Industrial Ethernet – Echtzeit Ethernet unter widrigsten Umständen

Der Begriff Ethernet ist bestimmt allen Lesern bekannt, die sich schon einmal genauer mit der Vernetzung der eigenen Rechner in einem Heimnetz beschäftigt haben. Immer häufiger stolpert man jedoch im Zusammenhang mit industriellen Anlagen über den Begriff des Industrial Ethernet. Was es damit genau auf sich hat, wollen wir Ihnen in diesem Beitrag erläutern.

Ethernet Switch

©Tim Reckmann / pixelio.de

Industrial Ethernet – eine neue Generation von Feldbussystemen

Bei Industrial Ethernet handelt es sich um eine neue Generation von Feldbussystemen, die versuchen den weit verbreiteten Ethernet-Standard, für die Kommunikation von Geräten in der industriellen Fertigung, nutzbar zu machen. Um die Jahrtausendwende schlossen sich dazu über 100 Unternehmen und Interessenverbände zusammen, um zu überlegen, in wie weit das bekannte Ethernet nach IEEE 802.3 als Grundlage für ein echtzeitfähiges Kommunikationsprotokoll in der industriellen Automatisierung genutzt werden kann. Ziel sollte es dabei sein, ein einziges Rechnernetz von der Leitebene bis hin zur Kommunikation der Aktoren und Sensoren in den industriellen Produktionsanlagen der Fertigung zu verwenden. Diesen Trend bezeichnet man deshalb auch als vertikale Integration der Automatisierungstechnik.

Datenkollisionen verhindern Echtzeitfähigkeit

Das Hauptproblem des herkömmlichen Ethernet besteht darin, dass es nicht den Echtzeitanforderungen der heutigen Automatisierungstechnik genügt. Unter einer Echtzeitanforderung wird verstanden, dass die informationsverarbeitenden Systeme bestimmte Ergebnisse zuverlässig innerhalb einer bestimmten Zeitspanne zur Verfügung stellen müssen. Das kann beim herkömmlichen Ethernet-Standard nicht gewährleistet werden, da es hier zu sogenannten Datenkollisionen kommen kann. Dies bedeutet, dass zwei im Netzwerk miteinander verbundene Rechner versuchen, gleichzeitig zu senden. So kommt es zu einer Überlagerung der gesendeten Nachrichten, womit diese für die Empfänger nicht mehr fehlerfrei zu entziffern sind. Im Ethernet Standard kommt deshalb Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CD) zum Einsatz. Bei diesem Verfahren überwachen die angeschlossenen Rechner dauerhaft das Übertragungsmedium und senden ein Jamming Signal, sobald es zu einer Datenkollision kommt. Das Jamming Signal wird von den Rechnern als Fehlermeldung erkannt und ein erneutes Senden beginnt erst nach einer zufälligen Zeitspanne. Somit wird also eine fehlerfreie Übertragung ermöglicht, eine Echtzeitfähigkeit ist jedoch aufgrund der auftretenden Wartezeit bei Datenkollisionen nicht mehr gegeben.

Um dennoch eine Echtzeitfähigkeit zu erreichen, werden nun verschiedene Verfahren angewendet um Datenkollisionen zu verhindern, ohne eine Wartezeit zu benötigen. Eines dieser Verfahren vergibt z.B. sogenannte Tokens („Gutscheine“) an die Rechner, womit nur jeweils dem Rechner, der im Besitz des Tokens ist, ein Sendevorgang erlaubt wird. Durch die verschiedenartigen Verfahren haben sich verschiedene Umsetzungen von echtzeitfähigem Ethernet ergeben. Dazu gehören u.a. EtherNet/IP, Profinet oder EtherCAT.

Ethernet unter widrigsten Umständen

Neben der Echtzeitfähigkeit zeichnen sich Industrial Ethernet Systeme auch durch angepasste Komponenten aus. Dies liegt vor allem daran, dass das Haupteinsatzgebiet von Industrial Ethernet eben nicht die aufgeräumte und saubere Büroumgebung ist, sondern meistens die Produktion mit all ihren Widrigkeiten. So sind die Industrial Ethernet Komponenten dauerhaften Erschütterungen, Staub, Spritzwasser und erhöhten Temperaturen ausgesetzt. Deshalb kommen hier auch speziell an die industriellen Umgebungsbedingungen angepasste Steckertypen, Switches und Hubs zum Einsatz, die außerdem eine erhöhte Störsicherheit gegenüber elektromagnetischen Strahlen aufweisen und mit besonderen Vorkehrungen zur Ausfallsicherheit aufwarten können. So werden Netzwerkverbindungen in der industriellen Fertigung meist auch als Ring ausgeführt. Das bedeutet, dass das Buskabel von Maschine zu Maschine durchgeschleift wird. So kann im Störfall schnell eine Eingrenzung auf einen Switch stattfinden und das Netzwerk ist dennoch in der Lage weiterzuarbeiten.

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