IT-Standard statt Ethernet-Vielfalt

Ethernet - Verschiedene Ethernet-Konzepte buhlen innerhalb der Automatisierungstechnik um die Gunst der Ethernet-Gemeinde. Doch nur wenige entsprechen auch zu 100% dem Ethernet-TCP/IP-Standard der IT-Welt. Die Folge: Diese proprietären Lösungen verstehen sich weder untereinander noch mit der IT-Welt. So verschenkt man einen der größten Vorteile von Ethernet-TCP/IP.

05. Juli 2005

Auszug aus einer Präsentation von BMW zum Thema ›Einsatz von Ethernet im Karosseriebau‹: »Defizite Ethernet: 1. zu viele inkompatible Standards, 2. evtl. spezielle Netzwerkhardware notwendig, 3. evtl. zwei Netzwerkstränge notwendig (Daten/Echtzeit) ...«

Hoppla, was ist da schiefgelaufen? Waren wir nicht vor Jahren angetreten, um durch die Einführung von Ethernet ein für alle Mal Schluß zu machen mit den inkompatiblen proprietären Feldbussen? Sollte nicht der ›Feldbuskrieg‹ beendet und gleichzeitig die Durchgängigkeit vom Sensor zum Boardroom sichergestellt werden? Und nun landen wir wieder bei getrennten Netzwerken für Echtzeit und Daten, bei inkompatiblen Standards und proprietärer Netzwerkhardware? Fast hat man den Eindruck, daß sich nur der Name verändert hat. Jedes Bussystem nennt sich jetzt Ethernet, von Standard aber keine Spur. Alles bleibt wie in der guten alten Feldbuswelt. Vielleicht sogar noch schlimmer: damals haben wenigstens die Stecker nicht gepaßt. Heute dagegen kann es passieren, daß zum Beispiel durch Anstöpseln eines Laptop im falschen Ethernet-Netzwerk die Anlage stillgelegt wird.

Natürlich stimmt es, daß alle diese Standards mit Ethernet-Physik arbeiten. Sie behaupten auch von sich, offen zu sein. So offen wie die Feldbuswelt eben. Die zugrundeliegende Definition war schon damals: Offenheit bedeutet Offenlegung und Vergabe von Nutzungsrechten. Leicht einzusehen, daß allein diese beiden Voraussetzungen, nämlich die Verwendung von Ethernet-Physik und die Offenlegung des proprietären Protokolls nichts mit dem Ethernet TCP/IP-Standard der IT-Welt zu tun haben. Allein das schafft keine Durchgängigkeit in die IT-Welt, auch keine Verträglichkeit verschiedener Ethernet-Standards im selben Netz und schon gar keine Interoperabilität der Geräte untereinander. Die fehlende Durchgängigkeit in die IT-Welt führt dann dazu, daß wichtige IT-Funktionalitäten wie Webserver, E-Mail-Versand oder Wireless nicht ohne weiteres direkt in den Geräten implementiert und genutzt werden können.

Um der faszinierenden Idee vom standardisierten Ethernet TCP/IP wenigstens so weit wie möglich gerecht zu werden, muß die Definition eines offenen Ethernet TCP/IP also deutlich erweitert werden. Als zum offenen Ethernet TCP/IP kompatibel sollten nur solche Geräte und Standards gelten, die alle folgende Voraussetzungen erfüllen:

- Datenverkehr aus der IT-Welt mit Standard Ethernet TCP/IP-Protokollen wie HTTP, SMTP, SNMP oder FTP muß zu jeder Zeit und an jeder Stelle des Netzwerks erlaubt sein und von den angeschlossenen Geräten verstanden werden.

- Es muß möglich sein, Geräte in ein beliebiges IT-Netzwerk mit beliebiger Topologie und beliebigen Ethernet-Infrastrukturgeräten (Switches, Routers, ...) anzuschließen.

- Die Regeln des Standard-TPC/IP-Netzwerks, z.B. bei der IP-Adressenvergabe und beim Protokollaufbau müssen eingehalten werden.

- Standard Ethernet-Hardware (z.B. PC-Schnittstellen) sollten verwendet werden. Zusätzliche spezielle ASICs können das Echtzeitverhalten verbessern, sollten aber keine Grundvoraussetzung sein.

Daß diese erweiterte ›Vorschriftenliste‹ erVorteile mit sich bringt, bestreitet kaum jemand. Dagegen wird bestritten, daß auf dieser Basis harte Echtzeit möglich ist. Insbesondere wird dies von den Verfechtern von Powerlink, EtherCat, Sercos III und Profinet V3, bestritten, die mit diesem Argument proprietäre Lösungen rechtfertigen. Als offen im Sinne obiger Definition können dagegen Lösungen wie Modbus-IDA, Ethernet-IP, Profinet V1 und V2, CIPsync und JetSync gelten.

