KEM Konstruktion 01-02.2019

AUTOMATISIERUNG
ELEKTROTECHNISCHE BAUELEMENTE
Industrial Data Communications
Flexible Hierarchien statt getrennte Netze
Mit der Industrie 4.0 wächst die Datenkommunikation rasant – Daten sind der Rohstoff des 21. Jahrhunderts.
Damit sie in Bewegung bleiben, benötigen Industrieunternehmen eine leistungsfähige Infrastruktur. Dies hat zur
Folge, dass sich die klassische Automatisierungspyramide auflösen und in eine Infrastruktur ohne Hierarchie
umwandeln wird. Betriebe setzen schon jetzt immer häufiger auf Ethernet-Verbindungslösungen.
Bernd Müller für die U.I. Lapp GmbH, Stuttgart
Aktuelle Maschinen werden bereits
bis zum Aktor oder Sensor über
Ethernet verbunden – der industrielle
Datenkommunikations -
standard setzt sich durch
Datennetze in Fabriken müssen schnell, echtzeitfähig und standardisiert
sein, fordert Oliver Riedel, Professor am Institut für
Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen
(ISW) der Universität Stuttgart. „Doch bis dahin sind noch
einige Hausaufgaben zu erledigen“, ergänzt er. Denn in vielen Betrieben
dominieren immer noch einzelne voneinander softwaretechnisch
und physikalisch getrennte Netze. Jede Ebene der sogenannten
Automatisierungspyramide – von der Leitebene bis zur Feld -
ebene – arbeitet hier mit einer eigenen Infrastruktur sowie eigenen
Protokollen. „Diese vielen verschiedenen Netze werden verschmelzen
und die Automatisierungspyramide wird sich dadurch Schritt für
Schritt auflösen“, erklärt Oliver Riedel. Statt hierarchischen Kommunikationsstrukturen
in der Automatisierung erwartet er flexible Hierarchien,
in denen Cyber-physische Systeme untereinander, mit der
Unternehmens- IT sowie mit der Cloud über ein engmaschiges Netzwerk
Informationen austauschen. Was diesem Ziel entgegensteht,
ist der aktuelle Wildwuchs der Kommunikationsstandards.
Standardisierungsbestrebungen
Über die Einhaltung der Standards für Ethernet wacht das Institute
of Electrical and Electronics Engineers, kurz IEEE. Diese Über -
wachung funktioniert bei Anwendungen im Büroumfeld sehr gut.
Anders sieht es allerdings in Fabriken
aus. Mittlerweile gibt es mehr
als 20 Industrial-Ethernet-Systeme,
die sich alle mehr oder weniger
in technischen Details unterscheiden
und daher inkompatibel
sind. Dazu kommen mehr als
50 Feldbussysteme wie Profibus
oder CAN Bus, die von Anbietern
von Automatisierungstechnik
favorisiert werden, in der Regel
aber untereinander nicht kompatibel
sind. Dennoch sind diese Systeme
in Industrieunternehmen
weit verbreitet, weil sie als robuster
gelten. Sie übertragen kleinere
Datenpakete als Ethernet, sind dafür aber echtzeitfähig.
Es gibt auch von der IEEE Bestrebungen, die standardisierte Echtzeitfähigkeit
zu implementieren, doch bisher ist dies mit Ethernet nur
bedingt möglich. Dass Ethernet-Systemen die Zukunft gehört, legen
aktuelle Marktdaten nahe. Demnach basieren schon heute mehr als
50 % aller installierten Knoten auf Industrial Ethernet, und die Technologie
verzeichnet ein Wachstum von 22 % pro Jahr, während Feldbussysteme
nur noch um 6 % zulegen. Und laut Professor Riedel ist
es unausweichlich, dass die vielen Vernetzungsstandards zu einem
Standard konvergieren werden.
Bild: U.I. Lapp
Das Problem der Echtzeitfähigkeit
In Zusammenhang mit der Echtzeitfähigkeit stellt das Time Sensitive
Network, kurz TSN, eine vielversprechende Möglichkeit dar. Es handelt
sich dabei um einen Standard, der auf einem Vorschlag des
Ethernet-Gremiums basiert. Ein großer Vorteil von TSN liegt darin,
dass es nicht aus dem Automatisierungsumfeld stammt, sondern
aus dem Audio-/Video-Bereich. Dadurch stößt es eventuell auf weniger
Ablehnung und Konkurrenzdenken innerhalb der Branche. Konzerthallen
nutzen dieses Echtzeit-Ethernet, damit Tonsignale aus
unterschiedlichen Mikrofonen an die zahlreichen Lautsprecher stets
ohne Laufzeitunterschiede gespielt werden. Auf die Automatisierung
übertragen wären alle Teilnehmer eines TSN-Netzwerks zeitsynchronisiert.
Darüber hinaus besitzt TSN sogenannte Verkehrsklassen mit
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