Industrial WLAN – mehr als \’nur\‘ Ethernet: WLAN-Geräte mit Profinet und Ethernet/IP in Netzwerke integrieren

Da viele Industrienetzwerke ursprünglich auf Feldbustechniken aufbauten, wurden Ethernet-basierende Varianten dieser Feldbusse entwickelt, um die Kompatibilität zwischen existierenden und neuen Netzwerktechniken zu erreichen. Solche Protokolle wie Ethernet/IP oder Profinet werden eingesetzt, um Feldbusgeräte, Controller und Ethernet-Netzwerk-Komponenten miteinander zu vernetzen. Diese Protokolle werden in einer Netzwerkkomponente wie Switche oder auch WLAN-Access-Points benötigt, um diese dem Controller oder der Management-Software kenntlich und steuerbar zu machen. Drahtlose Netzwerke sind wegen ihrer Flexibilität und deswegen auch Veränderlichkeit anders zu administrieren als kabelgebundene Netzwerke. Auf dem Markt gibt es bislang keine WLAN-Geräte, die beide Protokolle unterstützen. Die Integration dieser Protokollstacks macht somit die BAT-Geräte der Firma Hirschmann flexibel einsetzbar. Profinet-Protokoll Das Profinet-Protokoll wurde ursprünglich von Siemens und den Mitgliedsfirmen der Profibus-Nutzerorganisation entwickelt. Profinet basiert auf Ethernet-TCP/IP und erweitert so die Profibus-Technologie für Anwendungen, bei denen schnelle Datenkommunikation über Ethernet-Netzwerke in Kombination mit industriellen IT-Funktionen gefordert wird. Profinet wird in der Fertigungstechnik, Prozessautomatisierung, Gebäudeautomatisierung sowie für das gesamte Spektrum der Antriebstechnik bis hin zu taktsynchronen Motion-Control-Anwendungen angewandt. Profinet ist in der IEC61158 und der IEC61784 standardisiert. In der Praxis wird meistens Profinet IO angewandt. Diese Variante von Profinet ist auf die Kommunikation zwischen einer Steuerung und dezentralen Geräten im Netzwerk zugeschnitten. Profinet IO baut auf dem Funktionsmodell von Profibus auf und benutzt die Fast-Ethernet-Technologie als physikalisches Übertragungsmedium. Deswegen sind WLAN-Geräte oder allgemein Ethernetfähige Geräte in Profinet-Umgebungen grundsätzlich einsetzbar, da sie Ethernet-Pakete immer transparent übertragen. Das Profinet-System ist für die schnelle Übertragung von E/A-Daten zugeschnitten und überträgt auch Bedarfsdaten und Parameter sowie IT-Funktionen. Netzwerkkomponenten, die diese Daten und Funktionen nicht auswerten und auf Anfragen von Profinet I/O-fähigen Komponenten, z.B. die SPS, im Netzwerk nicht reagieren, sind für den Netzwerkadminstrator quasi unsichtbar und nicht administrierbar. Die Netzwerkkomponenten werden bei Profinet über eine Gerätebeschreibung in das Projektierungstool eingebunden. Die Eigenschaften des Gerätes (Profinet IO Device) werden vom Gerätehersteller in einer GSD-Datei beschrieben. Die Peripheriesignale der Netzwerkgeräte werden zyk­lisch in die SPS eingelesen, dort verarbeitet und anschließend an diese wieder ausgegeben. Neben dem zyklischen Nutzdatenaustausch bietet Profinet zusätzliche Funktionen für die Übertragung von Diagnosen, Parametrierungen und Alarmen und unterstützt Realtime (RT)-Funktionen. Ethernet/IP Ethernet/IP ist ebenfalls ein industrielles Kommunikationsnetzwerk auf Basis von Ethernet, das auf den Transportprotokollen TCP/IP und UDP/IP aufbaut. Das heißt, dass wie bei Profinet grundsätzlich Ethernet-Fähige Geräte auch mit Ethernet I/P betrieben werden können. Vergleichbar zu Profinet IO erweitert Ethernet/IP Ethernet um ein Industrieprotokoll (CIP, Common Industrial Protocol) als Applikationsschicht für Automatisierungsanwendungen. Die Funktionen diese Protokolls sind die Datenerfassung in vernetzten Workstations, Geräte online konfigurieren und programmieren sowie E/A-Peripherie und Feldgeräte in Echtzeit übers Ethernet steuern. CIP bildet dabei den Application Layer und wird in drei offenen Bussystemen