Verwendung eines einzigen Feldbuskabels für mehrere simultan verwendete Ethernet-Protokolle

Die zunehmende Umstellung auf Industrie 4.0 und das industrielle Internet der Dinge (IIoT) erfordert die Erfassung und Vernetzung von Daten für Analysen zur Verbesserung von Produktivität und Sicherheit. Die horizontale und vertikale Datenerfassung und -übertragung in einer Fabrik kann jedoch komplex und kostspielig sein, insbesondere wenn mehrere Netzwerke und raue Umgebungen beteiligt sind. Es wird eine Möglichkeit benötigt, industrielle Netzwerke effizient zu entwerfen, einzurichten und zu verwalten, die Daten mit mehreren speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS), Sensoren und Aktoren verschiedener Hersteller austauschen können, während gleichzeitig verschiedene Protokolle und eine minimale Verkabelung verwendet werden.

Dies kann mit einer integrierten und optimierten verteilten I/O-Plattform erreicht werden, die mehrere Protokolle über ein einziges Ethernet-Kabel verarbeiten kann. Ein solches System ermöglicht es den Betreibern von Industrienetzwerken auch, die Serviceanforderungen zu vereinfachen und den Ersatzteilbestand zu reduzieren, indem sie auf eine einzige I/O-Plattform standardisieren, unabhängig von der verwendeten SPS.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über Industrie-4.0-Netzwerke. Anschließend wird eine I/O-Plattform von Siemens vorgestellt, die mehrere Ethernet-Feldbusse auf einem einzigen Kabel in rauen Umgebungen unterbringt, und es wird gezeigt, wie sie verwendet werden kann, um die Anforderungen von Industrie-4.0-Entwicklungen zu erfüllen.

Ethernet-Protokolle

Implementierungen für Industrie 4.0 haben eine Vielzahl von Kommunikationsanforderungen. Jedes der drei wichtigsten Feldbusprotokolle, PROFINET, EtherNet/IP und Modbus TCP, unterstützt unterschiedliche Anwendungsfälle von der Betriebstechnik (OT) in der Fabrikhalle bis zur Informationstechnologie (IT).

PROFINET: Hierbei handelt es sich um ein deterministisches Hochleistungsprotokoll, das für den Datenaustausch zwischen Steuerungen wie SPSen und Geräten verwendet wird. Es eignet sich für Echtzeit- und sicherheitskritische Funktionen, zu denen auch Highspeed-Motorsteuerungsanwendungen gehören. Es wird desweiteren für die Integration von OT/IT-Funktionen verwendet.

EtherNet/IP: Verwendet das Standard-Ethernet-Protokoll und lässt sich daher leicht mit Ethernet-Geräten implementieren. Das Common Industrial Protocol (CIP) ist für industrielle Automatisierungsanwendungen optimiert und unterstützt Netzwerktechnologien wie EtherNet/IP. EtherNet/IP kann auch für den Datenaustausch von der Feldebene zu IT-Systemen verwendet werden.

Modbus TCP: Dies ist ein TCP/IP-basiertes Protokoll, das für nicht zeitkritische Funktionen wie Energieverbrauch und Umweltdatenerfassung sowie für den Datenaustausch zwischen der Feldebene und IT-Systemen nützlich ist.

Da jeder der drei Feldbusse einen bestimmten Zweck erfüllt, werden alle drei benötigt. Dies führt zu komplexen Kommunikationsherausforderungen, bei denen MultiFeldbus-Systeme ins Spiel kommen. Der MultiFeldbus-Kommunikationscontroller sitzt zwischen der Feldebene und der Steuerungsebene und kommuniziert gleichzeitig mit mehreren Controllern, die unterschiedliche Protokolle verwenden, über ein einziges Netzwerkkabel (Abbildung 1). MultiFeldbus-Geräte können in einer Vielzahl von Umgebungen eingesetzt werden, von einem geschützten Schaltschrank über die Fabrikhalle bis hin zu abgelegenen Außenanlagen.

