Ethernet für industrielle I/O: Vorteile, Nachteile & wichtige Designaspekte

Industrielle Ein-/Ausgabe-Geräte (I/O) bilden das zentrale Nervensystem vieler moderner Maschinen und damit ganzer Industrieanlagen. In den letzten zehn Jahren war der Einsatz von Ethernet als physikalische Schicht einer der wichtigsten Fortschritte im industriellen Automatisierungsdesign für Feldbus-I/O-Geräte.

Modernes EtherNet/IP (Ethernet Industrial Protocol) kombiniert traditionelles Ethernet mit einer industriellen Anwendungsschicht, die auf industrielle Automatisierung abzielt. Es wurde entwickelt, um die Mängel des traditionellen IEEE zu überwinden, das zwei große Probleme hatte:

1. Traditionelles IEEE war nicht geeignet, alle komplexen, datenintensiven Prozesse moderner Automatisierung zu bewältigen. Es nutzt diverse Standards, die I/O-Wartung und -Nutzung erschweren.
2. Früher schufen Feldbusorganisationen eigene Standards für Stecker, Protokolle und Stacks. Heute kann die physikalische Schicht von breit aufgestellten internationalen Standardisierungsorganisationen verwaltet werden, die Ethernet-Standards für Industrie, Büro und Consumer-Umgebungen festlegen.

Die Verbindung von I/O-Geräten über Ethernet zur Fernsteuerung, Datenerfassung und Statusüberwachung hat vielen Anlagen ermöglicht, Zuverlässigkeit, Konsistenz und Effizienz zu verbessern. I/O-Ethernet kann auch für Anlagen eine bedeutende Rolle spielen, die ihre Linien und Automatisierungsprozesse modernisieren wollen.

Doch wie bei jeder Technologie gibt es Vor- und Nachteile beim Einsatz von Ethernet im industriellen Automatisierungsdesign. Um Ihnen eine fundierte Entscheidung zu ermöglichen, haben wir die wichtigsten Punkte für I/O-Ethernet unten zusammengefasst:

• Vorteile
• Nachteile
• Ethernet vs. Alternativen
• Best Practices

VORTEILE von Ethernet für I/O

Netzwerkbasierte I/O über Ethernet bietet verbesserte Performance, flexible Topologie, einfachere Konfiguration und weitere Vorteile.

1. Schnellere Verarbeitung – Ethernet I/O ermöglicht Echtzeit-Updates in unter einer Millisekunde. Höhere Verarbeitungsgeschwindigkeiten schaffen Effizienz bei Datenerfassung und -analyse, ein entscheidender Baustein für datenintensive industrielle Automatisierung.
2. Standardisierte offene Kommunikationsprotokolle für industrielles Automatisierungsdesign – Ethernet wird mit quelloffenen Standardprotokollen wie EtherCAT, Profinet, EtherNet/IP, Powerlink u. a. kombiniert. Alle lassen sich leicht in viele Geräte einbinden: Antriebe, Encoder, industrielle Steuerungen im I/O-Netzwerk. Da Feldbusse offener und abhängiger von bekannten physikalischen Technologien wie Ethernet geworden sind, haben sich I/O-Netzwerk-Aktualisierungsraten so weit erhöht, dass sie mit Echtzeitereignissen im Steuerungssystem Schritt halten können.
3. Weniger Kupfer – Geringere Kosten – Früher erforderte IEEE-Vernetzung erhebliche Mengen Kupferverkabelung für industrielle Geräte. Heute erfordert der Anschluss von I/O-Geräten an den Controller nur die I/O-Netzwerkverbindung, Steuerstrom und bei leistungsstarken Geräten Drehstrom. Dies eliminiert Erdschleifen und Kabelsalat. Stattdessen verbindet ein Standardkabel den Controller mit dem industriellen Betriebssystem, das weit vom Controller entfernt und verteilt sein kann.
4. Schutz vor Plattformveralterung – Da Ethernet für praktisch jede Hardwareplattform verfügbar ist, ist es an keinen einzelnen Hersteller oder Geräteklasse gebunden. Es wird voraussichtlich weiterhin funktionieren und bietet eine zukunftssichere Investition in Konnektivität, was auch die langfristige Sicherheit stärkt.
5. Zuverlässigkeit – Ethernet I/O arbeitet zuverlässig in rauen Umgebungen wie Solarkraftwerken, Öl- & Gas-Raffinerien, Eisenbahnen, Windkraftanlagen und sogar maritimen Einrichtungen. Die Chancen stehen gut, dass industrielles Automatisierungsdesign mit Ethernet I/O den anspruchsvollen Anforderungen Ihrer Produktionsumgebung gerecht wird.
6. Gemeinsame, zertifizierte Standards & breite Herstellerunterstützung – Industrial Ethernet nutzt Transport- und Steuerprotokolle des traditionellen Ethernet sowie Medienzugriffs- und Signalisierungstechnologien handelsüblicher Ethernet-Interfacekarten. Es ist ein robuster, zertifizierbarer Standard, der große Flexibilität bei der Gerätenutzung erlaubt und gleichzeitig sicherstellt, dass Geräte von EtherNet/IP-Testlabors zertifiziert, getestet und freigegeben sind. Der Kern von EtherNet/IP ist das Control and Information Protocol (CIP), das in ControlNet, DeviceNet und CompoNet verwendet wird. Dieser Standard organisiert vernetzte Geräte als Objektsammlung, definiert Zugriff, Objektverhalten und Erweiterungen. Dies ermöglicht Zugriff auf eine riesige Geräterange über einen gemeinsamen Mechanismus, und da es ein so weit verbreiteter Standard ist – jede Industrie nutzt Ethernet – gibt es umfangreiche Herstellerunterstützung für fast jeden I/O-Gerätetyp.
7. Einfache, schnelle Einrichtung – Ethernet bietet Produzenten mehr Optionen: Safety, Fieldbus, weniger Programmierung oder Webserver. Es ermöglicht Anlagen, zwischen Protokollen zu wechseln oder erstmals einen Fieldbus per Plug-and-Play einzuführen. Viele Produkte sind selbstkonfigurierend, da sie das Masterprotokoll automatisch erkennen.
8. Weitere Vorteile – Zusätzliche kleinere Vorteile: Einzelne (oder doppelte für Hochverfügbarkeit) Verbindung für Netzwerk- und Storage-I/O; Stromreduzierung, effizientere Kühlung und Flächennutzung sowie nachhaltigere Werksumgebung; Server-Performanceverbesserungen, Maximierung von PCI- und Mezzanine-Slots; Bessere Skalierbarkeit der I/O-Kapazität für High-Performance- und Cluster-Anwendungen.

