Das in den 1970er Jahren entwickelte Ethernet ist heute als IEEE 802.3 (Institute of Electrical and Electronics Engineers) standardisiert. Ethernet ist eine kabelgebundene Datenübertragungstechnik aus Hard- und Softwarekomponenten, die ursprünglich für lokale Datennetze (LAN) gedacht war. Im OSI-Modell (Open System Interconnection) definiert Ethernet sowohl die physische Schicht (Physical Layer) als auch die Sicherungsschicht (Data Link Layer) einer kabelgebundenen Ethernet-Medienzugriffssteuerung (Media Access Control). Der Standard beschreibt auch die Regeln für die Konfiguration eines Ethernet-Netzwerks und das Zusammenspiel der Netzwerkelemente untereinander.

Ethernet ermöglicht die Verbindung von Computern über ein Netzwerk – ohne dieses wäre die Kommunikation zwischen Geräten in der heutigen Welt nicht möglich. Ethernet ist der globale Standard für ein kabelgebundenes System zum Zusammenschluss von mehreren Computern, Geräten und Maschinen über ein gemeinsames Netzwerk einer Organisation, damit alle Computer miteinander kommunizieren können.

Die Anfänge von Ethernet

Das Ethernet begann mit einem einzigen Kabel, das den Anschluss mehrerer Geräte an ein Netzwerk ermöglichte. Heute lässt sich ein Ethernet-Netzwerk je nach Bedarf um neue Geräte erweitern. Ethernet hat sich inzwischen zur am weitesten verbreiteten Netzwerk-Technologie der Welt entwickelt. Ein Ethernet teilt die Datenströme in kürzere Teile oder Datenframes auf, wobei jedes Datenpaket spezielle Informationen enthält, etwa Quell- und Zieladresse der Daten. Diese Daten sind notwendig, damit das Netzwerk Daten bei Bedarf annehmen und senden kann.

Verbreitete Fachbegriffe der Ethernet-Technologie umfassen unter anderem ein „Medium“, in der aktuellen Ethernet-Technologie eine verdrillte Zweidrahtleitung oder eine Glasfaser-Verkabelung, die Ethernet-Geräte verbindet und somit einen Datenpfad bereitstellt. Ein „Segment“ ist ein einziges, von mehreren Geräten geteiltes Medium. Beim „Node“ handelt es sich um einen Zusammenschluss von Geräten, die mit einem Segment verbunden sind.

Standard-Ethernet kann Daten mit Geschwindigkeiten von 10 bis 100 MBit/s übertragen. Gigabit-Ethernet ist eine Bezeichnung, die im Rahmen des Standards IEEE 802.3 Verwendung findet, um Ethernet-Geschwindigkeiten von 1 GBit/s zu beschreiben. Der Begriff Gigabit-Ethernet kam zunächst typischerweise für Backbone-Netzwerk-Transport und für hochleistungsfähige beziehungsweise Server mit hoher Kapazität zum Einsatz. Im Laufe der Zeit konnte Ethernet jedoch auch Desktop-Verbindungen und PCs unterstützen.

Ethernet ist dabei nicht zu verwechseln mit Wi-Fi, denn Ethernet nutzt Kabel zur Verbindung von Computern und Geräten. Bei fast jedem Verweis auf ein Netzwerk oder eine LAN-Verbindung ist Ethernet gemeint.

Was ist Industrial Ethernet?

Industrial Ethernet ist genau das, wonach es klingt – Ethernet, angewandt im Industriebereich, was oft robustere Steckverbinder und Kabel, vor allem aber einen besseren Determinismus verlangt. Für einen besseren Determinismus nutzt Industrial Ethernet spezielle Ethernet-Protokolle. Weit verbreitete Industrial-Ethernet-Protokolle sind beispielsweise Profinet, Ethernet/IP, Ethercat, Sercos III und Powerlink. Industrial Ethernet ermöglicht Datenübertragungsraten von 10 MBit/s bis 1 GBit/s, wobei 100 MBit/s die gängigste Geschwindigkeit bei Industrial-Ethernet-Anwendungen ist.

Industrial Ethernet erfordert im Vergleich zu beispielsweise Ethernet-Systemen für den Büroeinsatz zusätzliche Überlegungen. So sind Produktionsanlagen in Werkshallen hohen Temperaturen, Erschütterungen, Feuchte, Staub, aber auch anderen Störquellen wie hohen EMV-Belastungen ausgesetzt.

Funktionsweise von Industrial Ethernet

Bild 1: Bei einer Flaschenabfüllanlage kann das Industrial Ethernet die korrekte Befüllung der Flaschen überwachen.

