurch erheblich gesteigert werden. Durch den Einsatz von Switches werden beliebige Netzkonfigurationen wie Stern-, Ring-, Baum- oder Linienstrukturen realisierbar. Switched Ethernet bietet folgende große Vorteile: l Die Möglichkeit einer anwendungsgerechten Skalierung der Kollisionsbereiche bis hin zum völlig kollisionsfreien Netzwerk, wenn jedem Port nur ein Teilnehmer zugeordnet wird l Sehr schnelle Paketvermittlung zwischen den Kollisionsbereichen l Erhebliche Steigerung des Datendurchsatzes durch echten Vollduplexbetrieb l Ausschluss von Kollisionen ermöglicht einen deterministischen Betrieb Next = Near end crosstalk Netzausdehnung Beim Switched Ethernet ist die mögliche Netzausdehnung theoretisch unbegrenzt. Die maximale Leitungslänge zwischen einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung wird lediglich durch die physikalischen Übertragungseigenschaften bestimmt und beträgt laut Spezifikation 100 m. In der Praxis beeinflussen die eingesetzten Steckverbinder und Leitungen entscheidend die tatsächlich mögliche Leitungslänge. Fast Ethernet Fast Ethernet nach IEEE ist kein neuer Standard, sondern eine Erweiterung des klassischen Ethernet um folgende neue Eigenschaften: l Eine Datenrate von 100 Mbit/s l Switching l Vollduplexbetrieb Diese bilden die Basis für industrietaugliche Ethernet- Netzwerke. Durch Autonegotiation wird die Kompatibilität zum klassischen Ethernet nach IEEE sicher gestellt. TE = Terminal Equipment (Datenendgerät) 05

4 Industrial Ethernet Der Switch die zentrale Netzwerkkomponente im Switched Ethernet Switches sind aktive Infrastrukturkomponenten die nach IEEE auf Schicht 2 des OSI-Referenzmodells arbeiten. Switches analysieren alle eingehenden Datenpakete und leiten diese gezielt an den Port weiter, wo sich der entsprechende Teilnehmer befindet. Hiervon sind lediglich Multicast- und Broadcast-Telegramme ausgenommen. Sie werden an alle aktiven Ports des Switches weitergeleitet. Zur gezielten Weiterleitung der Telegramme benötigt jeder Switch eine Adress-/Port-Zuordnungstabelle. In dieser Tabelle ist die Zuordnung einer Zieladresse zu einem bestimmten Port des Switches gespeichert. Eingehende Datenpakete werden mit Hilfe dieser Tabelle anhand ihrer Zieladresse analysiert und direkt an den entsprechenden Port weitergeleitet. Die Adress-/Port-Zuordnungstabelle wird in der Regel vom Switch über einen Selbstlernprozess automatisch erzeugt und gepflegt. Ein Switch kann mehrere tausend Adressen lernen. Dieses wird notwendig, wenn an einem oder mehreren Ports mehr als ein Endgerät angeschlossen ist. So können mehrere eigenständige Subnetze an einen Switch angeschlossen werden. Jeder Port eines Switches bildet so einen eigenen Kollisionsbereich. Dadurch sind Datenkollisionen mit Teilnehmern anderer Ports ausgeschlossen. Beim Switched Ethernet wird jedem Port nur jeweils ein Teilnehmer zugeordnet. Kollisionen sind dadurch generell ausgeschlossen. Garantierte Kollisionsfreiheit erhöht den effektiven Datendurchsatz erheblich. Zusätzlich ist jetzt Vollduplexbetrieb möglich, da ein Adernpaar der Ethernet-Leitung, welches sonst zur Erkennung von Kollisionen benötigt wird, zusätzlich als Übertragungsmedium genutzt werden kann. Im Vollduplexbetrieb können im Fast Ethernet (100 Base TX) 100 Mbit/s in beide Richtungen gleichzeitig übertragen werden. Das entspricht einer Verdoppelung der Datenrate. Dank der Switch-Technologie ist es möglich, industrielle Ethernet-Netzwerke aufzubauen, die sowohl Zuverlässigkeits- als auch Echtzeitanforderungen genügen. Unterscheidungsmerkmale von Switches Switches werden hauptsächlich durch folgende Eigenschaften unterschieden: Betriebsarten: Store and Forward Cut-Through Modified Cut-Through Blockierung: blockierend nicht blockierend Management: managed unmanaged Zuordnungstabelle Adresse Eingehende Telegramme Ausgehende Telegramme 06 Funktionsprinzip eines Switch

