【Schlüsselwörter】 Feldbus 【Zusammenfassung】 Mit dem Einzug des Informationszeitalters, geprägt von der Wissensökonomie und der Entwicklung der modernen Industriegesellschaft, gewinnt die unternehmensweite Automatisierung in der modernen industriellen Großproduktion zunehmend an Bedeutung. Sie verbindet verschiedene isolierte, lokal automatisierte Subsysteme innerhalb einer Fabrik unter der Führung neuer Managementmodelle und -prozesse und integriert Informationstechnologie, Automatisierungstechnik, Computernetzwerke und unterstützende Softwaretechnologien zu einem Gesamtsystem. Dieses System steuert und koordiniert effektiv den Materialfluss im Produktionsprozess, den Informationsfluss im Managementprozess und den Entscheidungsprozess und passt sich so den Marktanforderungen nach hoher Qualität, hoher Geschwindigkeit, hoher Flexibilität und niedrigen Kosten im Produktionsmanagement unter den neuen Wettbewerbsbedingungen an. Industrielle Steuerungsnetzwerke, als Grundlage integrierter Automatisierungssysteme in Industrieunternehmen, lassen sich strukturell in drei Schichten unterteilen: die Managementschicht, die Überwachungsschicht und die Feldgeräteschicht (siehe Abbildung 1). Die oberste Schicht, das Netzwerk der Unternehmensmanagementschicht, dient primär der Übertragung von Informationen zu Planung, Vertrieb, Lagerhaltung, Finanzen, Personalwesen und der gesamten Geschäftsführung. Endgeräte dieser Ebene tauschen typischerweise Informationen per E-Mail, Webseiten-Downloads, Datenbankabfragen, Dokumentendruck und dem Lesen von Computerprogrammen von Dateiservern aus. Die Datenpakete sind in der Regel recht lang und weisen einen hohen Durchsatz auf. Die Datenkommunikation wird zufällig und unregelmäßig initiiert, was eine hohe Netzwerkbandbreite erfordert. Dieses Management-Layer-Netzwerk besteht hauptsächlich aus Hochgeschwindigkeits-Ethernet (100 Mbit/s, 1 Gbit/s, 10 Gbit/s usw.). Das mittlere Manufacturing Execution Layer (MES)-Netzwerk dient hauptsächlich der Übertragung von Informationen für Überwachung, Optimierung und Planung. Es zeichnet sich durch periodische und Echtzeit-Informationsübertragung sowie einen hohen Datendurchsatz aus und benötigt daher ebenfalls eine hohe Netzwerkbandbreite. Früher aus dedizierten Netzwerken wie Token-Ring-Netzwerken bestehend, besteht diese Schicht heute primär aus Hochgeschwindigkeits-Netzwerksegmenten (z. B. 10 Mbit/s, 100 Mbit/s Ethernet usw.). Die unterste Schicht des Feldgerätenetzwerks dient hauptsächlich der Informationsübertragung zwischen Feldgeräten wie Messumformern und Aktoren sowie zwischen Feldgeräten und Leitstandinstrumenten. Sie weist folgende Merkmale auf: (1) Die Länge der übertragenen Informationen ist relativ gering. Diese Informationen umfassen die Messwerte der Betriebsparameter der Produktionsanlage, Stellgrößen, Arbeitsstellungen von Schaltern und Ventilen, Alarmstatus, Informationen zu Anlagenressourcen und -wartung, Systemkonfiguration, Parameteränderungen, Nullpunkt- und Bereichskalibrierung usw. Ihre Länge ist in der Regel relativ gering, üblicherweise nur wenige Bits oder einige Dutzend Bytes, und die Anforderungen an den Netzwerkdurchsatz sind nicht hoch. (2) Die Echtzeitanforderungen an die Kommunikationsreaktion sind relativ hoch. Die Echtzeitanforderungen der industriellen Steuerung sind anspruchsvoll, da sie oft sicherheitsrelevante Aspekte betreffen. Daher muss jederzeit zeitnah reagiert werden, ohne dass Unsicherheiten zugelassen werden. Dies umfasst zwei Aspekte: Erstens muss die Übertragungsgeschwindigkeit hoch sein, d. h. die Netzwerkkommunikationsrate muss hoch sein; zweitens muss die Reaktionszeit kurz sein. Die Reaktionszeit kann durch vier Aspekte bestimmt werden: die Fähigkeit des Instruments oder Aktors, Steuerungsunterbrechungen zu bewältigen; die Übertragungszeit von Informationen zwischen der Anwendungsschicht und der physikalischen Schicht des Kommunikationsprotokolls; die Wartezeit, bis das Netzwerk frei ist; und die Zeit zur Vermeidung von Informationskollisionen im Netzwerk. Da diese Zeit bei den meisten Kommunikationsprotokollen ein Zufallswert ist, fordern Prozessleitsysteme üblicherweise nicht, dass sie minimal ist, sondern dass der Maximalwert im Voraus bekannt und unter einem bestimmten Wert liegt. Darüber hinaus hängt die Echtzeitfähigkeit der Kommunikationsreaktion auch von der Zykluszeit des Systems ab. Üblicherweise ist die längste Zykluszeit im Voraus bekannt und unter einem bestimmten