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Industrial Ethernet vs. Commercial Ethernet

Generell wissen wir alle, dass Ethernet das De-facto-Kommunikationsprotokoll auf physikalischer Ebene für die Datenübertragung zwischen Geräten in einem lokalen oder Wide Area Network ist. Es hat sich im Laufe der Jahre weiterentwickelt und bietet höhere Leistungsgrade bei gleichzeitiger Abwärtskompatibilität, Zuverlässigkeit und relativ niedrigen Kosten, so dass es seine Popularität behalten hat. In letzter Zeit haben Sie vielleicht auch von der Verwendung von Ethernet im Zusammenhang mit “Commercial Ethernet“ und “Industrial Ethernet“ gehört.

Obwohl beide immer noch als Ethernet angesehen werden, da sie Frames verwenden, um Informationen über MAC-Adressen an Geräte zu senden und von Geräten zu empfangen, sind sie nicht genau gleich - sowohl in Bezug auf die Art und Weise, wie sie die Informationen oder die angezeigten Topologien senden und empfangen, als auch in Bezug auf die Komponenten und Aspekte der Prüfung. Schauen wir uns die Hauptunterschiede zwischen den beiden an.

Zeitgesteuert und deterministisch

Das herkömmliche, kommerzielle Ethernet ist von Natur aus nicht echtzeitfähig, da es Trägererkennung und Mehrfachzugriff mit Kollisionserkennung (CSMA/CD) verwendet. Dies ermöglicht die Erkennung der Netzwerk- und Zieladresse (CSMA) sowie die Fähigkeit eines Gerätes zu erkennen, dass es versucht hat, Informationen zur gleichen Zeit wie ein anderes zu übertragen (CD). Wenn eine Kollision erkannt wird, wird die Übertragung unterbrochen und erneut gesendet, sobald sie frei ist. Mit anderen Worten, die Zeit, die ein bestimmtes Paket braucht, um sein Ziel zu erreichen, kann nicht bestimmt werden. Das bedeutet, dass es sich nicht um ein deterministisches System handelt.

Die Kollisionserkennung eignet sich zwar hervorragend für die effektive Übertragung von Geschäftsinformationen, verursacht jedoch eine leichte Verzögerung, die bis zu Hunderte von Millisekunden betragen kann. Das ist nichts, was uns in einem kommerziellen Geschäftsumfeld wirklich auffällt oder Sorgen bereitet. Aber in einem industriellen Umfeld ist selbst die geringste Verzögerung inakzeptabel, da Automatisierungs -und Steuerungssysteme davon abhängen, dass Informationen genau dort ankommen, wo und wann sie benötigt werden. Aus diesem Grund basierte die Kommunikation auf Geräteebene in einer industriellen Umgebung lange Zeit auf Protokollen wie Profibus und Modbus, die eine zeitsensitive Übertragung mit Determinismus bieten.

Glücklicherweise konnte die IEEE 802. 1 Time-Sensitive Networking (TSN)-Arbeitsgruppe dieses Problem mit neuen Mechanismen und Priorisierungsalgorithmen lösen, die Zeitsynchronisation verwenden. Dies hat zu einer Reihe von deterministischen Echtzeit-Ethernet-Standards geführt, die zur Übertragung von Informationen dienen, bei denen die Zeit auf der Datenübertragungsebene ein kritischer Faktor ist, und die selbst für die anspruchsvollsten Bewegungssteuerungsanwendungen geeignet sind. Kurz gesagt, TSN ist das, was die Anforderungen der Industrieklasse auf Ethernet bringt.

Mögliche Variationen in der Topologie

Während kommerzielle Ethernet-Netzwerke fast immer mit einer Sterntopologie konfiguriert sind, umfasst Industrial Ethernet oft eine Kombination aus Stern-, Ring- und Bustopologien, um einer Vielzahl von Anwendungen gerecht zu werden. Bustopologien, die in industriellen Anwendungen als Multipoint- oder Multisegment-Topologien bezeichnet werden, sind dann üblich, wenn sich mehrere Knoten eine gemeinsame Verbindung teilen müssen. Aus diesem Grund ermöglicht das neue 10BASE-T1L Single-Pair-Ethernet bis zu 10 Anschlüsse in Reihe.

Darüber hinaus ist die hierarchische Sterntopologie ideal für kommerzielles Ethernet, während Industrial Ethernet eine noch bessere Redundanz und die Eliminierung von Single Points of Failure erfordert. Zu diesem Zweck hat Industrial Ethernet Sternring-Hybrid-Topologien angepasst, die Ausfallzeiten für Produktionszyklen durch Zero-Failover-Techniken minimieren. Die neuen Protokolle, wie z. B. die in IEC 62439-3 definierte nahtlose Hochverfügbarkeits-Redundanz (High Availability Seamless Redundancy, HSR), sind darauf ausgelegt, in einem Ring eine Null-Wiederherstellungszeit zu erreichen, indem jedes Paket gleichzeitig in beide Richtungen gesendet wird, so dass der empfangende Knoten das erste ankommende Paket akzeptiert und das zweite ignoriert.