CIPSync und JetSync sind auch für harte Echtzeit geeignet. Und zumindest mit JetSync wird auch bereits seit einiger Zeit im harten Praxiseinsatz nachgewiesen, daß harte Echtzeit auch mit offenen Systemen erreicht werden kann. Es gibt hier Beispiele, bei denen bis zu 100 Servoachsen mit einem maximalen Jitter von 10 µs trotz völlig offenem IT-Datenverkehr synchronisiert werden. Natürlich kann auch hier eine bestimmte Performancegrenze nur überschritten werden, wenn der ›zufällige‹ IT-Datenverkehr begrenzt wird was mit IT-Infrastrukturkomponenten problemlos möglich ist. Trotzdem bleibt ein wesentlicher Unterschied zu den proprietären Lösungen: Proprietäre Lösungen müssen grundsätzlich in einem ›geschützten Bereich‹, also völlig ohne IT-Datenverkehr gekapselt sein, während offene und IT-kompatible Lösungen IT-Datenverkehr frei zulassen, und nur in Ausnahmefällen, nämlich bei allerhöchsten Echtzeitanforderungen eine Beschränkung (kein Verbot!) des freien Datenverkehrs einführen. Und damit steht der Durchgängigkeit ›Sensor to Boardroom‹ nichts mehr im Wege: über ein einziges Netzwerk, das zudem noch völlig frei in der Topologie ist, können alle Geräte miteinander und mit der IT-Welt verbunden werden. Jedes Gerät kann dann zum Beispiel direkt bei Bedarf auf eine beliebige Datenbank im Intranet zugreifen. Umgekehrt kann über den integrierten Webserver mittels eines Internet-Browsers von überall her auf das Gerät zu Diagnosezwecken zugegriffen werden wenn gewünscht auch über das Internet. Nach dem gleichen Prinzip kann auch die Visualisierung und Bedienung gelöst werden: Das Gerät liefert seine Bedienmasken über den Webserver ins Intranet, wo dann über jeden einfachen Internet-Browser die Visualisierung und Bedienung möglich ist. Es kann zum Beispiel auch Störungsmeldungen per E-Mail oder SMS direkt an das Handy des Servicetechnikers absetzen. In vielen Fällen können zum Beispiel lange Kabel oder Schleifringe durch WLAN ersetzt werden.

Die Liste der Vorteile des IT-konformen Standards könnte nahezu beliebig fortgesetzt werden. Ein erfolgreiches Praxisbeispiel ist die Krananlage in der Großgärtnerei, die über WLAN gesteuert wird. Oder die Verpackungsmaschine, die den Schleifring nur noch zur Stromversorgung braucht. Aber auch die Anlage, bei der im Falle eines Gerätetausches automatisch ein Download von Daten, Konfigurationen und Programmen erfolgt, so daß sogar der ungelernte Arbeiter in der Nachtschicht selbst ein Servodrive wechseln kann. Und die Fensterproduktionsanlage, die sich die Daten für die kundenspezifischen Fenster direkt aus der ERP-Datenbank online holt.

Mehrere Protokolle parallel

Klingt schon gut, mag man einwenden, aber wie ist das mit dem Standard? Gibt es nicht auch im offenen Bereich die benannten unterschiedlichen Standards wie Profinet, Modbus, IDA, Ethernet-IP oder JetSync?

Ja, leider. Natürlich wäre hier ein einheitlicher Standard von Vorteil gewesen. Aber andererseits gibt es auch in der IT-Welt nicht den Standard. Im Gegensatz zu den proprietären Ethernet-Protokollen erfüllen aber die verschiedenen IT-Protokolle die oben genannten Anforderungen an einen offenen Ethernet TCP/IP-Standard. Und somit werden sie untereinander und mit der IT-Welt verträglich. Dadurch stehen sie auch nicht mehr im Wettbewerb zueinander. Oder hat man sich jemals gestritten, ob HTTP oder FTP den größeren Marktanteil und die bessere Zukunft hat? Nach diesen Regeln sollte es zukünftig auch in der Automatisierungswelt gehen. Zum Glück haben das die PNO, die ODVA und Modbus-IDA erkannt. Unter dem Dach der IAONA haben sie sich unter anderem auf Regeln zur IP-Adressenvergabe geeinigt, die ein Baustein zur Verträglichkeit untereinander und mit der IT-Welt sind. Durch diese Verträglichkeit ist es möglich, die verschiedenen Protokolle gleichzeitig in den Geräten zu implementieren. Die Alternative zu den proprietären Ethernet-Standards heißt ganz einfach: die Einigung auf die obengenannten Kompatibilitätsregeln der offenen Ethernet TCP/IP- Standards aus der IT-Welt. Denn die Welt braucht nicht die neuen Feldbusse Nummer 17-21 mit den schönen Namen EtherXX, YYnet und ZZlink, sondern ein neues Paradigma, in welchem Durchgängigkeit und Verträglichkeit der Systeme untereinander und mit der IT-Welt als Grundforderung erfüllt sind. Dann gibt es gravierende Vorteile und eine echte Rechtfertigung für den anstehenden Technologiewechsel.

Martin Jetter, CEO Jetter AG

Erschienen in Ausgabe: 06/2004