Warum Industrial Ethernet die optimale Wahl für die Vernetzung von SPS-Automatisierungssystemen ist
Inhaltsverzeichnis
Dieser Beitrag bietet eine gründliche Analyse der drei gängigen SPS-Netzwerkansätze: traditionelle generische serielle Kommunikation, geschlossene proprietäre Feldbusse und offenes, schnelles Industrial Ethernet.
SPS-Netzwerk
Mit zunehmender industrieller Automatisierung wird der eigenständige SPS Das Modell genügt nicht mehr den Anforderungen der Produktionsabläufe der Anlage.
Ein stabiles und effizientes Interaktionsnetzwerk ist von entscheidender Bedeutung, sei es für die Datensynchronisation zwischen SPSen oder für die Zusammenarbeit zwischen SPSen und Hostsystemen (wie z. B. Bediengerät und SCADA) sowie intelligente Geräte (wie Roboter und variable Regelmäßigkeiten) fährt).
Eine zuverlässige Netzwerklösung ist besonders wichtig bei umfangreichen Aufgaben mit verteilten Kontrollpunkten und der Notwendigkeit der Fernsteuerung und -wartung.
Die gängigen Innovationen im Bereich der SPS-Netzwerktechnik lassen sich aktuell in drei Hauptgruppen unterteilen: solche, die auf generischen seriellen Schnittstellen basieren, proprietäre Feldbusse und Standard-Industrial-Ethernet. Jede dieser Strategien hat ihren spezifischen historischen Kontext und ihre Anwendungsszenarien, die Richtung der technischen Entwicklung ist jedoch weitgehend klar.
1. Die Grenzen der generischen seriellen Kommunikation
Die Kommunikation über generische serielle Schnittstellen wie RS-232 oder RS-485 war einer der ersten Netzwerkansätze. Sie verbindet mehrere SPSen mit einem Host-Computersystem über die serielle Kommunikationskomponente der SPS und funktioniert ähnlich wie eine Computerverbindung.
VorteileEs ist einfach zu implementieren und kostengünstig, was es zu einer wirtschaftlich sinnvollen Lösung für Punkt-zu-Punkt- oder kleine Steuerungssysteme mit kurzer Reichweite macht.
NachteileDie Nachteile dieses Ansatzes sind eklatant. Erstens bietet er eine geringe Übertragungsgeschwindigkeit; die Datenrate von RS-232 liegt typischerweise unter 115,2 kbit/s, und obwohl RS-485 etwas schneller ist, reicht dies bei Weitem nicht für die enormen Anforderungen an die Datenübertragung im modernen Industriesektor aus. Zweitens ist die Reichweite gering; die effektive Reichweite von RS-232 beträgt lediglich etwa 15 Meter. Schließlich weist er eine schwache Störfestigkeit und eine komplexe Netzwerkarchitektur auf, insbesondere bei steigender Anzahl von Knoten. Dies erfordert aufwendige Programmierung und Konfiguration und macht das Netzwerk in industriellen Umgebungen anfällig für elektromagnetische Störungen.
Folglich wird die generische serielle Kommunikation heute hauptsächlich zum Anschluss einfacher Hilfsgeräte mit geringen Echtzeitanforderungen verwendet.
2. Anbieterbarrieren: Das Zeitalter proprietärer Feldbusse
Um die Nachteile der seriellen Kommunikation zu beseitigen, führten große SPS-Hersteller wie Siemens und Rockwell Automation ihre eigenen exklusiven Feldbusverfahren ein, wie zum Beispiel PROFIBUS, DeviceNet und CC-Link.
VorteileDie für bestimmte kommerzielle Umgebungen entwickelten proprietären Bussysteme bieten hohe Sicherheit und Echtzeitgenauigkeit und gewährleisten eine zuverlässige Informationsübermittlung innerhalb von Sekundenbruchteilen. Dadurch eignen sie sich hervorragend für Regelungsanwendungen mit strengen Echtzeitanforderungen, wie beispielsweise die Hochgeschwindigkeits-Bewegungssteuerung.
NachteileIhre größten Schwächen sind ihre Exklusivität und die hohen Kosten. Die Busverfahren verschiedener Hersteller sind inkompatibel, was zu einer Abhängigkeit vom jeweiligen Hersteller führt. Sobald eine bestimmte SPS-Marke ausgewählt ist, müssen alle nachfolgenden Entwicklungskomponenten (wie Antriebe und E/A-Komponenten) vom selben Hersteller stammen oder ein kompatibles Verfahren verwenden. Dies schränkt nicht nur die Wahlmöglichkeiten ein, sondern erhöht auch die Gesamtkosten und den Wartungsaufwand des Systems erheblich. Darüber hinaus ist die Integration von Feldbussen in Unternehmensnetzwerke komplex und behindert den reibungslosen Fluss von Produktionsdaten bis zur Managementebene.
3. Der zukünftige Standard: Der Aufstieg von Industrial Ethernet
Mit der zunehmenden Konvergenz von Informationstechnologie (IT) und Betriebstechnologie (OT) hat sich Industrial Ethernet, basierend auf der Standard-Ethernet-Technologie, etabliert. Zu den gängigen Verfahren gehören PROFINET, EtherNet/IP und Modbus TCP. Diese Innovation nutzt das ausgereifte TCP/IP-Protokoll für industrielle Anwendungen und schafft so eine offene, schnelle und skalierbare Kommunikationsplattform.
