Profinet & Ethernet I/P Industrial WLAN ist mehr als nur Ethernet

Autor / Redakteur: Olaf Schilperoort / Dipl. -Ing. Ines Stotz

WLAN ist nichts anderes, als die Übertragung von Ethernet-Paketen durch die Luft. Wenn die Geräte die nötigen Normen und Umweltbedingungen erfüllen, sollte der reibungslose Einsatz in Industrienetzen kein Problem darstellen - sollte man meinen. Jedoch ist Ethernet dort nicht immer gleich Ethernet. Zu den neben dem Standard-Ethernet beherrschenden industriespezifischen Varianten gehören Profinet und Ethernet I/P. Nun sind diese erstmals vollständig in WLAN-Geräten integriert.

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Die Implementation von Profinet IO und Ethernet I/P CIP ermöglicht den Einsatz von WLAN-Geräten in Netzwerken, die diese Industrieprotokolle einsetzen.
Die Implementation von Profinet IO und Ethernet I/P CIP ermöglicht den Einsatz von WLAN-Geräten in Netzwerken, die diese Industrieprotokolle einsetzen.
( Archiv: Vogel Business Media )

Da viele Industrienetzwerke ursprünglich auf Feldbustechniken aufbauten, wurden Ethernet-basierende Varianten dieser Feldbusse entwickelt, um die Kompatibilität zwischen existierenden und neuen Netzwerktechniken zu erreichen. Solche Protokolle wie Ethernet/IP oder Profinet werden eingesetzt, um Feldbusgeräte, Controller und Ethernet-Netzwerkkomponenten miteinander zu vernetzen. Sie werden in Netzwerkkomponenten wie Switches oder auch WLAN-Access-Points benötigt, um diese dem Controller oder der Management-Software kenntlich und steuerbar zu machen. Drahtlose Netzwerke sind wegen ihrer Flexibilität und deswegen auch Veränderlichkeit anders zu administrieren als kabelgebundene Netzwerke. Auf dem Markt gibt es bislang keine WLAN-Geräte, die beide Protokolle unterstützen. Die Integration dieser Protokollstacks macht somit die BAT-Geräte der Firma Hirschmann besonders flexibel einsetzbar.

Profinet für schnelle Datenkommunikation

Das Profinet-Protokoll wurde ursprünglich von Siemens und den Mitgliedsfirmen der Profibus-Nutzerorganisation entwickelt. Profinet basiert auf Ethernet-TCP/IP und erweitert so die Profibus-Technologie für Anwendungen, bei denen schnelle Datenkommunikation über Ethernet-Netzwerke in Kombination mit industriellen IT-Funktionen gefordert wird. Profinet wird in der Fertigungstechnik, Prozessautomatisierung, Gebäudeautomation sowie für das gesamte Spektrum der Antriebstechnik bis hin zu taktsynchronen Motion-Control-Anwendungen angewandt. Tatsächlich ist Profinet das am zweitmeisten verbreitete Industrieprotokoll nach Ethernet/TCP selbst. Profinet ist in der IEC 61158 und der IEC 61784 standardisiert.

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In der Praxis wird meistens Profinet IO angewandt. Diese Variante von Profinet ist auf die Kommunikation zwischen einer Steuerung und dezentralen Geräten im Netzwerk zugeschnitten. Profinet IO baut auf dem Funktionsmodell von Profibus auf und benutzt die Fast-Ethernet-Technologie als physikalisches Übertragungsmedium. Deswegen sind WLAN-Geräte oder allgemein Ethernet-fähige Geräte in Profinet-Umgebungen grundsätzlich einsetzbar, da sie Ethernet-Pakete immer transparent übertragen. Das Profinet-System ist für die schnelle Übertragung von I/O-Daten zugeschnitten und überträgt auch Bedarfsdaten und Parameter sowie IT-Funktionen. Netzwerkkomponenten, die diese Daten und Funktionen nicht auswerten und auf Anfragen von Profinet I/O-fähigen Komponenten, wie die SPS, im Netzwerk nicht reagieren sind für den Netzwerkadminstrator quasi unsichtbar und nicht administrierbar.

Die Netzwerkkomponenten werden bei Profinet über eine Gerätebeschreibung in das Projektierungstool eingebunden. Die Eigenschaften des Gerätes (Profinet IO Device) werden vom Gerätehersteller in einer GSD-Datei beschrieben. Die Peripheriesignale der Netzwerkgeräte lassen sich zyklisch in die SPS einlesen, dort verarbeiten und anschließend an diese wieder ausgeben. Neben dem zyklischen Nutzdatenaustausch bietet Profinet zusätzliche Funktionen für die Übertragung von Diagnosen, Parametrierungen und Alarmen und unterstützt Realtime (RT)-Funktionen.

Ethernet I/P baut auf TCP/IP und UDP/IP auf

EtherNet/IP ist ebenfalls ein industrielles Kommunikationsnetzwerk auf Basis von Ethernet, das auf den Transportprotokollen TCP/IP und UDP/IP aufbaut. Das heißt, dass wie bei Profinet grundsätzlich Ethernet-fähige Geräte auch mit Ethernet I/P betrieben werden können. Ethernet I/P bildet im Markt die Nummer Drei unter den Industrie-Protokollen.

