Wenn Sie ein alter PC-Benutzer sind, haben Sie vielleicht schon von der RS-232C-Norm gehört. Und was ist mit dem Wort PLC? Dies sind die Normen und Begriffe, die im Bereich der industriellen Netzwerke verwendet werden, die im industriellen Bereich sehr wichtig sind. Hier ist eine kurze Einführung in industrielle Netzwerke.
Was ist ein industrielles Netzwerk?
Ein industrielles Netzwerk ist ein Netzwerk, das Sensoren und Geräte steuert, die in einem Gerät oder einer Produktionslinie installiert sind, und Informationen von dort an ein übergeordnetes System, z. B. ein Fertigungssteuerungssystem, übermittelt. Auch bekannt als Feldnetzwerk, FA-Netzwerk und Feldbus.
In der Regel besteht das Netzwerksystem einer Fabrik aus der folgenden Vier-Schichten-Struktur:
- Schicht 1: Informationssystemnetz
- Schicht 2: Controller-Netzwerk
- Ebene 3: Feldnetzwerk
- Schicht 4: Verdrahtungssparendes Netzwerk
Zu den Informationssystemnetzen gehören Manufacturing Execution Systems (MES) und zu den Steuerungsnetzen gehören speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS). Darüber hinaus umfassen Feldnetzwerke Steuerungen, die mit Sensoren und Motoren kommunizieren, und die unterste Schicht ist ein verdrahtungssparendes Netzwerk, das die Kommunikationsverkabelung zwischen Sensoren und Steuerungen vereinfacht.
Dieser Artikel behandelt ein Feldnetzwerk der dritten Schicht. Die an alte PCs angeschlossene rs-232C-Schnittstelle ist ursprünglich ein alter Standard für dieses Netz der dritten Schicht.
In Fabrikanlagen und Produktionslinien schwanken die Komponenten eines Netzes, wie z. B. physische Geräte und Sensoren, nicht sehr stark, und es ist oft immer dasselbe angeschlossen. Andererseits gibt es keine Probleme wie Datenübertragungsfehler oder -unterbrechungen, und es ist erforderlich, dass das Netz unabhängig von der Änderung der Datenübertragungsmenge immer stabil und zuverlässig mit der gleichen Geschwindigkeit arbeitet (dies wird als “Gewährleistung der Echtzeitleistung” bezeichnet).
Daher hat sich anstelle des Ethernet, das ein Standard für Netzwerke wie das Internet und das in Büros verwendete LAN ist, der Standard des ursprünglichen Netzwerks entwickelt. Aufgrund der Tatsache, dass hochrangige Systeme wie Manufacturing Execution Systems, die sich in den letzten Jahren großer Beliebtheit erfreuen, auf Ethernet-Basis aufgebaut wurden, und aufgrund von Echtzeitverbesserungen, die Schwachpunkte von Ethernet-Systemen waren, werden in letzter Zeit vermehrt Ethernet-basierte Standards für Feldnetzwerke eingesetzt.
Geschichte und Kriterien des Feldnetzes
Die Idee, Fabrikausrüstungen mit einem Netzwerk zu verbinden, Daten zu sammeln oder eine Steuerung zur Kontrolle von Motoren, Robotern usw. mit einem Netzwerk und integriertem Management zu verbinden, kommt dem IoT heute, 1970, sehr nahe. Es heißt, dass es in den 1990er Jahren war. Es wurden bereits experimentelle Forschungen durchgeführt. Damals, in der Ära der analogen Technologie, waren digitale Hard- und Software jedoch noch mangelhaft, so dass man dachte, die Realisierung eines solchen praktischen digitalen Netzwerks sei eine Sache für die nächste Zeit.
Spätere Fortschritte in der Digitaltechnik haben in den 1990er Jahren zur praktischen Anwendung von Feldnetzen geführt. Damals wurden verschiedene Normen entwickelt, und es gab eine Zeit, in der etwa 40 Arten von Normen überfüllt waren. Seitdem hat sich die Organisation weiterentwickelt und ist nun auf mehr als 10 Arten von Hauptnormen beschränkt.
Es gibt drei Feldnetzwerke: ein aus RS-232C entwickeltes rs-485-System, ein Ethernet-System und ein drahtloses System. Wie bereits erwähnt, haben sich in den letzten Jahren die Ethernet-Standards durchgesetzt. Darüber hinaus sind drahtlose Systeme auf dem Vormarsch.
Merkmale für RS-485-Feldnetzwerke
Der Vorteil des RS-485-Systems besteht darin, dass es eine lange Tradition hat und an vielen Standorten eingesetzt wird. Außerdem ist der Betrieb relativ stabil und hat eine hervorragende Echtzeitleistung. Außerdem zeichnet es sich dadurch aus, dass es unempfindlich gegenüber Störungen ist. Diese “hohe Zuverlässigkeit” und diese “Errungenschaften” sind die Hauptgründe dafür, dass rs-485-Feldnetzwerke seit mehr als 30 Jahren im Einsatz sind, und selbst jetzt, wo Ethernet-Systeme dominieren, sind sie ein ziemlich “schwer wegzuwerfender” Standard.
Der Nachteil ist, dass die Übertragungsgeschwindigkeit langsamer ist als bei Ethernet-Systemen. Außerdem ist der Preis der Geräte tendenziell etwas höher als bei Ethernet-Systemen.
Merkmale für Ethernet-Feldnetzwerke
Der Vorteil von Ethernet-Systemen ist, dass sie immer noch relativ schnelle Best-Effort-Übertragungsgeschwindigkeiten haben. Da die Protokolle und die Hardware den wichtigsten Informationssystemen gemeinsam sind, lassen sie sich leicht einführen. Außerdem ist die Hardware wie Kabel und Netzwerkadapter den bereits weit verbreiteten LANs gemeinsam, so dass der Preis für die Ausrüstung niedrig gehalten werden kann.
