BAT300 mit industriellem Ethernet. (Foto: Belden).
Ethernet ist jedoch nicht immer gleich Ethernet, insbesondere in industriellen Umgebungen, denn neben dem Standard-Ethernet gibt es zwei weit verbreitete Varianten von Industrial Ethernet: Profinet und Ethernet I/P. Diese Varianten sind nun erstmals vollständig in WLAN-Geräte integriert und verbessern so die Integration von WLANs in industrielle Netzwerke weiter.
Da viele industrielle Netzwerke ursprünglich auf Feldbustechnologien basierten, wurden Ethernet-basierte Varianten dieser Feldbusse entwickelt, um die Kompatibilität zwischen neuen und bestehenden Netzwerktechnologien zu gewährleisten. Protokolle wie Ethernet/IP und Profinet dienen der Verbindung von Feldbusgeräten, Steuerungen und Ethernet-Netzwerkkomponenten. Sie sind in Netzwerkkomponenten wie Switches und WLAN-Zugangspunkten erforderlich, damit diese von der Steuerung oder Managementsoftware identifiziert und gesteuert werden können. Aufgrund ihrer Flexibilität und Variabilität lassen sich drahtlose Netzwerke nicht mit denselben Managementmethoden wie kabelgebundene Netzwerke verwalten.
Bisher unterstützte kein WLAN-Gerät auf dem Markt beide Protokolle. Die Integration dieser Protokollstapel macht Hirschmann™ BAT-Geräte daher zur idealen Lösung für ein breites Anwendungsspektrum.
Profinet
Das Profinet-Protokoll wurde ursprünglich von Siemens und den Mitgliedsunternehmen der Profibus User Organization entwickelt. Basierend auf dem Ethernet-TCP/IP-Protokoll erweitert Profinet die Profibus-Technologie für Anwendungen, die eine schnelle Datenkommunikation über Ethernet-Netzwerke in Verbindung mit industriellen IT-Funktionen erfordern. Profinet wird in der Fertigung, der Prozessautomatisierung, in Gebäudeleittechniksystemen und im gesamten Spektrum der Antriebstechnologien, einschließlich synchroner Bewegungssteuerungsanwendungen, eingesetzt. Tatsächlich ist Profinet nach Ethernet/TCP das am zweithäufigsten verwendete Industrieprotokoll und erfüllt vollständig die Normen IEC 61158 und IEC 61784.
BAT MiMo3. (Foto: Belden).
Profinet IO ist im Allgemeinen die am häufigsten verwendete Variante. Diese Profinet-Version dient der Kommunikation zwischen einer Steuerung und dezentralen Geräten in einem Netzwerk. Profinet IO basiert auf dem Profibus-Funktionsmodell und nutzt Fast-Ethernet-Technologie als physikalisches Übertragungsmedium. Daher können in Profinet-Umgebungen auch herkömmliche WLAN- oder Ethernet-Geräte eingesetzt werden: Die Übertragung von Ethernet-Paketen erfolgt stets transparent. Das Profinet-System ist für die schnelle Übertragung von Ein-/Ausgabedaten (E/A) sowie von kritischen Maschinendaten, Parametern und IT-Funktionen in Echtzeit ausgelegt. Netzwerkkomponenten, die diese Daten und Funktionen nicht auswerten können und nicht auf Anfragen von Profinet-I/O-fähigen Netzwerkkomponenten (z. B. SPS) reagieren, sind für den Netzwerkadministrator praktisch unsichtbar und somit nicht verwaltbar.
Mit Profinet werden Netzwerkkomponenten über eine Gerätebeschreibung in das Entwicklungswerkzeug integriert. Die Geräteattribute (Profinet IO-Gerät) werden vom Hersteller in einer GSD-Datei beschrieben. Peripheriesignale von Netzwerkgeräten werden zyklisch vom SPS gelesen, dort verarbeitet und anschließend an die Geräte zurückgesendet. Neben dem zyklischen Austausch von Nutzdaten bietet Profinet auch zusätzliche Funktionen zur Übertragung von Diagnosedaten, Parametereinstellungen und Alarmen und unterstützt Echtzeitfunktionen.
WLAN-Anwendung in einer Windkraftanlage. (Foto: Belden).
Ethernet/IP
Ethernet/IP ist ein industrielles Kommunikationsnetzwerk, das auf der Ethernet-Technologie sowie den Transportprotokollen TCP/IP und UDP/IP basiert. Das bedeutet, dass Ethernet-fähige Geräte – wie zuvor Profinet – auch mit Ethernet/IP verwendet werden können. Aktuell belegt Ethernet/IP den dritten Platz unter den am häufigsten verwendeten Industrieprotokollen.