Wert. (3) Hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit. Für Kommunikationsnetze, die in rauen industriellen Produktionsumgebungen eingesetzt werden, müssen Umweltverträglichkeitsaspekte berücksichtigt werden. Dazu gehören die elektromagnetische Verträglichkeit (die Übertragung darf weder andere stören noch von anderen gestört werden), die klimatische Verträglichkeit (Temperaturbeständigkeit, Wasser- und Staubdichtigkeit) und die mechanische Verträglichkeit (Stoß- und Vibrationsfestigkeit). Aus Sicherheitsgründen muss die über das Übertragungsmedium übertragene Energie gering sein, um im Normalbetrieb und im Fehlerfall keine Katastrophen zu verursachen. (4) Bus-Stromversorgung: Das industrielle Feldsteuerungsnetzwerk muss nicht nur Kommunikationsinformationen übertragen, sondern auch die Feldgeräte mit Betriebsstrom versorgen können. Dies vereinfacht die Kabelverlegung und Wartung. Gleichzeitig kann die Bus-Stromversorgung die Anzahl der Kabel und damit die Verdrahtungskosten reduzieren. Aufgrund dieser Eigenschaften und Besonderheiten besteht das Feldgerätenetzwerk derzeit hauptsächlich aus Feldbusnetzen mit niedriger Übertragungsgeschwindigkeit. 1. Ein Überblick über die Entstehung des Feldbusses: Gemäß der Definition der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC)/SC65C ist ein Feldbus ein digitaler, serieller Mehrpunkt-Kommunikationsbus, der zwischen Feldgeräten in Fertigungs- oder Prozessbereichen sowie zwischen Feldgeräten und automatischen Steuergeräten im Kontrollraum installiert ist. Ein vollständig digitales Steuerungssystem, das auf dem Feldbus basiert, wird als Feldleitsystem (FCS) bezeichnet. Die Entstehung des Feldbusses ist auf mehrere Faktoren zurückzuführen. Erstens spiegelt sie den Bedarf an Instrumentenentwicklung wider. Die Entwicklung der Messtechnik hat mehrere Stufen durchlaufen, darunter rein analoge Instrumente, intelligente Instrumente, intelligente Instrumente mit Kommunikationsfunktionen und Feldbusinstrumente. Bei rein analogen Messgeräten werden Sensorsignale aufbereitet und verstärkt und anschließend über einen Strom-Spannungs-Wandler in ein analoges Ausgangssignal von 4–20 mA oder 0–5 V umgewandelt (siehe Abbildung 2a). Mit der Weiterentwicklung der Computertechnologie fanden Mikroprozessoren breite Anwendung in der Messtechnik. Prozessvariablen werden aufbereitet, verstärkt und mittels eines Analog-Digital-Wandlers abgetastet, um sie in digitale Signale umzuwandeln. Nach der Verarbeitung durch den Mikroprozessor, wie z. B. Berechnungen und Kompensationen, werden die Signale über Digital-Analog- und Strom-Spannungs-Wandler als analoge Signale von 4–20 mA oder 0–5 V ausgegeben (siehe Abbildung 2b). Im Vergleich zu rein analogen Messgeräten verbesserten diese intelligenten Geräte die Messgenauigkeit deutlich. Die Signalübertragung war jedoch weiterhin anfällig für externe elektromagnetische Störungen, was zu einer geringeren Übertragungsgenauigkeit und -zuverlässigkeit führte. Daher wurden Kommunikationsschnittstellen (wie RS232/485) in die Geräte integriert, um die analoge Signalübertragung durch digitale Kommunikation zu ersetzen (siehe Abbildung 2c). Da diese Kommunikationsstandards jedoch nur die elektrischen Eigenschaften der physikalischen Schicht spezifizierten und keine einheitliche Definition für die Sicherungsschicht und höhere Kommunikationsschichten boten, verwenden verschiedene Geräte möglicherweise unterschiedliche Kommunikationsprotokolle. Geräte verschiedener Hersteller können aufgrund proprietärer und inkompatibler Protokolle unter Umständen nicht miteinander kommunizieren, was die Entwicklung von Netzwerken auf Werksebene erheblich behindert. Um dieses Problem zu lösen, müssen die Kommunikationsstandards dieser Netzwerke vereinheitlicht werden, um ein offenes, vernetztes System zu bilden – die Entstehung des Feldbusses. Zweitens spiegelt das Aufkommen von Feldbussen den Bedarf an umfassender Automatisierung und Digitalisierung in Unternehmen wider. Um dem zunehmenden Wettbewerb zu begegnen, haben sich computerintegrierte Fertigungssysteme (CIMS) etabliert. Diese organisieren die industrielle Produktion aus der Perspektive der System- und Informationsintegration und betrachten Markt, Produktionsplanung, Fertigungsprozesse, Unternehmensführung und Kundendienst als einen einheitlichen Produktionsprozess. Sie nutzen Computer-, Automatisierungs- und Kommunikationstechnologien, um eine umfassende Automatisierung des gesamten Prozesses zu erreichen. Auf Basis von Informationserfassung