5 Industrial Ethernet Vergleich der Betriebsarten Store and Forward (Bild 1) Bei dieser Betriebsart speichert der Switch das komplette Datenpaket zwischen, überprüft es auf Fehler und leitet es, sofern es fehlerfrei ist, an den entsprechenden Port weiter. Cut-Through / Modified Cut-Through (Bild 2) Bei dieser Betriebsart werden nur so viele Bytes des Datenpaketes zwischengespeichert, wie für die Auswertung in der Adress-/Port-Zuordnungstabelle erforderlich. Danach werden alle eingehenden Bytes des Datenpaketes direkt an den entsprechenden Port ohne Zwischenspeicherung weitergeleitet. Bei modified Cut-Through wartet der Switch genau 64 Bytes ab und trifft dann die Entscheidung nach Adress-/Port-Zuordnungstabelle. Blockierung Ein Switch verfügt über eine gewisse Anzahl von Ports, die über die Switch-Matrix verbunden werden. Kann die Switch-Matrix sämtliche Verbindungen ohne Verzögerung bei voller Datenrate direkt bewältigen, so wird von einem nicht blockierenden Switch gesprochen. Ist die Anzahl gleichzeitiger Verbindungen bei voller Datenrate begrenzt, ist der Switch blockierend. Management Ein unmanaged Switch schaltet den gesamten Datenverkehr auf Basis der Adress-/Port-Zuordnungstabelle. Der Anwender hat hier keine Eingriffsmöglichkeiten. Ein managed Switch steuert den Datenverkehr gemäß Parametern (Regeln). Die Basis bildet hier die Switch-Managementsoftware. Moderne Switches unterstützen SNMP-Management und webbasiertes Management. Hier gibt es diverse Eingriffsmöglichkeiten für den Anwender. Die Fähigkeiten der Managementsoftware sind von Switch zu Switch unterschiedlich. Zeitverhalten Beim Switched Ethernet werden alle zeitlichen Unsicherheiten, die aus dem Ethernet Kollisionsbewältigungsalgorithmus (CSMA/CD) resultieren, eliminiert. Bei korrekter Dimensionierung wird Switched Ethernet somit zu einem deterministischen System. Im Bereich der Industrieautomation muss durch die Auswahl der Switches und die Netzwerkdimensionierung sichergestellt werden, dass unter allen Betriebsbedingungen die Switches im deterministischen Bereich arbeiten. Bild 1 Bild 2 07

6 Industrial Ethernet Das industrielle Ethernet Netzwerk Allgemeine Anforderungen an industrielle Ethernet Netzwerke Die internationale Norm ISO/IEC sowie ihr europäisches Äquivalent EN definieren eine anwendungsneutrale, informationstechnische Standardvernetzung für einen Gebäudekomplex. Sie sind inhaltlich weitgehend identisch. Beide Standards gehen von einer büroähnlichen Nutzung der Gebäude aus und erheben den Anspruch, anwendungsneutral Bürobereich Fertigungs- und Feldbereich zu sein. Die spezifischen Anforderungen an Ethernet- Netzwerke im industriellen Umfeld wie l Anlagenspezifische Kabelführung l Individueller Vernetzungsgrad für jede Maschine/ Anlage l Linienförmige Netzstrukturen l Robuste industriegerechte Kabel und Steckverbinder mit besonderen Anforderungen an EMV, Temperatur, Feuchte, Staub und Vibration finden in diesen beiden Standards keine Berücksichtigung. Installations- Bedingungen l feste Grundinstallation im Gebäude l Verlegung in Zwischenböden l variabler Geräteanschluss am Arbeitsplatz l vorkonfektionierte Geräteanschlusskabel l weitgehend Standardarbeitsplätze (Schreibtisch mit PC,...) l baumförmige Netzstrukturen l stark anlagenabhängige Verkabelung l anlagenspezifische Kabelführung l Anschlusspunkte werden selten verändert l feldkonfektionierbare Geräteanschlüsse l jede Maschine/Anlage erfordert individuellen Vernetzungsgrad l häufig linienförmige Netzstrukturen und (redundante) Ringstrukturen l große Datenpakete (z.b. Bilder) l mittlere Netzverfügbarkeit l Übertragungszeit im Sekunden-Bereich l überwiegend azyklische Übertragung l keine Isochronität l kleine Datenpakete (Messwerte) l sehr hohe Netzverfügbarkeit l Übertragungszeit im Mikrosekunden- Bereich l hoher Anteil zyklischer Übertragung l Isochronität Übertragungsleistung Umweltanforderungen l moderate Temperaturen l geringe Staubbelastung l keine Feuchtigkeit l kaum Erschütterungen l geringe EMV-Belastung l geringe mechanische Gefährdung l geringe UV-Strahlung l kaum chemische Gefährdung l extreme Temperaturen l hohe Staubbelastung l Feuchtigkeit möglich l vibrierende Maschinen l hohe EMV-Belastung l Gefahr mechanischer Beschädigungen l UV-Belastung im Außenbereich l chemische Belastungen durch ölige oder aggressive Atmosphären Tabelle: Unterschiedliche Anforderungen zwischen Büro- und Industriebereich 08

