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Ethernet

Wie Ethernet die Datenübertragung revolutioniert


Ethernet ist eine Datenübertragungstechnik für kabelgebundene Netzwerke und der Standard zur Übermittlung von Datenpaketen in lokalen Heim- oder Büro-Netzwerken (LAN, Local Area Network).


Innerhalb eines solchen Netzwerks können alle angeschlossenen elektronischen Geräte wie Computer, Drucker und Server über LAN-Kabel miteinander kommunizieren.


Daten werden über Ethernet gesendet und empfangen. Ethernet funktioniert nicht kabellos wie WLAN, sondern nur kabelgebunden. In vernetzten Industrieumgebungen bietet kabelgebundenes Ethernet gegenüber der alternativen Vernetzung über WLAN (Wireless Local Area Network) eine deutlich gesteigerte Übertragungsgeschwindigkeit sowie eine zuverlässige Übertragungsstabilität.


Die US-amerikanische Arbeitsgruppe IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) hat das Ethernet-Netzwerkprotokoll sowie den Aufbau seiner Pakete mit der IEEE-Spezifikation 802.3 definiert und standardisiert.

Industrielle Kommunikation

Industrielle Ethernet-Kabel
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Die Relevanz von Ethernet


Die Anfänge des Ethernet-Standards liegen in den 70er Jahren. Damals war jedoch nur eine sehr geringe Übertragungsrate möglich. In den vergangenen Jahrzehnten hat sich die Datenübertragungstechnologie stetig weiterentwickelt, sodass heutzutage Geschwindigkeiten von bis zu 10.000 Mbit/s bzw. 10 Gbit/s erreichbar sind. Dann ist auch vom sogenannten Gigabit-Ethernet die Rede.

Als Industrie 4.0 und das Internet of Things aufkamen, war der Moment gekommen, um die Möglichkeiten der Datenübertragung weiterzuentwickeln. Diese neue Wirtschaftsumgebung forderte, dass Informatiksysteme von Gebäude- und Büronetzwerken mit den industriellen Maschinennetzwerken verschmelzen. Das veränderte die Art der Kommunikation und damit die Anforderungen an die Datenübertragung.

Es zeigte sich schnell, dass die Eigenschaften des klassischen Ethernets aus dem Gebäudeverkabelungsbereich für industrielle Umgebungen nicht mehr ausreichend waren.

Was bedeutet „Ethernet“ eigentlich?

ether = Äther


Aus der Äthertheorie abgeleitetes altgriechisches Wort, das „Himmel“ bedeutet. In früheren Jahrhunderten nahm man an, dass Äther ein Medium sei, durch dessen Hilfe sich elektromagnetische Wellen im Raum ausbreiten.

net = Netz

Was ist was: Ethernet vs. Industrial-Ethernet


Industrial-Ethernet ist der Nachfolger des herkömmlichen LAN-Ethernets aus dem Büro und wird primär für die Datenkommunikation in der industriellen Fertigung eingesetzt. Das hat auch gute Gründe: Es bietet eine nahtlose Netzinfrastruktur und das in Echtzeit. Die Einsatzgebiete sind vielfältig und reichen inzwischen von der Feldebene über die Steuerungsebene bis hin zur Unternehmensleitebene (Manufacturing Execution System [MES] für die Auftragskoordination und Enterprise Ressource Planning [ERP] für die Materialplanung).

Dabei umfasst die Industrial-Ethernet-Technologie einen sehr großen Adressraum. Mit IPV6-Adressierung können Netzwerke mit nahezu unbegrenzter Teilnehmerzahl realisiert werden. Große Datenmengen können gleichzeitig mit hohen Geschwindigkeiten von bis zu 40 Gbit/s per Kupfer übertragen werden. Dies gilt ebenfalls für die Datenkommunikation über große Entfernungen: Mittels Lichtwellenleitern können im Vergleich zu Kupferleitern Distanzen bis zu 80 km überbrückt werden. Über Switche und Router lassen sich Netzwerke einfach erweitern und segmentieren.

Vorteile des Industrial-Ethernet gegenüber der Feldbus-Technologie


Feldbusse sind Bussysteme, die in der Feldebene zum Einsatz kommen, um Sensoren und Aktoren zum Informationsaustausch mit einem Steuerungsrechner zu verbinden. Ihren Ursprung haben Feldbusse in der Fertigungstechnik. Dort werden sie noch immer vorrangig eingesetzt.

