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Ratgeber

Industrial Ethernet: Das Kommunikationssystem für den Produktionssektor

Industrial Ethernet ist eine Weiterentwicklung des bewährten Ethernet-Standards für die Automatisierung von Produktionsketten.

Das Schlagwort Industrial Ethernet dient dabei als Oberbegriff für verschiedene Netzwerkprotokolle (Ethernet-Protokolle), die speziell für die Anforderungen an eine reibungslose Datenübertragung in Automatisierungs- und Produktionsnetzwerken im industriellen Umfeld optimiert wurden: Taktsynchronität, Robustheit, Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit.

Doch was genau ist der Industrial-Ethernet-Standard? In diesem Leitfaden erfahren Sie, in welchen Industriebereichen Sie von Industrial Ethernet profitieren können und welche Besonderheiten bei der Industrial-Ethernet-Technologie zu beachten sind.



Warum Industrieautomatisierung ein eigenes Ethernet braucht

Ethernet-Standard

Industrial Ethernet hat sich im Zuge der Industrie 4.0 zu einer festen Größe bei der Produktionsautomatisierung entwickelt. Wie das namensgebende Wort Ethernet schon vermuten lässt, basieren die Protokolle auf dem Ethernet-Standard, der ursprünglich für die Datenübertragung in Büronetzwerken konzipiert wurde.

Ethernet ist ein weit verbreitetes Kommunikationsprotokoll für lokale Netzwerke (LANs), das Daten in Paketen überträgt. Das Industrial Ethernet fokussiert sich auf industrielle Anwendungen und die dort nötige hohe Zuverlässigkeit, Echtzeitfähigkeit und Fehlertoleranz, während Fast Ethernet für Büro- und Heimanwendungen vor allem eine hohe Bandbreite durch Full-Duplex-Übertragung und Flexibilität sowie Wireless bietet.


Arbeitsumgebung

Die Übertragung von Datenpaketen in klassischen Büroumgebungen ist wenig zeit- und störungskritisch. Ob ein über Ethernet an den Drucker gesendetes Dokument sofort oder erst einige Augenblicke später ausgedruckt wird, spielt für den Arbeitsablauf im Büro keine entscheidende Rolle.

Ebenso ist es unproblematisch, wenn Nachrichten aufgrund hoher Netzauslastung leicht verzögert zugestellt werden oder auch einmal verloren gehen: In diesem Fall sendet der Benutzer die Nachricht oder den Druckauftrag einfach erneut.

Ganz anders verhält es sich beim Senden und Empfangen von Datenpaketen in rauer Industrieumgebung, zum Beispiel in einer Spritzgussanlage:
Hier können schon minimale Verzögerungen bei der Aufbereitung der Formmasse aus Kunststoffgranulat oder bei der Temperierung der Spritzgussformen zu massiven Problemen in der Produktion führen.

Zwar kann das Automatisierungsnetzwerk oder ein Mitarbeiter der Qualitätssicherung den Prozess kurzzeitig stoppen, dies ist jedoch mit Produktionsausfällen und zum Teil hohen Kosten verbunden.



Was zeichnet das Industrial Ethernet aus?

Kommunikation und Protokolle

Um den speziellen Anforderungen von Automatisierungsanwendungen und Fertigungssystemen gerecht zu werden, ist eine zuverlässige Kommunikation zwischen den Komponenten einer Anlage oder Maschine erforderlich.
Dazu nutzt Industrial Ethernet zwar die gleiche physikalische Schicht wie klassisches Ethernet, also Kabel, Stecker und Switches, modifiziert aber die Protokolle der höheren Schichten.

Hier kommen Industrial-Ethernet-Protokolle wie Profinet, EtherCAT, EtherNet/IP oder Ethernet Powerlink zum Einsatz.
Dabei handelt es sich um deterministische Protokolle, die eine hohe Fehlertoleranz bieten und für jedes Datenpaket eine feste Übertragungszeit garantieren.

Standard-Ethernet verwendet nicht-deterministische Protokolle, die je nach Netzauslastung und auftretenden Kollisionen unterschiedliche Übertragungszeiten haben.
Dies kann zu Verzögerungen oder Datenverlusten führen – die für industrielle Automatisierungs- und Fertigungsanwendungen inakzeptabel sind.


Übertragung in Echtzeit

Die Übertragung wichtiger Produktionsdaten in Echtzeit (Stichwort: Real-Time-Ethernet) ist das prägende Merkmal der Industrial-Ethernet-Kommunikation.

Industrielle Netzwerke müssen zeitkritische Daten wie Steuerungs- oder Messsignale innerhalb einer definierten Zeitspanne übertragen, die je nach Anwendung im Bereich von Millisekunden bis Mikrosekunden liegt.

Dabei muss das Netzwerk den Datenfluss steuern, Kollisionen vermeiden und Fehler sofort korrigieren.
Nur so ist eine präzise Steuerung von Produktionsprozessen in der Automobilindustrie, der Verkehrstechnik, der Energieversorgung oder der Lebensmittelindustrie überhaupt möglich.



