FI-DV 02 Netze für die Produktion

FI-DV 02 Netze für die Produktion

In diesem Modul erkunden Sie die Netzwerktechnologien, die die industrielle Produktionstechnik prägen. Sie lernen die Besonderheiten von Netzwerken in der OT (Operational Technology) gegenüber der IT kennen und verstehen, warum deterministische Übertragungszeiten in der Automatisierung entscheidend sind. Der Fokus liegt auf den Industriestandards TSN, Profinet und EtherCAT, die eine zuverlässige und zeitlich koordinierte Kommunikation zwischen Maschinen und Steuerungen ermöglichen.

Sie erwerben das Wissen, um passende Netzwerktechnologie für unterschiedliche Automatisierungsanwendungen auszuwählen und grundlegende Konfigurationen vorzunehmen. Das Modul vermittelt die theoretischen Grundlagen und praktischen Aspekte, die für den Aufbau und den Betrieb von Produktionsnetzwerken notwendig sind.

Konzepte und Hintergrund

OSI-Modell in der OT

Das OSI-Referenzmodell wird in der OT-Technik oft vereinfacht angewendet. Während in der IT alle sieben Schichten relevant sind, konzentriert man sich in der Automatisierungstechnik primär auf die Schichten 1 (Physikalisch) und 2 (Sicherungsschicht). Die höheren Schichten werden von proprietären Protokollen abgedeckt, die spezifische Anforderungen an Echtzeitfähigkeit und Zuverlässigkeit erfüllen.

Deterministische Netze

Ein deterministisches Netzwerk garantiert, dass Datenpakete innerhalb einer vorhersagbaren, maximalen Zeit an ihr Ziel gelangen. Diese Eigenschaft ist in der Produktionstechnik essenziell, da Steuerungsbefehle und Sensorwerte zeitkritisch sind. Jitter (zeitliche Schwankungen) muss minimiert werden, um eine synchronisierte und stabile Automatisierung zu gewährleisten.

Time-Sensitive Networking (TSN)

TSN ist eine Reihe von IEEE-Standards (802.1), die deterministische Eigenschaften für herkömmliche Ethernet-Netzwerke definieren. Durch Mechanismen wie Time-Aware Scheduling (TAS) und Asynchronous Traffic Shaping (ATS) wird eine priorisierte und zeitlich vorhersagbare Übertragung ermöglicht. TSN ermöglicht die Konvergenz von IT- und OT-Netzwerken auf einer gemeinsamen Infrastruktur.

Profinet

Profinet ist ein von Siemens entwickeltes, industrielles Kommunikationsprotokoll auf Basis von Ethernet. Es bietet verschiedene Übertragungsarten, von der Standard-Ethernet-Kommunikation (IRT - Isochronous Real Time) bis hin zu einer komplexen Automatisierungsarchitektur (IO-Controller, IO-Device). Profinet IRT ermöglicht zyklische, isochrone Datenübertragung mit sehr geringer Jitter für hochdynamische Anwendungen.

EtherCAT

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) ist ein offenes, master-basiertes Feldbus-System. Die Besonderheit liegt in seiner "On-the-Fly"-Verarbeitung: Der Master sendet ein Datagramm, das von jedem Slave-gerät während der Durchquerung des physischen Segments gelesen und/oder modifiziert wird. Dies ermöglicht extrem kurzyklische Übertragungszeiten und hohe Präzision, ohne dass jeder Slave eine eigene Ethernet-Adresse benötigt.

Architektur-Diagramm

flowchart TD
    A[Engineering-Workstation] --> B[Profinet-IO-Controller]
    B --> C[Profinet-IO-Device 1]
    B --> D[Profinet-IO-Device 2]
    B --> E[EtherCAT-Slave 1]
    B --> F[EtherCAT-Slave 2]
    G[TSN-Switch] --> B
    G --> C
    G --> D
    G --> E
    G --> F
    H[IT-Netzwerk] --> G
    I[OT-Netzwerk] --> G