7 Industrial Ethernet Netztopologien Die Netztopologien für industrielle Ethernet-Netzwerke orientieren sich an den Erfordernissen der zu vernetzenden Einrichtungen. Zu den häufigsten gehören Stern-, Linien-, Baum- und Ringstrukturen. In der Praxis besteht eine reale Anlage oft aus einer Mischform der unten einzeln betrachteten Strukturen. Stern Kennzeichen der Sternstruktur ist ein zentraler Signalverteiler (Switch) mit Einzelverbindungen zu allen Endgeräten des Netzes. Anwendungen für sternförmige Netzstrukturen sind Bereiche mit hoher Gerätedichte bei geringen Längenausdehnungen, z.b. kleine Fertigungszellen oder eine einzelne Produktionsmaschine. Baum Die Baumtopologie entsteht aus der Verbindung mehrerer Sterne zu einem Netzwerk. Sie findet Anwendung bei der Gliederung komplexer Anlagen in Teilanlagen. Linie Realisiert werden kann die Linienstruktur durch einen Switch in der Nähe des anzuschließenden Endgeräts oder durch einen in das Endgerät integrierten Switch. Die Linienstruktur findet bevorzugt Anwendung in Anlagen mit weitläufiger Struktur, z.b. Fördersysteme und zur Verbindung von Fertigungszellen. SW = Switch TE = Terminal Equipment (Datenendgerät) SW = Switch TE = Terminal Equipment (Datenendgerät) Linienstruktur Sternstruktur Ring (Redundanz) Schließt man die Enden einer Linie durch eine zusätzliche Verbindung, ergibt sich eine Ringstruktur. Ringtopologien werden in Anlagen mit erhöhten Verfügbarkeitsanforderungen zum Schutz vor Leitungsbruch oder Ausfall einer Netzkomponente eingesetzt. ISO / IEC Strukturiertes Gebäudenetzwerk BD MD = Building Distributor (Gebäudeverteiler) = Machine Distributor (Maschinenverteiler) InO = Industrial Outlet Strukturiertes Maschinennetzwerk TE = Terminal Equipment (Datenendgerät) Produktionsstätte 09

8 Industrial Ethernet PROFINET-Übertragungstechnik und -Verkabelung Die Richtlinie PROFINET-Übertragungstechnik und -Verkabelung definiert auf Basis grundlegender Anforderungen der ISO/IEC eine industriegerechte Verkabelung für Industrial Ethernet. Die PROFINET-Richtlinie setzt neue Maßstäbe, denn: l Der Hersteller von Komponenten erhält eindeutige Vorgaben über die Schnittstellen l Der Anwender erhält einfache Regeln für die Installation l Er kann damit wie beim Feldbus ohne zusätzliche ethernetspezifische Planung, Netzwerke erstellen. Die PROFINET-Richtlinie spezifiziert Kabel und Steckverbinder, die dem Anwender eine Installation ohne spezielle Berechnung der Übertragungsstrecke ermöglicht. Detaillierte Informationen finden Sie im Internet unter Verkabelung Industrietaugliche Kabel können extremen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sein. Sie erfordern einen speziellen Aufbau, der zu Rückwirkungen auf die Übertragungseigenschaften führt. Beim Einsatz von Spezialkabeln ist deshalb u.u. nur eine verkürzte Übertragungsstrecke realisierbar. Die Signalübertragung über symmetrische Kupferkabel (Twisted Pair) erfolgt nach 100 BASE-TX mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 100 Mbit/s (Fast- Ethernet). Übertragungsmedium ist ein 2-paariges, verdrilltes und geschirmtes Kupferkabel (Twisted Pair oder Stern-Vierer) mit einem Wellenwiderstand von 100 Ohm. Es sind ausschließlich geschirmte Kabel und Verbindungselemente zugelassen. Die einzelnen Komponenten müssen die Anforderung der Category 5 entsprechend ISO/IEC erfüllen. Die gesamte Übertragungsstrecke muss die Anforderungen der Class D nach ISO/IEC erfüllen. Lösbare Verbindungen werden mit Hilfe vom RJ 45- bzw. M12- Steckverbindungssystem hergestellt. Die