Wettlauf zur Maschine

Ethernet – Die Leit- und Steuerungsebene ist nicht alles, was Ethernet kann. Das Protokoll etabliert sich auch auf der Feldebene. Vorausgesetzt Netzwerkkomponenten und Steckverbinder sind industrietauglich. Soweit, so gut, aber was muss der Anwender sonst noch beachten?
27. Juni 2005

Der Erfolg eines Unternehmens hängt maßgeblich von der Geschwindigkeit der Geschäftsprozesse ab. Auch die Fertigung ist längst ein Wettlauf gegen die Zeit geworden. Wer dieses Rennen gewinnen will, muss schneller sein als die Konkurrenz. Die Leistungsfähigkeit des Kommunikationsnetzes spielt dabei eine wichtige Rolle. Dominierten in der Produktion bisher Feldbussysteme, so steht jetzt mit Industrial Ethernet eine Alternative zur Verfügung, die sowohl einen unternehmensweiten Informationsfluss ohne umständliche Konvertierung von Daten aus verschiedenen Systemen als auch die Nutzung moderner Internet-Technologien ermöglicht. Daraus ergeben sich eine Reihe von Vorteilen wie etwa eine höhere Produktivität der Anlagen oder Kosteneinsparungen bei der Planung, der Inbetriebnahme und dem Service von Anlagen. Der Einsatz im Fertigungsbereich, wo etwa Öle, Reinigungsmittel und Emulsionen Bestandteile der Umgebungsluft sind, stellt besondere Anforderungen an die Netzwerkkomponenten. Die IAONA Europe (IAONA = Industrial Automation Open Networking Alliance) hat deshalb in ihrem ›Planning and Installation Guide for Industrial Ethernet‹ zwei spezielle Schutzklassen definiert:Die ›Light-Duty‹-Klasse umfasst Komponenten, die für eine Installation in Verteilerkästen vorgesehen sind. Neben besonderen Kriterien hinsichtlich Vibrations- und Schockfestigkeit sowie Temperaturbeständigkeit müssen diese Geräte die Anforderungen der Schutzart IP20 gemäß EN 60529 erfüllen, das heißt gegen das Eindringen von festen Körpern mit einem Mindestdurchmesser von 12,5 Millimetern geschützt sein. Die Komponenten der ›Heavy-Duty‹-Klasse, die für den ungeschützten Einsatz auf der Feldebene vorgesehen und deshalb in vollem Umfang der rauen Industrieumgebung ausgesetzt sind, müssen dagegen in Anlehnung an die Schutzklasse IP67 absolut dicht sein. Netzwerkkomponenten zu den beiden Schutzklassen bieten heute bereits mehrere Hersteller.

