Ethernet basierte Netzwerke in Automationsumgebungen

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Name des Autors / der Autoren:	Frank Schweisfurth
Titel der Arbeit:	"Ethernet basierte Netzwerke in Automationsumgebungen"
Hochschule und Studienort:	FOM Düsseldorf

Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung und Motivation 2 Ethernet und der Einsatz in Automationsumgebungen 2.1 Einordnung verschiedener Umgebungen und deren Anforderungen 2.1.1 Das Büro 2.1.2 Automationsumgebungen 2.1.3 Gegenüberstellung der Umgebungen 2.2 Beschreibung Echtzeit 2.3 Ethernet vs. Echtzeit 3 Herkömmliche Feldbussysteme am Beispiel von Profibus 3.1 Allgemeine Beschreibung Profibus 3.2 Umsetzungen Physical-Layer 3.3 Das Kommunikationsprotokoll DP 3.3.1 DP_V0 3.3.2 DP_V1 3.3.3 DP_V2 4 Umsetzung der Anforderungen auf Feldebene im Ethernet 4.1 Zeitsynchonisation 4.2 Spezielle Geräte und andere Komponenten 4.2.1 Switche 4.2.2 Firewall 4.2.3 Sonstige Geräte 4.3 Technologien 4.3.1 EtherNet/IP 4.3.2 Powerlink 4.3.3 PROFINET 4.3.4 EtherCAT 5 Vor- und Nachteile 5.1 Vorteile von Industrial Ethernet gegenüber einem herkömmlichen Feldbus 5.2 Nachteile von Industrial Ethernet gegenüber einem herkömmlichen Feldbus 5.3 Gegenüberstellung der vorgestellten Technologien 6 Schlusswort 7 Abkürzungsverzeichnis 8 Fußnoten 9 Literaturliste

1 Einleitung und Motivation

In dieser Hausarbeit werden Industrial Ethernet-Netze vorgestellt. Bei diesen Netzwerken handelt es sich um Netzwerke auf Ethernet-Basis, welche unter anderem für Maschinensteuerungen genutzt werden. Diese Steuerungen werden durch Automationssysteme vorgenommen. Beispiele für solche Automationssysteme sind zum Beispiel die Steuerung von Fließbandarbeiten im Zusammenspiel mit Robotern für den Automobilbau. Ein anderes Beispiel wäre eine Flaschenabfüllmaschine. Hier ist bereits zu sehen, dass es vielfälltige Anwendungsgebiete für Automationssysteme gibt, welche bis hin zu einzelnen Ventilen einer Produktionsanlage alles steuern können. Im Übrigen werden nicht nur Produktionsanlagen sondern auch Chemieanlagen oder Kraftwerke mit Automationssystemen gesteuert.

Im Verlauf dieser Arbeit wird zunächst auf die spezielleren Anforderungen in einer Produktionsanlage eingegangen. Diese sehen in der Regel sehr viel rauher aus als ein Büroumfeld. Des Weiteren werden präzise Steuerungen benötigt. Die zu automatisierenden Maschinen müssen je nach Produkt sehr genau arbeiten, da ggf. Toleranzen im Endprodukt nur gering gegeben sind. Durch die Anforderungen an präzise Steuerungen bedarf es eines erhöhten Aufkommens an Kommunikation, welches in dem Netzwerk abgewickelt werden muss.

Anschließend wird ein weit verbreitetes herkömmliches Feldbussystem, welches speziell auf Automationsumgebungen zugeschnitten ist, vorgestellt. Hieran sollen nochmals die Anforderungen verdeutlicht werden, aber auch gezeigt werden, wie diese Anforderungen bisher technisch gelöst wurden.

In der Beschreibung der verschiedenen Technologien zu Industrial Ethernet werden einige wenige detailierter vorgestellt. In diesem Teil findet eine technische Beschreibung dieser Technologien statt. Weiterhin wird hier gezeigt, dass es vielfälltige Ansätze der Problemlösungen der diversen Hersteller gibt. Die Lösung der Probleme, welche durch die entsprechenden Umgebungen vorgegeben sind, sehen teils sehr unterschiedlich aus und reichen von herkömmlichen Ethernet-Netzen bis hin zu sehr speziellen Varianten.

Zuletzt werden noch die Vor- und Nachteile eines Industrial Ethernet gegenüber eines herkömmlichen Feldbussystems beschrieben. In diesem Abschnitt werden die beschriebenen Industrial Ethnernet-Netze mit dem beschriebenen Feldbussystem nochmals tabellarisch gegenübergestellt. Des Weiteren wird dargestellt, welchen Nutzen man durch den Einsatz eines Industrial Ethernets als Anlagenbauer und -betreiber erlangen kann.

2 Ethernet und der Einsatz in Automationsumgebungen

2.1 Einordnung verschiedener Umgebungen und deren Anforderungen

Eingehend wird hier zunächste die Automationspyramide dargestellt.

Hier wird gezeigt, dass sich Netzwerke bzw. gesamte Automationssysteme in der industriellen Umgebung grob in drei verschiedene Bereiche untergeliedern lassen. In dem Bereich "Produktionsplanungsebene" und meist auch im Bereich "Leitebene" sind die Anforderungen an ein Netzwerk vergleichbar mit denen aus dem Bürobereich. In dieser Ebene werden Daten von einem Bestellsystem entgegengenommen und anschließend für eine optimale Auslastung einer Produktionsanlage in die Produktionsplanung mit aufgenommen. In der "Leitebene" bedient und überwacht Personal mit einem meist PC-basierten System die Anlage. Die benutzten Systeme stehen in klimatisierten Räumen.^[1]

Auf den Bereich "Feldsteuerungsebene" (oftmals auch "Feldebene" genannt) wird unter dem Punkt "Automationsumgebungen" im weiterem Verlauf genauer eingegangen.^[1]

2.1.1 Das Büro

Das Büro ist ein Umfeld wie es jeder kennt. Es herrschen "normale" Umgebungsbedingungen. Allein dadurch bedingt, dass Menschen in einem Büro über längere Zeit am Stück arbeiten, ist die Umgebung relativ sauber und gut temperiert. Es ist eine feste Grundinstallation der Verkabelung im Gebäude gegeben, einzelne Netzwerkanschlüsse können in Gebäudeverteilern leicht gepatcht werden. Damit ist eine gute Flexibilität gegeben (Strukturierte Verkabelung nach ISO 50173). Die zu übertragenden Datenvolumen sind größere Datenpakete, allerdings weniger bis nicht kritisch in der Übertragungszeit.^[2]

2.1.2 Automationsumgebungen

In der Automatisierung werden zunehmend dezentrale Systeme genutzt. Dadurch werden komplexe Steuerungssysteme, welche z. B. für die Steuerung von Fließbandarbeiten und dazugehörigen Robotern in der Fahrzeugherstellung genutzt werden, in mehrere kleine Teilsysteme aufgeteilt. Dies hat für die Hersteller solcher Steuerungen den Vorteil, dass man eine gewisse Modularisierung herstellen kann und die einzelnen kleinen Systeme leichter zu entwickeln sind. Diese dezentrale Struktur wiederum fordert jedoch einen hohen Bedarf an Kommunikation. Aus der Sicht eines reinen IT-Mitarbeiters mag diese Kommunikation auf Grund ihrer kleinen Datenmengen auf den ersten Blick eher einfach aussehen. Allerdings ist es in den meisten Fällen notwendig, diese Kommunikation isochron erfolgen zu lassen. Weiterhin werden diese Netze bis nah an eine Maschine oder sogar in Maschinen betrieben. Dort kann es vorkommen, dass sich Teile bewegen oder anspruchsvolle Bedingungen (Staub, Öl, Wasser, etc.) vorliegen. ^[3]

2.1.3 Gegenüberstellung der Umgebungen

Die folgende Tabelle stellt die unterschiedlichen Anforderungen zwischen dem Büroumfeld und einer industriellen Umgebung, in welcher automatisiert wird, dar.^[4]

	Büroumfeld	Industrieumgebung
Installation	- Feste Grundinstallation im Gebäude - Variabler Netzwerkanschluss für Arbeitsplätze - Verlegung der Leitungen in Zwischenböden - Vorkonfektionierte Anschlusskabel - Standardarbeitsplätze - Baumförmige Netzwerkstrukturen - Versorgung mit 230 V AC - Verwendungsdauer ca. 5 Jahre - 19“ Schrank - Geräte mit Lüfter	- Anlagenspezifische Leitungsführung - Anlagenabhängige Installation - Selten Änderungen an Anschlusspunkten - Individueller Vernetzungsgrad für jede Anlage oder Maschine - Feldkonfektinierbare Anschlusstechnik - Häufiger Einsatz von LWL-Technologie - Häufige linien- oder ringförmige Netzführung - Sorgfältiges Erdungskonzept - Häufig Redundanz gefordert - Versorgung mit 24 DC oder Power-over-Ethernet - Verwendungsdauer ca. 10 Jahre - Schleppkettentauglichkeit - Schaltschrank oder Klemmkasten mit Hutschiene - Lüfterloses Design - Meldekontakt zur Fehlersignalisierung
Übertragungs- Anforderung	- Mittlere Netzverfügbarkeit - Übertragung großer Dateien - Übertragungszeit bis in den Sekundenbereich - Überwiegend azyklische Übertragung - Starke Lastschwankungen möglich - Keine Isochronität	- Sehr hohe Netzverfügbarkeit - Kleine Datenpakete - Übertragungszeit im Mikrosekundenbereich - Überwiegend zyklische Übertragung - Isochronität
Umweltanforderungen	- Moderate Temperaturen bei geringer Schwankungsbreite - Geringe Staubbelastung - Keine Feuchtigkeit oder Nässe - Kaum Erschütterungen oder Vibration - Geringe EMV Belastung - Geringe mechanische Belastung oder Gefährdung - Keine chemische Gefährdung - Keine Gefährdung durch Strahlung, z. B. UV	- Extreme Temperaturen mit starken Schwankungen - Hohe Staubbelastung - Feuchtigkeit/Nässe möglich - Vibrationen oder Schock möglich - Hohe EMV-Belastung - Hohe mechanische Belastung und Gefährdung - Chemische Belastung durch ölige oder aggressive Atmosphäre - Hohe UV-Belastung im Außenbereich - Strahlungsbelastung möglich

