Die kommerzielle Einführung von Ethernet erfolgte 1980. Die erste Standardisierung erfolgte 1983 als IEEE 802.3. Diese Technologie wurde weiterentwickelt, um höhere Bitraten, mehr Knoten und größere Verbindungsdistanzen zu ermöglichen, wobei die Abwärtskompatibilität weitgehend erhalten blieb. Im Laufe der Zeit hat das Ethernet konkurrierende kabelgebundene LAN-Technologien wie Token Ring, FDDI und ARCNET weitgehend ersetzt.

Industrielle Anforderungen

Die Einführung in vielen industriellen Umgebungen verlief jedoch nie ohne Probleme. Industriesteuerungen stellen einige Anforderungen, die nur schwer von einem Kommunikationssystem erfüllt werden können, das von Haus aus eine gewisse Latenz mit sich bringt und in seinen grundlegenden Protokollen keine Priorisierung vorsieht. Dies führte im 20. Jahrhundert zu einer interessanten Situation, in der viele Unternehmen Ethernet nur im Verwaltungsbereich und verschiedene Arten von Feldbus-Technologien in der Fertigung einsetzten. Natürlich war dies ein Hindernis für stärker integrierte Automatisierungssteuerungen. Daher konkurrierten in den 1990er Jahren verschiedene Industrieinitiativen miteinander, die einen neuen Standard schaffen wollten, der die Vorteile von Ethernet mit den Echtzeit- und deterministischen Anforderungen der industriellen Kommunikation verbindet.

Unter diesen längst in Vergessenheit geratenen Initiativen gab es zwar keinen klaren Sieger, aber es haben sich einige Ethernet-Substandards herausgebildet, hauptsächlich LANified Feldbusse. Zu den Protokollen für Industrial Ethernet zählen EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET, POWERLINK, SERCOS III, CC-Link IE und Modbus TCP. Viele Industrial-Ethernet-Protokolle verwenden einen modifizierten MAC-Layer, um niedrige Latenz und Determinismus zu gewährleisten. Komponenten, die in prozesstechnischen Anlagen eingesetzt werden, müssen für den Betrieb in rauen Umgebungen ausgelegt sein, in denen extreme Temperaturen, Feuchtigkeit und Vibrationen auftreten, die über die Bereiche hinausgehen, die für informationstechnische Geräte in kontrollierten Umgebungen vorgesehen sind. Der Einsatz von Glasfaser-Ethernet-Varianten reduziert die Probleme durch elektrisches Rauschen und sorgt für eine elektrische Isolierung.

Eine weniger strenge Definition des Industrial Ethernet nutzt Standard-Ethernet-Protokolle mit robusten Steckverbindern und erweiterten Temperaturschaltern in einer industriellen Umgebung zur Automatisierung oder Prozesssteuerung. Dies ist sinnvoll, da das Standard-Ethernet die Kompatibilität von Systemen wie speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) verbessert und eine Kommunikation auf Unternehmensebene ermöglicht.

Flexibel, robust und kompatibel

In aktuellen industriellen Umgebungen wird eine Kombination aus beiden Ansätzen verwendet, wobei robuste Hardware mit robusten Protokollen verknüpft wird. Diese Art von Industrial Ethernet verbindet physikalische Datenschichten, die auf Standard-Ethernet-Protokollen basieren, Netzwerk- und Transportschichten, die auf Internetprotokollen basieren, und eine Anwendungsschicht, die eine Echtzeit-Datenübertragung für spezifische Prozesse gewährleistet.

Das Industrial Ethernet ist auch die Grundlage für die Umsetzung der digitalen Industrialisierung, die auch als Industrie 4.0 bezeichnet wird. Durch die verbesserte Kompatibilität, die Möglichkeit, Peer-to-Peer-Architekturen zu nutzen, mehr als zwei Knoten in einer Verbindung zu haben und Standard-Netzwerkhardware zu verwenden, können Industrial Ethernet-Netzwerke als Rückgrat des Kommunikationssystems dienen. Sie können zahlreiche unterschiedliche Systeme und Maschinen miteinander verbinden, von Nanosensoren bis hin zu Maschinen auf Unternehmensebene sowie Benutzern an unterschiedlichen Standorten. Dank der höheren Datenübertragungsrate und der Möglichkeit, universelle Hochleistungskabel (Cat5e/Cat6) zu verwenden, bietet Industrial Ethernet die Möglichkeit, die Netzwerk- und Systemleistung zu verbessern und mit den technologischen Entwicklungen Schritt zu halten.

