Ethernet bezeichnet ein kabelgebundenes Datenübertragungsverfahren aus Hard- und Softwarekomponenten. Als Industrial Ethernet werden alle Bemühungen bezeichnet, den Ethernet-Standard für die Vernetzung von Geräten in der Automatisierungstechnik und Industrie 4.0 zu nutzen. Für die diesbezüglichen Bestrebungen gilt die internationale Normenreihe IEE 802.xx Man spricht in diesem Kontext auch von Echtzeit-Ethernet.
Bei Ethernet beziehungsweise Industrial Ethernet handelt es sich um ein Verfahren, das den Austausch von Daten zwischen an ein kabelgebundenes Netzwerk angeschlossenen Geräten ermöglicht. Der Austausch erfolgt in Form sogenannter Datenpakete. Das Verfahren Ethernet beschreibt sowohl die Hard- als auch die Software für lokale Datennetze und wird aus diesem Grund auch LAN-Technik genannt.
Industrial Ethernet – als Weiterentwicklung des herkömmlichen Ethernets – hat zum Ziel, diese Möglichkeiten auf Geräte auszuweiten, die der industriellen Fertigung und Kontrolle von Produktionsprozessen dienen. Das Echtzeit-Ethernet integriert die Steuerungs- und Kontrollgeräte in das vorhandene LAN-Netzwerk.
Die moderne Ethernet-Technologie umfasst ein sogenanntes "Medium", das aus einer verdrillten Zweidrahtleitung oder aber einer Glasfaser-Verkabelung besteht. Das Medium verbindet die Ethernet-Geräte und stellt einen Datenpfad bereit. Das sogenannte "Segment" bezeichnet ein Medium, das von mehreren Geräten geteilt wird. Eine Gruppe von Geräten, die mit dem Segment verbunden sind, nennt man "Node".
Standard-Ethernet überträgt Daten mit einer Geschwindigkeit von zehn bis 100 MBit/s. Sogenanntes Gigabit-Ethernet (nach Standard IEEE 802.3 des Institute of Electrical and Electronics Engineers) erreicht dagegen Geschwindigkeiten von einem GBit/s. Typischerweise eingesetzt wurde Gigabit-Ethernet zunächst für Backbone-Netzwerk-Transporte sowie für hochleistungsfähige Server. Heute unterstützt Gigabit-Ethernet aber auch PCs und Desktop-Verbindungen. Achtung: Ethernet darf nicht mit Wi-Fi verwechselt werden, denn anders als dieses nutzt es Kabel für die Verbindung von Geräten. Wenn also die Rede von einem Netzwerk oder einer LAN-Verbindung ist, ist fast immer Ethernet gemeint.
Industrielle Kommunikationsnetzwerke können in drei Kommunikationsebenen – Leit-, Steuer- und Sensorebene – aufgeteilt werden. Das Ziel von Industrial Ethernet ist es, ein einheitliches Kommunikationssystem zwischen diesen Systemen bereitzustellen und so Echtzeit-Kommunikation zu ermöglichen. Verluste durch System-und Übertragungsfehler lassen sich so vermeiden.
Für den Produktionssektor spielen sowohl das in den 1970er Jahren entwickelte Ethernet als auch das jüngere Industrial Ethernet wie beispielsweise Profinet eine wichtige Rolle. Beide Verfahren ähneln einander, haben aber auch unterschiedliche Merkmale und Vorteile.
Ethernet war ursprünglich für lokale Datennetze (LAN) gedacht und ermöglicht den Zusammenschluss von mehreren Computern, Geräten und Maschinen über ein Netzwerk. Nur dank Ethernet können Computer und Geräte miteinander kommunizieren. Die Idee von Industrial Ethernet ist eine Weiterentwicklung des Ethernets, an der seit mehr als zehn Jahren intensiv geforscht wird.
Ziel war es, Ethernet in Verbindung mit TCP/IP-Protokollen zu nutzen, um ein einheitliches Echtzeitprotokoll für die Kommunikation von Automatisierungsprozessen zu erstellen. Aufgrund seiner Kollisionsanfälligkeit war das ursprüngliche Ethernet mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von bis zu zehn Mbit/s für diese Zwecke nicht geeignet. Durch den Einsatz von Switches, die Priorisierung von Nachrichten und die Full-Duplex-Übertragung konnte zunächst das sogenannte "Fast Ethernet" entwickelt und Nachrichten kollisionsfrei übermittelt werden. Die Geschwindigkeit beträgt dabei 100 Mbit/s.
Während Ethernet also für die Nutzung auf der Basisebene ausgelegt ist und eher in Büroumgebungen zum Einsatz kommt, eignet sich Industrial Ethernet für mehrere Ebenen und damit für Umgebungen mit hohen Anforderungen. Wie Feldbus-Systeme auch kann Industrial Ethernet die Anforderungen in Fabrikumgebungen eher erfüllen, Störungen besser handhaben und ist daher für den Einsatz in rauen Umgebungen besonders geeignet. Hinzu kommt, dass Industrial Ethernet im Falle einer Datenkollision innerhalb der Fabrikhalle besser reagiert.
Industrial Ethernet orientiert sich an den internationalen Verkabelungsstandards. Die circa 20 Protokolle, die für Industrial Ethernet existieren, orientieren sich an dem Standard IEEE 802.3. Die herkömmlichen Feldbus-Protokolle werden dabei mittels Tunneling oder Encapsulation über Ethernet übermittelt. Die großen Vorteile des Industrial Ethernet liegen in der einfachen Portierbarkeit, der Durchgängigkeit der Kommunikationssysteme und in der direkten Übernahme der Anwendungsschicht des Feldbus.