und -verarbeitung nutzt die Informationstechnologie Netzwerk- und Datenbanktechnologien zur Informationsintegration, um Produktion und Betrieb weiter zu optimieren, den Output zu steigern, die Produktqualität zu verbessern und Kosten zu senken. Daher ist die Informationstechnologie zu einem entscheidenden Faktor in industriellen Fertigungsprozessen geworden. Es ist unerlässlich, ein zuverlässiges und kosteneffizientes Kommunikationssystem zu entwickeln, das in industriellen Umgebungen funktioniert und die digitale Mehrpunktkommunikation zwischen automatisierten intelligenten Geräten im Feld ermöglicht. So entsteht ein Netzwerk auf Werksebene, das den Informationsaustausch zwischen den Feldgeräten sowie zwischen dem Produktionsstandort und der Außenwelt ermöglicht. Aus diesem Grund entstanden ab den 1980er Jahren verschiedene Feldbusse, darunter Foundation Fieldbus (FF), Controller Area Network (CAN), Local Operating Network (LonWorks), Process Fieldbus (PROFIBUS), HART (Highway Addressable Remote Transducer), DeviceNet, ControlNet, P-NET und weitere. Angesichts dieser Vielzahl an Feldbussen stellt sich die Frage: Wie sollen Anwender den richtigen auswählen? Um dieses Problem zu lösen, begann die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) 1984 mit den Vorbereitungen zur Entwicklung eines einheitlichen internationalen Feldbusstandards. Aufgrund historischer Gegebenheiten wie der Branchen- und Regionalentwicklung sowie der Eigeninteressen verschiedener Unternehmen und Konzerne entbrannte jedoch ein heftiger Streit um die Standardisierung der Feldbustechnologie. Nach zahlreichen Kompromissen wurde Ende 1999 die IEC 61158 verabschiedet, die acht Bussysteme wie FF, PROFIBUS, DeviceNet, P-NET und Interbus umfasste. Das Ziel eines einheitlichen Standards wurde damit nicht erreicht. Viele verloren das Vertrauen in die Entwicklung eines solchen Standards, was nach 2000 zu einer deutlichen Abkühlung des Standardisierungswettbewerbs führte. Dieses Ergebnis deutet auch darauf hin, dass mehrere Feldbussysteme noch längere Zeit parallel existieren werden, was die System- und Informationsintegration in Steuerungsnetzen komplex und anspruchsvoll gestaltet. Sowohl Endanwender als auch Hersteller verfolgen die Entwicklungen in der Feldbustechnologie aufmerksam und suchen nach leistungsstarken und kostengünstigen Lösungen. Gleichzeitig wurde festgestellt, dass die Entwicklung von Feldbusstandards die spezifischen Eigenschaften von Feldbussen überbetont und deren Integration mit Informationsnetzwerktechnologien (wie Ethernet) vernachlässigt hat. 2. Warum wurde Ethernet nicht schon früher als Feldbus eingesetzt? Ethernet wurde ursprünglich 1973 von einer Gruppe um Dr. Robert Metcacfe im Xerox Palo Alto Research Park für den Einsatz in kommerziellen Netzwerkterminals für Mikrocomputersysteme entwickelt. Nach mehreren Überarbeitungen wurde 1983 der IEEE-802.3-Standard veröffentlicht, der mit dem 1985 veröffentlichten ISO-8802.3-Standard identisch ist. Ethernet verwendet eine Stern- oder Bustopologie mit Übertragungsraten von 10 Mbit/s, 100 Mbit/s, 1000 Mbit/s oder sogar höher. Zu den Übertragungsmedien gehören geschirmte (ungeschirmte) Twisted-Pair-Kabel, Glasfaserkabel und Koaxialkabel. Ein wesentlicher Unterschied zwischen Ethernet und anderen Netzwerken (wie Token-Ring-Netzwerken und Master-Slave-Netzwerken) liegt im verwendeten Zugriffssteuerungsverfahren CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Dieses Verfahren ist nicht deterministisch und basiert auf Zufallsprinzipien. Das grundlegende Funktionsprinzip ist folgendes: Möchte ein Knoten eine Nachricht senden, prüft er zunächst die Netzwerkauslastung. Ist das Netzwerk ausgelastet, wartet er, bis es frei wird; andernfalls sendet er die Nachricht sofort und prüft weiterhin die Netzwerkauslastung. Erkennen zwei oder mehr Knoten, dass das Netzwerk frei ist, und senden gleichzeitig Nachrichten, kommt es zu einer Kollision. Die Knoten stellen das Senden sofort ein und warten eine zufällige Zeitspanne, bevor sie die Nachricht erneut senden. Nach 16 Kollisionen beendet der Controller das Senden und meldet einen Fehler an den Mikroprozessor des Knotens. Bei hoher Netzwerklast stellen Kollisionen in Ethernet ein erhebliches Problem dar, da sie den Datendurchsatz und die Übertragungslatenz deutlich beeinträchtigen und somit die tatsächliche Leistung von Ethernet mindern. Da nach einer Reihe von Kollisionen Nachrichten verloren gehen können, ist die Kommunikation zwischen