2.2 Beschreibung Echtzeit

Ob und wann ein System echtzeitfähig ist, hängt grundlegend von der Anwendung ab. Dabei muss festgelegt werden, welcher Zeitraum für Signale und deren Reaktionszeiten ausreichend ist, um verarbeitet zu werden. Kann ein System unter allen Umständen in dem definierten Zeitraum alle notwendigen Daten verarbeiten, wird es als echtzeitfähig bezeichnet – es kann also mit einer garantierten Antwortzeit übersetzt werden. Wie groß der Zeitraum zu bemessen ist hängt, wie oben erwähnt, von der Anwendung ab. Dabei kann es sich beispielsweise um mehrere Sekunden bis hin zu wenigen Mikrosekunden zur exakten Positionierung von Autos bei der Fließbandverarbeitung für einen Schweißroboter handeln.^[5]

Als harte Echtzeit wird ein System bezeichnet, wenn die Nicht-Einhaltung der garantierten Antwortzeit zu einer Fehlfunktion des Systems führt. Wenn die Nicht-Einhaltung der Antwortzeiten hingegen lediglich zu einer verminderten Leistung des gesamten Systems führt, wird dies als weiche Echtzeit bezeichnet.^[5]

Damit ein System als echtzeitfähig definiert werden kann, muss es die folgenden Kriterien erfüllen:

„- Laufzeit, Zykluszeit, Reaktionszeit: Für diese Parameter gilt eine definierte zeitliche Obergrenze, die in keinem Fall überschritten werden darf.

- Jitter (Taktabweichungen): Je höher die Geschwindigkeits- und Präzisionsanforderungen, desto geringer müssen bei Signalen die zeitliche Schwankung und die Abweichung vom Sollwert sein.

- Synchronität: Sie bestimmt die Gleichzeitigkeit von Aktionen. Auch hier ist möglichst hohe Genauigkeit erforderlich.

- Durchsatz: Es muss sichergestellt sein, dass die festgelegte Datenmenge innerhalb einer Zeiteinheit garantiert übertragen werden kann.“^[6]

2.3 Ethernet vs. Echtzeit

Damit die unter dem Punkt "Echtzeit" beschriebenen Kriterien in einem Ethernet eingehalten werden, müssen die folgenden Voraussetzungen erfüllt sein:^[7]

„- Segmentierung / Abtrennung: Mit einer speziell dafür ausgelegten Netzkomponente, z. B. einem Router, muss dafür gesorgt werden, dass störender Verkehr vom Echtzeitnetzwerk ferngehalten wird, da z. B. Überlastsituationen in jedem Fall zu nicht deterministischen Verhalten führen.

- Zeitschlitzverfahren: Echtzeitfähige Systeme werden überlicherweise von präzise zyklisch wiederkehrenden Abläufen bestimmt. Dies kann durch eine Übertragung im Zeitschlitzverfahren erreicht werden. Es stellt sicher, dass alle notwendigen Daten immer zum richtigen Zeitpunkt übertragen werden.

- Uhrzeitsynchronisierung: Viele Vorgänge müssen zeitgleich angestoßen werden, um die notwendige Synchronität zu erreichen. Das bedingt, dass alle lokalen Uhren im Rahmen einer definierten Toleranz gleich laufen und setzt somit eine entsprechende Uhrzeitsynchronisierung voraus.“^[7]

Grundsätzlich ist festzuhalten, dass die Kommunikation zwischen den Geräten über ein deterministisches Verfahren erfolgen muss. Daher ist das sonst üblicherweise genutzte CSMA/CD-Verfahren ungeeignet. Hier kann nicht sichergestellt werden, dass es zu keinen zeitlich relevanten Verzögerungen kommt. Um ein deterministisches Zeitverhalten innerhalb der Kommunikation zu erreichen, gibt es momentan die beiden folgenden Verfahren:^[8]

1) Reduzierung der Kollisionswahrscheinlichkeit durch starke Reduzierung der Netzwerkauslastung: Hierbei wird davon ausgegangen, dass Ethernet eine sehr hohe Bandbreite bietet, welche jedoch nicht voll genutzt wird und die resultierende geringe Effizienz toleriert werden kann.^[8]

2) Der Einsatz eines definierten Zeitschlitzverfahren, oft verbunden mit einem Master/Slave-Konzept.^[8]

Beide Verfahren bedingen eine synchrone Zeitbasis auf den verbunden Systemen. Dies ergibt sich aus folgenden Bedingungen:

Bei Verfahren 1: „Der Einsatz von Zeitstempeln erlaubt die zeitliche Zuordnung der Rahmen, auch wenn die eigentliche Übertragung nicht mehr synchronisiert wird.“

Bei Verfahren 2: „Eine synchrone Kommunikation mit festgelegten Zeitrastern und festen Zeitschlitzen für jede Information und jedes Gerät erlaubt eine kollisionsfreie Übertragung im Zeitmultiplex (TDMA – Time Division Multiple Access).“

Daher spielt die Zeitsynchronisierung zwischen den einzelnen Teilnehmern eine wichtige Rolle.^[9] Auf diese wird später noch genauer eingegangen.

3 Herkömmliche Feldbussysteme am Beispiel von Profibus

3.1 Allgemeine Beschreibung Profibus

Profibus steht für Process Field Bus und gehört zu den weltweit erfolgreichsten Feldbussen.^[10] „Feldbusse sind industrielle Kommunikationssysteme, die unterschiedliche Medien, wie Kupferkabel, LWL oder Funk, verwenden können, mit bitserieller Übertragung zur Ankopplung weiträumig verteilter Feldgeräte (Sensoren, Stellgeräte, Antriebe, Messumformer, etc.) an ein zentralles Steuerungs- oder Leitsystem.“^[11] „Feldbusse erhöhen die Produktivität und Flexibilität von automatisierten Prozessen gegenüber konventioneller (Anmerkung des Autors: konventionell = zentrale Parallelverdrahtung mit analoger Signalübertragung) Technik und bilden die Grundvoraussetzung für den Aufbau dezentraler Automatisierungssysteme. Profibus findet auf Grund seiner universellen Ausprägung in nahezu allen Bereichen der Automatisierung Verwendung, vor allem in der Fertigungsautomatisierung und der Prozessautomatisierung, jedoch auch in der Verkehrstechnik und der Energieerzeugung und –verteilung.“^[12]

Die Kommunikation über Profibus lässt sich ebenfalls anhand des OSI-Schichtenmodells erklären. Hier ist lediglich zu beachten, dass nicht benötigte Funktionen der jeweiligen Schichten in einer konkreten Umsetzung nicht ausgeprägt werden müssen. So werden bei Profibus lediglich die Schichten 1, 2 und 7 verwendet.^[13]

„Profibus wurde national bereits 1991 bzw. 1993 in der DIN 19245, Teil 1-3, und europaweit 1996 in der EN 50170 genormt. Seit 1999 ist Profibus zusammen mit weiteren Feldbussystemen in der IEC 61158 standardisiert. In 2002 wurden Aktivitäten zu Neuerung der IEC 61158 beendet. Im Zuge dieser Aktivitäten sind die neuesten Entwicklungen von Profibus .. in diese Norm eingeflossen“.^[14] Diese Normung ist ein wichtiger Faktor bei der Akzeptanz und für die Verbreitung des Profibus.^[15]

„Profibus ist ein durchgängiges, offenes, digitales Kommunikationssystem mit breitem Anwendungsbereich vor allem in der Fertigungs- und Prozessautomation. Profibus ist für schnelle, zeitkritische und komplexe Kommunikationsaufgaben geeignet.“^[16]

Es gibt mehrere verschiedene Ausprägungen des Profibuses, wobei nachfolgend lediglich auf Profibus DP eingegangen wird, da dieser die am weitesten verbreiteste Variante darstellt. DP steht für Decentralized Peripherals und stellt ein deterministisches Verfahren für einen einfachen, schnellen und zyklischen Datenaustausch zwischen einem Master und dessen zugeordneten Slaves dar. DP gibt es wiederum in drei verschiedenen Versionen, wobei die Version DP_V0 lediglich die schon genannten Eigenschaften aufweist. In der Version DP_V1 wird die zyklische Kommunikation um eine azyklische Kommunikation erweitert. In der Version DP_V2 wird ein optionaler Datenverkehr direkt zwischen Slaves beschrieben. Das schon erwähnte Buszugriffsverfahren Master-Slave wird um ein Token-Verfahren erweitert, um ebenfalls die Kommunikation zwischen mehreren Mastern zu ermöglichen.^[17]

3.2 Umsetzungen Physical-Layer

Für die physikalische Übertragung der Daten, d. h. die Umsetzung der OSI-Schicht 1, stehen verschiedene Ausprägungen zur Verfügung. ^[18] In nachfolgender Tabelle sind die verschiedenen Ausprägungen mit den dazugehörigen Leistungsmerkmalen aufgeführt.^[19]