Die Ethernet-Kommunikation basiert immer auf Protokollen, die zur sogenannten "Internet Protocol Suite" gehören. In der Regel bezeichnet man diese Protokoll-Familie in Anlehnung an ihre bekanntesten Protokolle Transmission Control Protocol (TCP) und Internet Protokoll (IP) als TCP/IP. Dieselben Protokolle bilden auch die Basis für die Netzkommunikation im Internet. So bestimmt das Protokoll die Adresse, mittels derer das Netzwerk das Datenpaket vom Sender zum Empfänger übermittelt. Auch ohne direkte Verbindung kann das Protokoll die Übertragung von Paketen innerhalb des Netzwerks in die Wege leiten. Besteht das Datenpaket aus Datagrammen, lassen sich diese sogar teilen und wieder zusammensetzen. Außerdem kann man Datenverbindungen mit unterschiedlichen maximalen Übertragungseinheiten verwenden.
Für industrielle Anwendungen und in der Automatisierungstechnik kommt das CIP-Protokoll zum Einsatz, das eine zyklische und zeitkritische Datenübermittlung ermöglicht. Dank der untereinander interoperablen CIP-Netzwerke ist es zum Beispiel möglich, dass ein DeviceNet mit einem EtherNet/IP arbeiten kann.
Industrial Ethernet punktet mit genau dem Determinismus, den industrielle Kontexte benötigen. Doch was ist hier mit Determinismus gemeint? Es handelt sich um ein wichtiges Kriterium bei der Unterscheidung von Industrial-Ethernet-Systemen zu Standard-Ethernet. Meist ergibt sich die Auswahl einer Ethernet-Lösung beziehungsweise eines Ethernet-Protokolls aus der Art der Steuerung einer Anlage oder Maschine. Dies vereinfacht die Integration in das jeweilige Steuerungssystem.
So ist Standard-Ethernet nicht deterministisch, in Industrieumgebungen jedoch muss das Netzwerk Datenpakete zu bestimmten Zeiten senden und empfangen und jede Überlieferung von Daten zwischen Geräten und Industrieumfeld garantieren können. Der Grund: Ein Datenverlust oder eine Verzögerung beim Austausch der Daten kann schwerwiegende Folgen – zum Beispiel eine Schwachstelle im Produktionsprozess, oder etwa ein zu spätes Bemerken von defekten Industrieersatzteilen – zur Folge haben.
Für Unternehmen spielt die Datenübertragung in Echtzeit daher häufig eine wichtige Rolle bei der Auswahl der passenden Ethernet-Lösung. Schließlich muss diese den unternehmensspezifischen Anforderungen Rechnung tragen.
Weitere Überlegungen dazu, welche Ethernet-Produkte für den jeweiligen Einsatzzweck geeignet ist, sind in Produktionsanlagen und Werkshallen folgende:
Um den jeweiligen Bedingungen vor Ort standhalten zu können, sind die unterschiedlichen Industrial-Ethernet-Lösungen mit einem oder mehreren der folgenden Features ausgestattet:
In welchen Bereichen braucht es Industrial Ethernet und in welchen nicht? Üblicherweise werden industrielle Kommunikationsnetzwerke in Leit-, Steuer- und Sensorebene eingeteilt. Der Kommunikationsbedarf zwischen den angeschlossenen Geräten unterscheidet sich von je nach Ebene und Einsatzbereich. So findet man die Leitebene meist nur in großen, standardisierten und hochautomatisierten Anlagen, zum Beispiel im Fahrzeugbau oder der Prozesstechnik. Hier herrscht in der Regel ein nicht allzu zeitkritischer Kommunikationsbedarf zwischen den Automatisierungssystemen und man nutzt Standard-Ethernet in Kombination mit verschiedenen IT-Protokollen.
Die Steuer- und Sensorebene dagegen sind in allen automatisierten Anwendungen zu finden. Hier spielen die Echtzeiteigenschaften des jeweiligen Kommunikationssystems eine zunehmend wichtigere Rolle.
Industrial Ethernet kommt dort zum Einsatz, wo normale Netzwerkverfahren an ihre Grenzen stoßen. Es wird also beispielsweise in Umgebungen eingesetzt, in denen extremen Temperaturen herrschen. So sind die wenigsten elektronischen Geräte bei Temperaturen unter -10 und über 50 Grad Celsius funktionstüchtig.
Die Vorteile des industriellen Ethernets gegenüber Feldbussen in der Zusammenfassung:
Die Ethernet-Technik ermöglicht die Verbindung und Kommunikation von Computern, Geräten und Maschinen über ein Netzwerk. Industrial Ethernet ist eine Weiterentwicklung dieses ursprünglichen Ethernets, die im Industriebereich zur Anwendung kommt und einen besseren Determinismus sowie häufig auch robustere Steckverbinder und Kabel verlangt.
Industrial Ethernet ist Nachfolger der klassischen Feldbusse und nutzt spezielle Protokolle, um einen besseren Determinismus zu erreichen. Spezielle Protokolle für Industrial Ethernet sind zum Beispiel Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP, Ethercat, CC Link IE, Powerlink und Sercos III. Industrielles Ethernet erreicht Datenübertragungsgeschwindigkeiten von 10 MBit/s bis 1 GBit/s. Dabei stellt 100 MBit/s die weit verbreitetste Geschwindigkeit in Industrial-Ethernet-Netzwerken dar.
Inzwischen ist Industrial Ethernet eine häufig angewandte, aber immer noch junge Technologie, die ständig weiterentwickelt wird. Intensiv beforschte Themen sind nach wie vor die Verbesserung der Performance und Taktsynchronität sowie die Integration von Sicherheitsprotokollen und das Energiemanagement.