Heute ist Industrial Ethernet mehr oder weniger zum Standard für die Kommunikation in modernen digitalisierten Fertigungsbereichen geworden. Mit Industrie 4.0 und IIoT findet ein Wechsel von einem hierarchischen Automatisierungsmodell (mit unabhängigen Kommunikationssystemen auf Geräte-, Zellen-, Steuerungs- und Unternehmensebene) zu einer Automatisierung in einem dezentralen Netzwerk statt, in dem alle vernetzten Geräte IP-Adressen gemäß dem Industrial Ethernet-Protokoll haben. Für die Implementierung von Industrial Ethernet in anspruchsvollem Umfeld ist der Einsatz von fortschrittlichen Kabel- und Steckverbindersystemen unabdingbar, die rauen Bedingungen wie Vibrationen, Flüssigkeiten, Staub, dem Eindringen von Chemikalien und elektromagnetischen Störungen standhalten können.

Neben den Industrial-Ethernet-Steckverbindern und -Kabelsystemen sind die Qualität und Zuverlässigkeit aller Systemkomponenten entscheidende Faktoren bei der Frage, wie schnell die Systeme aufgerüstet und Industrial Ethernet eingeführt werden kann.

Single-Pair-Ethernet-Verbindungen

Single Pair Ethernet oder SPE ist die nächste Generation des Industrial Ethernet und ersetzt die traditionellen koaxialen verdrillten Kabelverbindungen. Mit dem Single Pair Ethernet Connector werden zwei oder vier Kabelpaare durch ein einziges Paar ersetzt. Das spart Platz und ermöglicht eine umfassende und kostengünstige Palette an standardisierten Kommunikationsprotokollen. SPE-Steckverbinder können bestehende Architekturen nutzen und die Verbindung auf bis zu 1000 Meter ausdehnen, wobei die PoDL-Fähigkeit (Power over Data Line) ein Maximum an Flexibilität gewährleistet. SPE macht langsame, teure und komplexe Feldbusprotokolle und -verbindungen überflüssig, indem es bestehende und neue industrielle Netzwerksysteme vereinfacht und standardisiert.

SPE-Steckverbinder für industrielle Anwendungen ermöglichen somit eine direkte Ethernet-Verbindung zu Peripheriegeräten wie Sensoren, Aktoren und Kameras für Bildverarbeitungssysteme, die mit Geschwindigkeiten von bis zu 1 GBit/s arbeiten. Mit SPE wird die Infrastrukturunterstützung für die nächste Generation von Automatisierungstechnologien wie IIoT und Industrie 4.0 vereinfacht.

Abbildung 1: Amphenol ICC Single-Pair-Ethernet-IP20-Steckverbinder

Diese IEC63171-6-konformen Industrial-Ethernet-Steckverbinder von Amphenol ICC entsprechen der Schutzart IP20, wobei in Kürze auch dichte IP65/IP67-Versionen verfügbar sein werden. Sie sind mechanisch robust und verfügen über eine sichere Verriegelung mit 360°-Abschirmung für optimale Leistung in rauen Umgebungen. Die Steckverbinder sind mit einer Strombelastbarkeit von bis zu 4 A in rechtwinkliger und vertikaler Ausführung für Leiterplattenmontage erhältlich. Die SPE-Buchsen passen zu feldkonfektionierbaren Steckern, die auch als werkseitig konfektionierte fertige Kabelsätze erhältlich sind und eine vollständig geschirmte Schnittstelle mit Metallverriegelung und einfacher Installation bieten. Die SPE-Steckverbinder von Amphenol ICC sind mit anderen Produkten des SPE Industrial Partner-Netzwerks kompatibel und ermöglichen innovative sowie flexible Lösungen.