SystemarchitekturEin typisches industrielles Ethernet-System ist üblicherweise in drei Schichten unterteilt: Die oberste Schicht besteht aus einer Überwachungsstation mit Industrie-PCs oder Servern; die mittlere Schicht ist das Netzwerkgerüst, bestehend aus Industrie-Switches und verdrillten Zweidrahtleitungen oder Glasfasern; die unterste Schicht ist die Steuerstation, die SPSen anschließt. Sensorenund Aktuatoren.
Kernvorteile
Hohe Geschwindigkeit und große BandbreiteIndustrielles Ethernet ermöglicht schnelle Datenübertragungen von 100 Mbit/s, 1 Gbit/s oder sogar mehr und ist in der Lage, verschiedene Datentypen zu übertragen, darunter Steuersignale, Diagnoseinformationen und Videostreams.
Offenheit und InteroperabilitätAuf der Grundlage global anerkannter Ethernet-Kriterien können Geräte verschiedener Hersteller Interoperabilität erreichen, sofern sie genau dem gleichen Industrial-Ethernet-Verfahren folgen. Dadurch werden die Grenzen exklusiver Busse überwunden.
Nahtlose IT/OT-KonvergenzDie Verwendung des TCP/IP-Protokolls ermöglicht die native Integration des Fabriknetzwerks in das Unternehmensnetzwerk (ERP-, MES-Systeme), was für die Implementierung des industriellen Internets der Dinge (IIoT) und der intelligenten Fertigung von grundlegender Bedeutung ist.
Flexibilität und SkalierbarkeitEs unterstützt zahlreiche anpassungsfähige Netzwerk-Topologien wie Stern, Ring und Linie und erleichtert so die Netzwerkvorbereitung und das zukünftige Wachstum.
Leistungsstarke DiagnosefunktionenEs bietet eine umfangreiche Sammlung von Netzwerkdiagnosegeräten, die Fehlerstellen schnell lokalisieren können und so die Wartbarkeit des Systems verbessern.
Auch wenn für den Anschluss herkömmlicher serieller Geräte an ein Ethernet-Netzwerk zunächst Verfahrenskonverter und Hardwarekosten erforderlich sein können, überwiegen die langfristigen Vorteile und die zukünftige Kompatibilität diese anfängliche finanzielle Investition bei Weitem.
Kernnetzwerkmethoden: Eine vergleichende Analyse
Um die Unterschiede zwischen den drei SPS-Netzwerkmethoden noch deutlicher hervorzuheben, bietet die folgende Tabelle einen umfassenden Vergleich:
| Besonderheit | Generische serielle Schnittstelle (z. B. RS-485) | Proprietärer Feldbus (z. B. PROFIBUS DP) | Industrielles Ethernet (z. B. PROFINET/EtherNet/IP) |
|---|---|---|---|
| Kommunikationsgeschwindigkeit | Niedrig (typischerweise < 10 Mbit/s) | Mittel (Bis zu 12 Mbit/s) | Sehr hoch (100 Mbit/s / 1 Gbit/s / höher) |
| Übertragungsdistanz | Mittel (Bis zu ca. 1200 Metern) | Lang (Abhängig von Geschwindigkeit und Kabel) | Sehr lang (100 m mit Kupferleitungen, Dutzende Kilometer mit Glasfaserleitungen) |
| Offenheit | Gut | Mangelhaft (Anbieterabhängigkeit) | Hervorragend (Basierend auf Standard-Ethernet und TCP/IP) |
| Netzwerkkosten | Niedrig | Hoch | Mittel (Die Hardwarekosten sinken weiter) |
| IT-Integrationsfähigkeit | Mangelhaft, benötigt Gateways | Mangelhaft, erfordert komplexe Zugangswege | Hervorragende, nahtlose Integration |
| Echtzeitdeterminismus | Arm | Exzellent | Hervorragend (über Technologien wie RT/IRT) |
| Topologische Flexibilität | Limited (Bus) | Limited (Bus) | Ausgezeichnet (Stern, Ring, Linie usw.) |
| Typische Anwendungen | Kleinskalige, einfache Geräteverbindungen | Produktionsliniensteuerung mit hohen Echtzeitanforderungen | Anlagenweite Automatisierung, intelligente Fertigung, datenintensive Anwendungen |
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Abschluss
Die Analyse zeigt deutlich, dass generische serielle und proprietäre Feldbustechnologien zwar in bestimmten historischen Epochen und Anwendungskontexten eine wichtige Rolle spielten, ihre Grenzen aber in der neuen industriellen Revolution immer deutlicher zutage treten.
Industrial Ethernet hat sich dank seiner außergewöhnlichen Geschwindigkeit, Transparenz, Vielseitigkeit und leistungsstarken IT-Integrationsmöglichkeiten zur ersten Wahl für die Vernetzung von SPS-Automatisierungssystemen entwickelt. Es erfüllt nicht nur die heutigen komplexen Steuerungsanforderungen, sondern ebnet Unternehmen auch den Weg zum industriellen Internet der Dinge (IIoT), Big-Data-Analysen und Cloud-Plattform-Anwendungen. Die Entscheidung für Industrial Ethernet bedeutet ein effizienteres, skalierbareres und zukunftssicheres Automatisierungsdesign.
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