Feldbus – Ethernet - Digitalisierung Industrielle Kommunikation im Wandel

Als Ende der 1980er und Anfang der 1990er Jahren der sogenannte Feldbuskrieg Fahrt aufnahm, konnten Hersteller und Anwender nicht ahnen, welche Möglichkeiten sich ihnen 30 Jahre später bieten.

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Als Ende der 1980er und Anfang der 1990er Jahren der sogenannte Feldbuskrieg Fahrt aufnahm, konnten Hersteller und Anwender nicht ahnen, welche Möglichkeiten sich ihnen 30 Jahre später mit der digitalen Kommunikation im Allgemeinen sowie der industriellen Datenübertragung in Automatisierungslösungen bieten. Denn seinerzeit gab es das Internet in seiner heutigen Ausprägung noch nicht. Sein Grundstein wurde erst 1990 gelegt, als Tim Berners-Lee und Robert Cailliau ihr Konzept für ein weltweites Hypertext-Projekt veröffentlichten.

In den 1970er und 1980er Jahren ersetzten die speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) die bis dato verwendete festverdrahtete und daher wenig anpassungsfähige Steuerung von Maschinen und Anlagen in den meisten industriellen Bereichen. Die Ansprüche an die neuen Steuerungen stiegen schnell, denn die Anwender schätzten die Flexibilität, mit der sie selbst komplexe Automatisierungsaufgaben einfach umsetzen konnten. Neben der Steuerungstechnik wurde nachfolgend auch die Antriebstechnik und Sensorik digital, was wiederum neue Möglichkeiten eröffnete und weitere Wünsche und Anforderungen seitens der Anwender nach sich zog.

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Als einziges Manko erwies sich die bis zu diesem Zeitpunkt übliche Parallelverdrahtung, die einen erheblichen Aufwand bei der Projektierung, dem Aufbau und der Inbetriebnahme der Applikation sowie der Fehlersuche mit sich brachte. Diese Herausforderungen wurden durch digitale Kommunikationssysteme gelöst, die zunächst basierend auf proprietären Protokollen und ab Anfang der 1990er Jahre auf der Grundlage international genormter Standards wie Interbus oder Profibus entstanden. Insbesondere in Deutschland entwickelten verschiedene Hersteller unterschiedliche Systeme, die den Wettbewerb beflügelten und so der deutschen Automatisierungstechnik eine weltweit führende Position sicherten. Die Feldbusprotokolle sind noch heute in vielen Automatisierungsanwendungen im Einsatz.

Ethernet-Protokolle schaffen durchgängige Verbindungen und erhöhen die Transparenz

Außerhalb der industriellen Datenübertragung trat das Ethernet etwa zur gleichen Zeit seinen Siegeszug an. Wurden im Komitee 802 der IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) anfangs drei verschiedene Technologien spezifiziert, setzte sich letztendlich das in der IEEE-Arbeitsgruppe 802.3 konzipierte CSMA/CD-Verfahren (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) durch.

Dieses Konzept nutzte die Industrieautomation ursprünglich nur zur Vernetzung von Leitsystemen. Erst mit der Einführung von 100 MBit Fast Ethernet sowie der entsprechenden Switches wurde das Ethernet später leistungs- und echtzeitfähig genug, sodass es in der industriellen Automation verwendet werden konnte.

Aufgrund des Massenmarktes der kommerziellen IT reduzierten sich die Kosten für die industriellen Ethernet-Technologien ebenfalls erheblich. Damit erwiesen sie sich auch für die Anwendung in einfachen Automatisierungsgeräten als interessant. Vor diesem Hintergrund wurden ab Anfang der 2000er Jahre die ersten industriellen Ethernet-Protokolle – wie Profinet, Ethernet/IP oder Modbus TCP – vorgestellt. Sie bilden heute das Rückgrat moderner Automatisierungskonzepte und erfüllen alle Ansprüche, die industrielle Lösungen in puncto Bandbreite, Durchgängigkeit, Anpassungsfähigkeit und Deterministik erheben. Durch die klare Trennung von Medienzugriff (MAC) und physikalischer Schicht (PHY) bieten die Ethernet-Protokolle eine bis dahin nicht gekannte Flexibilität hinsichtlich der Auswahl des Übertragungsmediums.

Eine drahtgebundene Kommunikationstechnik lässt sich jetzt ohne aufwändige Gateways mit optischen Übertragungsmedien und funkbasierten Standards – wie Bluetooth oder WLAN – kombinieren. Wegen der Nutzung des Internet Protocols (IP) zur Weiterleitung der Daten ist eine durchgängige Kommunikation mit der Office-IT sichergestellt. Automatisierungssysteme lassen sich somit schnell und einfach an die Unternehmens-IT anbinden und sorgen so für mehr Transparenz im industriellen Datenaustausch.

Neue Technologien machen die Datenübertragung noch leistungsfähiger und flexibler

Die derzeit rasant zunehmende Digitalisierung von Wirtschaft und Gesellschaft stellt die treibende Kraft für die intelligente und flexible Produktion von morgen dar. Durch den Einsatz modernster Informations- und Kommunikationstechnik werden Fertigungssysteme smarter, anpassungsfähiger und legen so den Grundstein für neue cloudbasierte Geschäftsmodelle, beispielsweise eine vorausschauende Wartung.

