Kommt in der Feldebene oft noch der konventionelle Feldbus zum Einsatz, nutzen Leit- und Prozessebene zum Beherrschen großer Datenmengen das Industrie-Ethernet (Bild). Wegen seiner Echtzeitfähigkeit (Real-Time-Ethernet), dank seiner flexiblen Robustheit, hinsichtlich der zuverlässigen Überbrückung selbst großer Entfernungen (Nutzung Kupfer, Glasfaser) ist das Verfahren auch für Aufgaben in der Feldebene geeignet. Weltweit auf dem Vormarsch kommen ca. 30 unterschiedliche Systeme zum Einsatz (Übersicht www.pdv.reutlingen-university.de/rte/). Hier werden fünf konkurrierende, herstellerübergreifende, repräsentative Ausführungen vorgestellt.

Systemauswahl
Die Versionen PROFINET, POWERLINK, EtherNET/IP, EtherCAT, SERCOS III kennzeichnen Bestwerte bei Einsatzbreite/Markdurchdringung, Klassifizierung nach IEC, Stützung durch eine Nutzorganisation. Einzelheiten fasst die Tabelle 1 zusammen. Mit einem einzigen Buskabel sinkt der Aufwand für Installation, Diagnose und Wartung. Alle Lösungen sind offen, schnell, preiswert sowie interoperabel. Sie kennzeichnet die Fähigkeit der exakten Zeitsynchronisation infolge präziser Zeitbasis in verteilten Systemen trotz rauer Industrieumgebung. Durch die Vereinheitlichung entfällt die Vielfalt von Feldbussen, ein einziger Ethernet-Bus ersetzt mehrere aufgabenspezifische Datenleitungen. Aktive Verdrahtungen erlauben umfassende Diagnose und kostengünstige, dezentrale Strukturen. Spezielle Mechanismen (z. B. trusted-core-Network, www.sit.fraunhofer.de) schützen vor unerlaubtem Zugriff.

Echtzeit
Eine übergeordnete Kommunikationssoftware verhindert störende Kollisionen, ermöglicht die Echtzeit-Datenübertragung. Diese Fähigkeit (hart, weich, Zykluszeit, Jitter) bestimmt die Nutzbarkeit (Details Tabelle 2). „Harte “ Echtzeit ist an einen vorgegebenen Zeitrahmen gebunden. Typische Applikationen liegen mit Regelungen, CNC, MC, Sicherheitssystemen, Walzwerksanlagen vor. „Weiche“ Echtzeit toleriert Abweichungen bis zu einer definierten Größe etwa bei Verfahrenstechniken, Temperaturmessungen, Logistik u. ä..

Eigenschaften
Die Auslese findet sich in etwa 75 Prozent aller weltweiten Applikationen. Regionale Verbreitungsschwerpunkte folgen aus dem Sitz des federführenden Unternehmens, welches grundsätzlich zusammen mit einer Nutzerorganisation Weiterentwicklung und Pflege sicherstellt. Darüber hinaus erfüllen die Produkte alle Bedingungen hinsichtlich Kompatibilität/Interoperabilität, EMV/Übertragungssicherheit, Zuverlässigkeit/Verfügbarkeit/Redundanz, Diagnose/Fehlerortung, Wartung/Reparatur, Architektur, Querverkehr, Verkabelung/Erweiterung, Einsatzbedingungen, Standardisierung.

Slim-Line-Ethernet-Full Gigabyte Switches mit acht Power over Ethernet (PoE) –Ports, (IGPS, max. 30 W/Port, -40 Grad Celsius bis +70 Grad Celsius. (Spectra GmbH & Co KG, www.spectra.de)

Bestehende Unterschiede bei Eigenschaften, bezüglich Anschaltung und Komponenten (Gateway, Switch, Hub, Multiport, Kabel; Bild 2 in http://www.handling.de) sind im Einzelfall zu prüfen. Betriebskosten (Wartung, Netzwerksadministration) können bei hochkomplexen Lösungen wie PROFINET IRT, Ethernet/IP beträchtlich sein. Die Fähigkeit Hot-Plug (Wartung, Reparatur) senkt den Betriebsaufwand. Hinsichtlich Investitionen haben POWERLINK, EtherCat meist die Nase vorn.

Trotz Unterschieden bezüglich Status, Rechten und Lizensen gewähren alle Systeme Investitionssicherheit.

Industrial Ethernet unterstützt hinreichend die Plattform Industrie 4.0. Dank seiner hohen Verfügbarkeit, bezüglich seines optimalen Verkabelungsaufwandes bietet sich diese Technik gleichfalls dem Automotiv-Bereich (zum Beispiel EtherCat).

Sicherheit (Safety + Security)
Mittels spezieller Protokolle (vgl. auch Tabelle 1) entstehen Sicherheits-Busse. Ein einziges Kabel überträgt Standard- und sicherheitsrelevante Daten. Solche Verbindungen konkurrieren mit Speziallösungen wie SafetyNet p (http://www.safety-network.org, http://www.pilz.de). Zum Garantieren einer stabilen Verbindung empfiehlt sich eine Untersuchung aller Versagensursachen sowie ihrer Wirkungen (http://www.pepperl-fuchs.de). Darüber hinaus halten die vorgestellten Ausprägungen die Standards der Zugangssicherheit (Security), ihre „zehn Gebote“ (http://www.insys-icom.de), ein. Zu weiteren Verbesserungen führt die drahtlose Freiraumübertragung. Dr.-Ing. habil Joachim Krause

Ethernet: LAN-Protokoll der Bürotechnik für größere Datenmengen nach IEEE 802.3/ISO 8802.2. Die Übertragungsraten betragen: Standard 10 Mbit/s, Fast Ethernet 100 Mbit/s, Gigabit Ethernet ³ 1 Gbit/s. Das Auflösen von Datenkollisionen (stochastischer Buszugriff CSMA/CD) bedingt unregelmäßige Verzögerungen im Datenverkehr. Einsatz von Koaxialkabeln, verdrillten Kupferleitungen (Twisted Pair), Lichtwellenleitern. Die Kabel übernehmen ggf. die Stromlieferung (Power over Ethernet PoE). Ethernet dringt in die Feldebene als industrietauglicher Feldbus vor. Durchgängig gilt dann ein einheitliches Protokoll in und zwischen allen Ebenen der Hierarchie.

Echtzeit: Zeitspanne, in der eine definierte, ereignisnahe Antwort auf ein äußeres Geschehen erfolgt beziehungsweise in der sich die Schnelligkeit der Ausführung eines Befehl nach dem technologischen Zwang richtet (zum Beispiel Übertragung eines Sollwertes). „Echtzeit“ bestimmt das Anwendersystem. So erfordern Antriebsregelungen Antworten im µs-, Temperaturregelungen dagegen nur im Minutenbereich. Daten werden simultan zur Erzeugung verarbeitet und deterministische Antworten innerhalb einer vorgeschriebenen Zeit garantiert.

Jitter: Veränderung der Periodendauer einer Impulsfolge beziehungsweise der Zykluszeit. Schwankt zum Beispiel der Nennabstand 100 µs zwischen 95 und 105 µs, beträgt der Jitter 10 µs.

Safety (Betriebssicherheit): Schutz von Mensch, Umwelt und Prozessinfrastruktur.

Security (Angriffssicherheit): Schutz von Werten/Assets (Geschäftsgeheimnisse, Know-how, Daten, Technologie u. a.) gegen Hacker.

Joachim Krause