Definition Industrielle Kommunikation Was ist eigentlich Industrial Ethernet?

Der Schlüssel zu einer intelligenten und nachhaltigen Fertigung ist eine robuste industrielle Vernetzung. Industrial Ethernet setzt sich hierbei immer mehr durch. Wir erklären, was Industrial Ethernet ist und was die Vorteile sind.

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Industrial-Ethernet-Protokolle stellen das richtige Senden und Empfangen von spezifischen Produktionsdaten zum richtigen Zeitpunkt für eine bestimmte Operation sicher.
Industrial-Ethernet-Protokolle stellen das richtige Senden und Empfangen von spezifischen Produktionsdaten zum richtigen Zeitpunkt für eine bestimmte Operation sicher.
(Bild: ©profit_image - stock.adobe.com)

Ethernet ermöglicht es, Daten zwischen allen Geräten, die einem lokalen Netz angeschlossen sind, in Form von sogenannten Datenpaketen austauschen. Es ist ein Verfahren, dass Hardware und Software für kabelgebundene Datennetze beschreibt. Ursprünglich für lokale Datennetze (LAN) gedacht, wurde das Ethernet in den 1970er Jahren entwickelt. Für die industrielle Fertigung erfolgte dann die Weiterentwicklung vor mehr als zehn Jahren: Das Industrial Ethernet, auch Echtzeit-Ethernet genannt, begann seinen Siegeszug. Die Idee war es, Ethernet in Verbindung mit TCP/IP-Protokollen zu nutzen und so ein einheitliches Echtzeitprotokoll zu entwickeln, das für die Kommunikation von Automatisierungsprozessen genutzt werden kann. Industrial Ethernet integriert im Allgemeinen Geräte zur Steuerung und Kontrolle von Produktionsprozessen in meist bereits vorhandene LAN-Netzwerke der Mitarbeiter-PCs. Es stellt das richtige Senden und Empfangen von spezifischen Produktionsdaten zum exakt erforderlichen Zeitpunkt für eine bestimmte Operation sicher.

Was ist Industrial Ethernet?

Industrial Ethernet gilt als Nachfolger der klassischen Feldbusse. Es ist der Oberbegriff für alle Bestrebungen, den Ethernet-Standard für die Vernetzung von Geräten, die in der industriellen Fertigung eingesetzt werden, nutzbar zu machen. Für einen besseren Determinismus setzt Industrial Ethernet spezielle Ethernet-Protokolle ein und ermöglicht Datenübertragungsraten von 10 Mbit/s bis 1 Gbit/s, wobei 100 Mbit/s die gängigste Geschwindigkeit in Industrial-Ethernet-Netzwerken ist.

Das Ziel von Industrial Ethernet

Industrial Ethernet etabliert ein basisorientiertes und einheitliches Kommunikationssystem zwischen der Leitebene, der Steuerebene und der Sensorebene. Zudem ermöglicht es die Kommunikation in Echtzeit. Dadurch können Verluste durch System- und Übertragungsfehler vermieden werden. Wichtig ist dabei, eine Infrastruktur zu definieren, die für alle drei Kommunikationsebenen gültig ist.

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Welche Industrial-Ethernet-Protokolle es gibt

Für das Industrial Ethernet gibt es ca. 20 verschiedene Protokolle, die sich am IEEE 802.3 (Institute of Electrical and Electronics Engineers) orientieren. Die Feldbusstandards bildeten dabei die Vorlage für die meisten.

Welche Vorteile Industrial Ethernet gegenüber Feldbussen bietet:

  • IT- und Echtzeitdaten werden gleichzeitig übertragen.
  • Alle Netzwerkteilnehmer können gleichberechtigt auf Busse zugreifen.
  • Größere Datenmengen können übertragen werden.
  • Die Teilnehmeranzahl ist fast unbegrenzt.
  • Große Netzwerkausdehnungen durch Kaskadierung von Switches sind möglich.
  • Verschiedene Übertragungsmedien können kombiniert werden.

Zu den prominentesten Protokollen zählen Profinet, Ethercat, Ethernet/IP, Powerlink, Sercos III, CC-Link IE und Modbus TCP. Viele Industrial-Ethernet-Protokolle verwenden einen modifizierten MAC-Layer, um niedrige Latenz und Determinismus zu gewährleisten. Einer aktuellen Studie des Unternehmens HMS Industrial Networks zufolge wächst das Industrial Ethernet im Jahr 2021 mit 8 Prozent am stärksten. Auf dieses Segment entfallen mittlerweile 65 Prozent aller neu installierten Knoten (Vorjahr 64 Prozent). Im Vergleich dazu kommen Feldbusse auf einen Marktanteil von 28 Prozent (Vorjahr 30 Prozent).