den Knoten nicht mehr gewährleistet. Der CSMA/CD-Medienzugriffsmechanismus von Ethernet führt zu Unsicherheiten in der Netzwerkübertragungslatenz und der Kommunikationsreaktion. In industriellen Feldsteuerungsnetzwerken führt diese Kommunikationsunsicherheit zu Unsicherheiten in den Kommunikationsverzögerungen, was die Systemsteuerungsleistung beeinträchtigt, instabile Regelungseffekte hervorruft und sogar Systemoszillationen zur Folge haben kann. Darüber hinaus kann die Unfähigkeit, in Notfallsituationen umgehend auf Alarmmeldungen zu reagieren, Katastrophen auslösen und stellt somit ein großes Hindernis für den Einsatz von Ethernet in industriellen Steuerungsnetzwerken dar. Ein weiterer wichtiger Grund, warum Ethernet nicht als Feldbus eingesetzt wurde, liegt darin, dass sich Mikroprozessoren, die Kernkomponente intelligenter industrieller Feldgeräte, in den 1980er Jahren noch in der frühen Entwicklungsphase befanden. Sie verfügten über einfache Funktionen, begrenzte digitale Verarbeitungskapazitäten und konnten das in Ethernet integrierte TCP/IP-Protokoll nicht verarbeiten. 3. Ethernet hält allmählich Einzug in die industrielle Steuerungstechnik. Obwohl Ethernet ein offenes Netzwerk ist, hat seine relativ einfache und vollständig offene Technologie zu seiner schnellen Akzeptanz geführt. Durch kontinuierliche Verbesserungen wächst der Marktanteil (insbesondere im Bereich der Büroautomation), während die Kosten sinken, wodurch Ethernet zum Standard wird. Selbst IBMs intensive Förderung der Token-Ring-Architektur konnte diesen Trend nicht aufhalten. Laut einer VDC-Umfrage verfügen mittlerweile rund 93 % der Netzwerkknoten über Ethernet-Schnittstellen. Lässt sich Ethernet also auch in der industriellen Steuerung einsetzen? Die Token-Bus-Steuerung ist in der industriellen Steuerung weit verbreitet. Charakteristisch dafür ist, dass die Bussteuerung durch jede Workstation im Netzwerk über einen Token erfolgt. Der Knoten, der den Token empfängt, hat für einen festgelegten Zeitraum Zugriff auf das Netzwerkübertragungsmedium und sendet einen oder mehrere Datenrahmen an das Netzwerk. Sobald die Übertragung der Station abgeschlossen ist oder ihre festgelegte Netzwerknutzungszeit abgelaufen ist, gibt sie den Token an die nächste logische Station weiter. Der Übertragungsprozess besteht somit aus abwechselnden Datenübertragungs- und Token-Übertragungsphasen. Da die Token-Übertragungszeit und die Zeit, die ein Knoten mit dem Token die Netzwerksteuerung innehat, vordefiniert sind, lässt sich die Informationsübertragungszeit jedes Netzwerkknotens bei einer festen Anzahl von Netzwerkknoten im Voraus abschätzen. Token-Netzwerke werden daher auch als „deterministische“ Netzwerke bezeichnet. Dieser Determinismus eignet sich hervorragend für industrielle Steuerungssysteme mit hohen Anforderungen an deterministische Kommunikation und Echtzeitreaktion. Arcnet ist einer der bekanntesten Token-Busse mit einer Übertragungsrate von 2,5 Mbit/s, einer maximalen Datenrahmenlänge von 508 Byte und der Möglichkeit, Übertragungsmedien wie Kabel, Twisted-Pair-Leitungen und Glasfasern zu nutzen. Ein Vergleich der Kommunikationsreaktionszeiten von Arcnet und Ethernet unter verschiedenen Netzwerklasten (siehe Abbildung 3) zeigt, dass Ethernet bei geringer Last deutlich schneller reagiert als Arcnet. Mit steigender Last sinkt die Reaktionsgeschwindigkeit von Ethernet jedoch rapide, während die von Arcnet nur sehr langsam abnimmt. Dies liegt daran, dass die Kollisionswahrscheinlichkeit bei der Datenübertragung zwischen Ethernet-Knoten bei geringer Last sehr gering ist, was eine nahezu sofortige Übertragung ermöglicht. Arcnet hingegen benötigt für die Übertragung ein Token und ist daher langsamer als Ethernet. Unter hoher Last steigt die Kollisionswahrscheinlichkeit in Ethernet-Netzwerken jedoch drastisch an. Das ist, als würde eine Gruppe von Menschen unkoordiniert versuchen, sich durch eine Tür zu quetschen; es dauert lange, bis alle drin sind. Arcnet hingegen ist wie eine Gruppe von Menschen, die vor einer Tür Schlange stehen, und der Einlass ist deutlich schneller. Außerdem zeigt sich, dass Ethernet-Netzwerke bei einer Netzwerklast unter 25 % schneller reagieren als Arcnet-Netzwerke. In typischen industriellen Steuerungssystemen beträgt die maximale Kommunikationslast 5 % der Last eines 10-Mbit/s-Ethernet-Netzwerks und 0,5 % der Last eines 100-Mbit/s-Ethernet-Netzwerks. Wird die Netzwerklast durch Anpassung der Anzahl der Netzwerkknoten und des