Abbildung 1: Ein MultiFeldbus-Kommunikationscontroller sitzt zwischen der Feldebene und der Leitebene und ermöglicht eine umfassende Industrie-4.0-Vernetzung und -Kommunikation. (Bildquelle: Siemens)

Vielfältige Umgebungen

Unterschiedliche Umgebungsbedingungen erfordern Geräte mit verschiedenen Schutzarten (IP) von IP20 bis IP67. Das IP-Bewertungssystem ist in der Norm 60529 der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) verankert und bewertet Geräte auf der Grundlage der Fähigkeit ihres Gehäuses, Schutz gegen das Eindringen von Staub und Flüssigkeiten zu bieten, sowie der Frage, wie leicht gefährliche Teile des geschlossenen Systems mit Fingern, Werkzeugen oder festen Gegenständen unterschiedlicher Größe erreicht werden können. IP-Codes bestehen aus zwei Ziffern. Die erste gibt den Schutz gegen feste Partikel an und wird auf einer Skala von 0 (kein Schutz) bis 6 (kein Eindringen von Staub) bewertet. Die zweite Ziffer gibt den Schutz gegen Flüssigkeiten an und reicht von 0 (kein Schutz) bis 9 (Schutz gegen heißes Wasser mit hohem Druck aus verschiedenen Winkeln).

Geräte mit der Schutzart IP20 sind zum Beispiel in Schaltschränken oder ähnlichen Umgebungen nützlich. Die 2 steht für den Schutz vor Partikeln >12,5 Millimeter (mm), wie Fingern oder ähnlichen Gegenständen, und die 0 für keinen Schutz gegen das Eindringen von Wasser.

Für anspruchsvollere Umgebungen gibt es die typischen IP-Schutzarten IP65, IP67 und IP69K, wobei die 6 für ein abgedichtetes und vollständig staubdichtes Gehäuse steht. Diese IP-Schutzarten bieten unterschiedlichen Schutz gegen Wasser.

• IP65 bedeutet, dass Wasser, das mit einer Düse (6,3 mm) aus beliebiger Richtung gegen ein Gehäuse gespritzt wird, keine schädlichen Auswirkungen haben darf.
• IP67 bedeutet, dass kein Wasser in schädlicher Menge eindringen darf, wenn das Gehäuse bis zu 1 m in Wasser eingetaucht ist.
• IP69K ist für Geräte, die in Straßenfahrzeugen verwendet werden, und gilt für Hochdruck- und Hochtemperaturreinigungen.

MultiFeldbus-Plattform

Die MultiFeldbus-Plattform SIMATIC ET 200 I/O und die Schnittstellenmodule von Siemens können gleichzeitig Daten mit mehreren Steuerungen über die Protokolle PROFINET, EtherNet/IP und Modbus TCP über das gleiche Kabel austauschen. Die Kommunikationsprotokolle sind alle per Software konfigurierbar, ohne dass die Hardware verändert werden muss. Die komplette Plattform SIMATIC ET 200 I/O mit MultiFeldbus umfasst auch Module mit Schutzart IP20 für den Einsatz in Schaltschränken, Module mit IP65 und IP67 für den Innenbereich von Maschinen und IP69K für den Außenbereich (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die MultiFeldbus-Plattform SIMATIC ET 200 I/O umfasst mehrere Gerätefamilien und unterstützt Industrie-4.0-Installationen in Schaltschränken, im Innenbereich von Maschinen und im Außenbereich. (Bild: Siemens)

Das System unterstützt die gleichzeitige Kommunikation mit bis zu sechs SPSen, die unterschiedliche Feldbusprotokolle verwenden. Darüber hinaus gibt es Module für IO-Link, Profibus, PtP (Point-to-Point, Punkt-zu-Punkt), CAN (Controller Area Network), Aktor-Sensor-Interface (Asi), DALI (Digital Addressable Lighting Interface) und den Digitalmultiplexer DMX512. Standard- und ausfallsichere I/O können in einer einzigen Station gemischt werden.

