Brückenkran-HMI: Profinet vs EtherCAT vs Modbus TCP im Vergleich
Protokollwahl für die Brückenkran-HMI-Kommunikation: Für Brückenkrane mit Siemens-SPS ist Profinet IRT die erste Wahl (Zykluszeit 250 μs–1 ms), für Krane mit Inovance-/Beckhoff-SPS empfiehlt sich EtherCAT (minimale Latenz ≤100 μs), und für den Umbau bestehender Krananlagen ist Modbus TCP am besten geeignet (maximale Kompatibilität, keine Konfigurationskosten). Alle drei Protokolle werden vom KR-HMI-System von Kelude unterstützt; die Umschaltung zwischen den Protokollen erfolgt direkt über die HMI-Einstellungsoberfläche – ohne zusätzliche Hardware.
Das Kommunikationsprotokoll zwischen der HMI und der SPS ist der entscheidende Faktor für die Reaktionszeit und die Datenaktualisierungsrate des HMI. Ein falsch gewähltes Protokoll kann zu verzögerter Anzeige, asynchronen Daten oder sogar zum Verbindungsabbruch führen. Profinet, EtherCAT und Modbus TCP sind die drei gängigsten Ethernet-Protokolle in der industriellen Automatisierung – im Brückenkran-Einsatz hat jedoch jedes seine spezifischen Stärken und Schwächen. Dieser Beitrag vergleicht die Protokolle anhand von fünf Kriterien – Zykluszeit, Übertragungsmechanismus, Topologie, Hardwarekosten und HMI-Kompatibilität – und gibt eine klare Empfehlung für die Auswahl des Kommunikationsprotokolls für Kran-HMIs.
Profinet IRT: Echtzeitkommunikation für Siemens-Steuerungen
Profinet ist der von Siemens forcierte Industrial-Ethernet-Standard; IRT (Isochronous Real-Time) stellt dabei die höchste Echtzeitstufe dar. IRT realisiert über Hardware-Mechanismen eine präzise zyklische Synchronisation: Alle IRT-Geräte senden und empfangen Daten innerhalb eines Kommunikationszyklus streng nach Zeitplan, mit einem Zyklus-Jitter von <1 μs. Bei der Kommunikation zwischen der Kran-HMI und einer Siemens-S7-1200/1500-SPS über Profinet kann die Datenaktualisierungsrate der HMI auf 1 ms eingestellt werden (synchron zum OB1-Zyklus der SPS). Dadurch werden Last, Höhe und Geschwindigkeit auf der HMI ohne spürbare Verzögerung aktualisiert.
EtherCAT: Minimale Latenz für anspruchsvolle Antriebsregelung
EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) wurde von Beckhoff entwickelt und nutzt die „Processing-on-the-Fly“-Technik: Während der Telegrammdurchlauf durch jeden Slave erfolgt, liest bzw. schreibt der Slave die relevanten Daten im Mikrosekundenbereich und leitet das Telegramm direkt an den nächsten Teilnehmer weiter. Die Zykluszeit von EtherCAT kann bis auf 100 μs gesenkt werden – deutlich unter der 250-μs-Untergrenze von Profinet IRT. Im Brückenkran-Einsatz wird die HMI-Aktualisierungsrate jedoch typischerweise auf 1–5 ms eingestellt (die Wahrnehmungsgrenze des menschlichen Auges für HMI-Änderungen liegt bei etwa 16 ms/60 fps). Der Latenzvorteil von EtherCAT kommt daher vor allem in der Frequenzumrichtersteuerung zum Tragen, weniger in der HMI-Kommunikation selbst.