Kommunikationsverkehrs sorgfältig gesteuert und unter 10 % gehalten, kann Ethernet Token-Ring-Netzwerke wie Arcnet vollständig ersetzen. Aufgrund der weiten Verbreitung und der geringen Kosten von Ethernet-Schnittstellenchips hat sich deren Einsatzbereich von der Büroautomation (OA) auf die Fabrikautomation (FA) ausgeweitet. Heutzutage verfügen nahezu alle Remote-I/O-Geräte und Controller über eine Ethernet-Schnittstelle mit TCP/IP-Unterstützung. Ethernet hat sich inzwischen zu einem neuen Trend in der Feldbustechnologie entwickelt und wird als Hochgeschwindigkeitskomponente in verschiedenen Feldbussen eingesetzt, beispielsweise in HSE (High Speed ​​Ethernet) der Fieldbus Foundation (FF), ProfiNet von Profibus International (PI), Ethernet/IP von ControlNet International (CI) und der Open DeviceNet Vendor Association (ODVA) sowie MODBUS/TCP der MODBUS User Group. Diese Protokolle werden jedoch weiterhin hauptsächlich für die Kommunikation zwischen Geräten der mittleren und oberen Ebene in Steuerungssystemen verwendet. Laut einem Bericht des renommierten US-amerikanischen Marktforschungsunternehmens ARC (Automation Research Company) wird Ethernet nicht nur weiterhin den Markt für die kommerzielle Computernetzwerkkommunikation und die Kommunikation zwischen übergeordneten Netzwerken in industriellen Steuerungssystemen dominieren, sondern auch die zukünftige Entwicklung von Feldbussen maßgeblich prägen. Ethernet und TCP/IP werden sich als grundlegende Protokolle für Gerätebusse und Feldbusse etablieren. Ein Bericht der US-amerikanischen Venture Development Corporation (VDC) zeigt, dass die Anwendung von Ethernet im Bereich der industriellen Steuerungstechnik zunehmend verbreitet sein und sein Marktanteil schneller wachsen wird – von 11 % im Jahr 2000 auf 23 % im Jahr 2005. 4. Kann Ethernet in der industriellen Steuerungstechnik eingesetzt werden? Mit der Entwicklung und Verbreitung der Internettechnologie hat sich auch die Ethernet-Technologie rasant weiterentwickelt. Die gestiegene Übertragungsgeschwindigkeit und die Fortschritte in der Ethernet-Switching-Technologie haben die Hoffnung geweckt, die nicht-deterministischen Probleme der Ethernet-Kommunikation zu lösen und Ethernet somit für die Kommunikation zwischen Geräten im industriellen Bereich einzusetzen. 1. Kommunikationsdeterminismus: Erstens haben sich die Ethernet-Übertragungsgeschwindigkeiten von 10 Mbit/s und 100 Mbit/s auf 1000 Mbit/s und 10 Gbit/s erhöht. Bei gleichem Datendurchsatz bedeutet die höhere Übertragungsgeschwindigkeit eine Reduzierung der Netzwerklast und der Übertragungslatenz, was wiederum die Wahrscheinlichkeit von Netzwerkkollisionen deutlich verringert. Zweitens unterteilen Switches in einer Sternnetzwerktopologie das Netzwerk in mehrere Segmente. Da Ethernet-Switches über Datenspeicher- und -weiterleitungsfunktionen verfügen, können Eingangs- und Ausgangsdatenpakete zwischen den Ports gepuffert werden, wodurch Kollisionen vermieden werden. Gleichzeitig können Switches die im Netzwerk übertragenen Pakete filtern und so sicherstellen, dass die Datenübertragung zwischen Knoten innerhalb jedes Segments auf das lokale Segment beschränkt bleibt, ohne das Backbone-Netzwerk zu durchlaufen oder Bandbreite anderer Segmente zu beanspruchen. Dadurch wird die Netzwerklast auf alle Segmente und das Backbone-Netzwerk reduziert. Darüber hinaus ermöglicht die Vollduplex-Kommunikation den gleichzeitigen Empfang und die Übertragung von Nachrichtenpaketen über beide Adernpaare der verdrillten Kabel (oder zwei Glasfasern) zwischen den Ports ohne Kollisionen. Der Einsatz von Switching-Hubs und Vollduplex-Kommunikation eliminiert somit die Kollisionsdomäne im Netzwerk (Vollduplex-Kommunikation) bzw. reduziert die Kollisionswahrscheinlichkeit signifikant (Halbduplex) und verbessert dadurch die Deterministik und Echtzeitfähigkeit der Ethernet-Kommunikation erheblich. 