Alles Wissenswerte über EtherNet/IP und IIoT

Ethernet-Geräte sind heute wahrscheinlich seltener anzutreffen, denn die drahtlose Vernetzung wird immer beliebter. Doch Ethernet bleibt ein wesentlicher Bestandteil unseres täglichen Lebens – sei dies für Ihren Hauptinternetanschluss oder für Ihr Smart-TV. In industriellen Umgebungen erfährt Ethernet eine bedeutende Weiterentwicklung. EtherNet/IP enthält das bekannte „IP“. Die Buchstaben erinnern an die "IP-Adresse". Doch in diesem Kontext bedeuten sie „Industrial Protocol“, eine klevere Umdeutung der Abkürzung für industrielle Anwendungen.

Feldgeräte können eine Ethernet-Verbindung über ähnliche Kabel und Steckverbinder herstellen, wie sie auch zuhause verwendet werden. Natürlich werden für industrielle Anwendungen wesentlich robustere Ausführungen benötigt, die den anspruchsvollen Bedingungen standhalten. Doch das Prinzip bleibt gleich. Kurzum, Sie kennen sich schon recht gut aus, wie diese „neuen“ Ethernet-Geräte in der Industrie funktionieren. Nachdem wir festgestellt haben, wie vertraut diese Technologie tatsächlich ist, lassen Sie uns nun in die Details gehen, mit denen sie sich von anderen Lösungen abhebt.

In den 1990er Jahren begann ein kleines Team bei ControlNet International Ltd. mit einer Entwicklung, aus der schließlich EtherNet/IP hervorgehen sollte. Um das Jahr 2000 wurde den Entwicklern klar, dass sie zusätzliche Unterstützung benötigten, um das Projekt weiter voranzubringen. Damals gab es noch kein Crowdfunding, also mussten sie traditionelle Wege beschreiten.

Sie gingen eine Partnerschaft mit der Open DeviceNet Vendors Association (ODVA) ein, einer 1995 gegründeten Organisation der Hersteller von Automatisierungstechnik. Die ODVA stimmte zu, bei der Entwicklung von EtherNet/IP mitzuarbeiten. 2009 übertrugen die ursprünglichen Entwickler die volle Verantwortung für das Protokoll an die ODVA und ihre Mitglieder. Heute pflegt und fördert die ODVA das Common Industrial Protocol (CIP™) und verwandte Technologien, darunter ControlNet®, CompoNet® und DeviceNet®.

Die ODVA ist nicht nur für die Protokollentwicklung zuständig, sondern stellt darüber hinaus die hersteller- und systemübergreifende Interoperabilität sicher – eine komplexe Herausforderung in der industriellen Automatisierung. Die Organisation setzt sich für die Nutzung seriengefertigter Standardkomponenten (commercial off-the-shelf, COTS) und nicht modifizierter Internet- und Ethernet-Technologien ein, um die Integration und Einführung zu vereinfachen.

EtherNet/IP basiert auf CIP und folgt dem OSI-Modell (Open Systems Interconnection) sowie der Standard-Protokollfamilie TCP/UDP. EtherNet/IP ist damit ein flexibles, erstklassiges Ethernet-Netzwerk und ein offener IEC-Standard. Es ermöglicht Ihnen, Feldsensoren, Controller und Steuerungssysteme im selben Netzwerk zu verbinden.

Seine Implementierung ist sehr weit verbreitet, daher findet man dort auch Leistungsregler (Motoren, Antriebe, Softstarter etc.) und diskrete Steuerungen (Sicherheits-I/IO, Roboter etc.). Es gibt eine Fülle von Möglichkeiten, da auch IP-Kameras, WiFi und IP-Telefone in das Netzwerk eingebunden werden können. Alle diese Merkmale zeigen, dass EtherNet/IP auf jeden Fall für die Erweiterung auf IIoT-Lösungen bereit ist.

Statt hier den gesamten Standard zu beschreiben, werden wir nur die wichtigsten Punkte auflisten, die Sie kennen sollten:

• IEEE 802.3: Standard, Ethernet, Precision Time Protocol (IEEE-1588)
• IEC: International Electrotechnical Commission – IEC 61158
• ODVA: Common Industrial Protocol (CIP)
• IETF: Internet Engineering Task Force, Standard Internet Protocol (IP)

EtherNet/IP fügt darüber hinaus das CIP zur Sitzungsschicht hinzu, folgt aber auch dem Protokoll-Framework des OSI-Modells. Schauen Sie sich dazu die Grafik an:

Schließlich können Sie über viele verschiedene Wege kommunizieren. Im Physical Layer kann die Kommunikation drahtlos, über Kupferkabel, Lichtwellenleiter und weitere Möglichkeiten stattfinden. Der Data Link Layer (Netzzugangsschicht) lässt, abhängig vom Physical Layer, verschiedene Standards zu – zum Beispiel IEEE 802.3 (Lichtwellenleiter), IEEE 802.3 oder 802.1 (Kupfer) und IEEE 802.11 (WiFi).

Der neue Advanced Physical Layer (Ethernet-APL) arbeitet mit 2-Leiter-Technik für Stromversorgung und Kommunikation und kann sogar in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden!