Modbus TCP: Die universelle Lösung für den Kran-Umbau
Modbus TCP ist das weltweit am häufigsten eingesetzte industrielle Kommunikationsprotokoll – nahezu jede SPS und jede HMI unterstützt es nativ. Die Zykluszeit liegt typischerweise zwischen 5 und 50 ms (abhängig von der Anzahl der abgefragten Datenpunkte und der Reaktionszeit der SPS) – für HMI-Aktualisierungsanforderungen (ab 16 ms) ist das völlig ausreichend. Der größte Vorteil von Modbus TCP liegt in seiner Universalität und der fehlenden Konfigurationsnotwendigkeit: Bei der Modernisierung bestehender Krananlagen sind keine zusätzlichen Kommunikationsmodule oder Softwarebibliotheken auf der SPS-Seite erforderlich – die HMI liest die SPS-Register direkt über Ethernet. Das KR-HMI-System von Kelude arbeitet im Modbus-TCP-Modus standardmäßig mit 50 Polling-Datenpunkten, einer Aktualisierungsrate von 20 ms und automatischer Erkennung der Registeradresszuordnung auf der HMI-Seite.
| Vergleichskriterium | Profinet IRT | EtherCAT | Modbus TCP |
|---|---|---|---|
| NormFestlegung | PI(PROFIBUSinternational) | EtherCATTechnische Gruppe(ETG) | ModbusOrganisation |
| Übertragungsrate | 100Mbps | 100Mbps | 100Mbps |
| MinimumZykluszeit | 250μs | ≤100μs | 5ms(typisch) |
| typischHMIAktualisierungsrate | 1ms | 1ms | 20ms |
| maximale Slave-Anzahl | 256 | 65,535 | 247(IPBegrenzung) |
| HMIHardwarekosten | mittel(erforderlichProfinetChip) | niedrig(EtherCATSlave-Chip¥30) | minimal(NormEthernet-Schnittstelle) |
| Konfigurationskomplexität | hoch(GSDDatei+Zeitablaufkonfiguration) | mittel(ESIDatei+Master-Konfiguration) | niedrig(Registernur Adresse) |
| PLCMarkenabdeckung | Siemensüberwiegend | Beckhoff/Inovance/Omron | nahezu alle Marken |
| 1ms Profinet HMIAktualisierungsrate und PLC OB1Synchronisation, Jitter<1μs | 100μs Ether CATMinimum Zykluszeit pipeline-weise Stationsverarbeitung | 20ms Modbus HMIAktualisierungsrate 50Punktabfrage, Bestand Umbau Nullkosten |
| 100% PLCMarkenabdeckungsrate Kelude KR-HMIDrei-Protokoll-Kompatibilität | Dual-Ethernet-Port HMISteuerungsnetzwerk+Informationsnetzwerk Ein-Netz-Anschluss PLC, Ein-Netz-Anschluss an Big-Data-Plattform | 1 Tag Modbus-Umbauzeit HMIMontage+Kommunikationskonfiguration+Inbetriebnahme |
Protokollumschaltung und gemischte Netzwerktopologien
In der Praxis kommt es vor, dass in einer Halle unterschiedliche Brückenkrane mit SPS-Steuerungen verschiedener Hersteller ausgestattet sind (z. B. bei der schrittweisen Modernisierung bestehender Krane). Das KR-HMI-System von Kelude unterstützt den gleichzeitigen Betrieb von zwei Protokollen über eine einzige HMI-Einheit – realisiert durch eine Dual-Netzwerk-Konfiguration: Netzwerkanschluss 1 verbindet das Profinet/EtherCAT-Steuerungsnetzwerk für die Echtzeitkommunikation mit der SPS, Netzwerkanschluss 2 verbindet das Modbus-TCP-Informationsnetzwerk für die Anbindung an Big-Data-Plattformen. Die HMI verfügt über eine integrierte Protokollumsetzungs-Engine, die Daten von verschiedenen SPS-Steuerungen in ein internes einheitliches Datenpunktformat überführt. Die Darstellung auf der Benutzeroberfläche bleibt dadurch unabhängig vom zugrunde liegenden Feldbusprotokoll. Die Latenzzeitunterschiede zwischen den Protokollen: Bei Profinet/EtherCAT beträgt die Datenlatenz der HMI <5 ms, bei Modbus TCP liegt sie zwischen 20 und 50 ms (für die Anzeige von Nicht-Echtzeitdaten wie Hubzähler oder Energieverbrauchsstatistiken ist eine Latenz von 50 ms völlig akzeptabel).