2. Kommunikationsstabilität und -zuverlässigkeit Ein weiteres Hauptproblem beim Einzug von Ethernet in die industrielle Steuerung besteht darin, dass die Steckverbinder, Hubs, Switches und Kabel für OA-Anwendungen (Büroautomation) konzipiert sind. Sie weisen eine geringe Störfestigkeit auf, erfüllen nicht die Anforderungen rauer Industrieumgebungen und bieten keine Eigensicherheit sowie keine Möglichkeit zur Stromversorgung von Feldgeräten. Mit der Weiterentwicklung der Netzwerktechnologie werden diese Probleme jedoch rasch gelöst. Um die Herausforderung eines stabilen Netzwerkbetriebs unter extremen Bedingungen in unterbrechungsfreien Industrieanwendungen zu meistern, haben Unternehmen wie Synergetic Microsystems (USA) und Hirschmann & Jetter AG (Deutschland) DIN-Schienen-Hubs und -Switches entwickelt und gefertigt. Diese Produkte werden auf Standard-DIN-Schienen montiert, verfügen über redundante Stromversorgungen und nutzen robuste DB-9-Steckverbinder. Die Preise für industrielle Ethernet-Kommunikationsschnittstellen-Chips von NETSilicon sind auf 10–15 US-Dollar pro Chip gesunken und bieten damit einen deutlichen Preisvorteil gegenüber verschiedenen Feldbus-Schnittstellen-Chips. Der kürzlich veröffentlichte IEEE-802.3af-Standard definiert zudem die Spezifikationen für die Stromversorgung von Ethernet-Bussen. Darüber hinaus kann in praktischen Anwendungen Glasfaser für die Backbone-Netzwerkübertragung und geschirmte Twisted-Pair-Kabel für die Verbindungen von Feldgeräten eingesetzt werden. Redundante Netzwerktechnologie kann für kritische Netzwerksegmente verwendet werden, um die Störfestigkeit und Zuverlässigkeit des Netzwerks zu verbessern. 5. Wichtige Herausforderungen für Ethernet-Anwendungen im industriellen Bereich: Bei der Anwendung von Ethernet in industriellen Steuerungsnetzwerken müssen folgende wichtige Herausforderungen bewältigt werden: 1. Strategien zur Unterstützung der Dienstgüte (QoS) in der Ethernet-Echtzeitkommunikation: Die QoS in der Echtzeitkommunikation beschreibt eine Reihe von Kommunikationsmerkmalen, die von Ethernet für industrielle Steuerungsanwendungen definiert werden, um die Echtzeit-Anforderungen der industriellen Automatisierung zu erfüllen. Zu diesen Merkmalen gehören Antwort- und Übertragungslatenz, Durchsatz, Zuverlässigkeit, Übertragungsfehlerrate und Priorität. Die in industriellen Steuerungsnetzwerken übertragenen Daten umfassen neben herkömmlichen Messdaten, Alarmsignalen, Konfigurationsüberwachung und Diagnoseinformationen auch historische Datensicherungen, Daten von Industriekameras, industrielle Audio- und Videodaten usw. Diese Informationen stellen unterschiedliche Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit und die Kommunikationsbandbreite. Daher muss das industrielle Echtzeit-Kommunikationsnetzwerk sich an die sich ständig ändernde externe Umgebung und die Kommunikationsanforderungen verschiedener Informationen anpassen können. Es muss für kritische Aufgaben eine Mindestleistungsgarantie (Guaranteed-Response, GR) und für nicht-kritische Aufgaben eine bestmögliche Leistung (Best-Effort, BE) gewährleisten, um die Leistungsfähigkeit des gesamten industriellen Steuerungssystems sicherzustellen. Bei der Anwendung von Ethernet für die Kommunikation zwischen industriellen Feldgeräten müssen daher entsprechende Systemdesign-, Fluss-, Prioritäts- und Datenpaket-Wiederholungsmechanismen auf Basis der Analyse der Echtzeit-Kommunikationsanforderungen und -eigenschaften des industriellen Feldsteuerungssystems formuliert werden, um die Echtzeit-Dienstgüte (QoS) der Netzwerkkommunikation zu gewährleisten. 2. Erfüllung der Anforderungen an Kommunikationskonsistenz und Interoperabilität in Anwendungs- und Benutzerschichtprotokollspezifikationen: Da industrielle Automatisierungsnetzwerk-Steuerungssysteme nicht nur Kommunikationssysteme zur Datenübertragung, sondern auch Selbststeuerungssysteme sind, die das Netzwerk zur Ausführung von Steuerungsfunktionen nutzen, sind sie häufig auf die übertragenen Daten und Anweisungen angewiesen, um bestimmte Steuerungsberechnungen und Betriebsfunktionen auszuführen. Dabei koordinieren sich mehrere Netzwerkknoten, um die Selbststeuerungsaufgaben zu erfüllen. Daher müssen sie die Anforderungen offener Systeme und Interoperabilitätsbedingungen in Anwendungs-, Benutzer- und anderen übergeordneten Protokollen und Spezifikationen erfüllen. Gemäß dem ISO/OSI-Referenzmodell der sieben Schichten deckt die Ethernet-Technologiespezifikation lediglich die Bitübertragungsschicht und die Sicherungsschicht ab; die darüber liegenden Protokolle der Netzwerk- und Transportschicht werden derzeit von TCP/IP dominiert (das sich zum De-facto-Standard für die Transport- und Netzwerkschicht oberhalb von Ethernet entwickelt hat). Für höhere Schichten wie die Sitzungsschicht, die Darstellungsschicht und die Anwendungsschicht existieren jedoch keine technischen Spezifikationen. Kommerzielle Computergeräte kommunizieren derzeit transparent über Anwendungsschichtprotokolle wie FTP (File Transfer Protocol), Telnet (Remote Login Protocol), SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), HTTP (World Wide Web Protocol) und SNMP (Simple Network Management Protocol), die im Internet eine entscheidende Rolle spielen. Die von diesen Protokollen definierten Datenstrukturen und -eigenschaften sind jedoch für die Echtzeitkommunikation zwischen Feldgeräten in der industriellen Prozesssteuerung ungeeignet. Um die Anwendungsanforderungen industrieller Feldsteuerungssysteme zu erfüllen, muss daher ein vollständiges und effektives Kommunikationsdienstmodell auf Basis des Ethernet- und TCP/IP-Protokolls etabliert werden. Ein effektiver Echtzeit-Kommunikationsmechanismus muss entwickelt werden, um die Übertragung von Echtzeit- und Nicht-Echtzeit-Informationen in industriellen Feldsteuerungssystemen zu koordinieren. Dies führt zur Bildung von Anwendungs- und Benutzerschichtprotokollen, die für eine breite Palette von Herstellern und Anwendern industrieller Steuerungssysteme akzeptabel sind und letztendlich offene Standards schaffen. 3. Netzwerkverfügbarkeit: Netzwerkausfallsicherheit, auch Netzwerkverfügbarkeit genannt, bedeutet, dass der Ausfall einer Systemkomponente nicht zum Ausfall des Betriebssystems, des Netzwerks, der Steuerung, der Anwendungsprogramme oder gar des gesamten Systems führen darf. Sie umfasst Aspekte wie Zuverlässigkeit, Wiederherstellbarkeit und Verwaltbarkeit und muss sorgfältig geplant werden. Zuverlässigkeit bedeutet, dass alle Hardwaregeräte in einem verteilten Netzwerksteuerungssystem, wie z. B. Steuerungen, E/A-Module, Bediener- und Ingenieurstationen, die Anforderungen an die Anpassungsfähigkeit an die Umgebungsbedingungen erfüllen müssen. Die zugehörige Software (einschließlich Gerätetreiber, Anwendungen und Betriebssysteme) muss stabil und zuverlässig funktionieren. Daher ist die Zuverlässigkeit von Systemkomponenten und Netzwerkdesign zu einem zentralen Aspekt bei der Entwicklung von Automatisierungsanlagen geworden. Wiederherstellbarkeit bezeichnet die Fähigkeit des Systems, unterbrochene Netzwerkverbindungen wiederherzustellen und den Fehler zu isolieren, wenn ein Gerät oder ein Netzwerksegment ausfällt. Gleichzeitig kann das System den Fehler automatisch lokalisieren, um ihn zeitnah zu beheben. Im Allgemeinen hängt die Wiederherstellbarkeit eines Netzwerksystems von der Kombination der Netzwerkgeräte und Basiskomponenten ab. Verwaltbarkeit ist einer der wichtigsten Aspekte hochverfügbarer Systeme. Die Online-Verwaltung des Systems und des Netzwerks ermöglicht die rechtzeitige Erkennung von Notfällen und die umgehende Behebung von Fehlern. Verwaltbarkeit umfasst im Allgemeinen Leistungsmanagement, Konfigurationsmanagement und Online-Änderungsmanagement. Schließlich ist die Netzwerksicherheit ein weiterer wichtiger Aspekt. Wenn industrielle Feldsteuerungsgeräte über Ethernet verbunden sind, setzt die Verwendung des TCP/IP-Protokolls sie Netzwerksicherheitsbedrohungen aus, darunter Viren, unbefugte Zugriffe durch Hacker und unautorisierte Operationen. Um dem entgegenzuwirken, kann in der Regel eine Netzwerkisolation (z. B. Gateway- und Serverisolation) eingesetzt werden, um das interne Steuerungsnetzwerk des Kontrollbereichs vom externen Informationsnetzwerk zu trennen. Zusätzlich können verschiedene Sicherheitsmechanismen wie Benutzerpasswörter, Datenverschlüsselung und Firewalls zur Stärkung des Netzwerk-Sicherheitsmanagements eingesetzt werden. Derzeit existiert jedoch keine ausgereifte Software speziell für die Sicherheit von Steuerungsnetzwerken in der industriellen Automatisierung. 5. Eigensicherheit und explosionsgeschützte Technologie: Für intelligente Geräte und Kommunikationseinrichtungen, die in Industrieanlagen mit brennbaren, explosiven oder toxischen Gasen eingesetzt werden, müssen bestimmte Explosionsschutzmaßnahmen getroffen werden, um eine sichere Produktion zu gewährleisten. Explosionsschutztechnologien für Feldgeräte lassen sich in zwei Kategorien einteilen: flammfeste (z. B. erhöhte Sicherheit, Gasdichtheit und Verguss) und eigensichere Technologien. Im Vergleich zur flammfesten Technologie nutzt die eigensichere Technologie die Unterdrückung der Zündquellenenergie als Explosionsschutzmittel. Dies bietet folgende technische und wirtschaftliche Vorteile: einfacher Aufbau, geringe Größe, niedriges Gewicht und geringe Kosten; Wartung und Austausch können im laufenden Betrieb durchgeführt werden; hohe Sicherheit und Zuverlässigkeit; und breite Anwendbarkeit. Die Schlüsseltechnologien für die Eigensicherheit sind Niedrigenergietechnologie und eigensichere explosionsgeschützte Technologie. Da aktuelle Ethernet-Transceiver im Allgemeinen einen erheblichen Stromverbrauch aufweisen, typischerweise etwa 60–70 Milliampere (bei 5 V Betriebsspannung), ist die Entwicklung energieeffizienter Feldgeräte (wie z. B. industrielle Ethernet-Switches, Übertragungsmedien sowie Ethernet-basierte Sender und Aktoren) äußerst schwierig. Daher sind explosionsgeschützte Maßnahmen für Ethernet-Systeme unter den gegenwärtigen technologischen Bedingungen realisierbar. In nicht explosionsgefährdeten Umgebungen ohne strenge Eigensicherheitsanforderungen können hingegen aufwendige explosionsgeschützte Maßnahmen vernachlässigt werden. 