Die industrielle Automatisierung begann mit der Parallelverdrahtung – alle Teilnehmer wurden mit der Regel- und Steuerebene einzeln verdrahtet. Übertragen wurden dabei analoge und digitale Signale. Mit dem steigenden Automatisierungsgrad einer Anlage steigt auch die Anzahl der Teilnehmer, was bei der parallelen Verdrahtung zu einem erhöhten Verkabelungsaufwand führte. Höherer Montageaufwand, hohe Investitionskosten und geringe Flexibilität waren die Folge. Heute kommt die Parallelverdrahtung immer seltener zum Einsatz, und außerdem gibt es schnellere und kostengünstigere Feldbus- und Netzwerksysteme. Überlebt hat das parallele Verdrahtungsprinzip etwa in sicherheitsrelevanten Bereichen. Dabei überträgt man zusätzlich zu den Datensignalen Sicherheitssignale über eine andere Leitung. Automatisierungs-Topologien Die industrielle Kommunikation kennt folgende grundlegenden Topologien: Ring, Stern, Linie und Baum. Weitere Topologien setzen sich aus diesen Grundarten zusammen. Dabei stimmt die logische Topologie mit der physischen nicht immer überein. So kann die Leitung physisch als Linie verlegt sein, logisch funktioniert das Kommunikationssystem aber wie ein Ring. Möglich ist das, wenn ein Kabel die Daten sowohl in eine wie auch in die andere Richtung über unterschiedliche Adern übertragen kann. Am Ende der Leitung wird ein Abschlusswiderstand zugeschaltet. In diesem Beitrag wird von der logischen Topologie ausgegangen (Bild 2). Bei der Linien-Topologie werden alle Teilnehmer einfach hintereinander geschaltet, sie weisen keine Hierarchie auf. Die Bus-Topologie ist eine abgewandelte Linien-Topologie. Hier werden die Teilnehmer mittels Stichleitungen an eine Busleitung gekoppelt. Damit die Gerätekommunikation funktioniert, darf nur ein Gerät zum selben Zeitpunkt Signale an das Übertragungsmedium senden. Vorteilhaft ist hier die einfache Verkabelungsstruktur sowie die einfache Netzerweiterung; nachteilig sind die Reflexionen durch die Stichleitung. Die Stern-Topologie bietet sich bei einer Maschine mit kurzen Leitungslängen an. Die Rolle des zentralen Teilnehmers übernimmt im Falle von Ethernet ein Hub oder Switch. Von Vorteil bei dieser Topologie sind die einfache Erweiterbarkeit und eine leichte Fehlersuche. Zu den Nachteilen zählt der höhere Verkabelungsaufwand. Bei der Ring-Topologie werden jeweils zwei Teilnehmer über Zweipunkt-Verbindungen in einem logischen Aufbau verbunden, wodurch ein geschlossener Ring entsteht. Vorteilhaft ist hier, dass jeder Teilnehmer als Verstärker auftritt, nachteilig ist der hohe Verkabelungsaufwand. Bei der Baum-Topologie werden mehrere Netze der Stern-Topologie hierarchisch miteinander verbunden. Die Baum-Topologie findet man häufig in der Gebäudeverkabelung, da das Netzwerk auf einfache Weise erweitert werden kann. Entstehung von Feldbus und Industrial Ethernet Mit der Komplexität und der Teilnehmerzahl in den Produktionsprozessen steigt der Verkabelungsaufwand bei der parallelen Verdrahtung. So entstanden in den 1980er Jahren die ersten Feldbusse. Zeit- und Kostenaufwand bei der Verkabelung konnten nun deutlich verringert werden. Der Feldbus kommuniziert nur über ein Kabel. Heute kommen unterschiedliche Feldbussysteme zum Einsatz, je nach Zweck und SPS-Fabrikat. Alle Feldbusse ähneln sich bei der schnellen Übertragung der Ein- und Ausgangsdaten, die logischen Topologien unterscheiden sich allerdings (Tabelle 1). Industrial Ethernet begann seine Karriere im Büroumfeld als Kommunikationsnetzwerk mit einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Die Umgebungsbedingungen stellen keine Herausforderung bezüglich mechanischer, thermischer und EMV-Belastung dar. Im Laufe der Zeit wurden Technologien wie Switching, Fast Ethernet und Full-Duplex-Übertragung entwickelt. Damit kann Ethernet auch in der Industrieumgebung als leistungsfähiges Kommunikationssystem integriert werden. Die Übertragungsraten reichen heute bis zu 10Gbit/s. Aufgrund der erhöhten Anforderungen der Umgebungsbedingungen wurden Komponenten und