Andererseits hat Ethernet eine langsamere Übertragungsgeschwindigkeit, wenn der Netzverkehr zunimmt. Mit anderen Worten, wenn der Umfang des Produktionssystems zunimmt und man versucht, die Zeit zu verlängern, nimmt die Übertragungsgeschwindigkeit ab und die Echtzeitfähigkeit der Datenübertragung geht verloren. Daher ist ein gewisser Einfallsreichtum erforderlich, um die Echtzeitleistung zu gewährleisten.
Merkmale von drahtlosen Feldnetzwerken
Der größte Vorteil von drahtlosen Systemen ist, dass keine Verkabelung erforderlich ist. Das ist sehr vorteilhaft, wenn Sie später ein Feldnetzwerk installieren oder wenn unter dem Boden oder der Decke der Fabrik kein Platz für eine Verkabelung vorhanden ist. Außerdem können wir aus demselben Grund flexibel auf Änderungen des Fabriklayouts reagieren. Außerdem sind die Anfangskosten des gesamten Systems in der Regel niedrig, da keine Kosten nur für die Installation von Kabeln anfallen.
Andererseits werden bei der drahtlosen Kommunikation Funkwellen verwendet, so dass die Übertragung je nach Ausbreitungsbedingungen der Funkwellen wie Beugung und Reflexion möglicherweise nicht erfolgreich ist, was ein einzigartiger Nachteil der drahtlosen Übertragung ist. Daher müssen die Antennen der Geräte in der Regel so aufgestellt werden, dass sie sich gegenseitig sehen können.
Typische Standards für jede Linie und ihre Besonderheiten
RS-485-Standard und seine Besonderheiten
Zu den wichtigsten gehören CC-Link und PROFIBUS DP.
“CC-Link” ist ein führender Standard, der von Mitsubishi Electric in Japan und Asien entwickelt wurde. Zu den Merkmalen gehören eine Übertragungsgeschwindigkeit von bis zu 10 Mbit/s und eine Übertragungsdistanz von 1,2 km, was relativ hohe Geschwindigkeiten und eine große Übertragungsdistanz bedeutet. Außerdem können 64 Geräte pro Netz angeschlossen werden. In Japan ist dieser Standard fast schon zum Werksstandard geworden. Cc-Link ist ursprünglich ein RS-485-Standard, aber in den letzten Jahren ist auch der ethernetbasierte CC-Link IE erschienen. Es sind auch Steuerungen mit Ethernet- und RS-485-Konvertierung erhältlich.
“PROFIBUS DP” ist ein leistungsfähiger Standard, der hauptsächlich in Europa verbreitet ist. Weltweit hat er den größten Anteil. Er zeichnet sich dadurch aus, dass 126 Geräte pro Netzwerk angeschlossen werden können. Er ist auch mit Lichtwellenleitern kompatibel.
Ethernet-Standards und ihre Besonderheiten
Die wichtigsten davon sind “EtherNet/IP” und “EtherCAT”.
“Ethernet/IP” ist ein Kommunikationsstandard, der zyklische Kommunikation unterstützt, um die Schwächen von Ethernet zu überwinden. Es steht für zyklische Kommunikation. Dieser Standard zeichnet sich dadurch aus, dass die Kommunikation in einem bestimmten Zeitintervall erfolgt. Dies gewährleistet eine scheinbare Echtzeit. Bekannt ist er auch durch die Übernahme durch den Automobilhersteller GM, der in den USA einen großen Marktanteil gewonnen hat.
“Ether CAT” ist ein Standard, der im Prinzip die Netztopologie (die physikalische Verbindungsform des Netzes) von Baum auf Ring beschränkt, um die Schwächen von Ethernet zu überwinden. Bekannt ist dies durch die Übernahme durch die Toyota Motor Corporation. In einem normalen Netzwerk verzweigt es sich baumförmig unter Verwendung eines Hubs oder Routers, aber EtherCAT verbindet die Geräte in Form einer Daisy Chain. Dies führt zu einer konstanten Menge an Datenverkehr im Ring und gewährleistet Echtzeit.
Drahtlose Standards und ihre Spezialitäten
Zu den Wireless-Standards gehören “Local 5G” und “LPWA”.
“Lokales 5G” ist eine räumlich begrenzte Nutzung von 5G, dem Standard für Mobiltelefone der nächsten Generation. Es wird erwartet, dass die 5G-Hochgeschwindigkeit für Feldnetze genutzt werden kann.
“LPWA” ist die gängigste Methode, die derzeit in drahtlosen Feldnetzwerken verwendet wird, und sie ist beliebt, weil sie mit geringem Stromverbrauch ein großes Gebiet abdecken kann. Der Nachteil ist, dass die Übertragungsgeschwindigkeit langsam ist, aber die Kosten sind niedrig und es trägt zur Verbreitung bei.
Die Zahl der Normen ist so groß, dass die Auswahl groß ist
Wir haben oben kurz die Normen für industrielle Netze vorgestellt. Es gibt viele verschiedene Standards für industrielle Netzwerke. Gegenwärtig dominieren die Ethernet-Standards, aber auch die rs-485-basierten Standards, die seit Jahren an vielen Standorten eingesetzt werden, sind schwer zu verwerfen. Darüber hinaus kann man in einigen Fällen sagen, dass drahtlose Systeme ein wenig mehr Gewicht haben. In jedem Fall ist es wichtig, die Merkmale der einzelnen Normen zu kennen und die für das geplante Produktionssystem am besten geeignete Norm zu wählen. Nutzen wir die große Auswahl, denn es gibt verschiedene Normen.