Die auf Ethernet und dem IP-Protokoll basierende industrielle Datenübertragung eröffnet schon heute vielfältige Möglichkeiten zur Automatisierung von Maschinen und Anlagen. Doch die Entwicklung schreitet weiterhin dynamisch voran. Unter den Begriffen TSN (Time Sensitive Network) und 5G werden aktuell verschiedene Standards subsumiert, welche die digitale Kommunikation – zum Beispiel das Videostreaming – noch leistungsfähiger und flexibler, sprich mobiler machen sollen. Die Standards stellen darüber hinaus eine hervorragende Basis für zukünftige Automatisierungssysteme zur Verfügung, die in Bezug auf eine einfache Handhabung, Echtzeitverhalten und Mobilität keine Wünsche offen lassen.

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Cloud Computing

Cloud Computing eröffnet neue Optimierungsansätze und Geschäftsmodelle

Um den Leitgedanken von Industrie 4.0 umzusetzen, müssen Produktionsanlagen weltweit umfassend miteinander gekoppelt und die Feldgeräte um Software-Dienste ergänzt werden. Nur so lassen sich Daten einfach, sicher und zuverlässig zwischen den Maschinen austauschen sowie externe Informationen in die Gesamtlösung einbinden. Hier bietet sich das industrielle Cloud Computing als intelligente Vernetzung von Geschäftsprozessen, Dingen, Anlagen, Komponenten und Menschen an.

Mit der Proficloud hat Phoenix Contact daher eine optimale Plattform für die IoT-basierte Automation geschaffen. Sie ermöglicht den Aufbau flexibler, optimierter Prozesse sowie die Integration von Third-Party-Applikationen. Auf Basis der offenen Plattform können sowohl fertigende Unternehmen als auch Service-Anbieter eigene Web-Anwendungen umsetzen sowie Dienstleitungen und mobile Applikationen entwickeln und betreiben. Als Beispiel sei eine Software-Lösung des Industriebetriebs zur Datenerfassung, -analyse und -visualisierung genannt, wobei die Informationen anderen Standorten zugriffsicher zur Verfügung stehen. Maschinenbauer erweitern ihr Portfolio mit der Proficloud um Services wie eine vorausschauende Wartung.

Datenpakete lassen sich priorisiert und daher in Echtzeit weiterleiten

Als Teil der IEEE-Arbeitsgruppe 802.1 hat die sogenannte Time Sensitive Networking Task Group Ende 2012 ihre Arbeit aufgenommen. Sie führt die Aktivitäten der bis dahin bestehenden Audio Video Bridging (AVB) Task Group mit einem erweiterten Aufgabenspektrum fort. Wie der Name der vorhergehenden Task Group bereits impliziert, geht es unter anderem um konvergente Netzwerke für die Echtzeitübertragung von Audio-Video-Streams. Die Anforderungen an das Datenvolumen sowie die Übertragungslatenz und -qualität sind in den letzten Jahren in diesem Umfeld erheblich gewachsen und steigen aufgrund der schnellen Verbreitung von Videostreaming-Portalen – wie beispielsweise YouTube und Netflix – weiter.

Die damit einhergehende Erweiterung des bisherigen Bridging-Standards IEEE 802.1Q zieht auch die Definition von sogenannten Echtzeit-Control-Streams nach sich, welche wiederum die Umsetzung neuer Ansätze in der industriellen Automatisierung erlauben. Als ein wesentlicher Aspekt sei die Uhrensynchronisation genannt, die zum Beispiel in Motion-Control-Applikationen eine wichtige Rolle spielt. Das Scheduling und Traffic Shaping sowie die Auswahl der Kommunikationspfade werden für die Priorisierung und somit die Bearbeitung und Weiterleitung von Netzwerkpaketen spezifiziert. Im Hinblick auf die erreichbare Deterministik kommt diesen Aspekten in Automatisierungssystemen eine entscheidende Bedeutung zu.

Die Funkkommunikation fokussiert sich auf das Internet der Dinge

Die kommende Mobilfunk-Generation 5G beeinflusst die Realisierung zukünftiger moderner Automatisierungskonzepte ebenso nachhaltig. Dies resultiert insbesondere daraus, dass mit 5G ein starker Fokus auf dem Internet der Dinge (IoT) und der maschinenbasierten Kommunikation liegt. Deshalb wird hauptsächlich an Technologien gearbeitet, die einerseits eine Datenübertragung mit sehr geringen Latenzzeiten und auf der anderen Seite die Kommunikation mit sehr vielen Teilnehmern ermöglichen. Beides sind Aspekte, die den Einsatz von Wireless-Technologien in industriellen Automatisierungslösungen derzeit noch limitieren.

Außerdem wird es die Einbringung von Techniken wie das sogenannte Network Slicing erlauben, dass in der Applikation garantierte Ressourcen genutzt werden können. Auf diese Weise lassen sich selbst hochverfügbare und sogar deterministische Anforderungen erfüllen. Die notwendigen Spezifikationen werden aktuell in unterschiedlichen Arbeitsgruppen – zum Beispiel innerhalb der IEEE sowie in der 5G Alliance for Connected Industries and Automation (5G-ACIA) des ZVEI – entwickelt und mittelfristig die heute vorhandenen, zum Teil proprietären Echtzeit-Erweiterungen in industriellen Übertragungssystemen ersetzen. Die industrielle Kommunikation bleibt damit weiterhin das Rückgrat und der Motor zur Umsetzung des Zukunftsprojekts Industrie 4.0.

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Nachgefragt: Ist 5G der Turbo für das IIoT?

* Dipl.-Ing. Martin Müller, Vice President der Business Unit I/O and Networks, Phoenix Contact Electronics, Bad Pyrmont

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