Das KR-HMI-System von Kelude wird ab Werk mit dem Profinet-Protokoll ausgeliefert. Beim ersten Einschalten kann über das Einstellungsmenü auf EtherCAT oder Modbus TCP umgeschaltet werden. Ein Hardwaretausch ist hierfür nicht erforderlich; es genügt, die Kommunikationstreiber-Konfiguration in der HMI-Engineering-Software anzupassen und das Projekt neu zu laden. Weitere Informationen zur HMI-Gestaltung finden Sie im Artikel Drei Optimierungstipps für das HMI-Design von Brückenkranen.
Profinet-Konfigurationsbeispiel für Brückenkrane
Beispiel für die Profinet-Konfiguration mit einer Siemens S7-1200 SPS und KR-HMI: ① Erstellen Sie ein Projekt in TIA Portal, fügen Sie die S7-1200 CPU hinzu und konfigurieren Sie die Profinet-Schnittstelle (IP-Adresse 192.168.1.10, Subnetzmaske 255.255.255.0, Gerätename „kr-hmi-01“); ② Installieren Sie die GSD-Gerätedatei für KR-HMI aus der GSDML-Datei, ziehen Sie die HMI in die Netzwerkansicht und weisen Sie den Gerätenamen und die IP-Adresse zu; ③ Erstellen Sie einen Datenbaustein (DB) in der SPS (z. B. „DB_HMI_Data“) und definieren Sie die Variablen, die die HMI lesen/schreiben soll (Last, Höhe, Geschwindigkeit, Strom, Temperatur, Alarmstatus usw., ca. 50 Variablen); ④ Wählen Sie in der HMI-Engineering-Software den Profinet-Treiber und importieren Sie die aus TIA Portal exportierte Variablenliste, um die Variablenzuordnung automatisch zu generieren. Nach Abschluss der Konfiguration beträgt die Standard-Aktualisierungsrate der HMI 1 ms (synchron zum OB85-Zyklus der SPS), die gemessene Aktualisierungsverzögerung der Variablen liegt bei <3 ms. Der gesamte Konfigurationsprozess (TIA Portal + HMI-Software) dauert für einen erfahrenen Ingenieur etwa 2 Stunden.
EtherCAT-Konfigurationsbeispiel für Brückenkrane
Beispiel für die EtherCAT-Konfiguration mit einer Inovance AC800-SPS und KR-HMI: ① Erstellen Sie ein Projekt in AutoShop und konfigurieren Sie den EtherCAT-Master (IP-Adresse 192.168.2.10, Subnetzmaske 255.255.255.0); ② Installieren Sie die EtherCAT-Slave-Beschreibungsdatei für KR-HMI aus der ESI-Datei und fügen Sie die HMI als EtherCAT-Slave hinzu (die Slave-Adresse wird automatisch zugewiesen); ③ Erstellen Sie das PDO-Mapping (Prozessdatenobjekte) – Eingangsrichtung der HMI: ca. 100 Byte Eingangsdaten für Last/Höhe/Geschwindigkeit/Strom/Temperatur des Krans; Ausgangsrichtung der HMI: ca. 50 Byte Ausgangsdaten für Tasterstatus/Betriebsartumschaltung/Sollwerte; ④ Wählen Sie in der HMI-Engineering-Software den EtherCAT-Treiber und konfigurieren Sie die PDO-Variablenzuordnungstabelle. Der Hauptvorteil der EtherCAT-Konfiguration besteht darin, dass kein separater Kommunikationszeitrahmen konfiguriert werden muss – der EtherCAT-Master übernimmt die zyklische Synchronisation automatisch, und der HMI-Datenaktualisierungszyklus entspricht dem EtherCAT-Buszyklus (typischerweise 1 ms). Kelude stellt Konfigurationsvorlagen für KR-HMI für die beiden genannten SPS-Typen bereit (TIA-Portal-Projektdatei + AutoShop-Projektdatei), die Kunden direkt importieren können. Dadurch reduziert sich die Erstkonfigurationszeit von 2 Stunden auf 15 Minuten. Die Konfigurationsvorlagen können von der KR-HMI-Dokumentationsseite heruntergeladen werden.