Funktionsweise von Feldbussen und den Einsatzgebieten

Wenn es nun um Automatisierung geht, spielen sich  Kommunikationsprozesse meist auf mehreren Ebenen ab. Industrial-Ethernet kommt in der industriellen Automatisierung immer dann zum Einsatz, wenn die Funktionalitäten der Feldbusse nicht mehr ausreichen. Denn die Vorteile des Industrial-Ethernets sind:

  • Vernetzungsmöglichkeit über mehrere Ebenen der Automatisierungspyramide
  • Deutlich schnellere Datenübertragung
  • Bessere Echtzeiteigenschaften
  • Höhere technische Leistung
  • Übertragung größerer Datenmengen
  • Integration von Safety-Protokollen

Verbindung zu drahtlosen Netzwerken möglich


Beim Wireless LAN werden Daten innerhalb eines Netzwerks kabellos mittels Funktechnologie übertragen. Auch im industriellen Bereich halten intelligente Funklösungen immer weiter Einzug. Das Resultat ist ein komplexes, dynamisch gestaltetes Funkfeld.
Die Datenübertragung zwischen kabellosen und kabelgebundenen Netzwerken ist möglich; WLAN und Ethernet können also miteinander kommunizieren.

Vorteile der Funktechnologie


  • Verbindung von beweglichen Netzwerkteilnehmern mit stationären Teilnehmern
  • Verbindung zu rotierenden Teilnehmern wie Karussells oder Kränen
  • Aufbau von Funkbrücken über Gebäudegrenzen oder Gewässer hinweg
  • Kommunikation mit schwer zugänglichen Teilnehmern

Nachteile der Funktechnologie


  • Funkwellen werden an Hindernissen gebeugt
  • Funkwellen werden an Hindernissen reflektiert
  • Funkwellen können beim Hindurchgehen geschwächt werden
  • Funkwellen können unberechtigt eingefangen und genutzt werden

Wenn es ohne Kabel einfach nicht geht


Die Verwendung einer kabelgebundenen Lösung hat in der industriellen Fertigung noch immer die größten Vorteile. Die Leitung dient als exklusives, gleichbleibendes Medium mit festen Übertragungseigenschaften, auch, um die Teilnehmer des Netzwerks klar zu erkennen. Wer Ethernet als Datenübertragungstechnik nutzt, kann Kupferleitungen oder Lichtwellenleiter zur Verteilung von Datenpaketen einsetzen.

Simple Netzwerk-Kommunikation via Ethernet-Protokollstandards


Ein Protokoll oder Netzwerkprotokoll ist ein standardisiertes Regelset für den Austausch von Daten, also eine Art Netzwerksprache. Dieses dient der Kommunikation zwischen Computern und Geräten.  Standardisierte Protokolle werden auch Protokollstandard genannt.

Basis-Informationen zu Protokollstandards

Informieren Sie sich im Folgenden über die wesentlichen Protokollstandards für die Ethernet-Technologie:


PROFINET ist der in Europa führende, offene Industrial-Ethernet-Standard in allen Bereichen der industriellen Automatisierungstechnik. Diese Art von Kommunikationssystem ermöglicht den Datenaustausch mit Industrial Ethernet zwischen Steuerungs- und Feldgeräten in Echtzeit. PROFINET ist der Nachfolger von PROFIBUS, einem Feldbus-Protokollstandard, welcher durch die Nutzerorganisation PROFIBUS & PROFINET International (PI) standardisiert wird. LAPP beteiligt sich aktiv an der Weiterentwicklung von PROFINET.

Die Echtzeitkommunikation zwischen Steuerungs- und Feldgeräten kann mit PROFINET über RT (Real Time) erreicht werden. Dafür sind keine zusätzlichen Anforderungen an die Netzwerk-Komponenten nötig. Die Zykluszeiten des Datenaustauschs ohne Taktsynchronität betragen ca. 10 Millisekunden. Die RT-Variante kommt zum Beispiel für Remote-I/O-Systeme zum Einsatz.

Für spezielle Applikationen, die taktsynchron funktionieren müssen, z. B. die Synchronisation von Servoantrieben, ist eine isochrone Kommunikation mit PROFINET über IRT (Isochronous Real Time) zwischen Steuerungs- und Feldgeräten unabdingbar. Im IRT-Netzwerk sind zusätzliche Hardware-Anforderungen nötig und Standard-Ethernet-Switches nicht mehr zulässig. Die Zykluszeiten des Datenaustauschs betragen weniger als 1 Millisekunde.

EtherNET/IP ist ein industrielles Bussystem für den Einsatz in Steuerungs- und Automatisierungssystemen, das verstärkt im amerikanischen Raum Anwendung findet.

EtherNET/IP funktioniert mit Standard-Ethernet-Hardware, nutzt die Transportprotokolle TCP/IP und UDP sowie das Anwendungsprotokoll CIP (Common Industrial Protocol), das im Netzwerk die Anwendungsschicht bildet. Ein wesentlicher Vorteil des offenen Industriestandards ist die einfache Einbindung von bestehenden Feldgeräten mit einer seriellen RS-Schnittstelle. Die Kommunikationsdienste versorgen die Automatisierungsapplikation mit zyklischen und zeitkritischen Daten aus der Feldebene.