Verkabelung angepasst. So kommt beim Industrial Ethernet – wie auch beim Feldbus – ein geschirmtes Twisted Pair-Kabel zum Einsatz. Auch die im Büroumfeld typischen RJ45-Steckverbinder wurden an die industrielle Umgebung angepasst, etwa durch zusätzliche Schirmung sowie Staub- und Wasserdichtigkeit gemäß Schutzart IP65/67. Die bei den Feldbussen etablierten M12-Steckverbinder finden sich auch im Industrial Ethernet, sie wurden ja bereits an die raue Umgebung angepasst. Für den industriellen Einsatz von Ethernet wurde die generische Verkabelung nach IEC24702 entwickelt, mit dem Ziel, eine anwendungsneutrale Übertragungstechnik bereitzustellen. Diese wird überwiegend bei der Gebäudeinstallation genutzt. Aufgrund einer hierarchischen Stern-Topologie sowie der Kaskadierung über Switche kann das Netzwerk mit wenig Aufwand erheblich ausgebaut werden. Feldbusse und Industrial Ethernet Die industrielle Automatisierung in den Betrieben erfolgt auf unterschiedlichen Ebenen mit unterschiedlichen Anforderungen (Bild 3). Hier sind drei Parameter von Bedeutung: – Datenmenge: nimmt zu mit der Höhe der Ebene – Echtzeit-Verhalten: wird auf den unteren Ebenen stärker gefordert – Umweltbelastungen: sind in den untersten Ebenen am höchsten So gibt es für jede Ebene die richtigen Systeme: Feldbusse für die Teilnehmer unten und Netzwerksysteme für oben. Auf der untersten Ebene – der Prozessebene – werden Prozessinformationen mit Hilfe von Sensoren und Aktoren erfasst und ausgegeben. Hier findet man z.B. Interbus, AS-Interface oder DeviceNet. In der Steuerungsebene sind Peripheriesysteme wie SPS und CNC angesiedelt, sie werden mit Interbus oder Profibus verbunden. Auf der Zellebene schließlich arbeiten die Leitrechner, hier werden Profibus, Profinet und Ethernet bevorzugt. In den modernen Industriebetrieben wird nicht nur mit einem Feldbus- oder Netzwerksystem gearbeitet. Alle Ebenen müssen mit Kommunikationssystemen ausgestattet sein, die nicht nur den jeweiligen Anforderungen genügen. Die Systeme müssen auch integriert werden können, damit die Daten von der untersten bis zur obersten Ebene und umgekehrt durchgängig und verlustfrei fließen. Neue Kommunikationssysteme Auf der Grundlage von Feldbussen und Industrial Ethernet haben sich weitere Kommunikationssysteme entwickelt. In letzter Zeit wurden vermehrt Ethernet-basierte Feldbusse auf den Markt gebracht. Sie kombinieren die Vorteile beider Systeme – das Echtzeitverhalten der Feldbusse und die einfachere Erweiterbarkeit des Industrial Ethernet. Zu solchen Systemen zählen Profinet, Ethercat, Ethernet/IP und Sercos III (Tabelle 2). Ethernet ist im Vergleich zum Feldbus eine noch junge, aber bereits gut etablierte Technologie zur industriellen Kommunikation. Ethernet wird die Feldbusse in absehbarer Zeit aber nicht verdrängen, diese werden noch viele Jahre für klassische Anwendungen in Maschinenbau und Anlagentechnik weiterleben. Zudem werden Automatisierungssysteme immer komplexer, und die Teilnehmer arbeiten mit immer höheren Übertragungsraten – wie etwa Kameras zur Videoüberwachung der Fertigungsprozesse. Diese Entwicklung verlangt nach immer schnellerer Kommunikation. So werden heute bereits Netzwerke mit Geschwindigkeiten von bis zu 10Gbit/s zukunftssicher eingerichtet. Kasten: M12- und RJ45-Steckverbinder Für ein Industrial Ethernet mit 10Gbit Mit herkömmlichen RJ45-Steckverbindern aus dem Bürobereich sowie mit den gängigen M12-Steckern aus den Feldbus-Systemen stößt Ethernet in der Automatisierung an seine Grenzen. Für die 10Gbit/s-Übertragung sind einige Anpassungen beim Steckverbinder erforderlich. So bietet Phoenix Contact optimierte RJ45-Steckverbinder, die dem Standard CAT6A entsprechen. Bei den M12-Varianten wurde ein neues Steckgesicht entwickelt und standardisiert (Bild 4). Damit ist eine Übertragungsrate von 10Gbit/s kein Problem mehr. Die einzelnen Aderpaare werden bei den Steckern mit Hilfe eines metallischen Schirmkreuzes voneinander getrennt.
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