Die multifunktionale und modulare Architektur des Systems unterstützt die Massenanpassung, ein Markenzeichen von Industrie-4.0-Fabriken. Die schnelle Verdrahtung wird durch Steckklemmen unterstützt, und es sind Module für eine Reihe von Funktionen wie Zählen, Energieüberwachung, Motorstarter, Positionseingänge, Servoantriebe, Temperaturerfassung, zeitbasierte I/O und sogar das Laden von Elektrofahrzeugen erhältlich. Viele der Module unterstützen PROFIenergy, ein Profil des PROFINET-Kommunikationsprotokolls, das Energiemanagement in industriellen Automatisierungsgeräten ermöglicht.

Die SIMATIC ET 200SP ist ein multifunktionales und skalierbares dezentrales Peripheriesystem mit einer großen Vielfalt an Modulen. So ist das Modell 6ES71556MU000CN0 ein Zwei-Port-Schnittstellenmodul für den Einsatz im Schaltschrank (Abbildung 3), und das Modell 6ES71936BP000BA0 ist ein SIMATIC-ET-200SP-Basisgerät mit besonders kleiner Grundfläche, das für den Einbau in kleine Schaltschränke neben Maschinen konzipiert ist. Beide bieten die Schutzart IP20 und einen Betriebstemperaturbereich von -30°C bis +60°C.

Abbildung 3: Das 6ES71556MU000CN0 ist ein Schnittstellenmodul mit zwei Ports für den Einsatz in Schaltschränken. (Bildquelle: Siemens)

Vibrationstolerante Module für Montagelinien

Die SIMATIC ET 200AL wurde für Anwendungen mit Bewegungsabläufen wie automatisierte und halbautomatisierte Montagelinien optimiert (Abbildung 4). Die Module können Erschütterungen von bis zu 5 g im Dauerbetrieb und maximal 10 g standhalten. Sie entsprechen der Schutzart IP65/67 und bieten einen Betriebstemperaturbereich von -25°C bis +55°C. Ihr kompaktes und leichtes Design eignet sich für dezentrale Steuerungsanwendungen an Maschinen. Sie sind mit Modulbreiten von 30 mm oder 45 mm erhältlich und unterstützen bis zu 32 Module pro Station. Die Module unterstützen die Integration von Sensoren und Aktoren über M8- oder M12-Steckverbinder, je nach Modul. Außerdem verfügen sie über die PROFIenergy-Funktionalität.

Abbildung 4: Die Module ET 200AL (rechte untere Ecke) sind für Anwendungen mit Bewegung optimiert und können kontinuierliche Vibrationen bis zu 5 g verarbeiten. (Bildquelle: Siemens)

Beispiele für die Module ET 200AL sind:

• Das 6ES71415BF000BA0 verfügt über acht digitale Eingänge und M8-Buchsen zum Anschluss von Näherungssensoren und Schaltern. Es misst 30 mm x 159 mm.
• Das 6ES71445KD500BA0 verfügt über acht analoge Eingänge und M12-Buchsen für Anschlüsse. Für jeden Kanal können Messarten programmiert werden, darunter Spannung, Strom (2- und 4-Leiter-Messwandler), Widerstand (2- und 3-Leiter-Messwandler) und Widerstandsthermometer-Detektoren (2- und 3-Leiter-Anschlüsse). Es hat eine Auflösung von 16 Bit und misst 30 mm x 159 mm.

IP65/67-zertifizierte Module für die Maschinenmontage

Die Module SIMATIC ET 200pro sind in der Schutzart IP65/67 ausgeführt und für die Montage außerhalb eines Schaltschranks, direkt an einer Maschine, konzipiert. Mit einer drahtlosen Vernetzung eignen sich diese Module für Anwendungen wie fahrerlose Transportsysteme, Gebäudemanagement, Lagerlogistik und Elektrohängebahnen. Die Familie ist Hot-Swap-fähig und umfasst CPU-Module, Schnittstellenmodule, I/O-Module und Funktionsmodule.