Geräteanschlüsse sind als Buchse ausgeführt. Die Verbindungskabel (Geräteanschluss-, Rangierkabel) sind entsprechend beidseitig mit Steckern versehen. Alle Geräte werden über eine aktive Netzkomponente angeschlossen. Um eine möglichst einfache Installation zu gewährleisten wurde das Übertragungskabel als beidseitig gleich definiert. Diese Verbindungsleitung erfüllt damit die Funktion der beidseitig gleich konfektionierten Patchleitung. Die maximale Segmentlänge beträgt 100m. Werden die spezifizierten Kabel in Verbindung mit den spezifizierten Steckverbindern eingesetzt, so ergibt sich für den Einsatz von bis zu 6 Steckverbinderpaaren eine maximale Verkabelungsstrecke von 100 m. Die Kombination aus Steckverbinder und Buchse wird als ein Paar gerechnet. Verkabelungsbeispiel Anzahl der Maximale Steckverbinderpaare Verkabelungsstrecke m m m m m m m 10 TE = Terminal Equipment PMD = PROFINET Machine Distributor Tabelle: Übertragungslängen Umgebung innerhalb Steckverbinder Kupplung

9 Industrial Ethernet Steckverbinder Ein wesentliches Kriterium für die industrielle Verwendbarkeit besteht in der Beherrschbarkeit der Anschlusstechnik vor Ort. Hierzu stehen Steckverbinder für M12 sowie für den RJ 45 zur Verfügung. Sie sind mit Standardwerkzeugen einfach vor Ort konfektionierbar. Im Schaltschrankbereich wird in PROFINET der RJ 45 als IP 20 Ausführung eingesetzt. Er ist kompatibel zum Bürostecker. HARTING RJ Industrial IP 20 Data Steckverbinder außerhalb des Schaltschranks müssen den Ansprüchen der Industrie in besonderem Maße Rechnung tragen. Hier kommen die Typen RJ 45 in IP 65 oder IP 67 oder der Typ M12 zum Einsatz. Der RJ 45 in IP 65 / IP 67 befindet sich in einem robusten Gehäuse mit Push Pull-Verriegelung. Spezielle Ausführungen erlauben einen Schutzgrad bis IP 68. Bei M12-Steckverbindern wird die geschirmte, D-kodierte 4-polige Variante eingesetzt, wie sie von DKE für Industrial Ethernet in die IEC Standardisierung eingebracht wird. HARTING RJ Industrial IP 67 Push Pull und HARAX M12-L geschirmt Der hybride Steckverbinder wird dort eingesetzt, wo dezentrale Feldgeräte über einen kombinierten Steckverbinder mit Daten und Versorgungsspannung verbunden werden. Ein vollständig berührungsgeschützter Steckverbinder ermöglicht die Nutzung von beidseitig gleichen Steckverbindern, da durch den integrierten Berührschutz kein Stift-Buchsenwechsel notwendig ist. Es handelt sich um einen RJ 45 in IP 67 zum Anschluss 2-paariger, geschirmter Datenleitungen für die Kommunikation und 4 Cu- Leitern zur Energieversorgung. HARTING RJ Industrial IP 67 Hybrid Steckerbelegung RJ 45 Signal Funktion Adernfarbe Kontaktbelegung RJ 45 M 12 TD+ Transmission Data + Gelb 1 1 TD- Transmission Data - Orange 2 3 RD+ Receiver Data + Weiß 3 2 RD- Receiver Data - Blau 6 4 Switches Switches sind Geräte, die im Übertragungspfad zwischen den Endgeräten liegen und empfangene Signale regenerieren und gezielt weiterleiten. Sie dienen zur Strukturierung von Netzwerken und ermöglichen Datenkommunikation über große Strecken. Für PROFI- NET geeignete Switches sind für Fast-Ethernet (100 Mbit/s, IEEE 802.3u) und Vollduplexübertragung ausgelegt. Im Vollduplexbetrieb empfängt und sendet ein Switch gleichzeitig Daten am selben Port. Es treten keine Kollisionen auf. Dadurch geht keine Bandbreite durch das Ethernet-Kollisionsverfahren verloren. Die Netzprojektierung wird wesentlich vereinfacht, da die Überprüfung der Streckenlängen innerhalb einer Kollisionsdomäne entfällt. Für den Einsatz im industriellen Umfeld kommen spezielle Switches zur Anwendung. Switches aus dem Office-Bereich können nur bedingt eingesetzt werden. Zum einen sind sie für den rauen industriellen Einsatz nicht geeignet. Zum anderen haben hohe Portzahlen höhere Kosten zur Folge. Industrial Outlets Die Schnittstelle zwischen strukturierter Gebäudeverkabelung nach ISO/IEC und der PROFI- NET-Anlagenverkabelung bildet das IndustrialOutlet InO. Es entspricht von der Funktion der Wandauslassdose in der Gebäudeverkabelung, trägt aber aufgrund seiner Ausführung in Schutzart IP 65 / IP 67 den Bedingungen der Industrieumgebung Rechnung. Quelle: PROFINET Technologie und Anwendung, November 2002 Richtlinie PROFINET-Übertragungstechnik und Verkabelung, November