	MBP	RS485	RS485-IS	Fiber Optic / LWL
Datenübertragung	Digital, bitsynchron, Manchester Codierung	Digital, Differenzialsignale nach RS485, NRZ	Digital, Differenzialsignale nach RS485, NRZ	Optisch, Digital, NRZ
Übertragungsrate	31,25 Kbit/s	9,6 bis 12000 Kbit/s	9,5 bis 1500 Kbit/s	9,6 bis 12000 Kbit/s
Datensicherung	Präambel, fehlergesicherter Start-End-Delimiter	HD=4, Paritybit, Start-End-Delimiter	HD=4, Paritybit, Start-End-Delimiter	HD=4, Paritybit, Start-End-Delimiter
Kabel	Verdrillter geschirmter Zweidraht-Leitung	Verdrillte geschirmte Zweidraht-Leitung, Kabeltyp A	Verdrillte geschirmte Vierdraht-Leitung, Kabeltyp A	Multimode und Singlemode Glasfaser, PCF, Kunsstofffaster
Fernspeisung	Optional über die Signaladern	Über zusätzliche Adern möglich	Über zusätzliche Adern möglich	Über Hybridleitung möglich
Zündschutzart	Eigensicherheit (EEx ia/ib)	Keine	Eigensicherheit (EEx ib)	Keine
Topologie	Linien- und Baumtopologie mit Terminierung auch kombiniert	Linientopologie mit Terminierung	Linientopologie mit Terminierung	Stern- und Ringtopologie typisch, Linientopologie möglich
Anzahl Teilnehmer	Bis zu 32 Teilnehmer je Segment; in Summe max. 126 pro Netz	Bis zu 32 Teilnehmer je Segment ohne, bis 126 pro Netz mit Repeater	Bis zu 32 Teilnehmer je Segment, in Summe max. 126 pro Netz	Bis zu 126 Teilnehmer pro Netz
Anzahl Repeater	Max. 4 Repeater	Max. 9 Repeater mit Signalauffrischung	Max. 9 Repeater mit Signalauffrischung	Mit Signalauffrischung unbegrenzt (Signallaufzeit beachten)

Da das Einsatzgebiet von Profibus im industriellen Umfeld liegt, gibt es für die jeweiligen zu realisierenden Verkabelungen Steckverbindungen, welche bis zur Schutzart IP 67 tauglich sind.^[18] IP 67 beschreibt durch die Ziffer 6, dass der Stecker absolut staubdicht ist; die Ziffer 7 beschreibt, dass die Steckverbindung zeitweilig unter Wasser stehen kann, ohne die Funktion zu beeinflussen.^[20] Für „normale“ Installationen innerhalb von Schaltschränken sind IP 20 fähige 9 polige D-Sub-Stecker üblich in der Verkabelung.^[18]

3.3 Das Kommunikationsprotokoll DP

3.3.1 DP_V0

Wie bereits weiter oben erwähnt, stellt die Version DP_V0 die Grundfunktionalität von DP zur Verfügung.^[21] In nachfolgender Tabelle sind die gesamten Eigenschaften übersichtlich beschrieben:^[22]

Buszugriff	- Token-Passing-Verfahren zwischen Mastern und Master-Slave-Verfahren zwischen Master und Slave -Mono-Master oder Multi-Master-Systeme möglich -Master und Slave Geräte, max. 126 Teilnehmer an einem Bus
Kommunikation	- Punkt-zu-Punkt (Nutzdatenverkehr) oder Multicast (Steuerkommandos) - zyklischer Master-Slave Nutzdatenverkehr
Betriebszustände	- Operate: Zyklische Übertragung von Eingangs- und Ausgangsdaten - Clear: Eingänge werden gelesen, Ausgänge bleiben im sicheren Zustand - Stop: Diagnose und Parametrierung, keine Nutzdatenübertragung
Synchronisation	- Steuerkommandos ermöglichen die Synchronisation der Ein- und Ausgänge - Sync-Mode: Ausgänge werden synchronisiert - Freeze-Mode: Eingänge werden synchronisiert
Funktionaltität	- Zyklischer Nutzdatenverkehr zwischen DP-Master und Slave(s) - Dynamisches Aktivieren oder Deaktivieren einzelner Slaves, Prüfen der Konfiguration der Slaves - Leistungsfähige Diagnosefunktionen, 3 abgestufte Diagnose-Meldungsebenen - Synchronisation der Eingänge und/oder der Ausgänge - Optional Adressvergabe für die Slaves über den Bus - Maximal 244 Byte Eingangs-/Ausgangsdaten je Slave
Schutzfunktionen	- Nachrichtenübertragung mit Hamming Distanz HD=4 - Ansprechüberwachung beim DP-Slave erkennt Ausfall des zugeordneten Masters - Zugriffsschutz für Ausgänge der Slaves - Überwachung des Nutzdatenverkehrs mit einstellbarem Überwachungs-Timer beim Master
Gerätetypen	- DP-Master Klasse 1 (DPM1) z. B. zentrale Automatisierungsgeräte wie SPS, PC - DP-Master Klasse 2 (DPM2) z. B. Engineering oder Diagnosetool - DP-Slave z. B. Geräte mit binären oder analogen Eingängen/Ausgängen, Antriebe, Ventile

3.3.2 DP_V1

Ergänzend zu DP_V0 ist in DP_V1 die Übertragung von azyklischen Daten beschrieben. Dies ist wichtig, um während des laufenden Betriebes die Möglichkeit zu schaffen, Geräte zu parametrieren und zu kalibrieren sowie bestätigte Alarmmeldungen in den Geräten zu verarbeiten. Der azyklische Datenverkehr läuft parallel zu dem zyklischen, allerdings weniger hoch priorisiert. Der Ablauf eines solchen Datenverkehrs sieht vor, dass ein Master der Klasse 1 das Token besitzt und nach einander alle angeschlossenen Slaves nach den gewünschten Daten abfragt. In der verbleibenden Restzeit zwischen dem beendeten Buszyklus und dem Anfang des neuen Buszyklus kann das Token an einen Klasse 2 Master weitergegeben werden, damit dieser z. B. Alarmmeldungen aus allen Slaves auslesen kann. Der azyklische Datenverkehr kann sich über mehrere dieser „Lücken“ erstrecken.^[23]

3.3.3 DP_V2

In der nächsten Erweiterung wird hauptsächlich der Slave-Querverkehr und der Isochronous-Betrieb spezifiziert. Der Slave-Querverkehr ermöglicht den direkten Datenaustausch zwischen mehreren Slaves. Dabei wird sich eine Multicastfunktion zu Nutze gemacht. Der Master fragt die Daten eines Slaves ab. Dieser antwortet dem Master per Multicast und kann so zusätzlich Daten zu einem anderen Slave versenden. Der isochrone Betrieb ermöglicht eine taktsynchrone Regelung mit einer Taktabweichung kleiner als eine Mikrosekunde. Damit sind hochgenaue Regelungen von Positioniervorgängen möglich.^[23]

4 Umsetzung der Anforderungen auf Feldebene im Ethernet

4.1 Zeitsynchonisation

Wie unter dem Punkt "Ethernet vs. Echtzeit" bereits zu lesen war, spielt die Zeitsynchronisation eine wichtige Rolle. Neben den aus der IT bekannten Protokollen wie SNTP und NTP findet sich in der Automation, speziell bei harten Echtzeitregelungen, das Precision Time Protocol (PTP), welches in der IEEE 1588 beschrieben wird, wieder.^[24] Dieser Standard ermöglicht die Synchronisierung von räumlich verteilen Echtzeituhren. Ursprünglich wurde das Protokoll für den Einsatz in Ethernet-Netzwerken entwickelt, lässt sich jedoch auch von den Datenübertragungsprotokollen abkoppeln. Des Weiteren ist das Protokoll für geringe Bandbreiten und auch Systemen mit geringer Rechenleistung optimiert.^[25]

Die Unterstützung einer IEEE 1588 Uhr bedingt immer die Unterstützung des Standards durch die eingesetzte Hardware. Wäre dies nicht der Fall, würde ein Jitter, welcher durch Software verursacht wird, nicht ausgeglichen werden können. Eine IEEE 1588 Uhr berücksichtigt daher einen entsprechenden Jitter. Des Weiteren werden Paketlaufzeiten mit in der Synchronistation zwischen den verschiedenen Uhren berücksichtigt! Weiterhin wird die Software-Latenz des eigenen Systems mit in die Synchronistation einbezogen.^[26]

Die Synchronisationstelegramme werden zwischen den Systeme in einem definierten Sync-Telegramm-Takt versendet. Dieser Takt liegt i. d. R. zwischen 0,125 und 0,5 Hz.^[27]

4.2 Spezielle Geräte und andere Komponenten

Um den weiter oben genannten Anforderungen gerecht zu werden, haben zahlreiche Hersteller spezielle Komponenten entwickelt. Nachfolgend sollen kurz typische Geräte wie Switche und eine Firewall gezeigt werden. Außerdem wird gezeigt, dass z. B. ebenfalls Busklemmen mit RJ45 existieren, welche direkt ein- und ausgehende Signale in das Industrial Ethernet implementieren können.

