Ethernet in der Automatisierung

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1 Ethernet in der Automatisierung Anforderungen an die Ethernet-Technik im industriellen Umfeld Gerhard Kafka arbeitet als freier Fachjournalist für Telekommunikation in Egling bei München Die Netztechnik Ethernet hat im lokalen Unternehmensbereich die Alleinherrschaft übernommen. Arcnet, ATM, FDDI und Token Ring hatten keine Überlebenschance. Mit Carrier Ethernet hat die Technik zwischenzeitlich ihren festen Platz in den öffentlichen Netzen gefunden und ist nun dabei, die in diesem Bereich etablierten Techniken ATM und SDH abzulösen. Jetzt hat Ethernet in einer speziellen Echtzeitvariante auch Fuß in der Automatisierungstechnik gefasst. Die Idee zu Ethernet datiert zurück auf das Jahr 1973, als Robert Metcalf mit seinen Kollegen am Xerox PARC unter dem Namen Alto Aloha Network das erste Computernetz entwarf. Bereits ab 1973 bezeichnete Metcalf die zugrunde liegende Technik als Ethernet und entwickelt diese in den folgenden Jahren kontinuierlich weiter, bis sie von Xerox 1975 schließlich zum Patent angemeldet wurde. Das United States Patent 4,063,220 wurde am 13. Dezember 1977 zugeteilt. Metcalf gründete 1979 die Firma 3COM mit dem Fokus auf PCs und lokale Netze. Mit Unterstützung durch die Firmen Digital, Intel und Xerox (DIX) wurden 1980 die Spezifikationen in einem Blaubuch veröffentlicht. Danach übernahm das IEEE die Aufgabe der Standardisierung, die im Komitee auch heute noch aktiv ist. Die dort erarbeiteten Standards bilden auch die Basis für den industriellen Einsatz. Bild 1: Basis für den industriellen Einsatz von Ethernet sind die aktuellen IEEE-Ethernet-Standards (Quelle: Hirschmann Automation and Control GmbH) Industrial Ethernet Seite 1

2 CIM als Treiber industrieller Vernetzung Schon Anfang der 1980-er Jahre wurden revolutionäre Automatisierungskonzepte diskutiert, die mittels Computer Integrated Manufacturing (CIM) eine kostengünstige Fertigung anstrebten. Permanente Kommunikation auch in den höheren Automatisierungsebenen mit größeren Datenmengen, zwischen den Programmable Logic Controllern (PLC) und mit Prozessrechnern, war unabdingbar. Ein wesentlicher Treiber dieser Aktivitäten war die Automobilindustrie. Dafür wurde z.b. die Sonderlösung MAP (Manufacturer Automation Protocol) entwickelt. Bild 2: Der Einsatz von Ethernet im industriellen Umfeld. Industrielle Netze lassen sich in drei Kommunikationsebenen strukturieren: die Leit-, Steuer- und Aktuator-/Sensorebene (Quelle: Metz Connect) Anfang der 1980-er Jahre entstanden in der Automatisierungstechnik proprietäre intelligente Feldgeräte, mit denen Daten ausgetauscht wurden. Um dieser Interoperabilität zu begegnen, wurde zu Beginn der 1980-er Jahre im ZVEI eine Arbeitsgruppe, u.a. mit Vertretern von Siemens, Bosch und Klöckner-Möller gegründet, die sich mit der Feldbustechnik beschäftigte einigte man sich auf den offenen Feldbusstandard Profibus (Process Field Bus) wurde von der Profibus Nutzerorganisation (PNO) seit 2006 Profibus & Profinet International (PI) der Standard Profinet CBA (Component Based Automation) veröffentlicht, dem 2004 der Standard Profinet IO mit seinem Echtzeitkommunikationsprofil Isochronous Real Time (IRT) folgte. Erst damit konnte sich Industrial Ethernet die Vernetzungsebene der Feldgeräte erschließen und zur Massentechnik für die Automatisierung etablieren. Dieser Erfolg Industrial Ethernet Seite 2