Da in einem solchen Netzwerk jedoch „nur“ Zykluszeiten von rund 10 ms erreicht werden können, eignet sich der Kommunikationsstandard nicht ohne Weiteres für die harten Echtzeitanforderungen im isochronen Servobetrieb (< 1 ms). Für taktsynchrone Einsätze wurde das Protokoll daher um MotionSync und CIPSync erweitert.

EtherNET/IP wird von der Open DeviceNet Vendor Association (ODVA) gepflegt und weiterentwickelt. LAPP ist Mitglied der ODVA und aktiv an der Weiterentwicklung des EtherNET/IP-Systems beteiligt.

CC-Link IE ist der in Asien führende, Ethernet-basierte Nachfolgestandard des Feldbussystems CC-Link. In industriellen Anwendungen, in denen CC-Link als Feldbussystem nicht mehr ausreicht, wird das leistungsfähigere CC-Link Industrial Ethernet zur Bewältigung deutlich größerer Datenmengen eingesetzt. Der Standard zur Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung mit Gbit-Performance liefert Echtzeit-Protokolle und verbindet aktuell bis zu 120 Geräte innerhalb eines Netzwerks. CC-Link IE gibt es unter anderem in den Ausführungen CC-Link IE Field (Datenaustausch auf Feldebene) und CC-Link IE Control (Datenaustausch auf Steuerungsebene), CC-Link IE Safety (Verknüpfung von Sicherheitssteuerungen bei sicherer Kommunikation) sowie CC-Link IE Field Motion (zur Synchronisation von Servo-Antrieben).

LAPP ist Mitglied in der Nutzerorganisation CLPA (CC-Link Partner Association) und arbeitet aktiv an der Weiterentwicklung des Standards mit. Viele der nachfolgend angebotenen Komponenten sind nach CLPA-Spezifikation zertifiziert.

EtherCAT ist ein weitverbreitetes Protokoll des Industrial Ethernets und garantiert Highspeed-Ethernet. Die Benennung steht für Ethernet for Control Automation Technology und gilt als besonders schnelles Ethernet in puncto Durchsatzraten und Echtzeitfähigkeit.

Zur Kommunikation verwendet EtherCAT Standard-Ethernet-Frames, verarbeitbare Datenpäckchen. Diese Datenpäckchen setzen sich zusammen aus einem Ethernet-Header, einem EtherCAT-Header, 1 bis 15 EtherCAT-Datagrammen und einem Prüfmechanismus zum Erkennen von Bitfehlern.

Die Steuerung erfolgt durch ein Kommunikationssystem mit einem Master und einem oder mehreren Slaves. Der Master sendet SOLL-Bedingungen an die Slaves, welche die IST-Bedingung zurückmelden. So können beispielsweise Steueranweisungen übermittelt werden und aktuelle Zustände einer Maschine beantwortet werden.

Der Master erstellt aus den gewonnen Daten EtherCAT-Diagramme und schickt diese wiederum an die angeschlossenen Slaves. Wie zuvor erwähnt, ist die Besonderheit von EtherCAT seine Geschwindigkeit. Diese wird folgendermaßen erreicht: Noch während die Datenpakete die Slaves durchlaufen, entnimmt jeder Slave nur die SOLL-Bedingungen aus dem Diagramm, die für ihn gelten und fügt seine IST-Bedingung direkt ein. Alle nicht für den jeweiligen Slave bestimmten Daten werden nicht verarbeitet und sofort weitergeleitet. Selbst bei einer hohen Anzahl an verbundenen Slaves, ist die Kommunikationszeit sehr schnell, da die Durchlaufverzögerung pro Slave nur wenige Nanosekunden beträgt.

TSN-Standard zur effektiven Steuerung echtzeitkritischer Daten


TSN, kurz für Time-Sensitive Networking, beschreibt eine Möglichkeit der Steuerung und Priorisierung von Datenströmen in Ethernet-Netzwerken. Ethernet-TSN ist jedoch kein eigenständiges Kommunikationsprotokoll, sondern ein Set an Standards, welche die Funktionen von Protokollen definieren. Diese Funktionsdefinitionen können dann wiederum von unterschiedlichen Protokollen wie beispielsweise PROFINET genutzt werden.

Ziel der Entwicklung der TSN-Standards ist die intelligente Verschmelzung der Informationstechnologie mit der industriellen Betriebstechnik. Dazu benötigt es eine Datenübertragung von echtzeitkritischen Anwendungen wie z. B. einer Signalerfassung eines sicherheitsrelevanten Bauteils.

Durch die Definition und Erweiterung bestehender Ethernet-Standards realisiert TSN eine Konvergenz zwischen der IT und den verbundenen Maschinen und Geräten. Durch eine effektive Steuerung echtzeitkritischer Daten und datenintensiven Applikationen, kann das Ethernet-Netzwerk über eine einzige gemeinsame Ethernet-Leitung realisiert werden.