4.2.1 Switche

Cisco IE3000 Series

Mit der Cisco IE3000 Serie hat Cisco Layer 2 und 3 Switche im Produkprogramm, welche speziell für den Einsatz in industrillen Umgebungen entwickelt wurden. Alle herkömmlichen IT-Features werden unterstützt, da das genutzte IOS (Anmerkung des Autors: Betriebssystem des Switches) dem der Cisco Catalyst 2960 Serie sehr ähnelt. Des Weiteren wird PROFINET für den Einsatz von Realtime-Prozessen unterstützt. Die Konfiguration wird auf einer eingebauten Flash-Karte abgelegt, bei einem Ausfall eines Switches wird also kein Fachpersonal zur Konfiguration benötigt. Es wird der komplette Switch ausgetauscht und die Flash-Karte des defekten in den neuen Switch gesteckt. Es werden erweiterte Temperaturbereiche unterstützt (-40 bis 70°C) sowie eine Luftfeuchtigkeit im Betrieb von 10 bis 95% gewährleistet. Des Weiteren sind die Geräte für die Montage auf einer 19" Hutschiene vorgesehen.^[28]

Siemens Scalance X Switche

Siemens bietet mit der Scalance X-Reihe eine große Auswahl an industrietauglichen Switches (managed sowie unmanaged) an. Diese gibt es ebenfalls für den Einsatz in einem erweiterten Temperaturbereich. Außerdem sind alle Geräte für die Montage auf 19" Hutschiene vorgesehen. Für den Aufbau von redundanten Netzwerken wird eine Ring-Topologie unterstützt. Dazu wird einer der Switche als Redundancy Manager eingesetzt. Mit diesem Verfahren wird "High Speed Redundancy" mit Umschaltzeiten von weniger als 0,3 Sekunden bei Ausfall von Leitungen unterstützt. Eine nahtlose Integration in die Siemens Engineeringsoftware Simatic Step 7 wird gewährleistet. Die Handhabung ist sehr ähnlich zu der von Profibus-Geräten, welche vielen Automatisierungs-Technikern geläufig sein sollte.^[29]

4.2.2 Firewall

Hirschmann Eagle 20 TX/TX

Die Hirschammn Eagle 20 TX/TX ist eine Firewall für den industriellen Einsatz. Wie die oben genannten Geräte unterstützt auch diese Firewall die Montage auf 19" Schiene sowie den erweiterten Temperaturbereich. Die sonstige Funktionialität entspricht der einer herkömmlichen Stateful Inspection Firewall. Ebenfalls unterstützt werden VPN-Funktionen.^[30]

4.2.3 Sonstige Geräte

Beckhoff EtherCAT Busklemmen

Beckhoff ist der urspüngliche Initiator der Entwicklung von EtherCAT.^[31] Mehr zum Thema EtherCAT befindet sich im weiteren Verlauf der Arbeit. Das Unternehmen bietet eine Vielzahl von EtherCAT-tauglichen Geräten wie Industrie-PCs und Embedded-PCs an, jedoch auch Busklemmen, welche direkt mit einem RJ45 Anschluss versehen sind. In diesen Klemmen wird die Slave Funktion von EtherCAT direkt unterstützt. Dies ermöglicht z. B. das direkte Ein- und Auslesen von digitalen Signalen im Feld von Messsensoren.^[32]

4.3 Technologien

Im Folgenden sollen einige Technologien auf Ethernetbasis beschrieben werden. Diese stellen eine Auswahl von verschiedenen Herstellern dar und sollen die verschiedenen Lösungsansätze aufzeigen.

4.3.1 EtherNet/IP

Das IP in EtherNet/IP steht in diesem Falle nicht für Internet Protocol, sondern für Industrial Ethernet. Dabei handelt es sich um einen offenen Protokollstandard zur Übertragung von Informationsnachrichten sowie Echtzeit I/O, welcher im Application Layer das im industriellen Umfeld oft benutzte Control & Information Protocol (CIP, IEC 61158) verarbeitet. Das CIP wird ebenfalls in DeviceNet- und ControlNet-Netzwerken eingesetzt. Durch die Nutzung von TCP/IP bis einschließlich Layer 4 garantiert die Nutzung von EtherNet/IP eine leichte Integration bis in die Office Netzwerke hinein. Des Weiteren kann bei der Nutzung von EtherNet/IP Standard-Hardware genutzt werden, welches wohl einen der größten Vorteile bei der Nutzung darstellt.^[33]

Das schon erwähnte CIP-Protokoll ist entwickelt worden, um Echtzeitdaten für Steuerungszwecke (Control) und Informationsdaten z. B. zur Konfiguration (Information) auszutauschen. Dabei sind die Informationsdaten nicht zeitkritisch. Viel eher ist die fehlerfreie Übertragung in der richtigen Reihenfolge hier wichtig. Dies wird durch die Nutzung von TCP sichergestellt. Diese Art der Übertragung wird bei EtherNet/IP auch Explicite Message genannt. Bei der Übertragung der Control-Daten wird davon ausgegangen, dass Daten, welche zu spät ankommen, nicht mehr benötigt werden, da der zu steuernde Prozess nicht angehalten wird, um auf die Daten zu warten. In Analogie zu den Explicite Messages wird die Übertragung der Steuerdaten als Implicit Message bezeichnet.^[33]

Nachfolgende Grafik stellt die Kommunikation im Bezug auf das OSI-Modell dar.

Bei der Nutzung von Implicite Messages wird der Dateninhalt während des Verbindungsaufbaus aus der Applikation festgelegt. Dieser Inhalt wird während dem gesamten Ablauf der Kommunikation nicht mehr verändert (daher implicit). Es werden lediglich die reinen Dateninhalte mit aktuellen Werten versehen. Die Nachrichten werden über die vergebene ConnectionID identifiziert. ConnectionID und Inhalt der Kommunikation werden in einer Objektbeschreibung, dem Electronic Data Sheet (EDS), festgelegt.^[33]

Die Explicite Messages bieten eine Client/Server- bzw. Request/Response-Funktionalität. Ihr Dateninhalt ist variabel und nicht vorab festgelegt.^[33]

Im CIP Protokoll sind mehrere Ebenen für die Priorisierung der Kommunikation vorgesehen, allerdings ist es zusätzlich nötig auf der Ethernetebene eine Priorisierung vorzunehmen. Dies geschieht mit Hilfe von Quality of Service (QoS). Hier können die EtherNet/IP priority level direkt auf die IEEE 801.2p gemapped werden. Allerdings ist dieses Vorgehen nicht innerhalb von EtherNet/IP spezifiziert und stellt daher einen „White Spot“ dar.^[35]

Die gesamte Kommunikation läuft nach dem Producer-Consumer-Verfahren ab. Bei diesem Verfahren werden im Netzwerk Daten durch den Producer erzeugt. Diese werden durch Consumer empfangen und verarbeitet. Bei diesem Modell kann ein Teilnehmer sowohl die Rolle einer Producers als auch die Rolle einer Consumers einnehmen. Ebenso kann es sein, dass die gleichen Daten von einem Producer an mehrere Consumer gesendet werden sollen. Bei diesem Szenario werden die Daten an eine entsprechende Multicast-Gruppe versendet, um die Netzwerkauslastung möglichst gering zu halten.^[36]

Die Technologie wird durch den Hersteller mit folgenden Attributen beschrieben:^[37]

"Besondere Merkmale

- Verwendung der Standard-Transportdienste (Layer 1-4), damit Eignung für Standard Hardware (Commercially-Off-The-Shelf)

- Zeit-optimierte Übertragung zyklischer Steuerungsdaten (E/A-Signale etc.) über UDP

- Gesicherte Übertragung über azyklische Nachrichten (Programm-Up/Download, Konfiguration, Datenerfassung) über TCP

- Flexible Encapsulation-Methode: Die original CIP-Message werden in entsprechende TCP/UDP-Frams „verpackt“

- Durchgängiger Zugriff auf unterlagerte Feldbusse (ControlNet und/oder DeviceNet) ohne Systembarriere direkt möglich – kein Gateway oder Proxy erforderlich

- Direktes Steuern von E/A möglich

- Kollisionsfrei dank „switched“ Ethernet

Vorteile für Anlagenbauer und Anwender:

- Reduzierung unterschiedlicher Netzwerkvarianten möglich

- Hohe Durchgängigkeit

- Hoher Durchsatz mit 100 MBit/s

- Kosteneinsparung je nach Lösungsansatz möglich

- Zukunftsorientiertes Konzept

- Hohe weltweite Akzeptanz

- Offenes Konzept, dadurch breiter Support unterschiedlicher Hersteller erwartet

- Einsatz von Web-Tools (Browser, eMail,…)"

4.3.2 Powerlink

Powerlink ist völlig konform zum Ethernetstandard, d. h. um es zu betreiben, sind keine speziellen Hardwarekomponenten notwendig. Es stellt eine reine Softwarelösung dar. Für den Benutzer hat dies den Vorteil, dass herkömmliche Netzwerkhardware genutzt werden kann. Ebenso können die normalen Ethernetprotokolle wie TCP und UDP weiterhin verwendet werden. Die Entwickler von Powerlink haben den Ethernet Stack um ein gemischtes Abfrage- und Zeitschlitzverfahren erweitert. Dieses Verfahren soll folgende Aufgaben erfüllen:^[38]

- In kurzen und isochronen Zyklen sollen zeitkritische Daten garantiert versendet werden können. Des Weiteren sind Antwortzeiten konfigurierbar.

- Hochpräzise Zeitsynchronisation aller Teilnehmer mit Abweichungen von Bruchteilen einer Millisekunde.