Bild 1: Bei einer Flaschenabfüllanlage kann das Industrial Ethernet die korrekte Befüllung der Flaschen überwachen. Analog Devices

Industrial-Ethernet-Protokolle wie Profinet und Ethercat modifizieren Standard-Ethernet, indem sie das richtige Senden und Empfangen von spezifischen Produktionsdaten zum exakt erforderlichen Zeitpunkt für eine bestimmte Operation sicherstellen. Zum Beispiel kann eine Flaschenabfüllanlage mit Industrial-Ethernet-Automationstechnologie Abfülldaten über das Netzwerk senden, um eine planmäßige Füllung der Flaschen zu garantieren. Sobald eine Flasche voll ist, sendet das Netzwerk ein entsprechendes Signal über das Netzwerk (Bild 1).

Eine derartige Nachricht ist in einer Büroumgebung weniger wichtig. Falls eine Webseite nicht mehr reagiert, klickt der Anwender einfach die Aktualisierungsschaltfläche an. In einer Fabrik könnte ein kleines Problem jedoch eine Katastrophe auslösen – in einem Unternehmen ist es schon rein zeitlich nicht möglich, dass jemand den Fehler bemerkt und manuell einen Knopf drückt. Das Industrial-Ethernet-Automatisierungsnetzwerk kann jedoch Fehler im Abfüllprozess erkennen und den Vorgang automatisch anhalten. Dies verhindert vor allem Zeit-, Ressourcen- und Geldverschwendung.

Weitere Unterschiede

Bild 2: Produktionsanlagen in Werkshallen sind anspruchsvollen Umweltbedingungen ausgesetzt - eine Tatsache, der auch das Netzwerk Rechnung tragen muss.

Bild 2: Produktionsanlagen in Werkshallen sind anspruchsvollen Umweltbedingungen ausgesetzt – eine Tatsache, der auch das Netzwerk Rechnung tragen muss. Analog Devices

Ethernet kommt eher in Büro- als in Industrieumgebungen zum Einsatz. Für Bürokommunikation ist Ethernet für die Nutzung auf Basis-Ebene ausgelegt, während Industrial Ethernet für mehrere Ebenen in Frage kommt und für Umgebungen mit hoher Beanspruchung geeignet ist. Industrial Ethernet kann Störungen in Fabrikumgebungen besser handhaben, die Anforderungen von Fabriken besser erfüllen und eignet sich daher insbesondere für den Einsatz in rauen Umgebungen (Bild 2). Außerdem ist Industrial Ethernet bei Datenkollisionen in der Lage, innerhalb der Fabrikhallen besser zu reagieren.

Kabel und Steckverbinder können bei der Industrial-Ethernet-Technologie auch variieren. Beispielsweise weisen Steckverbinder für Industrieumgebungen keine Schnappmechanismen auf, da aufgrund der raueren Umgebung stärkere Verriegelungsmechanismen erforderlich sind. Für Hochleistungsanwendungen sind oftmals sogar abgedichtete Steckverbinder unumgänglich.

Auch die Verkabelung kann sich zwischen kommerziellem beziehungsweise Ethernet für Bürokommunikation und Industrial Ethernet unterscheiden. Light-Duty-Industriekabel können eine qualitativ hochwertigere Ummantelung als normale Ethernet-Kabel besitzen. Bei Heavy-Duty-Kabeln sind die Ummantelung und das verwendete Metall von höherer Qualität, um sie langlebiger zu machen.

Industrieumgebungen benötigen Determinismus

Determinismus ist ein wichtiges Kriterium bei der Definition von Industrial Ethernet und der Unterscheidung zu Standard-Ethernet. Standard-Ethernet ist für sich alleine nicht deterministisch. Industrieumgebungen benötigen jedoch Determinismus – es besteht die Notwendigkeit Datenpakete zu bestimmten Zeiten zu senden und zu empfangen. Zusätzlich muss das Netzwerk in der Lage sein, jede Überlieferung von Daten zu garantieren.

Dies ist darauf zurückzuführen, dass ein Verlust von Daten oder eine Verzögerung beim Datenaustausch zwischen Geräten und Industrieumfeld zur Katastrophe führen kann – wie beispielsweise eine Schwachstelle im Produktionsprozess. Die Informationsübertragung in Echtzeit ist oft ein wichtiges Kriterium für Unternehmen bei der Auswahl einer geeigneten Ethernet-Lösung, die auch den jeweils unternehmensspezifischen Anforderungen Rechnung trägt.