3 beruht auf zwei Aspekten: günstigere Preise durch Verwendung existierender Ethernet-Komponenten und die Entwicklung von Spezialbausteinen, die Netzanschaltung und Switching- Funktionalität vereinten. Wesentlich für den Durchbruch von Profinet war zudem die Standardisierungsarbeit der PI auf dem Gebiet der Kommunikationsprofile wie PROFIdrive und PROFIsafe. Profinet basiert auf Standard-Ethernet-Spezifikationen, so dass u.a. Dienste wie z.b. SNMP, HTTP, TCP, UDP, IP und LLDP darüber abgewickelt werden können. Anforderungen und Standards für Industrial Ethernet Die fehlende Echtzeitfähigkeit von Ethernet galt als größter Nachteil im industriellen Umfeld. Die Laufzeiten der Daten im Netz waren nicht präzise vorhersagbar. Insbesondere sorgten im Halbduplexbetrieb die unvermeidlichen Kollisionen für eine schlechte Netzleistung ein Alptraum für industrielle Netze. Doch schon vor 25 Jahren begann ein beispielloser Siegeszug der Ethernet-Technik, den damals wegen der Unzulänglichkeit hinsichtlich Deterministik keiner für möglich gehalten hätte. Die Schwierigkeiten begründeten sich hauptsächlich durch folgende fehlende Eigenschaften des Büro-Ethernets: Bereitstellung von Echtzeitantworten, die für industrielle IO-Anwendungen gefordert werden; Eignung für hochpräzise deterministische Aktionen, wie sie für eine exakte Bewegungskontrolle benötigt werden; Robustheit gegenüber den physikalischen Konditionen im Fertigungsbereich, wie z.b. Staub, Hitze, Feuchtigkeit und korrosive Umgebung sowie elektromagnetische Strahlung. Ferner müssen noch die folgenden Anforderungen in der Industrieautomatisierung erfüllt werden: hohe Verfügbarkeit, schnelle Reaktionszeiten, effiziente Netz- und Gerätediagnose, projektierbarer Zugangsschutz, sicherheitsgerichtete Anwendungen, Integration bestehender Anlagen, industriegerechte Installation und ein anlagenweites Engineering. Mit Industrial Ethernet, der auf den Spezifikationen der IEEE basierenden Kommunikationstechnik für flexible und leistungsfähige Automatisierungsnetze werden nun sämtliche Anforderungen erfüllt. Industrial Ethernet kennt zwei verschiedene Typen: (1) Non- oder Soft-Real-Time (RT bzw. SRT) für den primären Einsatz in Informationsprozessen. Dafür werden Standardkomponenten eingesetzt. Die Reaktionszeiten liegen hier typisch bei 10 ms (zum Vergleich: TCP/IP benötigt 100 ms). Die Leistungsklasse ist vergleichbar mit heutigen Feldbussystemen wie z.b. Profibus. Industrial Ethernet Seite 3

4 (2) Isochronous Real-Time (IRT), das deterministische Steuernachrichten für die hochleistungsfähigen Einrichtungen im Fabrikbereich offeriert. Die Datenübertragung erfolgt taktsynchron und die Reaktionszeiten liegen hier zwischen 0,25 und 1 ms. Protokoll Echtzeit FPGA typische Reaktionszeit EtherNet/IP SRT Standard-MAC und > 10 ms Profinet IO SRT Standard-MAC und > 10 ms Modbus/TCP SRT Standard-MAC und > 10 ms Ethernet Powerlink IRT Standard-MAC mit spezifischem Protokoll zur < 500 μs Paketverarbeitung auf NIOS Sercos III IRT busspezifisches IP 31, μs EtherCAT IRT busspezifisches IP < 50 μs Profinet IRT IRT IT-Standard-MAC und < 1ms Tabelle: Diese sieben Protokolle für Industrial Ethernet sind als offene Standards anerkannt (FPGA Field-Programmable Gate Array, NIOS Embedded Prozessor von Altera) Rund 20 Protokolle für Industrial Ethernet wurden von verschiedenen Herstellern entwickelt bzw. vorgestellt. Praktisch betrachtet sind davon sieben als offene Standards anerkannt: EtherNet/IP, Profinet IO und Modbus TCP sind aktuelle SRT Lösungen. Ethernet Powerlink (EPL), Sercos III, EtherCAT und Profinet IRT sind für den Einsatz in IRT- Anwendungen wie Bewegungssteuerungen geeignet. EtherNet/IP EtherNet/IP (Industrial Protocol) wird von der Open Device Vendors Association (ODVA) getrieben und basiert auf dem Common Industrial Protocol (CIP), das von Allen-Bradley (jetzt zu Rockwell Automation gehörend) für seine Controller genutzt wurde. Die CIP-Telegramme werden als Nutzdaten in TCP/IP- Paketen übertragen. Deshalb ist dieses Verfahren praktisch nur für zeitunkritische Nachrichten einsetzbar. Für die Echtzeitkommunikation nutzt EtherNet/IP UDP. Eine Erweiterung mit einer Zeitsynchronisation nach IEEE 1588 wird künftig auch Anwendungen im Motion-Control-Bereich ermöglichen. Profinet Die Kommunikation bei Profinet beinhaltet unterschiedliche Leistungsstufen: Die nicht zeitkritische Übertragung von Parametern, Konfigurationsdaten und Verschaltungsinformationen erfolgt über den Standardkanal auf Basis von TCP/IP bzw. UDP. Damit sind die Voraussetzungen für die Anbindung der Automatisierungsebene zu anderen firmeninternen Netzen (MES, ERP) geschaffen. Industrial Ethernet Seite 4