- Über einen asynchronen Kanal sollen weniger zeitkritische Daten versendet werden können.^[38]

Powerlink umgeht das komplette CSMA/CD-Verfahren, welches Ethernet nicht echtzeitfähig macht. Dies geschieht in einem entsprechend zeitlich organisierten Kommunikationsverfahren. Das bereits weiter oben genannte Abfrage- / Zeitschlitzverfahren ersetzt den kompletten TCP/IP Stack, sodass alle Teilnehmer innerhalb einer definierten Zeitspanne senden.^[40]

Das sogenannte Slot Communication Network Management (SCNM) wird hierbei genutzt, um die zeitlichen Vorgaben für die Datenübertragung zwischen allen Geräten zu organisieren. Dabei werden der Physical und der Mac Layer des OSI-Schichtenmodells nicht beeinflusst, sodass Powerlink, wie schon erwähnt, auf jeder herkömmlichen Netzwerkhardware lauffähig ist.^[40]

Der organisierte, zeitliche Ablauf in der Kommunikation stellt sicher, dass jeder Teilnehmer nur dann Daten sendet, wenn er dazu aufgefordert wird. Zum Senden von Daten wird dem jeweiligen Teilnehmer eine gewisse vordefinierte Zeitspanne gegeben. Dies verhindert das gleichzeitige Senden von Daten durch verschiedenen Teilnehmern, welches Kollisionen hervorrufen könnte und dadurch Verzögerungen in der Kommunikation verursachen würde.^[40]

Ein spezieller Teilnehmer im Netzwerk wird als Managing Node (MN) konfiguriert. Alle anderen Teilnehmer übernehmen die Rolle von so genannten Controlled Nodes (CN). Die gesammte Kommunikation innerhalb des Netzwerks läuft wie in folgendem Schema ab:^[40]

Die Zeitschlitze werden durch den MN gegeben. Innerhalb eines Zyklus sendet der MN an jeden CN einen PollRequest; die CNs antworten umgehend mit einen PollResponse. Ein gesamter Powerlink-Kommunikationszyklus besteht aus drei Phasen. Der „Start Pediod“, in welcher das SoC Frame an alle CNs versendet wird, um die zeitliche Synchronisierung sicherzustellen.^[41]

In der zweiten Phase, der „Cyclic Period“, werden die isochronen Daten versendet. Um die Bandbreite des Netzwerkes besser nutzen zu können, kann in der zweiten Phase ein Zeitschlitz durch mehrere Teilnehmer genutzt werden. In diesem Falle werden die CNs, welche sich einen Zeitschlitz teilen, nicht in jedem Kommunikationszyklus abgefragt, sondern der erste Teilnehmer nur in jedem ersten Zyklus, der zweite Teilnehmer nur in jedem zweiten usw. Dieses Verfahren wird ebenfalls durch den MN gesteuert.^[41]

In der dritten Phase werden die asynchronen, nicht oder weniger zeitkritischen, Daten versendet. Dies erlaubt z. B. größere Datenmengen wie Programmupdates oder größere Statusreports über das Netzwerk zu senden, ohne die Kommunikation für die schnell benötigten Steuerungsdaten zu beeinflussen.^[41]

Um asynchrone Daten senden zu können, muss ein CN einen Request an den MN senden. Dieser steuert anhand der Reihenfolge der eingehenden CN Request anschließend die Übertragung der entsprechenden Daten. Hier gilt ebenfalls wieder, dass nur ein Gerät zu einer Zeit asynchrone Daten übertragen kann. Sind die zu übertragenden Daten größer als der asynchrone Bereich des aktuellen Zyklus erlaubt, werden die Daten in mehreren Zyklen versendet. Die Übertragung von asynchronen Daten kann ebenfalls über die normalen TCP/IP-Protokolle erfolgen.^[42]

Adressierung der Teilnehmer

Die Powerlink MAC-Adressierung entspricht der des IEEE 802.3 Standards. Zusätzlich bekommt jeder Teilnehmer eine nodeID. Diese wird meist über entsprechende Software gesetzt. Die Kommunikation, welche wie beschrieben über den MN gesteuert wird, wird anhand dieser ID in der Software vorab konfiguriert. So wird der gewünschte Ablauf der Kommunikation zwischen den Teilnehmern sichergestellt. Ebenso erhält jeder Teilnehmer im Netzwerk eine IP-Adresse, welche von der nodeID abgeleitet wird.^[43]

Redundanz

Um ein Powerlink-Netzwerk redundant aufzubauen, können die gleichen Techniken wie für ein normales Ethernet genutzt werden. Der einzige weiter zu beachtende Punkt ist, dass der MN ebenfalls redundant ausgelegt werden muss. Powerlink unterstützt daher das Konzept zweier oder mehrerer Redundant Managing Node (RMN), wobei stets nur einer die Rolle des Active Managing Nodes (AMN) und alle anderen die Rolle des oder der Standby Managing Nodes (SMN) übernehmen. Die SMNs überwachen dauerhaft alle angeschlossenen CNs. Dies befähigt die SMNs im Fehlerfall die Funktion des AMNs zu übernehmen. Dies funktioniert, da die ID 240 im Powerlink-Modell immer der MN ist. Die IDs 241 bis 251 sind für RMNs reserviert. Im Fehlerfall kann die ID 240 vom ausgefallenen AMN on the Fly auf einen der SMNs übertragen werden. Dies geschieht völlig transparent über die CNs. Des Weiteren war die Implementierung des Network Management (NMT)-Status nötig, welcher durch jeden Teilnehmer durch die NMT Master im MN abgefragt werden kann. Der NMT kann die vier Stati „Initializing“, „Pre-Operational“, „Operational“ und „Stopped“ annehmen. Um die Funktion eines RMNs zu realisieren, wurde der fünfte Status „Stand-By“ hinzugefügt. Bootet ein RMN und erkennt keine Netzwerkaktivitäten, wechselt dieser in den AMN-Modus. Werden während des Bootvorgangs Netzwerkaktivitäten erkannt, geht der bootende RMN in den SMN-Status und meldet sich jedoch im System als normaler CN an.^[44]

4.3.3 PROFINET

Bei PROFINET wird zwischen den Varianten CBA und IO unterschieden. Dabei steht CBA für Component Based Automation und ist für die Kommunikation zwischen verschiedenen Maschinenteilen (Master-Master) ausgelegt. Dahinter steht der Grundgedanke, dass man in den meisten Fällen eine zu automatisierende Gesamtanlage in kleine Teile zerlegen kann, welches eine gewisse Modularisierung zulässt.^[45]

PROFINET IO ist auf die schnelle Kommunikation mit einer dezentralen Peripherie ausgerichtet. Dabei wiederum kann zwischen einer Realtime (RT) und einer Isochronous Realtime (IRT) Version unterschieden werden, beide sind für die Datenübertragung innerhalb von einer paar Hundert Mikrosekunden ausgelegt, wobei der Unterschied zwischen IRT und RT in der Einhaltung des Beginns eines jeweiligen Buszyklusses liegt, welcher bei der IRT-Version eine Abweichung von maximal 1µs aufweist. PROFINET CBA und PROFINET IO können sowohl separat als auch kombiniert eingesetzt werden.^[45]

PROFINET IO

„Der Anschluss der PROFINET IO-Feldgeräte erfolgt ausschließlich über Switches als Netzwerk-Komponenten. Dieser erfolgt entweder sternförmig über seperate Mehrport-Switches oder linienförmig mit im Feldgerät integriertem Switches (2 Ports belegt).“^[46] Die Adressierung der Feldgeräte erfolgt mittels der MAC-Adresse.^[47]

Die Kommunikation innerhalb von PROFINET IO wird in vier Klassen unterteilt. Alle Klassen umfassen eine erhöhte Priorität gegenüber anderem Netzwerkverkehr, um eine verzögerungsfreie Übertragung zu erreichen. Ein spezieller Ethertyp (0x8892) wird benutzt. Nachfolgend unterscheiden sich die Klassen nicht in ihrer Performance, sondern vielmehr im Determinismus.^[49]

Eine Klasse stellt die RT_CLASS_UDP dar, die ausreichend ist, um Datenzyklen von 5 ms zu erreichen. Diese Klasse kann über alle Standard-Netzwerkkomponenten übertragen werden. Dabei werden IP-Adressinformationen genutzt, um ebenfalls die Übertragung in weitere Netzwerksegmente zu gewährleisten.^[49]

Die RT_CLASS_1 ist für die Übertragung unsynchronisierter RT-Kommunikation gedacht. Dabei können die Daten lediglich innerhalb eines Segmentes übertragen werden. Anhand des oben erwähnten Ethertypes werden die Daten direkt innerhalb des RT-Kanals behandelt.^[49] „In dieser RT-Klasse können indrustrietaugliche Standard-Switche eingesetzt werden.“^[49]

In der RT_CLASS_2-Klasse können sowohl synchronisierte als auch unsynchronisierte Daten übertragen werden, wobei die Übertragung von unsynchronisierten Daten der der RT_CLASS_1 entspricht. Für die Übertragung von synchronisierten Daten wird für alle Teilnehmer der Beginn eines Buszyklusses festgelegt. Damit wird gleichzeitig für jeden Teilnehmer definiert, wann er seine Daten senden kann. Die genutzten Hardwareeinrichtungen müssen hierbei die Synchronisation unterstützen.^[49]

Innerhalb der RT_CLASS_3 wird eine synchronisierte Kommunikation innerhalb eines Netzwerksegments abgewickelt. Hierbei erfolgt die Übertragung nach einer festgelegten Reihenfolge, wobei der Beginn eines Buszyklusses um max. 1 µs abweichen darf. Diese Übertragungsart wird auch als IRT bezeichnet. Es werden ebenfalls spezielle Komponenten mit Unterstützung für Isochronität wie bei der RT_CLASS_2 benötigt.^[49]

Grundsätzlich wird weiterhin zwischen zyklischem und azyklischem Datenverkehr unterschieden. Azyklischer Datenverkehr wird genutzt, um Geräte zu parametrieren oder konfigurieren sowie Statusinformationen auszulesen. Dies geschieht mittels normalen UDP. Zyklischer Datenverkehr ist jener, innerhalb welchem I/O Daten in einem definierten Raster von einem Producer zu einem oder mehreren Consumern übertragen wird.^[49]

IRT-Kommunikation mit PROFINET IO

Isochrone Übertragung bedeutet, dass der Beginn eines Buszyklusses taktgenau beginnt und ständig synchronisiert wird. Daher wurde die synchronisierte Kommunikation bei PROFINET auch IRT genannt.^[50] Isochrone Daten können innerhalb der beiden Klassen RT_CLASS_2 und RT_CLASS_3 übertragen werden. Zur Unterscheidung beider Klassen sei hier folgendes Zitat aufgeführt:^[50]