6. Aktueller Stand und Trends von Ethernet-Anwendungen in der industriellen Steuerungstechnik: Aufgrund seiner breiten Anwendung, der geringen Kosten, der hohen Übertragungsgeschwindigkeit, der Vielzahl an Hardware- und Softwareprodukten sowie der ausgereiften Anwendungstechnologien wird Ethernet derzeit in der Ressourcenverwaltung und der Fertigungsausführung integrierter Automatisierungssysteme in Industrieunternehmen weit verbreitet eingesetzt und zeigt einen Trend zur Ausweitung auf direkte Anwendungen in der industriellen Steuerungstechnik. Beispielsweise werden im „Transparent Factory“-System von Schneider Electric, das auf Embedded Web basiert, kommerzielle Internettechnologien wie Ethernet und Embedded Web für die Informationsverwaltung, Überwachung und Feldgeräte eingesetzt. In China, for example, the distributed network control system based on EPA (Ethernet for Process Control) jointly launched by Zhejiang University and Zhejiang University Control System Co., Ltd. directly applies Ethernet to communication between field devices such as transmitters, actuators, and field controllers, achieving Ethernet-based unification from the field device layer, control layer to the management layer (i.e., the so-called "E (Ethernet) network to the end," as shown in Figure 4). Meanwhile, some international organizations are also researching related technologies and standards for the application of Ethernet in industrial control fields. These include the Industrial Ethernet Association, the Industrial Automation Open Networking Alliance (IAONA), and the Interface for Distributed Automation (IDA) group. At the IEC/TC65 plenary meeting held in Beijing in April 2002, IEC SC65C/WG1 also listed industrial Ethernet-related standards as part of its future work, adding industry regulations based on industrial Ethernet media to IEC 61784 part-2, and researching standards for industrial Ethernet transmission media, intrinsic safety, bus power supply, and communication security to meet the future development needs of industrial control networks. 7. Conclusion Industrial communication networks are the foundation for enterprise informatization. With the development of enterprise informatization and automatic control technology, the development of Ethernet-based networked control systems can be widely applied in the automation control fields of all industries, including chemical, petrochemical, pharmaceutical, metallurgical, mining, power, food processing, energy, and CNC systems. It will undoubtedly be welcomed and supported by a wide range of users and has a broad market for promotion and application. Of course, when studying the application of Ethernet in industrial control, in addition to considering the characteristics and needs of industrial automation control itself, we should also make full use of mature information network technologies, combine them with current application realities, learn from the successful application experience of Ethernet in the commercial field, and adopt a step-by-step implementation strategy. We should start by solving the "digital communication" problem and then gradually transition to fully distributed field control and integrated management and control. References: [1] Wei Qingfu. New trends in the development of fieldbus technology: "Inspiration from the 99 NTERKAMA Exhibition". Industrial Control Computer, 2000, 13(1): 1-4. [2] LEEDS & NORTHRUP, USA. Overview of MAX1000 technology. [3] Shi Yiming, Feng Dongqin. Standards and development of fieldbus. Electrical Engineering Journal, 2000, (9): 5-8. [4] Feng Dongqin, Jin Jianxiang, Chu Jian. A brief discussion on key technologies for Ethernet application in industrial fields. World Instrumentation and Automation, 2002, (4): 8-13. (Zhejiang Zheda Zhongkong Technology Co., Ltd., Hangzhou 310012)