Erhöhter Komponentenschutz

Auch bei den für Industrial Ethernet verwendeten Steckverbindern gibt es Unterschiede, da sie strengeren mechanischen Faktoren, der Möglichkeit des Eindringens von Substanzen, extremen Temperaturen, Chemikalien und elektromagnetischen Störungen standhalten müssen. Daher sehen wir häufig M12- und M8-Steckverbinder, die mit einem Verriegelungsgewinde verwendet werden, da sie im Vergleich zu kommerziellen RJ45-Ethernet-Steckverbindern viel haltbarer und besser für die Aufnahme von Dauervibrationen ausgelegt sind. Kabel müssen auch in der Lage sein, aggressiveren Umgebungen zu widerstehen, daher haben sie Mantelmaterialien mit höherer Zugfestigkeit und chemischer Beständigkeit sowie eine größere Anzahl von Litzen für eine größere Flexibilität. Sowohl Steckverbinder als auch Kabel müssen die Anforderungen der anspruchsvollsten M. I. C. E. Parameter erfüllen, die zur Klassifizierung von Komponenten in einem Industrienetzwerk verwendet werden, bei denen M von mechanischer (Biegung, Vibration), I von Eindringen (Feuchtigkeit), C von klimatischer (Temperatur) und E von elektromagnetischer (Rauschen) Art ist. MICE Standards gelten für alle industriellen Ethernet-Protokolle, wie z. B. EtherNet/IP, ProfiNET, EtherCAT, Modbus-TCP und andere.

Es sind nicht nur die Kabel und Stecker, die sich unterscheiden. Ethernet-Switches müssen auch größeren Temperaturbereichen, Stößen, Vibrationen usw. standhalten, und werden oft in industriellen Stahlgehäusen unter Verwendung von DIN-Schienenmontage platziert. Außerdem ist eine größere Zuverlässigkeit und Redundanz erforderlich. Während ein kommerzieller Ethernet-Switch in der Regel eine einzige Stromquelle hat, verfügen industrielle Ethernet-Switches fast immer über eine redundante Stromversorgung.

Überprüfung und Lösung außergewöhnlicher Probleme

Mehr als die Hälfte der Industrial-Ethernet-Probleme kann auf die Verkabelung zurückgeführt werden, und die aggressivere industrielle Umgebung kann ihren Teil dazu beitragen und eine Änderung dessen erfordern, worauf bei Tests und Fehlerbehebung zu achten ist. Beispielsweise können bei industriellen Ethernet-Kabeln Kontinuitätsprobleme auftreten, die durch Biegung, Vibration, Korrosion oder Temperaturänderungen verursacht werden. Während Kontinuitätstests offene Verbindungen finden, erfordert die Lokalisierung einer schlechten Verbindung die Messung des Widerstands jedes einzelnen Leiters. Dies kann durch Überprüfung der DC-Widerstandsunsymmetrie mit einem entsprechenden Testgerät erfolgen, der die Widerstandsdifferenz zwischen den einzelnen Leitern eines Paares analysiert. Wenn sie zu hoch ist, könnte das auf eine schlechte Verbindung hindeuten.

Elektromagnetische Interferenz (EMI), das “E“ in M. I. C. E., kann auch Pakete auf Industrial Ethernet beschädigen. Um festzustellen, ob ein Kabel für EMI-Störungen anfällig ist, prüft das Testgerät auf Transverse Konversion Loss (TCL) und Äqual Level Transverse Konversion Transfer Loss (ELTCTL), die sowohl in den TIA- als auch in den ISO-Normen für EMI aufgeführt sind. Beim Testen können die Grenzwerte der M. I. C. E. -Normen auf Ihrem Tester so gewählt werden, dass sie dem “E“ Level der verschiedenen Umgebungen entsprechen: E1 für kommerzielle Büroumgebungen, E3 für Umgebungen in der Nähe von leistungsstarken EMI-Quellen und E2 für die Verkabelung zwischen den Zonen E1 und E3.

Natürlich sollten Sie bei der Durchführung des Tests auch darauf achten, dass Ihr Tester die richtige Schnittstelle und die richtigen Testeinstellungen hat. In Industrieinstallationen ist es üblich, Kabel mit M12-Steckverbindungen abzuschließen, was sie im Grunde zu einem langen Verbindungskabel macht. Da Kanaltests nicht die Leistung von Steckverbindern an beiden Enden umfassen, hat ISO/IEC dem Standard 11801-3 Grenzwerte für End-to-End-Tests (E2E) hinzugefügt, die mit DSX M12D- oder M12X-Adaptern durchgeführt werden können, die für die meisten Testgeräte separat erhältlich sind.

Es ist üblich, dass einige dieser Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit einem M12-Steckverbinder an einem Ende und einem RJ45-Steckverbinder am anderen Ende abgeschlossen werden. In diesem Fall benötigen Sie an einem Ende einen M12-Adapter und am anderen Ende einen Schlauchadapter, da damit die Leistung eines feldkonfektionierten RJ45-Steckers getestet wird.

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