Vergleichbar zu Profinet IO erweitert es Ethernet um ein Industrieprotokoll (CIP, Common Industrial Protocol) als Applikationsschicht für Automatisierungsanwendungen. Die Funktionen diese Protokolls sind die Datenerfassung in vernetzten Workstations, Geräte online konfigurieren und programmieren sowie E/A-Peripherie und Feldgeräte in Echtzeit übers Ethernet steuern. CIP bildet dabei den Application Layer und wird in drei offenen Bussystemen eingesetzt: EtherNet/IP, ControlNet und DeviceNet. Das Protokoll nutzt E/A-Nachrichten (implicit messages) und individuellen Frage/Antwort-Telegramme zur Konfiguration und Datenerfassung (explicit messages).

Das CIP wird gemeinsam von den Organisationen ODVA (Open DeviceNet Vendors Association) und ControlNet International gepflegt und weiterentwickelt.

Die Besonderheiten von WLAN

Wie bereits erwähnt kann man ein drahtloses Netzwerk nicht 1:1 wie ein kabelgebundenes Netzwerk betrachten und behandeln. Die Natur eines drahtlosen Netzwerkes ist seine Veränderlichkeit. Die Teilnehmer des Netzwerks, Clients genannt, verändern Ihre Position und wechseln von einem Access-Point zum anderen. So wird auch die Netzwerktopologie permanent verändert. Selbst bei fixen drahtlosen Installationen, wie das z.B. bei einer Gebäudekopplung über eine drahtlose Punkt-zu-Punkt-Verbindung der Fall ist, sind die Verbindungsparameter nicht immer stabil. Wettereinflüsse, Störer (nicht nur durch Radar) oder auch einfache mechanische Veränderungen wie das Verdrehen der Antennen durch starke Winde führen zu veränderlichen Durchsatzgeschwindigkeiten, Datenraten, evtl. zu Wechsel von Kanälen usw.

Ein wichtiger Parameter gerade in Profinet- und Ethernet I/P-basierten Netzwerken ist die Durchlaufzeit. Drahtlose Netze können naturgemäß nicht die kurzen Latenzzeiten einfacher Kabelverbindungen erreichen. Ein optimal eingestelltes WLAN nach 802.11n erreicht zwar durchaus ähnliche Werte wie ein vergleichbares Fast-Ethernet über Kabel. Der WLAN-MAC-Layer ist so gestaltet, dass Pakete nicht einfach so gesendet werden, sondern auf evtl. konkurrierende andere Netzwerkteilnehmer gehört und notfalls gewartet werden muss. Kurze Latenzzeiten sind also nicht für jedes übertragene Paket garantiert. Das tritt bei einem Kabel nicht auf, weil es nur zwei Enden hat. Drahtlose Netze sind sozusagen ‚Vielender’. Und auf jeden Teilnehmer muss geachtet werden.

All diese Dinge verlangen in Profinet- und Ethernet I/P-Netzen ebenfalls Aufmerksamkeit. Weder Profinet IO noch CIP sind auf WLAN hin angepasst. Bislang fehlten entsprechende Parameter vollständig. Und so wurden WLAN-Geräte in diesen Netzen bislang entweder komplett ignoriert (sie sind tatsächlich für den PLC oder die SPS nicht sichtbar) oder falsch behandelt.

Die Implementierung von CIP und PNIO in WLAN-Geräte

Für die Integration von WLAN-Geräten in diese Netze musste also mehr getan werden, als lediglich den Software-Stack einzubauen. Eine Liste neuer Parameter erlaubt nun die Überwachung der WLAN-Verbindung. Somit kann der Controller von vornherein darauf eingestellt werden, mit den Wireless-Geräten im Netzwerk richtig zu kommunizieren, deren Latenzzeiten zu berücksichtigen usw. Es kann ihm so auch die Möglichkeit gegeben werden, auf eventuelle Ereignisse auf der WLAN-Strecke zu reagieren. Diverse Schwellwerte lassen sich einstellen, so dass Alarme ausgelöst werden können, sobald z.B. der Schwellwert für die Verbindungsqualität unterschritten wird.

Die Hirschmann BAT-Geräte unterstützen nun auch die jeweiligen Management-Softwares, die in den jeweiligen Industrial-Ethernet-Umgebungen eingesetzt werden. Der Einbindung von WLAN-Geräten in ein Ethernet I/P oder Profinet-Netzwerk steht somit nichts mehr im Wege.

Fazit

Drahtlose Netzwerke basierend auf WLAN nach 802.11 stellen zwar das Transportmedium von Ethernet durch die Luft dar. Bei näherer Betrachtung ist lediglich eine vollständige Unterstützung der Protokollstacks von Ethernet I/P und Profinet IO nicht ausreichend, um WLAN sinnvoll im Netzwerk nutzen zu können. Hirschmann ist hier als Pionier weiter gegangen und stellt eine ganze Reihe neuer Parameter und Alarme zur Verfügung, um das Netz auf die Eigenheiten von WLAN anpassen zu können. Dies eröffnet den Markteintritt für WLAN in all die Bereiche, in denen diese Protokolle eingesetzt werden. Dies sind im Bereich der Automatisierung nicht zuletzt die Automobilhersteller, eine wichtige Säule der Deutschen Wirtschaft.

Olaf Schilperoort, Produktmanager, Hirschmann Automation and Control

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