Industrial Ethernet als Alternative

Der Switch macht den Determinismus

10. März 2020, 14:30 Uhr   |  Von Rich Miron, Applications Engineer bei Digi-Key Electronics

Der Switch macht den Determinismus
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Rich Miron, Applications Engineer bei Digi-Key Electronics

Sobald in der Industrie Determinismus gefordert ist, reicht Standard-Ethernet mit TCP/IP nicht mehr aus. Gefordert sind dann Industrial-Ethernet-Standards wie Profinet IRT und intelligente Ethernet Switches anstelle von Hubs. Aber was müssen die Switches leisten, um Determinismus sicherzustellen?

Ethernet ist der meistverwendete Standard für kabelgebundene lokale Netzwerke (LAN) und Weitbereichsnetzwerke (WAN). Die Kommunikation über Standard-Ethernet erscheint meist verzögerungsfrei, doch in Wirklichkeit gibt es keine Garantie, dass die Datenpakete im Netzwerk innerhalb eines festgelegten Zeitraums am Empfänger-Port ankommen.

Der fehlende Determinismus kann in industriellen Anwendungen problematisch sein, wenn eine verzögerte Nachricht dazu führt, dass eine Fertigungslinie angehalten werden muss oder Beschäftigte verletzt werden. Für den erforderlichen Determinismus lässt sich eine abgeänderte Variante nutzen: Industrial Ethernet.

Doch welche Elemente sind für Industrial Ethernet entscheidend? Eine wichtige Rolle spielen die Netzwerk-Switches. Im Folgenden werden zwei Ethernet Switches von Delta Electronics betrachtet, die sich als Grundlage für ein deterministisches Industrial-Ethernet-Netzwerk nutzen lassen.

Delta Electronics
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Der Industrial Ethernet Switch DVS-005W01 von Delta Electronics unterstützt fünf Ethernet Ports und entspricht der Schutzart IP40.

Notwendiger Determinismus im Ethernet

Ethernet ist ein Standard für physikalische Netzwerke, der festlegt, welche physischen Kabel und Verbinder zur Übertragung von Datenpaketen in einem Netzwerk genutzt werden. Standard-Ethernet verwendet die TCP/IP-Protokolle, um festzulegen, wie Daten zwischen Geräten im Netzwerk ausgetauscht werden. Doch selbst in einem lokalen Netzwerk ist TCP/IP nicht deterministisch und kann Verzögerungen von bis zu mehreren 100 ms verursachen. Bei lokalen Netzwerken in Industrieanlagen, die industrielle Automatisierungssysteme verbinden, ist das inakzeptabel. Diese Systeme sind häufig davon abhängig, dass Pakete oder Meldungen innerhalb eines festgelegten Zeitfensters eintreffen, und benötigen Reaktionszeiten von höchstens 10 ms, in Extremfällen sogar schneller als 1 ms.

Ein weiteres beliebtes Ethernet-Frame-Format (auch Kommunikationsprotokoll genannt), das in Industrienetzwerken zum Einsatz kommt, ist Profinet. Es wurde als vereinfachte Alternative zu vollem TCP/IP entwickelt. Die Echtzeitversion Profinet RT priorisiert Daten, sodass sich Meldungen für die Prozesssteuerung mit hoher Priorität und unter strengeren Zeitvorgaben übertragen lassen. Statusmeldungen, die weniger zeitkritisch sind, würden eine geringere Priorität erhalten. Allerdings ist auch Profibus RT nicht deterministisch. Um Determinismus zu ermöglichen, wurde eine isochrone Version von Profinet RT entwickelt: Profinet IRT (Isochronous Real-Time).

Profinet IRT erreicht den Determinismus, indem die Netzwerkbandbreite mit festen Zeitfenstern belegt wird: Die IRT-Daten nutzen das eine Zeitfenster, die RT- und IP-Daten das andere. So lassen sich Geräte am IRT-Zeitfenster so takten, dass sie Daten deterministisch empfangen.

Dabei darf Folgendes nicht vergessen werden: Wenn ein Industrial-Ethernet-Netzwerk auf einem deterministischen Kommunikationsprotokoll wie Profinet IRT beruht, müssen alle mit dem Netzwerk verbundenen Geräte auch mit Profinet IRT kompatibel sein. Aus diesem Grunde funktionieren typische TCP/IP-Geräte wie IP-Kameras und Hardware-Firewalls in diesem Netzwerk nicht. Dadurch entsteht eine Sicherheitsschicht, denn die Beschäftigten werden daran gehindert, unzulässige Geräte über das Netzwerk zu betreiben.

Vom Ethernet Hub zum robusten Switch

Ein Ethernet Hub fungiert als Repeater und macht das Netzwerk damit nichtdeterministisch. Datenpakete von einem einzelnen Port werden an alle anderen Ports im Netzwerk des Hub gesendet. Wenn also 25 Ports mit dem Hub verbunden sind und Port 3 ein Datenpaket verschickt, das für Port 22 bestimmt ist, sendet der Hub die Datenpakete nicht nur an Port 22, sondern an alle Ports. Weil alle Ports, die mit dem Hub verbunden sind, dieselbe Bandbreite nutzen, konkurrieren sie um die Bandbreite. Dadurch erhöht sich die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen, wodurch die Pakete verzögert werden und kein Determinismus möglich ist. Darüber hinaus kann der Hub wegen dieses Aufbaus einzelne Meldungen nur nacheinander versenden. Wenn ein anderer Port Daten senden will, muss er warten, bis das Netzwerk wieder frei ist. Daher sind Ethernet Hubs grundsätzlich nichtdeterministisch.

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2. Ethernet auf Hutschienen

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