10 Industrial Ethernet Gigabit Ethernet in der strukturierten Gebäudeverkabelung Die in der strukturierten Gebäudeverkabelung eingesetzte Ethernetverkabelung findet auch in der Industrieumgebung ein breites Anwendungsfeld. So werden bereits heute komplette Fertigungszellen sowie Maschinenanlagen mit Fast Ethernet an die bestehende Gebäudeverkabelung angeschlossen. Beim Wechsel von Feldbus- auf 100 Mbit Fast Ethernet Netzwerke wird dem Anwender bereits eine Vervielfältigung der Bandbreite zur Verfügung gestellt. Gigabit Ethernet verzehnfacht die mögliche Bandbreite im Vergleich zu Fast Ethernet nochmals. Die aktuellen Standards für die strukturierte Gebäudeverkabelung sind: ISO/IEC 11801:2002 (internationale Norm) EN :2002 (europäische Norm) DIN EN :2002 (deutsche Norm) TIA/EIA 568:2002 (nordamerikanische Norm) Gigabit Ethernet nutzt die strukturierte Verkabelung anders, als dies bei 10/100 Mbit/s Ethernet der Fall ist. Wichtigster Unterschied: Gigabit Ethernet nutzt alle vier Paare im Vollduplex- Betrieb, also gleichzeitig für Hin- und Rückleitung, um den Bandbreitenbedarf zur Übertragung pro Einzellitze möglichst gering zu halten. Verfahren zur Übertragung von Gigabit Ethernet auf zwei Paaren sind in Vorbereitung. Ein Wechsel der Installationen von 100 Mbit Fast Ethernet auf 1000 Mbit Gigabit Ethernet ist daher nicht notwendig. Allerdings müssen die physikalischen Komponenten, also die Kabel und Steckverbinder für die höhere Bandbreite ausgelegt werden. Aus diesem Grund werden heutzutage fast alle Gebäude mit Gigabit Ethernetverkabelung ausgestattet, obwohl die meisten an dieser Verkabelung angeschlossenen Geräte nur über einen 100 Mbit Fast Ethernet Protokollchip verfügen. Da aber der Bedarf an Bandbreite auch in Zukunft zunehmen wird, werden diese Verkabelungen als die zukunftssichersten genannt. Kupferkabel Gigabit Ethernetkabel für den Tertiärbereich (Horizontalverkabelung) einer strukturierten Verkabelung gemäß EN :2002 sind einzeln geschirmte, paarig verseilte Adern mit einem Litzendurchmesser von AWG 22 - AWG 24. Je nach Anforderung wird auch ein Gesamtschirm verwendet. Die paarige Verseilung mit zusätzlichem Einzelschirm soll gegenüber normalen Twisted Pair Kabeln in ungeschirmter Einzelleiterausführung nochmals eine verbesserte und saubere differenzielle Signalführung gewährleisten und Gleichtaktstörungen eliminieren. Man unterscheidet die Kabel nach: SF/UTP Screened Foiled / Unshielded Twisted Pair Kabel (siehe Bild 1) S/FTP Screened / Pair Foiled Twisted Pair Kabel (siehe Bild 2) 12 Zugriffsverfahren Neben der höheren Bandbreite hat Gigabit Ethernet den Vorteil, dass der Aufbau der Datenpakete und das Zugriffsverfahren identisch sind mit denen von Fast Ethernet und Ethernet, so dass praktisch keine Änderungen an Netzwerkbetriebssystemen und der Anwendungs- und Managementsoftware notwendig sind. Wie bei den bestehenden Ethernet Standards IEEE (10 Mbit/s) und IEEE 802.3u (100 Mbit/s) kommt beim Gigabit Ethernet das Kollisionsprotokoll Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) zum Einsatz. Topologien Da die für Gigabit Ethernet notwendigen Netzwerkbetriebssysteme identisch sind, werden die in der ISO IEC beschriebenen Netzwerktopologien übernommen. Bild 1: SF/UTP Kabel Bild 2: S/FTP Kabel Mit diesen dienstneutralen Kabeln können folgende Protokolle übertragen werden: Ethernet 10 BaseT Fast Ethernet 100 BaseT Gigabit Ethernet 1000 BaseT ATM 155 Mbit/s TP-PMD 125 Mbit/s Cable sharing (gleiche oder verschiedene Dienste) CDDI/TPDDI (FDDI auf Kupfer) Token Ring mit 4/16 Mbit/s Analoge Telefonie, ISDN Der zu übertragende Dienst ist abhängig von der Steckbelegung (siehe Übersicht).