Modbus-TCP-Nachrüstung bestehender Krane – 50-Datenpunkt-Konfigurationstabelle
Bei der Nachrüstung der HMI eines bestehenden Krans mit Modbus TCP sind die 50 häufigsten Datenpunkte wie folgt konfiguriert: Last (Holding-Register 40001, Einheit 0,1 t), Hubhöhe (40002, Einheit 0,1 m), Kranbrückenposition (40003~40004, Einheit mm, 32-Bit), Laufkatzenposition (40005~40006, 32-Bit), Hubgeschwindigkeit (40007, Einheit m/min), Fahrgeschwindigkeit (40008), Katzfahrgeschwindigkeit (40009), Motorstrom Phase U (40010, Einheit A), Motorstrom Phase V (40011), Motorstrom Phase W (40012), Motortemperatur (40013, Einheit °C), Getriebeöltemperatur (40014), Bremsenstatus (40015, bit0=linke Bremse offen, bit1=rechte Bremse offen, bit2=Verschleiß links Grenzwert überschritten, bit3=Verschleiß rechts Grenzwert überschritten), Status der Überlastsicherung (40016, bit0=110% Voralarm, bit1=125% Abschaltung), Gesamtbetriebsstunden (40017~40018, 32-Bit, Einheit Minuten), Gesamthubzahl (40019~40020, 32-Bit), Tagesenergieverbrauch (40021, Einheit kWh), Fehlercode (40022) usw. Auf der SPS-Seite ist kein zusätzliches Kommunikationsprogramm erforderlich – die HMI liest direkt die internen Registeradressen der SPS. Kelude stellt eine Excel-Vorlage für die 50-Punkt-Modbus-Adresszuordnungstabelle bereit (die 90% der gängigen SPS-Daten für Brückenkrane abdeckt). Der Kunde muss lediglich die Startadresse der Register seiner eigenen SPS in die Vorlage eintragen und kann die Konfiguration in 15 Minuten abschließen.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
F: Ist die Modbus-TCP-Aktualisierungsrate von 20 ms ausreichend?
A: Völlig ausreichend. Das menschliche Auge nimmt Zahlenänderungen auf einem HMI-Bildschirm erst ab etwa 60 ms (16 fps) wahr. Eine Aktualisierungsrate von 20 ms ist dreimal schneller als die Wahrnehmungsgrenze des Auges. Der Engpass bei Modbus TCP in Kran-HMI-Szenarien liegt nicht in der Aktualisierungsrate, sondern in der Reaktionszeit der SPS. Wenn die SPS eine lange Programmzykluszeit hat (z. B. 50–100 ms), nützt eine noch so schnelle HMI-Abfrage nichts. Es wird empfohlen, zuerst den OB1-Zyklus der SPS zu prüfen und dann die HMI-Aktualisierungsrate einzustellen. Die KR-HMI von Kelude verwendet im Modbus-TCP-Modus standardmäßig einen 20-ms-Aktualisierungszyklus, der für 80% der Kran-SPS-Steuerungen geeignet ist (typischer OB1-Zyklus 10–50 ms).
F: Können EtherCAT und Profinet gemischt verwendet werden?