Weitere Unterschiede zwischen Industrial Ethernet und Ethernet

Die Übertragungsgeschwindigkeit von Industrial Ethernet liegt in der Regel zwischen 10 Megabit pro Sekunde und 1 Gigabit pro Sekunde. Die Datenübertragung kann über Lichtwellenleiter oder Ethernetkabel auf Kupferbasis erfolgen.
Die verwendeten Protokolle stellen sicher, dass dabei keine unerwarteten Schwankungen in der Übertragungszeit oder der Reihenfolge der Datenpakete auftreten. Weitere wichtige Anforderungen an die Datenübertragung im Industrieumfeld sind:

Interoperabilität

Unterschiedliche Geräte, Komponenten und Systeme müssen innerhalb einer Anlage sicher zusammenarbeiten können. Dies erfordert gemeinsame Standards auf den einzelnen Netzwerkschichten.

 Hohe Verfügbarkeit

Ethernet-Lösungen für Industrie und Automatisierungstechnik garantieren eine hohe Verfügbarkeit, so dass es weder zu Verzögerungen noch zu Ausfällen kommt, die die Produktion beeinträchtigen könnten.

Hohe Zuverlässigkeit

Datenpakete sollen auch in rauer Umgebung mit Einflüssen von Staub, Feuchtigkeit, Dämpfen und elektromagnetischen Feldern störungsfrei übermittelt werden.



Auf welche Eigenschaften kommt es bei Industrial-Ethernet-Komponenten an?

Soll auch Ihr Unternehmen bei der Automation von Industrial Ethernet profitieren, benötigen Sie Netzwerkkomponenten wie Switches und Kabel, die auf einen industriellen Einsatz ausgelegt sind. Hier die wichtigsten Produkte:

Industrial Ethernet Switches

Ein Industrial Ethernet Switch ist die Industrieversion des Ethernet Switch. Solche Switches verbinden die Netzwerksegmente, Sensoren, Aktoren und Steuerrechner miteinander.

Überlegen Sie sich vor dem Kauf, ob Sie einen Switch mit kompaktem Gehäuse für die Hutschienenmontage oder ein 19-Zoll-Modell benötigen. 
Achten Sie auf die Anzahl der Ports: Es gibt verschiedenen Ausführungen und Konfigurationen, die jeweils einen bestimmten Zweck erfüllen: RJ45 Port, SFP Port, SFP+ Port, QSFP+ Port, Access Port, Trunk Port, Hybrid Port und so weiter.

Abhängig von Ihren Anforderungen können Industrial Ethernet Switches managed oder unmanaged sein. Ein Managed Switch verfügt über eine Bedienoberfläche per Web-Server und lässt sich individuell konfigurieren, verwalten und überwachen.

Aufgrund der besseren Kontrolle wird in Unternehmen häufig ein Managed Switch bevorzugt. Switches mit Slots (Steckplätzen) sind erweiterbar. In den Slot des Switches können je nach Bedarf Module eingesetzt werden.


Industrial Ethernet Kabel

Datenkabel auf Kupfer- oder Glasfaserbasis für den Aufbau einer strukturierten Industrieverkabelung über Switches sind für die sichere Übertragung von Daten und Strom (Switches mit Power over Ethernet) ausgelegt.
Sie werden als Meterware und Patchkabel mit RJ45 angeboten und zeichnen sich durch ihre elektromagnetische Störfestigkeit aus.

Industrial Ethernet Steckverbinder

Vorkonfektionierte Steckverbinder für Kupferkabel (RJ45) und Lichtwellenleiter ermöglichen die schnelle Verbindung von Geräten mit den Switches von industriellen Anlagen und sorgen dort für eine zuverlässige Datenübertragung.


Unser Praxistipp: Switches mit Power over Ethernet

Switches mit Power over Ethernet (PoE) ermöglichen die Spannungsversorgung der angeschlossenen Geräte flexibel über das Netzwerkkabel und RJ45-Steckverbindungen. Dazu werden Industrial Ethernet PoE Switches benötigt, die den Strom an den Ports des Switches zur Verfügung stellen. Auf separate Netzteile und Schnittstellen kann durch POE verzichtet werden, was die Verkabelung vereinfacht.



Wo liegen die Vorteile von Industrial Ethernet gegenüber Feldbussen?

Die meisten vernetzten Automatisierungs- und Industrieanlagen nutzen traditionell Feldbusse für den Datenaustausch von Prozessinformationen, Steuersignalen und Diagnosedaten. Der Feldbus verbindet Sensoren und Aktoren mit dem Steuerungsrechner.
Mit Industrial Ethernet steht dem Anlagenbauer ein weiteres modernes Bussystem für die industrielle Kommunikation zur Verfügung, quasi ein Feldbus auf Ethernet-Basis.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Feldbuslösungen kann Industrial Ethernet Echtzeitdaten und IT-Daten parallel, zeitgleich, mit hoher Performance und in größerer Menge über ein gemeinsames Medium übertragen. Dabei können beliebig viele Geräte gleichberechtigt adressiert und unterschiedliche Übertragungsmedien wie Kabel und Lichtwellenleiter kombiniert werden.



Gibt es industrielle Ethernet-Netzwerke auch wireless?

Die fehlersichere Übertragung von Echtzeitdaten in Automatisierungsnetzwerken erfolgt aus Sicherheitsgründen vornehmlich über kabelgebundene Verbindungen. Wo Ethernet-Kabel aus räumlichen oder funktionalen Gründen nicht möglich sind und dennoch eine sichere Kommunikation gefordert ist, vernetzt Industrial Wireless (WLAN für Industrieanwendungen) Aktoren, Sensoren und Geräte drahtlos miteinander. Das Routing der Wireless-Daten läuft bei diesem kabellosen Echtzeit-Ethernet über einen Industrial Ethernet Switch.