11 Industrial Ethernet RJ 45 Steckerbelegungen der Netzwerkdienste: Ethernet 10/100 Token ring ATM Analog ISDN Telefon Gigabit Ethernet VoIP Ethernet 8poliger RJ 45-Steckverbinder Bild 3: Steckerbelegung Oftmals werden bei einer 100 Mbit Fast Ethernet Verkabelung die vier freien Kontakte zur zusätzlichen Stromübertragung für das Endgerät genutzt. Die eingesetzten Kabel und Stecker müssen den Anforderungen der ISO/ IEC 11801:2002 genügen. Man unterscheidet 2 Klassen der Verkabelung: Fast Ethernet mit 100 Mbit/s Gigabit Ethernet mit 1000 Mbit/s Fast Ethernet Klasse D Category MHz Stecker: RJ 45 ISO/IEC 11801: nd Edition Gigabit Ethernet Klasse E Category MHz Stecker: RJ 45 Dies bedeutet für eine Verbindungsstrecke mit Fast Ethernet: Kabel der Klasse D (100 MHz) werden zusammen mit einem Steckverbinder der Category 5 (100 MHz) eingesetzt. Steckverbinder Die bei Gigabit Ethernet zum Einsatz kommenden RJ 45 Steckverbinder müssen für die 4-paarigen Kabel mit 8 Kontakten ausgestattet sein. Diese müssen den hohen Anforderungen der Category 6 als Komponente entsprechen. So etwas ist nur durch ein perfektes Zusammenspiel der Einzelkomponenten des Steckverbinders (Kontakte und Isolierkörper) sowie durch das fachmännische Anschließen der entsprechenden Klasse E Kabel möglich. Die Kontaktbelegung ist dabei aufgrund der runden Kabelgeometrie und der damit verbundenen relativen Lage der Adern für die Kontaktpaare 1-2, 3-6 und 4-5, 7-8 gewählt. Zum Anschließen der Kabel wird eine Zange benötigt, die die Piercingkontakte durch den Außenmantel der Litze stößt und dadurch den elektrischen Kontakt hergestellt. Diese Zange muss speziell auf den Steckverbinder abgestimmt sein, da sonst eine sichere Kontaktierung nicht gewährleistet ist. Um den hohen Anforderungen an die Übertragungstrecke gerecht zu werden ist es außerdem notwendig, den Kabelschirm der paarig verseilten Einzellitzen so nah wie möglich an den Isolierkörper des Steckverbinders zu legen. Dadurch wird ein Übersprechen der Datensignale im Steckverbinder minimiert. Für eine Verbindungsstrecke mit Gigabit Ethernet: Kabel der Klasse E (250 MHz) werden zusammen mit einem Steckverbinder der Category 6 (250 MHz) eingesetzt. 13

12 Industrial Ethernet Netzwerkinstallation konform zu industriellen Ethernet-Standards Strukturierte Verkabelung nach ISO/IEC Industriegebäude Switch Etagenverteiler Switch IP 67 Maschinenverkabelung Industrial Outlet Systemverkabelungen 2-paarig PROFINET Machine Distributor (Switch) Wanddurchführung PROFINET Machine Distributor (Switch) In-between IP 20 RJ 45 IP 20 RJ 45 Schaltschrank Schaltschrank Schaltschrank IP 20 RJ 45 RJ Industrial Hybrid/Data 3A Industrial Outlet Systemverkabelungen 2-paarig RJ Industrial Push Pull M12 Maschinenverkabelung Switch Wanddurchführung In-between Switch Schaltschrank IP 20 RJ 45 M12 Industrial Outlet Systemverkabelungen 2-paarig Gateway Maschinenverkabelung Hub in IP 67 Wanddurchführung Schaltschrank IP 20 RJ M12 Keine HARTING-Produkte