Industrial Ethernet ist auf dem Vormarsch

Das Industrial-Ethernet-Protokoll Profinet hat mit einem Anteil von 18 Prozent mittlerweile Ethernet/IP überholt, der Marktanteil liegt bei 17 Prozent. Auch Ethercat gewinnt und kommt inzwischen auf 8 Prozent Marktanteil. Während Profinet und Ethernet/IP in Europa und im Nahen Osten führend sind, dominiert im US-amerikanischen Markt Ethernet/IP. Der fragmentierte asiatische Markt setzt auch vermehrt auf Profinet und Ethernet/IP. „In den Fabriken wird kontinuierlich daran gearbeitet, Produktivität, Nachhaltigkeit, Qualität, Flexibilität und Sicherheit zu optimieren. Eine robuste industrielle Vernetzung ist der Schlüssel, um diese Ziele zu erreichen“, erklärt Thilo Döring, Geschäftsführer von HMS Industrial Networks den Vormarsch von Industrial Ethernet.

Für raue Umgebungen geeignet

Komponenten, die in prozesstechnischen Anlagen eingesetzt werden, müssen für den Betrieb in rauen Umgebungen ausgelegt sein. Sie müssen extremen Temperaturen, Feuchtigkeit und Vibrationen standhalten. Der Einsatz von Glasfaser-Ethernet-Varianten reduziert die Probleme durch elektrisches Rauschen und sorgt für eine elektrische Isolierung.

Eine weniger strenge Definition des Industrial Ethernet nutzt Standard-Ethernet-Protokolle mit robusten Steckverbindern und erweiterten Temperaturschaltern in einer industriellen Umgebung zur Automatisierung oder Prozesssteuerung. Dies ist sinnvoll, da das Standard-Ethernet die Kompatibilität von Systemen wie speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) verbessert und eine Kommunikation auf Unternehmensebene ermöglicht.

In aktuellen industriellen Umgebungen wird eine Kombination aus beiden Ansätzen verwendet, wobei robuste Hardware mit robusten Protokollen verknüpft wird. Diese Art von Industrial Ethernet verbindet physikalische Datenschichten, die auf Standard-Ethernet-Protokollen basieren, Netzwerk- und Transportschichten, die auf Internetprotokollen basieren, und eine Anwendungsschicht, die eine Echtzeit-Datenübertragung für spezifische Prozesse gewährleistet.

Das Industrial Ethernet ist auch die Grundlage für die Umsetzung der digitalen Industrialisierung, denn es bildet das Rückgrat eines Kommunikationssystems: Durch die verbesserte Kompatibilität, die Möglichkeit, Peer-to-Peer-Architekturen zu nutzen, mehr als zwei Knoten in einer Verbindung zu haben und Standard-Netzwerkhardware zu verwenden. Zahlreiche unterschiedliche Systeme und Maschinen können miteinander verbunden werden – von Nanosensoren bis hin zu Maschinen auf Unternehmensebene sowie Benutzern an unterschiedlichen Standorten. Dank der höheren Datenübertragungsrate und der Möglichkeit, universelle Hochleistungskabel (Cat5e/Cat6) zu verwenden, bietet Industrial Ethernet die Möglichkeit, die Netzwerk- und Systemleistung zu verbessern.

Industrial Ethernet für Industrie 4.0

Heute ist Industrial Ethernet mehr oder weniger zum Standard für die Kommunikation in modernen digitalisierten Fertigungsbereichen geworden. Mit Industrie 4.0 und Industrial Internet of Things (IIoT) findet ein Wechsel von einem hierarchischen Automatisierungsmodell zu einer Automatisierung in einem dezentralen Netzwerk statt, in dem alle vernetzten Geräte IP-Adressen gemäß dem Industrial-Ethernet-Protokoll haben. Für die Implementierung von Industrial Ethernet in anspruchsvollem Umfeld ist der Einsatz von fortschrittlichen Kabel- und Steckverbindersystemen unabdingbar.

Quellen: Kunbus, HMS Industrial Network, Analog Devices

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