Gigabit@ControlLevel – Teil 1: Gigabit-Ethernet – attraktiv für den Anlagenbereich

Der vorliegene Beitrag ist der erste von zwei Fachberichten rund um das Thema \’Gigabit Ethernet in der Industrie\‘. Er begründet, warum gerade Gigabit-Ethernet die erste Wahl darstellt, um dem ständig steigenden Datenvolumen im Control Level Rechnung zu tragen. Teil 2 (SPS-Magazin 4/2009) beleuchtet, welche Aufgaben an eine Gigabit-Netzwerkinfrastruktur gestellt werden, damit diese eine unternehmensweite Kommunikation vom Enterprise bis in den Field Level gewährleisten kann. Vertiefende Artikel zu industrietauglichen Gigabit-Ethernet-Netzwerk­komponenten runden die Beitragsreihe ab. Bevor im Detail dargestellt wird, warum Gigabit-Ethernet für den Einsatz im Control Level prädestiniert ist, sollen im Folgenden die Grundlagen zur Technologie zusammengefasst werden. Gigabit-Ethernet Der Einsatz von immer datenintensiveren Anwendungen (z.B. Multimedia) erforderte die Innovation des Ethernet-Standards hin zu ständig steigenden Datenraten. Bei der Entwicklung der Gigabit-Ethernet-Technologie wurde auf eine abwärtskompatible Realisierung geachtet. Damit ist die wichtigste Anforderung erfüllt, dass der Anwender seine Anlage problemlos an bestehende 10MBit/s schnelle Ethernet- und 100MBit/s schnelle Fast-Ethernet-Netzinfrastrukturen ankoppeln kann. Bei Gigabit-Verbindungen innerhalb der Netzwerktopologie wird dagegen auf das CSMA/CD-Verfahren verzichtet. Deshalb ist auch keine Frame-Verlängerung erforderlich, da im Vollduplex-Betrieb jegliche Datenkollisionen vermieden werden (s. Tabelle). Erfahrungsgemäß erfolgt der Einsatz innovierter Ethernet-Technologie im Industriebereich verzögert. Werden heute bereits 10GBit schnelle Ethernet-Backbone-Strukturen zur Vernetzung der Unternehmensbereiche eingesetzt, finden sich diese im Automatisierungsbereich nur äußerst selten. Erst wenn sich neue Ethernet-Technologien im Office-Markt bewährt haben und sich ein akzeptables Preisniveau eingestellt hat, wird diese Technologie zunehmend interessant für den Automatisierungsmarkt. Eines haben jedoch beide Märkte gemeinsam: die stark wachsende Teilnehmerzahl und die datenintensiveren Systeme. Um Engpässe im Netzwerk zu vermeiden und genügend Netzwerkleistung für zukünftige Erweiterungen vorzuhalten, sind moderne Automatisierungsnetzwerke gefragt. Dabei sind die Anforderungen bezüglich der Netzwerkleistung in den einzelnen Automatisierungsbereichen bzw. -ebenen differenziert zu betrachten. Field Level – wenig Daten, kurze Reaktion Im Field Level stehen kurze Reaktionszeiten und kleine Datentelegramme im Vordergrund, während auf die Bandbreite weniger fokussiert wird. Verschiedene Feldbusapplikationen können somit bei Übertragungsraten von bis zu 100MBit/s problemlos integriert werden. Das beste Beispiel ist Profinet, der offene Industrial-Ethernet-Standard im Feldbusbereich. Control Level – mehr Bandbreite Im Control Level dagegen steigt der Bedarf an hohem Datendurchsatz ständig. Neben breitbandigen Backbone-Strukturen finden sich performante Serveranschlüsse, entsprechend dem Wunsch nach zentraler Datenhaltung. Beispiele dafür sind Scada-Server und File-Transfer-Server. Auch ist in diesen Netzwerken der Datendurchsatz durch die steigende Anzahl von Netzteilnehmern oder datenintensiveren Anwendungen wie Visualisierung, bildgebende Systeme und Web-Applikationen höher. Voice over IP, Video Streaming oder andere Multimedia-Anwendungen bringen ebenfalls höhere Datenmengen mit sich. Im Gegensatz zum Field Level steht im Control Level die Bandbreite im Vordergrund. Reaktionszeiten sind weniger kritisch. Sie können im Bereich von 10 bis 100ms liegen. Große Datentelegramme bis zu 1.500Bytes bei Filetransfers sind alltäglich. SPS mit Gigabit-Interface Eine durchgängige Gigabit-Lösung im Control Level beinhaltet natürlich auch den Anschluss an die SPS. Derzeit kann eine klassische SPS die maximal mögliche Bandbreite von Gigabit-Ethernet noch nicht in Echtzeit verarbeiten. Für heutige Applikationen ist dies auch gar nicht erforderlich. Oftmals müssen große Datenmengen auch nur vom Field in den Control Level weitergeleitet werden, ohne dass eine Vorverarbeitung erforderlich wäre. Beispielsweise könnte eine IP-Kamera (vor Ort im Field Level) den Produktionsprozess aufzeichnen, der an einem Scada-System (des Leitstands im Control Level) für den Anlagenbediener visualisiert wird. Das Weiterleiten der Daten übernimmt in diesem Fall z.B. in einer Simatic-Anlage ein Kommunikationsprozessor CP343-1 Advanced bzw. CP443-1 Advanced. Dieser hat zwei unabhängige Netzwerkschnittstellen, zwischen denen der Kommunikationsprozessor mittels IP-Routing auch Daten in beide Richtungen weiterleiten kann. Natürlich erfolgt dies parallel zu den Datenpaketen, die der Kommunikationsprozessor mit der Zentraleinheit (SPS) im Automatisierungssystem austauschen muss. Im Gegensatz zu den Multimediadaten der IP-Kamera erfolgt für diese Datenpakete eine Vorverarbeitung in der SPS. In jedem Fall ist es sinnvoll, die SPS mit einem Gigabit-fähigen Kabel im Control Level anzuschließen, um zukünftige Retrofits kostenreduziert zu gestalten. Genügend Netzwerkleistung für zukünftige Erweiterungen Eine Gigabit-Ethernet-Infrastruktur beseitigt Engpässe im Control Level und stellt genügend Netzwerkleistung für zukünftige Erweiterungen bereit. Kundenfreundliche, durchgängige Gigabit-Ethernet-Komplettlösungen erfordern deshalb – ein vielfältiges Switch-Spektrum mit elektrischen und optischen Ports – höchste Verfügbarkeit und schnelle Redundanz bei Netzproblemen – Netzzugriffsschutz durch ein integriertes Security-Konzept – Systemanschlüsse für die breitbandige Anbindung von PCs (z.B. in Scada-Systemen) – Systemanschlüsse für die Anbindung von SPS, die gleichzeitig die Netzwerktrennung zum Field Level realisieren, jedoch ohne Abstriche bezüglich Connectivity (IP-Routing) – elektrische und optische Industrial-Ethernet-Leitungen – fehlersichere und einfache Anschlusstechnik vor Ort. Es ist jedoch nicht nur die Leistungsfähigkeit beim Austausch großer Datenmengen, die Industrial Ethernet auf Basis Gigabit-Ethernet für den Einsatz in der Industrie prädestinieren – Industrietauglichkeit, Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit, Echtzeitfähigkeit, robuste Anschlusstechnik sowie einfache Bedienung ohne spezielles IT-Wissen haben diesen Standard für die Industrie tauglich gemacht. Heute ist Industrial Ethernet mit einem Anteil von über 80% das Netzwerk Nummer eins im industriellen Umfeld.