13 Industrial Ethernet Glossar 10 Base T Standard zur Datenübertragung von 10 Mbit/s- Ethernet auf ungeschirmten Twisted Pair-Kabeln (Category 3, 4 oder 5). Jede Verbindung wird über 2 Adernpaare hergestellt, jeweils ein Adernpaar für Daten senden und ein weiteres für Daten empfangen. 10 Base FX Standard zur Datenübertragung von 10 Mbit/s-Ethernet auf Lichtwellenleiter-Kabeln. Jede Verbindung wird über 2 Fasern hergestellt, jeweils eine Faser für Daten senden und eine weitere für Daten empfangen. 100 Base TX Standard zur Datenübertragung von 100 Mbit/s- Ethernet auf Twisted Pair-Kabeln (Category 5). Jede Verbindung wird über 2 Adernpaare hergestellt, jeweils ein Adernpaar für Daten senden und ein weiteres für Daten empfangen. 100 Base FX Standard zur Datenübertragung von 100 Mbit/s- Ethernet auf Lichtwellenleiter-Kabeln. Jede Verbindung wird über 2 Fasern hergestellt, jeweils eine Faser für Daten senden und eine weitere für Daten empfangen. AWG (American Wire Gauge) Der AWG-Wert beschreibt ein Kabel in Bezug auf Drahtstärke und zulässige Dämpfung. In Abhängigkeit vom Kabelaufbau entspricht: AWG 22 einem Leiterquerschnitt von 0,33-0,38 mm² AWG 24 einem Leiterquerschnitt von 0,21-0,25 mm² AWG 26 einem Leiterquerschnitt von 0,13-0,15 mm² Broadcast-Telegramm Als Broadcast-Telegramm wird ein Rundruf an alle Netzteilnehmer definiert (Prinzip einer an alle). CSMA/CD Verfahren Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection Zugriffsverfahren bei Ethernet nach IEEE Vor dem Senden einer Nachricht prüft jeder Teilnehmer, ob das Übertragungsmedium frei ist (Carrier Sense). Danach beginnt er zu senden und kontrolliert gleichzeitig, ob weitere Teilnehmer (Multiple Access) ebenfalls begonnen haben Daten zu übertragen. Wenn 2 oder mehr Teilnehmer gleichzeitig senden, findet eine Kollision statt. Die Teilnehmer beenden ihre Datenübertragung (Collision Detection). Nach einer zufälligen Zeit wird der nächste Versuch bei freier Leitung gestartet. Beim CSMA/CD-Verfahren wird die Netzausdehnung durch eine maximal zulässige Laufzeit der Datensignale auf dem Netzwerk bestimmt, die von der Datenrate abhängig ist. Ethernet Bezeichnung für ein Datennetz, das seit 1985 von der IEEE standardisiert ist. Der Begriff Ethernet wird oft als allgemeine Bezeichnung genutzt, ohne dabei zwischen den unterschiedlichen Ausprägungen (Ethernet, Fast-Ethernet etc.) zu unterscheiden. Autonegotiation Ein im Fast-Ethernet definiertes Verfahren, mit dem die Teilnehmer vor der eigentlichen Datenübertragung einen gemeinsamen Übertragungsmodus vereinbaren (100 Mbit/s oder 10 Mbit/s, Full Duplex oder Half Duplex). Autocrossing (1:1 Kabel; Cross-over-Cable) Mit dieser Funktion, ist eine automatische Kreuzung der Sende- und Empfangsleitungen an Twisted Pair- Schnittstellen möglich. Teilnehmer z.b. Switches, die diese Funktion unterstützen, lassen sich untereinander über ein 1:1-verdrahtetes Kabel anstelle eines gekreuzten Kabels (Cross-over-Cable) verbinden. Fast Ethernet 1995 von der IEEE spezifiziertes schnelles Datennetz. Wichtige Parameter: Übertragungsgeschwindigkeit 100 Mbit/s, variable Paketlänge Byte (mit 4 Byte Tag-Feld optional). FEXT (Far End Cross Talk) Eine Form des Nebensprechens, bei dem sich Signale von Teilnehmern überlagern, die sich auf der gegenüberliegenden Seite einer verdrillten Zweidrahtleitung befinden. Full Duplex Eine Betriebsart, bei der ein Gerät gleichzeitig Daten senden und empfangen kann. 15