Praktische Schritte

1. Installieren Sie die notwendige Treiber- und Konfigurationssoftware für Ihre Profinet-Geräte auf dem Engineering-Workstation. Dies stellt sicher, dass Sie die Geräte korrekt identifizieren und konfigurieren können.
2. Verbinden Sie den Profinet-IO-Controller und die IO-Devices physisch über einen managed Switch, der VLAN-fähig ist. Eine korrekte physische Verkabelung ist die Grundlage für eine stabile Kommunikation.
3. Konfigurieren Sie auf dem Switch ein separates VLAN für den Profinet-Verkehr, um diesen vom restlichen Netzwerkverkehr zu isolieren. Dies verhindert Störungen durch andere Netzwerkdienste und erhöht die Sicherheit.
4. Erstellen Sie im Engineering-Tool ein neues Projekt und fügen Sie die Profinet-Geräte über deren MAC-Adressen hinzu. Der Controller muss die Topologie und die Geräteparameter kennen, um die Kommunikation zu steuern.
5. Konfigurieren Sie die Zykluszeiten und die Isochronous Real Time (IRT) Parameter im Profinet-Device-Manager. Diese Einstellungen legen die deterministische Übertragung fest und sind für die zeitkritische Anwendung entscheidend.
6. Verbinden Sie die EtherCAT-Slaves im Ringtopologie (Line-Topologie mit End-of-Line-Device), um die Robustheit des Netzwerks zu erhöhen. Ein Ring ermöglicht eine automatische Umschaltung bei Kabelbrüchen.
7. Konfigurieren Sie den EtherCAT-Master in Ihrer Steuerungssoftware und scannen Sie den Bus, um die angeschlossenen Slaves zu identifizieren. Der Master benötigt die Gerätedaten, um die Kommunikation zu initialisieren.
8. Weisen Sie den EtherCAT-Slaves im Master ihre Prozessabbild-Adressen zu, um den Datenaustausch zwischen der Steuerung und den I/O-Geräten zu definieren. Diese Zuordnung legt fest, welche Daten mit welcher Frequenz übertragen werden.
9. Aktivieren Sie die TSN-Funktionen auf Ihrem Switch und konfigurieren Sie die Time-Aware Scheduling (TAS) Tabellen, um die Priorisierung der verschiedenen Datenströme zu steuern. Dies ist notwendig, um die deterministischen Eigenschaften des TSN-Netzwerks zu nutzen.
10. Testen Sie die gesamte Konfiguration mit einem Netzwerkanalysator, um die Jitter-Werte und die Zyklusgenauigkeit zu überprüfen. Eine Messung bestätigt, dass die Systemanforderungen erfüllt werden.

Häufige Fallstricke

Weiterführende Ressourcen

• Profinet-Offizielle Seite und Dokumentation
• EtherCAT Technology Group (ETG) - Offizielle Ressourcen
• IEEE 802.1 TSN Arbeitsgruppe - Spezifikationen
• Siemens Profinet Technologie-Portal
• Beckhoff EtherCAT-Produktübersicht und Anleitungen

Wissens-Check

Vier Fragen zur Selbstkontrolle. Klicken Sie jede Frage an, um die richtige Antwort und Erklärung zu sehen.

Welche Schichten des OSI-Modells sind in der OT-Technik primär relevant?

• A) Schichten 5-7 (Anwendung, Präsentation, Sitzung)
• B) Schichten 1-2 (Physikalisch, Sicherungsschicht)
• C) Schichten 3-4 (Netzwerk, Transport)
• D) Alle sieben Schichten sind gleich wichtig

Richtige Antwort: B. In der Automatisierungstechnik konzentriert man sich primär auf die unteren Schichten 1 und 2, während höhere Schichten von proprietären Protokollen abgedeckt werden.

Was ist das Hauptmerkmal von deterministischen Netzwerken in der Produktion?

• A)
• B) Garantierte, vorhersagbare Übertragungszeiten
• C) Volle Kompatibilität mit herkömmlichen IT-Netzwerken
• D) Redundante Verbindungspfade

Richtige Antwort: B. Deterministische Netze garantieren, dass Datenpakete innerhalb einer vorhersagbaren Zeit an ihr Ziel gelangen, was für zeitkritische Steuerungsbefehle essenziell ist.

Was ist der Hauptvorteil von Time-Sensitive Networking (TSN)?

• A) Erhöhung der maximalen Übertragungsrate
• B)</strong) Vereinfachung der Netzwerksicherheit</li>
• C) Deterministische Eigenschaften für herkömmliches Ethernet
• D)</strong) Reduzierung des physikalischen Kabelaufwands</li>

Richtige Antwort: C. TSN definiert deterministische Eigenschaften für herkömmliche Ethernet-Netzwerke, wodurch die Konvergenz von IT- und OT-Netzwerken ermöglicht wird.

Welches der folgenden Protokolle wurde von Siemens entwickelt?

• A) EtherCAT
• B) Modbus TCP
• C) Profinet
• D) CANopen

Richtige Antwort: C. Profinet ist ein von Siemens entwickeltes industrielles Kommunikationsprotokoll auf Basis von Ethernet, das verschiedene Übertragungsarten bietet.