„Für den isochronen Datenaustausch bietet PROFINET ein skalierbares Konzept an, das einerseits eine sehr flexible Art der Kommunikation vorsieht. Technisch gesehen handelt es sich hierbei um eine synchronisierte RT_CLASS_2 Kommunikation. Andererseits bietet PROFINET eine auf höchste Performance ausgelegte Kommunikation, die eine genaue Planung der Kommunikationswege im Vorfeld voraussetzt. Die verfügbare Bandbreite wird hier optimal ausgenutzt, da es zu keinem Zeitpunkt zu Wartezeiten bei der Datenübertragung kommen kann. Technisch betrachtet handelt es sich um eine synchronisierte RT_CLASS_3 Kommunikation.“^[50]

Bei beiden Versionen ist der Determinismus der Gleiche. Die Unterscheidung erfolgt nur anhand des Datendurchsatzes. Die Kommunikation erfolgt in einem reservierten und einem offenen Intervall. Innerhalb des reservierten Intervalls werden nur die zeitkritischen I/O-Daten übertragen; in dem offenen Intervall können alle anderen Daten übertragen werden.^[51] „Die Synchronisation der Teilnehmer übernimmt ein definierter „Clock-Master“, der normalerweise im IO-Controller integriert ist.“^[52] Innerhalb des reservierten Intervalls haben die Daten, welche mittels der RT_CLASS_3 übertragen werden, Vorrang vor jenen, welche mittels RT_CLASS_2 übertragen werden. Werden IRT Frames innerhalb des offenen Intervalls versendet, werden diese durch den Switch zerstört und eine Alarmmeldung an die Applikation gegeben.^[51]

Eine redundante Konfiguration der Switche ist möglich. Hierbei muss jedoch ein Switch die Rolle des Redundanz-Managers einnehmen. Dieser überwacht die zu erstellende Ringtopologie und überführt diese in eine Linienstruktur, ähnlich wie bei der Nutzung von Spanning-Tree. Unter Verwendung der RT_CLASS_1 und RT_CLASS_2 werden alle Frames tatsächlich doppelt an den Zielport geleitet, wobei lediglich das zuerst eintreffende Frame an die Applikation weitergeleitet wird. Wenn RT_CLASS_3 genutzt wird, werden die redundanten Datenpfade vorab definiert. Da durch diese Definition ebenfalls schon der Endport bekannt ist wird das Kreisen von Paketen vermieden, weil diese am Endport vom Netzwerk genommen werden können.^[53]

PROFINET CBA

Durch die bereits oben erwähnte Modularisierung muss mit PROFINET CBA sichergestellt werden, dass ansonsten autarke Steuerungen mit einander kommunizieren können. Diese Kommunikation erfolgt mithilfe von „normalem“ TCP/IP. Oberhalb von TCP/IP werden die Profinet-Komponenten (hier z. B. eine Siemens S7 SPS) in Form von Objekten mittels DCOM abgebildet.^[54]

4.3.4 EtherCAT

Die Entwicklung von EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) wird durch die EtherCAT Technology Group vorangetrieben.^[55] Dieser Gruppe gehören mittlerweile mehrere hundert Unternehmen an, u. a. Größen wie Intel, Infinion, BMW, Volkswagen, Bosch, aber auch diverse Hochschulen.^[56]

Intention bei der Herstellung von EtherCAT war es, der immer schneller wachsenden Performance von Controller CPUs eine entsprechende Kommunikationsbasis zu geben, da herkömmliche Feldbussysteme zwar sehr zuverlässig sind, jedoch im Verhältnis zu Ethernet sehr langsam, und die Entwicklung längst nicht so schnell voran schreitet wie in anderen Bereichen.^[57]

Technisch funktioniert EtherCAT folgendermaßen: Anstatt wie herkömmlich wird das ankommende Ethernetframe nicht empfangen, interpretiert und anschließend die Daten für den Prozess verarbeitet. Stattdessen werden die benötigten Daten je entsprechendem Teilnehmer im Vorbeilaufen des Ethernetframe gelesen und geschrieben. Ebenfalls wichtig ist die Tatsache, dass nicht zunächst das komplette Frame empfangen werden muss, sondern lediglich auf die entsprechenden Datenstellen zugegriffen wird. Diese Technik verzögert den Durchlauf eines Ethernetframes durch ein Gerät nur um wenige Nanosekunden.^[57]

Bei der EtherCAT-Technologie wird das EtherCAT-Protokoll in einem Standard-Ethernetframe versendet. Hierbei wird jedoch ein eigener Ethertype (88A4h) verwendet. Zusätzlich kann das EtherCAT-Protokoll in ein normales UDP-Datenpaket gekapselt werden. Dies ermöglicht die Kommunikation via EtherCAT auch über Router zu realisieren. Die Echtzeitfähigkeit hängt dann allerdings von der Performance des Routers mit ab. Hinter dem Router wird das EtherCAT-Paket aus dem UDP-Datagramm ausgepackt und an die weiteren angeschlossenen Teilnehmer in „normalen“ EtherCAT Format gesendet.^[57]

Unter Verwendung von EtherCAT werden ein oder mehrere Prozessabbilder mit bis zu je 4 Gigabyte Größe definiert. Das gesamte Prozessabbild wird durch das Netzwerk zyklisch versendet. Hierbei ist zu beachten, dass für jeden einzelnen Teilnehmer konfiguriert wird, in welche Speicherstellen des Prozessabbildes geschrieben und aus welchen gelesen wird. Durch die immer wiederkehrende Übertragung der gleichbleibenden Struktur(en) des Prozessabbildes ist die oben erwähnte "On the Fly Verarbeitung" überhaupt erst möglich.^[57]

Da verschieden verteilte Prozesse (z. B. Schweißrobotor am Fließband) eine präzise zeitliche Synchronisation benötigen, werden distributed Clocks nach IEEE 1588 Standard verwendet. Dieser Standard ermöglicht eine höchstpräzise Synchronisation weitgehend unabhängig von der Laufzeit von Daten über das Netzwerk. Mit EtherCAT wird dies über eingebaute Hardware gesteuert. EtherCAT benötigt für den Ablauf eine logische Ringstruktur. Alle Teilnehmer in diesem Ring samplen den Zeitstempel im ankommenden und ausgehenden Frame. Anhand dieser Werte ist der Master in der Lage, die Laufzeit und die Abweichungen zu ermitteln. Anschließend können die Zeiten der distributed Clocks anhand dieser Werte gesetzt werden.^[57]

Da die komplette Verarbeitung des EtherCAT-Protokolls entweder in spezieller Hardware oder aber in Software mit DMA-Zugriff auf die Netzwerkkarte abläuft, ist die komplette Laufzeit der Daten unabhängig von der Abarbeitung von Protokollstacks, CPU Performance oder Softwareimplementierung. Nachfolgende Tabelle zeigt typische Verarbeitungszeiten bei der Nutzung von EtherCAT:^[57]

Prozessdaten	Updatezeit
256 digitale I/O	11µs
1000 digitale I/O	30µs
100 Servoaxen mit je 8 Byte I/O	100µs

^[57]

EtherCAT verspricht sogar bei dieser Performance genügend freie Kapazitäten um asynchrone Daten per TCP/IP zu übertragen. Ebenfalls unterstützt wird die Kabelredundanz bei EtherCAT. Hier wird einfach nur eine Ringtopologie zum Master hin geschlossen. Eine Topologie mit einem redundantem Master mit hot standby Funktion wird ebenfalls unterstützt.^[57]

Durch die gesteigerte Performance unter Nutzung von EtherCAT kann sich ebenfalls die Auslegung von Controllern in Form von IPCs stark verändern. Waren diese in ihrer Bauform früher häufig sehr stark abhängig von der Menge an PCI-Karten, um analoge und digitale Signale zu verarbeiten kann man heute kleinste IPCs nutzen, welche wiederum auf einer verteilten I/O-Struktur per EtherCAT aufsetzen.^[57]

Um die Kompatibilität zu diversen herkömmlichen Feldbusprotokollen und auch Ethernet zu gewährleisten, können diese Protokolle innerhalb von EtherCAT gekapselt werden. Dies ist in nachfolgender Grafik dargestellt.^[57]

Eine der Anwendungen ist z. B. Ethernet over EtherCAT (EoE). Wie oben erwähnt gewährleistet diese Technik die volle Kompatibilität zum normalen Ethernet. Die Ethernet Frame werden durch EtherCAT getunnelt. Dabei arbeitet der Master in diesem Fall wie ein Layer 2-Switch und verteilt die Pakete entsprechend ihrer IP-Adressierung. Protokolle, welche auf TCP/IP aufsetzen, wie z. B. http, ftp, und E-Mail Dienste, können also voll integriert in EtherCAT genutzt werden.^[57]

Kosten

Dadurch, dass die meisten EtherCAT kompatiblen Geräte zwei oder mehr RJ45 Ports anbieten, sind keine weiteren Switche oder Hubs mehr notwendig. Des Weiteren können Standard-Twisted-Pair-Kabel und -Stecker genutzt werden, wenn keine Ansprüche auf besonders widerstandfähige Komponenten gegeben sind.^[57]

Implementierung von Master und Slave

Bei der Entwicklung von EtherCAT wurde besonderer Wert darauf gelegt, die komplette Technologie so kostengünstig wie möglich zu gestalten. D. h. im gesamten Konzept werden Ethernetframs nach IEEE 802.3 verwendet. Zusätzlich kommen im Master normale Ethernetkomponenten zum Einsatz. Hier ist eine reine Softwarelösung für die Implementierung von EtherCAT möglich. Spezielle ASICs finden lediglich in den Slaves Verwendung.^[57]

Master

Durch die Verarbeitung der Daten on the Fly im Slave werden typischerweise für eine Kommunikation innerhalb von EtherCAT nur ein oder zwei Ethernetframes benötigt. In diesen lassen sich für die meisten Anwendungen alle nötigen Daten des Prozessabbildes darstellen. Dadurch allein wird schon sichergestellt, dass keine speziellen Kommunikationsprozessoren benötigt werden. Die Verarbeitung kann mit Hilfe der normalen CPU neben der eigentlichen Aufgabe, die Bearbeitung der Applikation zum Prozessablauf, stattfinden.^[57]

Ebenfalls schonend für die Verwendung von Rechenleistung ist die Tatsache, dass sämtliche Prozessdaten in der EtherCAT-Umgebung schon sortiert in den Frames vorliegen und das Mapping innerhalb der Slaves stattfindet. Wenn für das komplette Prozessabbild ein einzelnes Frame ausreichend ist, bleibt sogar der gesamte Header im Ablauf der Kommunikation gleich.^[57]

Der Aufbau eines EtherCAT Frames ist in folgender Darstellung abgebildet.