5 Für die Übertragung von zeitkritischen Prozessdaten steht die Real-Time-Funktionalität (RT) zur Verfügung. Die Echtzeittelegramme werden dabei direkt von Layer 2 zur Applikationsschnittstelle hochgeleitet. Zusätzlich erhalten die RT-Telegramme eine hohe Prioritätsstufe, so dass sie in den Switchen bevorzugt weitergeleitet werden. Für die Echtzeitkommunikation steht IRT zur Verfügung. Dabei werden die Switche und Teilnehmer zyklisch synchronisiert. Die koexistente Nutzung der Echtzeit- und der TCP/IP-basierten Kommunikation erlaubt es so, etablierte Standard-IT-Dienste genauso zu nutzen wie eine auf Schnelligkeit optimierte Kommunikation. Standard-Ethernet-Geräte können bei Profinet an jeden freien Port ohne Einschränkungen angeschlossen werden und von dort aus ohne Einschränkungen kommunizieren. Modbus/TCP Dieser Lösungsansatz wird von der Modbus-IDA User Organisation vorangetrieben und konzentriert sich auf allgemeine Steuerungsapplikationen. Das ursprüngliche Modbus-Protokoll wurde von Modicon für Feldbusanwendungen genutzt. Modbus TCP übernimmt dieses Protokoll und verpackt es einfach in TCP/IP- Pakete. Mit dieser sehr einfachen Lösung mit Master/Slave- Struktur lassen sich bei niedriger Netzlast innerhalb eines Netzsegmentes Zykluszeiten von kleiner 100 ms realisieren. Ethernet Powerlink (EPL) EPL setzt komplett auf Standard-Ethernet-Komponenten. Dieses Bussystem wurde von der Firma B&R entwickelt und wird von der Ethernet Powerlink Standardization Group (EPSG) unterstützt. Zur Vermeidung von Kollisionen und zur optimalen Ausnutzung der vorhandenen Bandbreite wird der Datenaustausch bei EPL zwischen den Geräten zeitlich organisiert. Ein Gerät im EPL-Verbund übernimmt hierbei die Funktion des Managing Node, der die Kommunikation steuert, den Zeittakt zur Synchronisierung aller Teilnehmer vorgibt sowie den einzelnen Geräten das Senderecht zuteilt. Der gesamte Zyklus ist dabei in zwei Zeitscheiben aufgeteilt: In der ersten werden die zeitkritischen zyklischen Daten ausgetauscht und in der zweiten können die Teilnehmer nach Aufforderung durch den Managing Node azyklisch Daten austauschen. Sercos III Sercos III ist ein offener und IEC-konformer Universalbus für die Ethernet-basierte Echtzeitkommunikation und wird von der Organisation Sercos International mit über 80 Mitgliedern betreut. Er stellt durch neue Kommunikations- und Geräteprofile innovative Kommunikationsfunktionen, wie beispielsweise direkter Querverkehr und Hot-Plugging bereit. Eine höhere Maschinenverfügbarkeit wird zudem durch eine Hardwareredundanz erzielt. Industrial Ethernet Seite 5

6 EtherCAT Das von der EtherCAT Technology Group propagierte Protokoll erreicht einen optimierten Datendurchsatz indem die Daten aller Teilnehmer eines Segments in einem einzigen Telegramm zusammengefasst und ähnlich wie beim Feldbussystem Interbus seriell durch die Teilnehmer geschoben werden. Dabei kann jeder Teilnehmer die Daten, die er benötigt, sofort entnehmen und eigene Werte einfügen. Die Uhrzeitsynchronisation über IEEE 1588 wird unterstützt und damit eine Zykluszeit von 100 µs. Es ist das zurzeit schnellste System am Markt. Ausblick Industrial Ethernet wird nun seit über 25 Jahren in der Automatisierung eingesetzt, länger als jede andere Vernetzungstechnik. Betrachtet man die heute installierte Basis von unterschiedlichen Netzknoten, so liegt der Profibus gegenüber Profinet noch um den Faktor 15 voraus. Voraussetzung für den Erfolg und die Akzeptanz von Ethernetbasierten Vernetzungslösungen sind deshalb die Verfügbarkeit von applikationsorientierten Lösungen, die sichere, leistungsfähige Automatisierungsnetze ermöglichen sowohl drahtgebunden als auch drahtlos. Die enormen Wachstumsraten der letzten Jahre sind dafür ein deutliches Anzeichen. Deshalb ist von Industrial Ethernet noch eine Menge zu erwarten, und die Zukunft bleibt spannend. Industrial Ethernet Seite 6