Ethernet auf Maschinenebene Device-Level-Ring-Technologie zur gesicherten Kommunikation

Ethernet wird heute oft anstelle von klassischen Feldbussystemen wie DeviceNet, Profibus DP oder Interbus-S als Sensor/Aktor-Kommunikationskanal an Steuerungssystemen in Fertigungslinien, Maschinen und Maschinenteilen eingesetzt. Dabei eignet sich die Device-Level-Ring-Topologie sehr gut dazu, die Ausfallsicherheit eines einfach zu installierenden Ethernet-Netzwerks zu erhöhen.

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SAB Bröckskes GmbH & Co KG

FAULHABER Antriebssysteme

PEAK-System Technik GmbH

Rockwell Automation GmbH

Der Aufbau der erforderlichen Kommunikationswege bei der Installation eines Ethernet-Netzwerkes ist jedoch nicht immer ganz unkompliziert. Die Kommunikation muss abgesichert werden, um die Verbindungen von der Steuerung zum Feldgerät zu erhalten. Nicht unterschätzen darf man auch die Anzahl und Länge der Kabel sowie die Kosten für die Installation und Instandhaltung eines solchen Aufbaus, natürlich in Abhängigkeit von der Linien-/Maschinengröße.

Um den Datenaustausch zwischen Endgeräten ermöglichen, klassifiziert man die Verbindungen dieser Geräte untereinander bzw. deren Verbindungsstruktur in so genannte Topologien. Dabei unterscheidet man zwischen einer logischen Struktur, die dem Datenfluss gerecht wird, und der Struktur der Verkabelung, dem sogenannten physikalischen Aufbau. Besondere Berücksichtigung gilt dem Schutz vor Verbindungsausfällen, da diese speziell in Fertigungsumgebungen mit hohen Kosten verbunden sind.

Sterntopologie mit hohem Installationsaufwand

Traditionell werden produktionsnahe Ethernet-Netze als physikalischer und logischer Stern aufgebaut. Hierbei sind alle Geräte über einen Sternpunkt miteinander verknüpft, d.h. nicht direkt miteinander verbunden. Der Ausfall eines Teilnehmers zieht deshalb nicht den Ausfall weiterer Geräte mit sich. Fällt jedoch der Sternpunkt aus, üblicherweise ein Industrie-Switch, kann keine Kommunikation zwischen Steuerung und Feldgerät mehr stattfinden. Hier gilt es dann, das Gerät auf schnellstem Wege auszutauschen, will man die Ausfallzeit so gering wie möglich halten. Bei modernen Switches wie dem von Rockwell Automation und Cisco Systems entwickelten Stratix 8000 beschränkt sich das rein auf die Hardware. Die Konfigurationsdaten liegen nämlich auf einer austauschbaren Speicherkarte, die lediglich vom defekten in das neue Gerät gewechselt wird. Dieses startet nach dem Einschalten dann gleich mit dem bekannten Set-up. Sternförmig aufgebaute Netze lassen sich bei entsprechender Auswahl des zentralen Switches einfach erweitern, indem man zusätzliche Geräte an einen freien Port des Switch anschließt.

Der Nachteil dieser Topologie liegt im Installationsaufwand bei der Verkabelung, der insbesondere bei großen Maschinen oder Linien ins Gewicht fällt. Selbiges gilt auch für den Austausch von Kabeln im Rahmen von Instandhaltungsarbeiten oder die Erweiterung des Netzwerks mit zusätzlichen Teilnehmern.

Bustopologie / linearer Netzaufbau

Eine Alternative zu dieser Art der Verkabelung ist die lineare Verbindung der Teilnehmer untereinander. Bei dieser Busstruktur oder Bus-/Linientopologie sind die Teilnehmer direkt über T-Anschlüsse mit dem Bus verbunden. Die Verkabelung wird direkt von Teilnehmer zu Teilnehmer bzw. zu dessen T-Abgang geschleift (Daisy Chain) und läuft nicht mehr über einen zentralen Switch. Durch simples Auftrennen der Strecke und Einfügen eines neuen Teilnehmers lässt sich das Netzwerk jederzeit erweitern. Kabel lassen sich bei großen Maschinen oder Linien einfacher ersetzen.

Einfach wird es, wenn die T-Switches direkt in die Netzwerkteilnehmer integriert werden. Dadurch verringert sich die Zahl der Komponenten bei der Installation, die Zahl der Klemmstellen sowie der Installations- und Wartungsaufwand. Auf vielen seiner EtherNet/IP E/A-Adapter hat Rockwell Automation diese T-Anschlüsse bereits als Dual-Port-Switch in Adapter mit Embedded-Switch-Technologie integriert. Komponenten, die aktuell noch nicht über diese Technologie verfügen, werden über einen separaten Dual-Port-Switch, 1783-ETAP, ähnlich einem T-Abgang angeschlossen. Ein zusätzlicher Switch ist bei der Embedded-Switch-Technologie nicht erforderlich.

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