Die Serie ET 200pro umfasst eine Reihe von Funktionen wie IO-Link und Radiofrequenz-Identifikation (RFID). Motorstartermodule können zum Starten und Schützen von Motoren und Lasten bis zu 5,5 Kilowatt (kW) eingesetzt werden. Es sind ausfallsichere Versionen erhältlich, die die Sicherheitsintegritätsstufe (SIL) 3 unterstützen. Das Frequenzumrichtermodul kann für die Steuerung oder Regelung von Asynchronmotoren verwendet werden. Das Temperaturmessmodul 6ES71444JF000AB0 ist sehr flexibel und kann für die Verwendung einer Reihe von Widerstandstemperaturfühlern (RTDs) programmiert werden, darunter Pt100, PT200, PT500, Pt1000, NI100, NI200, NI500 und NI1000, und es kann die Temperatur in Celsius oder Fahrenheit ausgeben.

Maschinenmontierte Module für Außen- und Gefahrenbereiche

Die Module SIMATIC ET 200eco PN bieten eine kompakte Block-I/O in den Schutzarten IP65 und IP67 und sind für die schranklose Montage direkt an der Maschine geeignet. Wie alle ET-200-Module unterstützen sie PROFINET, Ethernet/IP und Modbus TCP. Diese Module werden in einem vollständig versiegelten Zinkdruckgussgehäuse geliefert und sind resistent gegen Vibrationen, Staub, Öl und Feuchtigkeit, so dass sie für Außeninstallationen geeignet sind. Sie bieten einen Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +60°C. Die Serie ET 200eco PN ist nach der ATEX-Richtlinie der Europäischen Union (EU) für explosionsgefährdete Bereiche zugelassen und kann in explosionsgefährdeten Bereichen bis zur Zone 2 eingesetzt werden.

Bei Geräten, die der Spezifikation IO-Link V1.1 entsprechen, können im Falle eines Gerätetausches Geräte- und Masterparameter mit der „Autostart-Funktion“ ohne vorherige Konfiguration automatisch übertragen werden. Das Modul 6ES71486JG000BB0 kann beispielsweise als IO-Link-V1.1-Master betrieben werden und enthält eine Mischung aus 4-Class-A- und 4-Class-B-IO-Link-Ports (Abbildung 5). Die Ports können je nach Parametrierung als digitale Eingänge oder Ausgänge fungieren. Es ist für IP67 und IP69K ausgelegt und unterstützt drei Übertragungsraten: 4,8 Kilobaud (kBd) auf COM1, 38,4 kBd auf COM2 und 230,4 kBd auf COM3.

Abbildung 5: Das Modul SIMATIC ET 200eco PN (links) und eine Nahaufnahme einer typischen Installation (rechts) (Bildquelle: Siemens)

Fazit

Die Einrichtung von Industrie-4.0-Netzwerken ist ein komplexes Unterfangen, bei dem mehrere Kommunikationsschnittstellen und unterschiedliche Betriebsumgebungen berücksichtigt werden müssen. Um Fabriknetzwerke zu optimieren, kann die MultiFeldbus-Plattform SIMATIC ET 200 von Siemens genutzt werden, um über dasselbe Kabel gleichzeitig Daten mit bis zu sechs SPSen mit den Protokollen PROFINET, EtherNet/IP und Modbus TCP auszutauschen.

Empfohlene Lektüre

1. Unterstützung von Massenanpassung, hoher Qualität und nachhaltigem Betrieb in Industrie-4.0-Fabriken
2. Bestehende Fabrikautomatisierungssysteme ohne Unterbrechung mit Industrie 4.0 verbinden