Nachteile von Ethernet für I/O

Nach der ausführlichen Darstellung der Vorteile besprechen wir nun die größten Nachteile:

• Bandbreitenbeschränkungen – Ethernet I/O hat begrenzte Bandbreite. Viele SPS können nur Paketgrößen von ca. 500 Bytes bewegen, was manchmal ein erhebliches Hindernis darstellen und Operationen verlangsamen kann.
• Verarbeitung wird durch TCP/IP-Layer aufgezehrt – EtherNet/IP ist ein Anwendungsschichtprotokoll, das in einem TCP/IP-Paket übertragen wird. Das bedeutet, dass erhebliche Prozessorbandbreite für die Verarbeitung der TCP/IP-Layer aufgewendet wird, was die Performance wieder verlangsamt.
• Keine Informationsmodellierung – Mit Ethernet gibt es keine echte Informationsmodellierung. Man kann Objekte mit Attributen erstellen, aber diese nicht zu Hierarchien verknüpfen. Dies kann Herausforderungen in realen Implementierungen schaffen.
• Gerätevariation – Es gibt begrenzte Funktionalität von Ethernet mit bestimmten Controllern, sodass man bei der Geräteauswahl vorsichtig sein muss.
• Überdimensioniert – In vielen Fällen eignet sich Ethernet am besten für diskrete Steuerungsanwendungen. Es kann in Prozesssteuerungsszenarien funktionieren, ist aber oft eine überdimensionierte Lösung, die unnötig Budget verbraucht. Praktikablere, kostengünstigere Lösungen existieren.
• Diagnose – Generische Diagnosefunktionen sind nicht in alle Ethernet-Geräte eingebaut. Jedes Gerät benötigt möglicherweise eine eigene kundenspezifische Diagnose, was viel Zeit in Anspruch nehmen kann.

Vergleich von Ethernet mit anderen Technologien

Wesentliche Punkte für den Umstieg

Beim Übergang zu Ethernet I/O ist es kritisch, eine breite Palette an Features zu bewerten, um die richtige Ethernet-Art zu wählen. Berücksichtigen Sie folgende Ethernet-I/O-Architekturen:

• Ethernet-pro-Modul-Systeme
• Modul-Trägersysteme
• Stern-Cluster-Systeme

Essentielle Features

Abgesehen von der Architektur hat jedes Ethernet I/O wichtige funktionale Features, die bewertet werden müssen. Jedes industrielle I/O muss ein gewisses Maß an Unterstützung für folgende gängige Funktionen bieten:

• Leistungsüberwachung
• Leistungsverteilung
• Verriegelungsunterstützung
• Umweltschutz

Wir können helfen

Die Wahl des Ethernet-Protokolls hängt von vielen Faktoren ab. Meistens bestimmen die in Ihrer Anlage eingesetzten SPS und Ihre Kundenanforderungen die Entscheidung. Wenn Sie Siemens nutzen, sind Profibus DP oder Profinet IO oft die besten Optionen. Bei Rockwell ControlLogix oder CompactLogix sind EtherNet/IP oder DeviceNet die ersten Wahl. Ihre Anwendungsanforderungen und die bestehende Infrastruktur treiben die Entscheidungsfindung.

Bei EPIC verfügen wir über tiefe Expertise über eine breite Palette von Systemen und Technologien und haben weltweit Anlagen unterstützt. Wenn Sie Expertenhilfe bei der Auswahl der besten Technologien für Ihr industrielles Automatisierungsdesign benötigen, können wir helfen.

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