Für den Anschluss der Feldgeräte an die Netzwerkkomponenten werden zurzeit zwei Lösungsansätze diskutiert: ein modifizierter RJ45-Stecker sowie der bewährte M12-Steckverbinder. Für Anwendungen in einer geschützten IP20-Umgebung hat sich mit dem aus der Office-Welt stammenden RJ45 ein De-facto-Standard herauskristallisiert. Die Lösung für einen Ethernet-Steckverbinder in Schutzart IP67 gestaltet sich dagegen schwieriger. Drei verschiedene Ansätze stehen hier zur Diskussion: erstens einen RJ45- Stecker in einem IP67-Gehäuse, zweitens ein Steckeverbinder auf M12-Basis in vier- oder achtpoliger Ausführung und drittens ein Hybrid-Steckverbinder, der auf der RJ45-Technologie basiert und über zusätzliche Kontakte für die Spannungsversorgung verfügt. Da der RJ45 in der Office-Welt Standard ist, wird kein Weg an diesen Stecker vorbeiführen. Im Augenblick deutet alles darauf hin, dass sowohl eine RJ45- als auch eine M12-Lösung für den IP67-Bereich standardisiert wird. Allerdings definieren verschiedene Nutzerorganisationen unterschiedliche RJ45-Stecker, die untereinander nicht kompatibel sind. Der vierpolige M12 bietet dagegen die Chance, eine solche Situation zu vermeiden: Wird die vierpolige Version - in allen Nutzerorganisationen standardisiert, könnte der M12-Steckverbinder zum weltweiten Standard für das Industrial Ethernet werden. Für den durchgängigen Einsatz von Ethernet im industriellen Umfeld spielt auch das Thema Echtzeit eine wichtige Rolle. Ist im IT-Umfeld von Echtzeitapplikationen die Rede, so handelt es sich meist um Voice- oder Videoübertragungen, die vor allem Anforderungen an die so genannte Qualitity of Service des Netzwerks stellen. Dabei ist mittels eigneter Verfahren wie Priorisierung zustellen, dass die Laufzeiten nicht allzu sehr schwanken und zeitkritische Daten rechtzeitig übermittelt werden. Die Anforderungen liegen dabei im Millisekunden-Bereich. Im Gegensatz dazu sind in industriellen Steuerungsanwendungen die zeitlichen Anforderungen erheblich strenger. Geschlossene Regelschleifen mit Zykluszeiten von zum Teil deutlich unter einer Millisekunde erfordern Laufzeitgarantien bis herunter in den Bereich von 100 Mikrosekunden und Jitter, d. h. Abweichungen vom Sollwert von bis zu bis unter einer Mikrosekunde. Beispiele für Anwendungen, bei denen ›harte‹ Echtzeitforderungen an das Verhalten von Steuerungen, Antrieben und Kommunikationssysteme gestellt werden, sind etwa komplexe Werkzeugmaschinen, Fertigungsroboter, Verpackungsmaschinen oder große Druckmaschinen. Heute kommen hier noch Bussysteme wie etwa Sercos, Profibus, CAN oder proprietäre, also herstellerspezifische Lösungen zum Einsatz. Denn für Anwendungen, bei denen Zykluszeiten kleiner als einige Millisekunden und Jitter im Mikrosekundenbereich nötig sind, existiert bislang noch kein offenes Verfahren auf Ethernet-Basis. Um einen solchen Standard zu definieren, sind die Unternehmen B&R, Lenze und Hirschmann Electronics als Anbieter von Komponenten für die Automatisierungstechnik und der Roboterhersteller Kuka zusammen mit der Züricher Hochschule Winterthur eine Kooperation eingegangen (Ethernet Powerlink Standardization Group/EPSG). Ziel des Projektes ist es, ein Ethernetbasiertes Verfahren zu entwickeln, das Zykluszeiten von kleiner 200 µs, Jitterzeiten von 1 µs sowie eine Zeitsynchronisation - selbst über viele verteilte Teilnehmer hinweg - von 1 µs gewährleistet. Über eine Kombination aus Zeitschlitzverfahren, präziser Zeitsynchronisation und eindeutiger Segmentierung lassen sich so gut wie alle heute vorstellbaren Echtzeit-Anwendungen realisieren. Darüber hinaus sind alle Endgeräte in der Lage, über Standard-TCP/IP-Protokolle zu kommunizieren, damit beispielsweise mit einem Web-Browser auf in diese Geräte installierte Webserver zugegriffen werden kann. Denn nur so ist eine Durchgängigkeit der Ethernet-Lösung gegeben. Der neue Echtzeit-Standard beruht zum einen auf synchronen, geschützten Ethernet-Segmenten für eine deterministische Kommunikation, die auf dem Powerlink-Verfahren der Firma B&R basieren, zum anderen auf einer Uhrzeitsynchronisation gemäß dem neuen IEEE-Standard 1588 (Precision Time Protocol). So können einzelne Powerlink-Segmente bzw. einzelne Endgeräte untereinander exakt synchronisiert werden. Die Abtrennung der einzelnen Segmente erfolgt dabei durch Powerlink-Bridges, über die jeder beliebige asynchrone Datenverkehr transparent in das geschützte Segment vermittelt werden kann.Ethernet ermöglicht eine Fernwartung von Maschinen und Anlagen, was mit Feldbussystemen nicht möglich ist. Denn wie sollte man sich von einem Büroarbeitsplatz aus in ein Kommunikationsnetzwerk in der Fertigung einloggen, das Profibus oder Interbus-S verwendet? Der Zugriff auf die Informationen erfolgt dabei entweder über ein lokales Netzwerk oder über das Internet. Die Realisierung der dazu erforderlichen Sicherheitsvorkehrungen und Zugangsberechtigungen ist angesichts der heutigen technischen Möglichkeiten und spezieller Software-Produkte kein Problem mehr. Ein ferngesteuerter Zugriff auf Daten lässt sich einfach via Web-Browser durchführen. Somit können etwa Produktionsstätten in verschiedenen Ländern von einer Zentrale aus überwacht werden. In der Bürowelt werden vorwiegend komplexe Netzmanagementsysteme verwendet, die von IT-Spezialisten, den Netzwerkadministratoren betreut werden. Diese Systeme sind zwar sehr leistungsfähig, aber auch kompliziert in der Anwendung. In der Fertigung sind dagegen hauptsächlich SCADA-Systeme (Supervisory Control and Data Acquisition) vorhanden. Mit diesen Systemen hat das Personal an den Leitständen die Prozesse ständig im Blick, jedoch nicht den Zustand des Netzwerkes. Ein Ansatz für die Zusammenführung von Netzmanagement und SCADA-Systemen wird mit dem Begriff Integrierte Architektur& t; beschrieben: Das Kommunikationssystem wird Teil der Automatisierung, indem alle relevanten Daten des Netzwerkes ebenso im SCADA-System dargestellt werden.

Hierzu ist es erforderlich, alle gerätespezifischen Daten, die in der Management-Information-Base (MIB) im SNMP-Format (Simple Network Management Protocol) bereitgestellt werden, in das OPC-Format (OLE for Process Control) zu konvertieren und anschließend in das SCADA-System zu übertragen. Der Lösungsansatz der ›Integrierten Architektur‹ spiegelt sehr anschaulich die Anforderungen an ein künftiges Netzmanagement für den industriellen Einsatz wider. Die Bereitstellung der Funktionen, also das Engineering, wird zunächst aufwändiger. Denn das Engineering muss speziell auf die Lösung der jeweiligen Anforderungen ausgerichtet werden. Unternehmen werden sicherlich Tage oder sogar Wochen benötigen, um den gesamten Fertigungsprozess in einem SCADA-System abzubilden oder die Voraussetzungen für eine automatische Konfiguration zu schaffen. Anschließend wird der Betrieb des Netzwerkes aber einfacher und kann deshalb auch von Personen vorgenommen werden, die keine IT-Spezialisten sind. Durch dem Einsatz von Industrial Ethernet ändern sich die technologischen Anforderungen rasant.

Resumée

Dies betrifft die Netzwerkkomponenten wie die Reaktionszeiten des Kommunikationssystems, die Datensicherheit oder das Netzmanagement. Last, not least stellt sich die Frage, wer in Zukunft die Verantwortung für das Produktionsnetzwerk übernimmt: der Netzwerk-Administrator aus der IT-Welt oder der Datenspezialist in der Fertigung?

Erschienen in Ausgabe: 02/2004