Es sind diverse Implementierungen der nötigen Software für einen Master erhältlich. Darunter sind sowohl solche für Windows, als auch für Linux-Umgebungen sowie für andere Betriebssysteme für proprietäre Hardware. Einige dieser Implementierungen sind ebenfalls als Open Source Projekte verfügbar. Eine andere Möglichkeit ist der Erwerb des Beispielcodes der EtherCAT Technology Group (ETG), in welchem sämtliche Masterfunktionalitäten abgebildet sind.^[57]

Slave

Durch die Verarbeitung der Prozessdaten on the Fly im EtherCAT Slave Controller (ESC) wird in diesem Fall ein spezieller ASIC im Slave benötigt. Wenn es sich um einen nicht konfigurierbaren Slave handelt, reicht dieser ASIC jedoch schon für die gesamte Kommunikation aus. Bei komplexeren Aufbauten des Slaves wird eine CPU benötigt, deren Performance von der Slave-Applikation abhängt. Die EtherCAT-Software kann hingegen wieder zusätzlich auf dieser CPU mit laufen.^[57]

Es sind von mehreren Herstellern ESCs verfügbar. Darunter sind auch Umsetzungen als Field Programmable Gate Arrays (FPGA), welche äußert kostengünstig und wenig komplex sind.^[57]

5 Vor- und Nachteile

Nachfolgend sollen einige Vor- sowie Nachteile eines Industrial Ethernet aufgezeigt werden. Dies wird zunächst immer in Gegenüberstellung eines herkömmlichen Feldbusses gesehen. Außerdem befindet sich im weiteren Verlauf noch ein Vergleich der vorgestellten Technologien.

5.1 Vorteile von Industrial Ethernet gegenüber einem herkömmlichen Feldbus

Die Vorteile von Industrial Ethernet sind zunächst die gleichen wie bei einem herkömmlichen Ethernet.

Das Netzwerk ist mit bekannten Mitteln managebar, d. h. es kann für Fehlerdiagnose-Protokolle wie SNMP genutzt werden. Dies ermöglicht zum einen eine sehr schnelle und genaue Fehlerdiagnose und -analyse. Zum anderen ist es dadurch möglich, auf Wissen von IT-Mitarbeitern zurückzugreifen.^[60]

Die einheitlichen und durchgängigen Schnittstellen ermöglichen die Verbindung zwischen den Industrie- und Büronetzen.^[60] Dies ermöglicht unter anderem auch eine Ferndiagnose und -wartung über das Internet von Servicetechnikern auf der ganzen Welt; zum anderen wäre es möglich den Zustand der Anlage auf einfache Art und Weise auch auf PC-Arbeitsplätzen in der Verwaltung anzeigen zu lassen.^[61]

Ein weitere Vorteil ist die hohe Bandbreite, welche mittlerweile bis zu 10GBit/s reicht. Diese ermöglicht die Übertragung von allen nötigen Informationen über lediglich ein Kabel. In einem herkömmlichen Feldbussystem waren bei hohen Anforderungen an Übertragungsraten teilweise mehrere parallele Leitungen notwendig. Ebenfalls sind mit einem Industrial Ethernet niedrigere Taktzeiten möglich. Dadurch können Steuerungen präziser als bisher ausgelegt werden.^[60]

Während der Inbetriebnahme einer Industrieanlage kann durch die einfache Anschlusstechnik (gängige RJ45 bzw. LWL-Stecker) der Aufbau schneller erfolgen. Des Weiteren kann eine Anlage, falls zu einem späteren Zeitpunkt nötig, einfacher als bisher um weitere Komponenten, d. h. Netzwerkknoten, erweitert werden.^[61]

Zu guter letzt sei noch erwähnt, dass es sich bei einem Industrial Ethernet wohl um eine zukunftssichere Technologie und damit eine geschütze Investition handelt.^[61]

5.2 Nachteile von Industrial Ethernet gegenüber einem herkömmlichen Feldbus

Als Nachteil eines Industrial Ethernets ist wohl die Sicherheit zu sehen. An dieser Stelle sei erwähnt, dass herkömmliche Feldbussysteme lediglich auf eine effiziente Übertragung von I/O-Daten spezialisiert sind und keinerlei Funktionen für Dinge wie Vertraulichkeit, Authentizität und Schutz vor DDoS-Attacken verfügen. Ein autarkes Ethernet System wäre an dieser Stelle als gleichwertig anzusehen. Meist wird sich jedoch der Durchgängigkeit und Kompatiblität des Mediums Ethernets zu Nutze gemacht. Zu diesem Zeitpunkt muss sich natürlich dann auch um das Thema Sicherheit Gedanken gemacht werden.^[62] Dies bedeutet letzten Endes einen Mehraufwand für den Aufbau eines Industrial Ethernets gegenüber eines Feldbussystems.

Ein weiterer Nachteil ist wohl die mittlerweile große Vielfalt an Protokollen und entsprechender Hardware von diversen Herstellern. Wie bereits früher erwähnt, werden in dieser Hausarbeit lediglich eine Auswahl der verschiedenen Technologien vorgestellt. Die Vielfalt macht es allerdings sowohl Anlagenbauern als auch -betreibern nicht gerade einfach, in ein Industrial Ethernet zu investieren bzw. den Schritt weg vom herkömmlichen Feldbus in Richtung Industrial Ethernet zu gehen.^[60]

Weiterhin können bestehende Anlagen nicht einfach umgebaut werden. Dies wäre auch nicht wirtschaftlich. Wie oben im Vergleich Büro / Automationsumgebgung zu sehen, handelt es sich bei Automationsumgebungen um starre Gebilde. So ist Industrial Ethernet nur bei Neubauten wirklich interessant. ^[60]

5.3 Gegenüberstellung der vorgestellten Technologien

Merkmal	Profibus	EtherNet/IP	Powerlink	Profinet	EtherCAT
Geschwindigkeit	12 Mbit/s	bis zu 1 GB/s	bis zu 1 GB/s	bis zu 1 GB/s	bis zu 1 GB/s
Max. Teilnehmer	126	Abhängig von Struktur	Abhängig von Struktur	Abhängig von Struktur	Abhängig von Struktur
Hardware	Spezielle Hardware	Standard Geräte	Standard Geräte	Geräte mit Profinet Unterstützung / teilweise durch Software mit herkömmlichen ASIC realisiert	Geräte mit EtherCAT Unterstützung / teilweise durch Software mit herkömmlichen ASIC realisiert
Kommunikationskontrolle	Master/Slave, Token	CSMA/CD	Master/Slave	Master/Slave	Master/Slave
Adressierung	Spezifische Adressierung	MAC / IP	MAC / IP, NodeID	MAC	MAC
Redundanz	Durch Ring-Struktur möglich	Wie Ethernet	Wie Ethernet, redundanter Master möglich	Durch Ring-Struktur, redundanter Master möglich	Durch Ring-Struktur, redundanter Master möglich
Protokolle	Spezifische Protokolle	CIP	TCP/IP, CANopen	Profinet-Suite	EtherCAT
Sicherheit	Keine	Wie Ethernet	Wie Ethernet	Wie Ethernet	Wie Ethernet

6 Schlusswort

Angelehnt an ein Interview mit Michael Volz, Geschäftsführer HMS Industrial Networks, welches in der Fachzeitschrift IEE Ausgabe 9/2007 veröffentlich wurde, bleibt festzuhalten, dass sich Industrial Ethernet noch nicht gegenüber herkömmlichen Systemen durchgesetzt hat.^[63]

Hauptgründe hierfür liegen wohl zum einen im Verständnis, was Industrial Ethernet überhaupt ist. Hier ist die Meinung weit verbreitet, dass dies lediglich dazu dient, einen Office-PC in die Feldebene mit einzubinden; zum anderen auch darin, dass die herkömmlichen Feldbusse, insbesondere Profibus-DP, sehr weit verbreitet und bei den Nutzern und Ingenieuren sehr beliebt sind. Dies resultiert hauptsächlich aus der langen Erfahrung mit dieser Technik. Weiterhin ist auch ein Grund für die weite Verbreitung und die große Beliebtheit, dass eine Profibus-Schnittstelle auf sehr vielen Automationsgeräten bereits integriert ist und somit nichts weiter kostet.^[63]

Festzuhalten bleibt ebenfalls, dass für den Industrial Ethernet Bereich eine steigende Wachstumsrate erwartet wird und damit für herkömmliche Feldbussysteme rückläufige Verkaufszahlen zu erwarten sind. Auf Grund von teilweise sehr langen Projektlaufzeiten wird die Umsetzung jedoch noch eine Weile dauern. Allerdings ist auch zu beachten, dass momentan die Industrial Ethernet Komponenten, speziell bei kleineren Anwendungsgebilden, durchaus teurer sind als herkömmliche Komponenten. Dies wirkt ebenfalls noch etwas abschreckend. Sowie bei jeder anderen Technologie wird jedoch mit steigender Verbreitung auch hier der Preis sinken.^[63]