Die Ethernet-Technologie hat eine beeindruckende Entwicklung durchlaufen: von 10 Mbit/s, Bus/Baumtopologie und Halbduplex-Kommunikation zu 100 Mbit/s und 1 Gbit/s, Vollduplex und Switch/Router-basierter Sterntopologie. Diese Weiterentwicklung hat Ethernet-Netzwerke in die Lage versetzt, kritische industrielle Systeme zu unterstützen.

EtherNet/IP ist eine aktive Infrastruktur mit Netzwerksegmenten, die Punkt-zu-Punkt-Verbindungen in einer Sterntopologie nutzen. Das Herzstück dieser Topologie ist die Verschaltung von Layer-2- und Layer-3-Switches. Diese Switches unterstützen viele Punkt-zu-Punkt-Knoten.

Das EtherNet/IP-Netzwerk kann auch lineare und einzelfehlertolerante Ringtopologien unterstützen. Dazu verwendet es eingebettete Switches und DLR-Technologie (Device Level Ring). Diese alternativen Topologien können miteinander kombiniert werden, um Kabelführung und Kommunikationslayouts zu optimieren.

Wir könnten jetzt zwar tief in die technischen Details des EtherNet/IP-Netzwerk einsteigen, doch wir werden uns kurz fassen und auf das Wesentliche beschränken. Dazu werden wir die wichtigsten Themen in drei Fragen behandeln. Die Antworten geben Ihnen eine gute Grundlage, um das Netzwerk besser zu verstehen.

EtherNet/IP basiert als auf dem TCP/UDP IP-Standard, doch was bedeuten die Abkürzungen? TCP (Transmission Control Protocol) ermöglicht eine zuverlässige, allerdings langsame Datenübertragung in einem Unicast-Paket oder Unicast-Frame. TCP-Verbindungen werden beispielsweise für E-Mails oder zum Browsen im Internet verwendet, und sie sind nützlich zum Übertragen von Diagnosedaten. UDP eignet sich dagegen für I/O-Daten in Automatisierungs- oder Steuerungsanwendungen.

Wenn wir nun zu UDP (User Datagram Protocol) kommen, sehen wir, dass die Verbindung deutlich schneller ist, doch bei ihr gibt es keine Garantie, dass die übertragenen Daten beim Empfänger ankommen. Hier haben wir Unicast-, Multicast- und Broadcast-Pakete oder -Frames, beispielsweise zum Streamen von Musik oder Videos.

Ja, die Koexistenz mit anderen TCP/IP-Anwendungen war ausdrückliches Ziel bei der Entwicklung von EtherNet/IP. Hier sind einige Beispiele von TCP/IP-Anwendungen, die häufig auf dem Markt anzutreffen sind:

• HTTP – Hypertext Transfer Protocol
• SNMP – Simple Network Management Protocol
• Modbus/TCP
• OPC UA

Das Netzwerk ist aus einigen Kernelementen aufgebaut, die die Kommunikation zwischen den Geräten und dem Steuerungssystem ermöglichen. Bei EtherNet/IP gibt es drei Klassen für die Identifizierung der Komponenten und ihrer Nutzungsweise.

• Scanner: Die Scanner-Klasse bildet die Eingangs- und Ausgangsvariablen des Netzwerks in Zyklen ab, die durch die Aktualisierungszeit definiert sind. Beispiele: speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) und Controller
• Messaging: Die Messaging-Classe unterstützt explizites Messaging statt Echtzeit-I/O-Daten. Beispiele: Diagnosen, Tools für die Netzwerkkonfiguration, SCADA- und HMI-Systeme
• Adapter: Die Adapter-Klasse stellt gerätespezifische Funktionen in Geräten bereit, in die das Protokoll EtherNet/IP integriert ist. Beispiele: Sensoren, Ventile, Gateways.

EtherNet/IP ist eine digitale Kommunikation und erweitert die Möglichkeiten für Integration und Datennutzung. Nach dem NAMUR NOA-Konzept können Informationen unter Verwendung eines Edge Device direkt aus dem Netzwerk abgerufen und an verschiedene Arten von Cloud-Services gesendet werden. Ein Beispiel ist das Netilion IIoT-Ökosystem von Endress+Hauser, das mehrere Optionen für die Unterstützung von EtherNet/IP-Geräten bietet: Sie können in den Netilion-Services Analytics, Library, Health und Value und bei Analytics und Library auch in Geräten von Drittanbietern genutzt werden. Diese Services erweitern Ihre Daten und liefern Ihnen überall und jederzeit die richtigen Informationen. Jeder Service bringt wichtige Vorteile für die täglichen Aufgaben.

IIoT-Services stellen einen einfachen Zugriff auf wichtige Einblicke in Ihre Feldinstrumente bereit. Sie bieten Ihnen eine komfortable und sichere Möglichkeit für die Integration mit der Cloud, damit Sie in Ihrer eigenen Branche einen Vorsprung gewinnen, Ihre Wartung auf eine neue Stufe stellen, die Produktion steigern und weitere Ziele erreichen können.