14 Industrial Ethernet Gigabit Ethernet 1999 von der IEEE spezifiziertes schnelles Datennetz. Wichtige Parameter: Übertragungsgeschwindigkeit 1000 Mbit/s, variable Paketlänge Byte. Multicast-Telegramm Das Multicast-Telegramm wird an eine Gruppe von definierten Empfängern gesendet. Diese Gruppe kann über eine Adresse erreicht werden (vgl. Broadcast-Telegramm). Halbduplex (Half Duplex) Eine Betriebsart, bei der ein Gerät zu einem Zeitpunkt entweder Daten senden oder empfangen kann. Bei Half Duplex ist die Kollisionserkennung im Ethernet aktiv. Die Netzausdehnung ist durch die Laufzeitverzögerungen der Geräte und Übertragungsmedien begrenzt. NEXT (Near End Cross Talk) Eine Form des Nebensprechens, bei dem sich Signale von Teilnehmern überlagern, die sich beide auf derselben Seite einer verdrillten Zweidrahtleitung befinden. Hub engl. = Mittelpunkt einer Sternverkabelung Mit einem Hub oft auch als Sternkoppler bezeichnet können mehrere Netzteilnehmer sternförmig miteinander verbunden werden. Dabei kann immer nur ein Datenpaket nach dem anderen den Hub passieren. Datenpakete, die auf einem Port empfangen werden, werden direkt auf allen anderen Ports wieder ausgegeben. Industrial Ethernet Bezeichnung für Ethernet in der Automatisierungstechnik. Aufgrund der industriellen Einsatzumgebungen müssen die Netzwerk-Komponenten erweiterte Temperaturbereiche und erhöhte Anforderungen in Bezug auf die Verfügbarkeit und die Sicherheit des Netzes erfüllen. Kollisionsdomäne Das CSMA/CD-Zugriffsverfahren beschränkt die Laufzeit eines Datenpaketes von einem Teilnehmer zum anderen. Abhängig von der Datenrate ergibt sich so ein räumlich begrenztes Netz, die sogenannte Kollisionsdomäne. Die maximale Ausdehnung einer Kollisionsdomäne beträgt 4250 m bei 10 Mbit/s (Ethernet) und 412 m bei 100 Mbit/s (Fast-Ethernet). Der Full Duplex-Betrieb einer Verbindung ermöglicht Ausdehnungen über diese Grenzwerte hinaus, da er Kollisionen ausschließt. Voraussetzung hierfür ist der Einsatz von Bridges bzw. Switches. POF (Polymere Optical Fiber ) Bezeichnung für einen Lichtwellenleiter, dessen optischer Kern und Mantel durch einen Kunststoff gebildet werden. POF Fasern haben einen typischen Kerndurchmesser von 0,98 mm. PROFINET Ein Netzwerk-Konzept, das die Kommunikation von der Feldebene zur Leitebene unter Einbeziehung von Profibus und Ethernet sowie einem Modell für das anlagenweite Engineering definiert. Siehe auch: Queue / Queuing Als Queue wird allgemein eine Warteschlange von Elementen oder Aufgaben bezeichnet. In einem Datenübertragungssystem ist eine Queue eine Warteschlange von Nachrichten oder Datenpaketen, die auf ihre Weiterverarbeitung oder Weiterleitung warten. Sie werden temporär sortiert und nacheinander unter Verwendung entsprechender Queuing- Verfahren abgearbeitet. Segmentierung / Netzsegmentierung Netzsegmentierung dient der Eingrenzung von Kollisionsdomänen und ermöglicht eine Performanceverbesserung von Ethernet Netzwerken. Die Netzsegmentierung wird z. B mit Hilfe von Switches erreicht. 16 LAN (Local Area Network) Bezeichnung für lokale Netzwerke mit einer Ausdehnung bis 10 km. Switched Network Bezeichnung für ein Ethernet-Netz, das mit Switches aufgebaut ist.