Für die Hersteller der Automationslösungen wird es mit der stärkeren Verbreitung auch nicht einfacher. Diese müssten immer mehr Technologien unterstützen, wenn sie ihre Geräte international und kompatibel zu anderen Herstellern vermarkten und verkaufen wollen. Ein wesentliches Kriterium für den Erfolg einer Technologie wird daraus resultierend auch die Unterstützung durch die Hersteller der Automatisierungsgeräte sein.^[63]

Roland Wagner, Marketing Manager bei 3S-Smart Software Solutions GmbH, schreibt in einem Artikel, welcher in der Fachzeitschrift atp veröffentlicht wurde, "Der Krieg ist lange beendet!"^[64] In diesem Artikel wird weiterhin die Meinung vertreten, dass verschiedene Technologien durchaus friedlich mit- und nebeneinander existieren können. Aus seiner Sicht sollte für eine Aufgabenstellung die möglichst nutzenbringenste Lösung gewählt werden, eine Koexistenz von meheren Varianten nicht ausgeschlossen. Für die Anwender stehen hierzu offene Softwarelösungen zur Verfügung, mit denen verschiedene Technologien innerhalb eines Tools projektiert werden können.^[65]

7 Abkürzungsverzeichnis

ASIC	Application Specific Integrated Circuit
NTP	Network Time Protocol
SNTP	Simple Network Time Protocol
DCOM	Distributed Component Object Model
IPC	Industrie-PC

8 Fußnoten

1. ↑ ^{1,0 1,1 1,2} atp, Heft 7/2005
2. ↑ Industrielle Netze S. 3ff
3. ↑ Vgl. Industrial Ethernet, Seite 45ff.
4. ↑ Industrielle Netze S. 3f
5. ↑ ^{5,0 5,1} Vgl. Industrielle Netze, Seite 176
6. ↑ Industrial Ethernet, Seite 363
7. ↑ ^{7,0 7,1} Industrial Ethernet, Seite 363f
8. ↑ ^{8,0 8,1 8,2} Vgl. Industrielle Netze, Seite 175
9. ↑ Vgl. Industrille Netze, Seite 180
10. ↑ Vgl. Profibus Systembeschreibung, Seite 3
11. ↑ Profibus Systembeschreibung, Seite 3
12. ↑ Profibus Systembeschreibung, Seite 4
13. ↑ Vgl. Profibus Systembeschreibung, Seite 4
14. ↑ Profibus Systembeschreibung, Seite 5
15. ↑ Vgl. Profibus Systembeschreibung, Seite 5
16. ↑ Profibus Systembeschreibung, Seite 6
17. ↑ Vgl. Profibus Systembeschreibung, Seite 8
18. ↑ ^{18,0 18,1 18,2} Vgl. Profibus Systembeschreibung, Seite 9
19. ↑ Profibus Systembeschreibung, Seite 10
20. ↑ Vgl. IP67 Interface
21. ↑ Vgl. Profibus Systembeschreibung, Seite 13
22. ↑ Profibus Systembeschreibung, Seite 14
23. ↑ ^{23,0 23,1} Vgl. Profibus Systembeschreibung, Seite 16f
24. ↑ Vgl. Industrielle Netze, Seite 180f
25. ↑ Vgl. Industrielle Netze, Seite 181
26. ↑ Vgl. Industrielle Netze, Seite 182f
27. ↑ Vgl. Industrielle Netze, Seite 183
28. ↑ In Anlehnung an: Cisco Industrial Ethernet 3000 Series
29. ↑ Vgl. Industrial Ethernet, Seite 132ff.
30. ↑ Hirschmann Eagle 20 Datenblatt
31. ↑ Vgl. EtherCAT Techgroup
32. ↑ Vgl. EtherCAT Busklemme
33. ↑ ^{33,0 33,1 33,2 33,3} Vgl. Industrielle Netze, Seite 184ff.
34. ↑ Vgl. Industrielle Netze, Seite 185
35. ↑ Vgl. CIP Beschreibung
36. ↑ Vgl. Industrielle Netze, Seite 187ff.
37. ↑ EtherNet/IP Technologie
38. ↑ ^{38,0 38,1} In Anlehnung an: Powerlink Einführung
39. ↑ Powerlink Aynchronous Data
40. ↑ ^{40,0 40,1 40,2 40,3} In Anlehnung an: Powerlink Realtime Protokoll
41. ↑ ^{41,0 41,1 41,2} In Anlehnung an: Powerlink Realtime Protokoll
42. ↑ In Anlehnung an: Powerlink Asynchronous Data
43. ↑ In Anlehnung an: Powerlink Topology
44. ↑ In Anlehnung an: Powerlink Redundancyh
45. ↑ ^{45,0 45,1} Vgl. Profinet Systembeschreibung, Seite 4f
46. ↑ Profinet Systembeschreibung, Seite 7
47. ↑ Vgl. Profinet Systembeschreibung, Seite 7
48. ↑ Industrielle Netze, Seite 213
49. ↑ ^{49,0 49,1 49,2 49,3 49,4 49,5 49,6} Vgl. Profinet Systembeschreibung, Seite 9f
50. ↑ ^{50,0 50,1 50,2} Vgl. Profinet Systembeschreibung, Seite 17
51. ↑ ^{51,0 51,1} Vgl. Profinet Systembeschreibung, Seite 17ff
52. ↑ Profinet Systembeschreibung, Seite 17
53. ↑ Vgl. Profinet Systembeschreibung, Seite 25ff
54. ↑ Vgl. Industrial Ethernet, Seite 376
55. ↑ In Anlehnung an: EtherCAT Techgroup
56. ↑ In Anlehnung an: EtherCAT Members
57. ↑ ^{57,00 57,01 57,02 57,03 57,04 57,05 57,06 57,07 57,08 57,09 57,10 57,11 57,12 57,13 57,14 57,15 57,16 57,17} In Anlehnung an: EtherCAT Technology
58. ↑ EtherCAT Technology
59. ↑ Vgl. EtherCAT Technology
60. ↑ ^{60,0 60,1 60,2 60,3 60,4} Vgl. Innovative Automation mit Industrial Ethernet
61. ↑ ^{61,0 61,1 61,2} Vgl. Industrie / Office Ethernet
62. ↑ Vgl. Industrielle Netze, Seite 223f
63. ↑ ^{63,0 63,1 63,2 63,3} Vgl. IEE, Heft 9/2007, S. 9ff
64. ↑ atp, Heft 9/2007, S. 49
65. ↑ Vgl. atp, Heft 9/2007, S. 49

9 Literaturliste

Literatur

Industrielle Netze	Alexander Bormann, Ingo Hilgenkamp: Industrielle Netze, Hüthig Verlag Heidelberg, Heidelberg 2006
Industrial Ethernet	Mark Metter, Rainer Bucher: Industrial Ethernet in der Automatisierungstechnik, 2. Auflage, Publicis Corporate Publishing, Erlangen 2007

Internetquellen

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PROFINET Systembeschreibung	PROFIBUS&PROFINET International, PROFINET Systembeschreibung: http://www.profibus.com/nc/downloads/downloads/profinet-technology-and-application-system-description/download/183/ (02.05.2010, 15:00)
EtherCAT Techgroup	EtherCAT Technology Group, EtherCAT Technology Group: http://www.ethercat.org/en/tech_group.html (01.05.2010, 17:00)
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EtherCAT Technology	EtherCAT Technology Group, Technology: http://www.ethercat.org/en/technology.html (01.05.2010, 11:30)
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Powerlink Topology	Ethernet POWERLINK Standardization Group, Topology: http://www.ethernet-powerlink.org/index.php?id=28 (01.05.2010, 17:00)
IP67 Interface	DATACOM Buchverlag GmbH, IP67 Push-Pull-Interface: http://www.itwissen.info/definition/lexikon/IP-67-push-pull-interface-IP67-IP67-Push-Pull-Interface.html8 (05.05.2010, 12:00)
EtherNet/IP Technologie	Open DeviceNet Vendors Association, Die Technologie von EtherNet/IP: http://www.ethernetip.de/technology/technology.htm (02.05.2010, 14:15)
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EtherCAT Busklemme	Beckhoff Automation GmbH, Beckhoff EtherCAT-Klemmen: http://www.beckhoff.de/german/ethercat/ethercat_terminals.htm?id=355716333 (15.05.2010, 20:00)
Innovative Automation mit Industrial Ethernet	SERCOS International e. V., Innovative Automation mit Industrial Ethernet: http://www.sercos.de/Single-News.89.0.html?&cHash=d3fc094271&tx_ttnews[backPid]=66&tx_ttnews[tt_news]=172 (05.06.2010, 17:30)
Industrie / Office Ethernet	U.I. Lapp GmbH, Industrial/ Office Ethernet: http://www.lappkabel.de/index.php?id=614990&rel=32358bda (05.06.2010, 18:00)

Fachzeitschriften

ATP, Heft 7/2005	Arndt Lüger, Axel Klostermeyer, Verteilte Automatisierungssysteme - Stand der Technik und entstehende Anforderungen an industrielle Kommunikationssysteme, Oldenbourg Industrieverlag GmbH
ATP, Heft 9/2007	Roland Wagner, Es wurde echt Zeit!, Oldenbourg Industrieverlag GmbH
IEE, Heft 9/2007	Interview mit Michael Volz, Der Feldbus ist das A&O, Hüthig elektronik JOURNAL GmbH