A: Auf derselben Netzwerkleitung nicht (beide Protokolle basieren zwar auf Ethernet, unterscheiden sich jedoch im Datenrahmenformat und im MAC-Mechanismus). Eine einzelne HMI kann jedoch mit zwei separaten Ethernet-Anschlüssen konfiguriert werden, um jeweils ein EtherCAT-Segment und ein Profinet-Segment anzuschließen. Die KR-HMI von Kelude unterstützt diese Konfiguration, erfordert jedoch die Erstellung von zwei unabhängigen Kommunikationstreiber-Instanzen in der HMI-Engineering-Software. Es ist zu beachten, dass zwischen dem EtherCAT- und dem Profinet-Segment kein direkter Datenaustausch möglich ist (außer über die interne Tag-Zuordnung der HMI). Diese Trennung erfüllt gleichzeitig die Anforderungen an die Netzwerksicherheit – Steuerungsnetz und Informationsnetz sind physisch getrennt.
F: Welches Protokoll unterstützt die Mitsubishi FX5U SPS?
A: Die Mitsubishi FX5U Serie verfügt über eine integrierte Ethernet-Schnittstelle und unterstützt nativ SLMP (Seamless Message Protocol) sowie das proprietäre Mitsubishi MC-Protokoll. Zusätzlich wird Modbus TCP (über den integrierten MB/TCP-Funktionsbaustein) unterstützt. Die Aktualisierungsrate von SLMP liegt bei etwa 5–10 ms und ist damit leistungsfähiger als Modbus TCP, jedoch auf die Kommunikation zwischen Mitsubishi-Geräten beschränkt. Die KR-HMI von Kelude kommuniziert mit der FX5U über Modbus TCP. Der Konfigurationsprozess: Aktivieren Sie auf der FX5U-Seite die Modbus-TCP-Serverfunktion (Port 502), erstellen Sie auf der HMI-Seite den Modbus-TCP-Treiber und konfigurieren Sie die Registeradresszuordnung (Mitsubishi D-Register entsprechen Modbus-Holding-Registern ab 400001).
F: Was passiert bei einem Kommunikationsausfall der HMI?
A: Bei einer unterbrochenen Kommunikation zwischen KR-HMI und Steuerung zeigen alle Datenfelder „—“ an (kein Zahlenwert, um ein fehlerhaftes Ablesen als „0“ durch den Bediener zu vermeiden). Die Kommunikationsanzeige in der oberen Statusleiste des HMI wechselt von Grün auf Rot und blinkt. Der HMI-Speicher hält die letzten gültigen Daten vor. Nach 5 Sekunden versucht das HMI automatisch, die Verbindung wiederherzustellen (Wiederholung alle 2 Sekunden). Gleichzeitig erscheint ein Hinweisfenster „Kommunikationsunterbrechung“ (nicht blockierend – der Bediener kann es schließen und andere Seiten weiterhin einsehen). Nach Wiederherstellung der Verbindung synchronisiert das HMI automatisch alle Daten von der SPS (vollständige Aktualisierung innerhalb von 2 bis 5 Abfragezyklen). Die Protokolle Profinet und EtherCAT unterstützen die Watchdog-Funktion; auch die SPS-Seite kann den HMI-Kommunikationsstatus überwachen und im Störungsfall den Brückenkran im aktuellen Zustand halten, statt ihn stillzusetzen. Konstruktionsprinzip: „Das HMI ist nur ein Beobachtungsfenster und nicht an der Sicherheitsverriegelung beteiligt.“
Bei der Auswahl des HMI-Kommunikationsprotokolls für Brückenkrane gilt der Grundsatz „Priorität für die SPS-Markenkompatibilität“. Das KR-HMI-System von Kelude unterstützt umfassend die drei Protokolle Profinet, EtherCAT und Modbus TCP. Ein einziges HMI kann gleichzeitig an das Steuerungsnetz und das Informationsnetz angebunden werden. Für die Kompatibilitätsliste der KR-HMI-Protokolle (mit Konfigurationsvorlagen für über 30 SPS-Marken) oder Auswahlberatung wenden Sie sich bitte an das technische Team von Kelude.
