Industrielle Netzwerke : Was wird sich im Rennen zwischen Feldbussen und Ethernet durchsetzen?
Ein Magazin der WEKA Industrie Medien
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Die Entwicklung der vergangenen Jahre zeigt deutlich, dass Ethernet die Feldbusse, die die Industrie jahrzehntelang dominiert haben, immer mehr ablöst. Trotz dieses Wandels sind viele Feldbusnetzwerke an den weltweiten Industriestandorten nach wie vor in Betrieb und werden in bestimmten Fällen wieder vermehrt eingesetzt.
Der Trend wird sich zweifellos fortsetzen. Die Betriebseffizienz und die Produktivitätssteigerungen, die durch das Aufkommen des industriellen Internets der Dinge versprochen werden - angetrieben durch die Erfassung und strategische Nutzung von Unmengen von Echtzeitdaten - sind enorm. Zweifelsohne müssen sich die Unternehmen anpassen, um nicht ins Hintertreffen zu geraten. Und das bedeutet, die Geschwindigkeit, die Bandbreite, die Skalierbarkeit und die Flexibilität von Industrial Ethernet zu nutzen.
Ein Feldbus ist ein serielles Bussystem, das in Maschinen und Anlagen eingesetzt wird, um Sensoren und Aktoren (Motoren) untereinander und mit einem oder mehreren Mastern (Industrie-PCs, SPS) zu verbinden. Feldbusse ermöglichen den Datenaustausch zwischen verschiedenen Systemkomponenten über große Entfernungen und unter hoher externer Belastung. Sie arbeiten im Master-Slave-Betrieb: Während der Master für die Steuerung von Prozessen zuständig ist, bearbeitet der Slave einzelne Teilaufgaben.
Feldbusse unterscheiden sich in der von ihnen verwendeten "physikalischen Schicht", d.h. der Hardwareebene (z.B. CAN, RS485, Ethernet), und in der Protokollebene, die die Form der ausgetauschten Informationen definiert. Es gibt Feldbusse wie CANopen und DeviceNet, die das gleiche physikalische Medium (CAN) nutzen, aber mit unterschiedlichen Protokollen arbeiten. Ebenso gibt es Protokolle, die auf zwei verschiedenen Hardwaretypen implementiert werden können (z. B. Modbus auf RS232 und als Modbus/TCP auf Ethernet).
Die Hardware-Ebene bestimmt grundlegende Buseigenschaften wie Kabellängen und Übertragungskapazität. Die Protokollebene bestimmt, welche standardisierten Nachrichten und Funktionen zwischen Master und Slave zur Verfügung stehen.
Je nach Anwendungsfall hat jeder der etablierten Feldbusse seine Stärken und Schwächen. Die Auswahl eines bestimmten Feldbusses wird häufig durch die Verfügbarkeit der Komponenten für eine bestimmte Feldbusschnittstelle bestimmt.
Aufgrund seiner hohen Zuverlässigkeit, Leistung und Interoperabilität hat sich Ethernet als Kommunikationsprotokoll der Wahl für Automatisierungs- und Steuerungssysteme in der Industrie durchgesetzt. Um den Anforderungen der industriellen Umgebung gerecht zu werden, verwendet Industrial Ethernet im Wesentlichen spezielle Industrieprotokolle, die in das Ethernet-Protokoll eingekapselt sind, so dass sichergestellt ist, dass die richtigen Informationen zum richtigen Zeitpunkt und an der richtigen Stelle gesendet und empfangen werden, um einen bestimmten Vorgang durchzuführen. Schauen wir uns diese Protokolle an:
Ein weiterer großer Akteur (vor allem aufgrund der Einbettung in Siemens- und GE-Steuerungen) ist PROFINET, ein Anwendungsprotokoll, das von Siemens in Zusammenarbeit mit Mitgliedsunternehmen einer Profibus-Nutzerorganisation entwickelt wurde. Es erweitert im Wesentlichen die Kommunikation von Profibus-E/A-Steuerungen auf Ethernet unter Verwendung spezieller Schalter, die in die Geräte integriert sind.
Seit Jahrzehnten werden Feldbusse zur Kommunikation in der Automatisierungstechnik eingesetzt. Sie stoßen jedoch zunehmend an ihre Grenzen und können den Kommunikationsanforderungen moderner SmartFactories nicht mehr gerecht werden. Die Ablösung der Feldbusse durch Ethernet hat zu neuen Herausforderungen geführt, nicht zuletzt in der Installationstechnik. Während das bekannteste Beispiel, PROFIBUS, mit einem Adernpaar im Buskabel auskam, benötigt PROFINET für 100 Mbit/s Ethernet zwei Adernpaare. In einigen Anwendungen wird in Fabriken bereits Gigabit-Ethernet eingesetzt, was vier Adernpaare erfordert. Das Problem ist klar.
Im Vergleich zu Feldbussen hat sich der Installationsaufwand vor Ort erhöht und die Gefahr von Installationsfehlern ist gestiegen. So konnte sich Ethernet auf der untersten Feldebene bis hin zu den einzelnen Sensoren und Aktoren nicht durchsetzen. Stattdessen haben sich Speziallösungen mit schneller und einfacher Installation durchgesetzt. Um diese mit dem übergeordneten Ethernet zu verbinden, sind jedoch zusätzliche Übersetzer oder Gateways erforderlich. Eine durchgängige Ethernet-Installation mit reduziertem Installationsaufwand wäre hier deutlich vorteilhafter.
Single-Pair-Ethernet (SPE) ist die Technologie der Zukunft. Sie ermöglicht eine kontinuierliche Echtzeit-Datenübertragung bis in die Feldebene. Allerdings mangelt es noch an der Durchgängigkeit der Steckerstandards. Einheitliche Übertragungsstandards sind dringend notwendig, um die neue IIOT-Technologie schnell in die Fabriken zu bringen.
Single-Pair-Ethernet ermöglicht die Ethernet-basierte Kommunikation über ein einziges Adernpaar. Durch die Reduktion auf nur zwei Adern ist die Technologie für industrielle Automatisierungsanwendungen sehr interessant. Steckverbinder werden überwiegend im Feld, also vor Ort in der Anlage, installiert. Hier können Installationsaufwand und Installationsfehler erheblich reduziert werden. Außerdem benötigt die Verkabelung weniger Platz und kann die Komponentenkosten senken. Die Standardisierung ist ein wichtiger Faktor für die breite Marktdurchdringung neuer Kommunikationssysteme. Single-Pair-Ethernet wird durch mehrere internationale Normen abgedeckt.