eingesetzt: Ethernet/IP, Controlnet und Devicenet. Das Protokoll nutzt E/A-Nachrichten (implicit messages) und individuellen Frage/Antwort-Telegramme zur Konfiguration und Datenerfassung (explicit messages). Das CIP wird gemeinsam von den Organisationen ODVA und Controlnet International gepflegt und weiterentwickelt. Besonderheiten von WLAN Ein drahtloses Netzwerk kann man nicht 1:1 wie ein kabelgebundenes Netzwerk betrachten. Die Natur eines drahtlosen Netzwerkes ist seine Veränderlichkeit. Die Teilnehmer des Netzwerks, Clients genannt, verändern ihre Position und wechseln von einem Access-Point zum anderen. So wird auch die Netzwerktopologie permanent verändert. Selbst bei fixen drahtlosen Installationen, wie das z.B. bei einer Gebäudekopplung über eine drahtlose Punkt-zu-Punkt-Verbindung der Fall ist, sind die Verbindungsparameter nicht immer stabil. Wettereinflüsse, Störer (nicht nur durch Radar) oder einfache mechanische Veränderungen wie das Verdrehen der Antennen durch starke Winde führen zu veränderlichen Durchsatzgeschwindigkeiten, Datenraten, evtl. zu Wechsel von Kanälen usw. Ein wichtiger Parameter gerade in Profinet- und Ethernet I/P-basierten Netzwerken ist die Durchlaufzeit. Drahtlose Netze können naturgemäß nicht die kurzen Latenzzeiten einfacher Kabelverbindungen erreichen. Ein optimal eingestelltes WLAN nach 802.11n erreicht zwar durchaus ähnliche Werte wie ein vergleichbares Fast-Ethernet über Kabel. Der WLAN-MAC-Layer ist so gestaltet, dass Pakete nicht einfach so gesendet werden, sondern auf evtl. konkurrierende andere Netzwerkteilnehmer gehört und notfalls gewartet werden muss. Kurze Latenzzeiten sind also nicht für jedes übertragene Paket garantiert. Das tritt bei einem Kabel nicht auf, weil es nur zwei Enden hat. Drahtlose Netze sind sozusagen \’Vielender\‘. Und auf jeden Teilnehmer muss geachtet werden. All diese Dinge verlangen in Profinet- und Ethernet/IP-Netzen ebenfalls Aufmerksamkeit. Weder Profinet IO noch CIP sind auf WLAN hin angepasst. Bislang fehlten entsprechende Parameter vollständig. Und so wurden WLAN-Geräte in diesen Netzen bislang entweder komplett ignoriert (sie sind tatsächlich für die SPS nicht sichtbar) oder falsch behandelt. Implementierung in WLAN Für die Integration von WLAN-Geräten in diese Netze musste also mehr getan werden, als lediglich den Software-Stack einzubauen. Eine Liste neuer Parameter ermöglicht nun die Überwachung der WLAN-Verbindung. Somit kann der Controller von vornherein darauf eingestellt werden, mit den Wireless-Geräten im Netzwerk richtig zu kommunizieren, deren Latenzzeiten zu berücksichtigen usw. Es kann ihm so auch die Möglichkeit gegeben werden, auf eventuelle Ereignisse auf der WLAN-Strecke zu reagieren. Diverse Schwellwerte lassen sich einstellen, sodass Alarme ausgelöst werden können, sobald z.B. der Schwellwert für die Verbindungsqualität unterschritten wird. Die Hirschmann BAT-Geräte unterstützen nun auch die jeweiligen Management-Softwares, die in den jeweiligen Industrial-Ethernet-Um­ge­bun­gen eingesetzt werden. Der Einbindung von WLAN-Geräten in ein Ethernet/IP- oder Profinet-Netzwerk steht somit nichts mehr im Wege. Fazit Drahtlose Netzwerke basierend auf WLAN nach 802.11 stellen zwar das Transportmedium von Ethernet durch die Luft dar. Bei näherer Betrachtung ist lediglich eine vollständige Unterstützung der Protokollstacks von Ethernet I/P und Profinet IO nicht ausreichend, um WLAN sinnvoll im Netzwerk nutzen zu können. Hirschmann ist hier weiter gegangen und stellt verschiedene neue Parameter und Alarme zur Verfügung, um das Netz auf die Eigenheiten von WLAN anpassen zu können. Das eröffnet den Markteintritt für WLAN in all die Bereiche, in denen diese Protokolle eingesetzt werden. Das sind im Bereich der Automatisierung nicht zuletzt die Automobilhersteller.