Wie Profinet IO erweitert Ethernet/IP Ethernet um ein Industrieprotokoll namens Common Industrial Protocol (CIP), das als Anwendungsschicht für Automatisierungsanwendungen dient. Zu den Funktionen dieses Protokolls gehören die Datenerfassung von vernetzten Arbeitsstationen, die Online-Systemkonfiguration und -programmierung sowie die Echtzeitsteuerung von Peripherie- und Feldgeräten über Ethernet. CIP fungiert als Anwendungsschicht und wird in drei offenen Bussystemen eingesetzt: Ethernet/IP, ControlNet und DeviceNet. Dieses Protokoll verwendet implizite Ein-/Ausgabenachrichten und individuelle Abfrage-/Antworttelegramme für Konfiguration und Datenerfassung (explizite Nachrichten).
Die Pflege und Weiterentwicklung des CIP-Protokolls erfolgt gemeinsam durch die Open DeviceNet Vendors Association (ODVA, www.odva.org) und ControlNet International (www.controlnet.org).
Exklusive Funktionen eines WLANs
Wie bereits erwähnt, kann ein drahtloses Netzwerk nicht mit einem kabelgebundenen Netzwerk gleichgesetzt werden, da es naturgemäß variabel ist. Netzwerkclients, also Benutzer, wechseln ihren Standort und nutzen verschiedene Zugangspunkte, wodurch sich die Netzwerktopologie ständig ändert. Selbst bei festen drahtlosen Installationen, wie beispielsweise Gebäuden mit Punkt-zu-Punkt-Funkverbindung, sind die Verbindungsparameter nicht immer stabil. Wetterbedingungen, Störungen (nicht nur durch Radar) oder einfache mechanische Veränderungen, wie etwa durch starken Wind verursachte Antennenverschiebungen, können Schwankungen der Übertragungsgeschwindigkeit und Datenübertragungsrate sowie mögliche Kanalwechsel usw. verursachen. Ein entscheidender Parameter, insbesondere in Profinet- und Ethernet/IP-basierten Netzwerken, ist die tatsächliche Übertragungszeit (der Durchsatz).
Drahtlose Netzwerke können naturgemäß nicht die geringe Latenz einfacher Kabelverbindungen erreichen. Ein optimal konfiguriertes 802.11n-WLAN erzielt eine ähnliche Latenz wie kabelgebundenes Fast Ethernet.
Die MAC-Schicht des WLANs ist so konzipiert, dass Pakete nicht wahllos gesendet werden können: Jeder andere Benutzer im Netzwerk muss zuerst berücksichtigt werden, und gegebenenfalls muss das Paket warten. Daher kann eine geringe Latenz nicht für alle übertragenen Pakete garantiert werden. Dies ist bei Kabelverbindungen nicht der Fall, da diese nur zwei Enden haben, während drahtlose Netzwerke viele „Endpunkte“ aufweisen und alle Benutzer berücksichtigt werden müssen.
Profinet im Automobilsektor. (Foto: Belden).
Diese Aspekte müssen auch in Profinet- und Ethernet/IP-Netzwerken berücksichtigt werden. Weder Profinet IO noch CIP sind für WLANs geeignet. Bisher fehlten geeignete Parameter, weshalb WLAN-Geräte in diesen Netzwerken entweder komplett ignoriert wurden (sie sind für die SPS oder die SPS nicht sichtbar) oder falsch verwaltet wurden.
Implementierung von CIP und PNIO in WLAN-Geräten
Die Integration von WLAN-Geräten in diese Netzwerke erfordert weit mehr als die bloße Installation der Software. Eine Liste neuer Parameter ermöglicht nun die Steuerung der WLAN-Verbindung. So kann der Controller optimal auf die effiziente Kommunikation mit den drahtlosen Geräten im Netzwerk eingestellt und deren Latenz berücksichtigt werden. Darüber hinaus lässt sich der Controller so programmieren, dass er auf unerwartete Ereignisse im WLAN-Netzwerk reagiert. Verschiedene Schwellenwerte können definiert werden, um Alarme auszulösen, beispielsweise wenn die Verbindungsqualität unter einen festgelegten Wert fällt.
Hirschmann™ BAT-Geräte unterstützen nun auch die typische Management-Software, die in industriellen Ethernet-Umgebungen weit verbreitet ist. Das bedeutet, dass der Integration von WLAN-Geräten in Ethernet I/P- oder Profinet-Netzwerke nichts mehr im Wege steht.
Abschluss
Drahtlose Netzwerke auf Basis von 802.11-konformen WLANs ermöglichen die drahtlose Übertragung von Ethernet. Eine genauere Betrachtung zeigt jedoch, dass die reine Unterstützung der Ethernet-I/P- und Profinet-IO-Protokollstacks für den effektiven Einsatz von WLANs in Netzwerken nicht ausreicht. Hirschmann™, ein Pionier auf diesem Gebiet, hat daher ein umfassendes Angebot an neuen Parametern und Alarmen entwickelt, die die Anpassung von Netzwerken an die spezifischen Eigenschaften von WLANs erleichtern. Dies eröffnet neue Marktchancen für WLANs in allen Anwendungsbereichen dieser Protokolle – eine besonders wichtige Entwicklung für die Automatisierungs- und Automobilindustrie, zwei Eckpfeiler der deutschen Wirtschaft.
Autor:
Autor: Olaf Schilperoort
Hirschmann Automation and Control GmbH, Neckartenzlingen
