Industrielle Kommunikation

Kommunikation als Innovationsmotor der Automatisierungstechnik

| Autor / Redakteur: Michael Volz* / Ines Stotz

Die industrielle Kommunikation ist eine Schlüssel-Technologie für moderne Automatisierungslösungen. Ein einheitlicher Standard ist jedoch weiterhin nicht in Sicht.
Die industrielle Kommunikation ist eine Schlüssel-Technologie für moderne Automatisierungslösungen. Ein einheitlicher Standard ist jedoch weiterhin nicht in Sicht. (Bild: HMS Industrial Networks)

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In den frühen Stadien der Feldbustechnik stand die Ablösung der diskreten Verdrahtung von E/A-Signalen im Vordergrund. Heute ist die industrielle Kommunikation eine Schlüsseltechnologie für die Zukunft.

Wie alles begann: Die Entwicklung der Feldbustechnik nahm in den 80er Jahren so richtig Fahrt auf. Mit dem Einzug der Mikroelektronik und der Verbreitung der SPS-Steuerungen in der Automation wuchsen die Möglichkeiten der Steuerungstechnik und damit auch die Anzahl der zu verarbeitenden E/A-Signale. Die Folge: dicke Kabelbäume waren erforderlich, um die diskret verdrahteten E/A-Signale aus der Prozessperipherie – auch Feld genannt – mit der SPS zu verbinden. Die aufwändige, fehleranfällige Installation begrenzte die Kostenvorteile, die man sich durch den Einsatz der SPS-Steuerungen versprochen hatte.

Inspiriert durch die Entwicklungsarbeiten der Firmen Digital, Intel und Xerox aus denen in den frühen 80er Jahren die Ethernet-Technologie entstand sowie die in etwa zeitgleichen Entwicklungen der Firma Modicon, aus denen die ersten Versionen der Modbus-Spezifikationen entstanden, wurde deutlich, dass die digitale Datenübertragung viele Vorteile gegenüber der diskreten Festverdrahtung bot.

Schnell wurde jedoch klar, dass es in der Automation spezielle Anforderungen bezüglich Zeitverhalten, Robustheit und Zuverlässigkeit bei der Datenübertragung gab, die sich ganz wesentlich von den Anforderungen der aus der Informationstechnik stammenden Netzwerke unterschieden.

Der Erfindungsreichtum der Entwicklungsingenieure zur Lösung dieser Probleme schien nahezu grenzenlos und in der Folge entwickelten sich in den späten 80er Jahren unzählige proprietäre Feldbus-Lösungen u. a. Sinec L1 und L2, MPI (Siemens), Succonet (Klöckner Möller), Bacnet (Bosch), DF1 und Remote IO (Rockwell), Melsec (Mitsubishi), SDS (Honeywell).

So genial die einzelnen Feldbusprotokolle auch waren, so hatten diese proprietären Protokolle den Nachteil, dass sie nicht vollständig offengelegt waren und eine Kommunikation mit Geräten über Herstellergrenzen hinweg nur sehr eingeschränkt möglich war. Die Begeisterung der industriellen Anwender für diese herstellerspezifischen Lösungen verbunden mit der Skepsis hinsichtlich der Zuverlässigkeit und dem begrenzten Produktangebot hielt den wirtschaftlichen Erfolg der proprietären Feldbusse zunächst noch in Grenzen.

Kampf um den internationalen Standard der Feldbusse

Die Feldbustechnik gewann in den 90er Jahren dennoch schnell an strategischer Bedeutung für die Anbieter von Steuerungstechnik. Leider gelang es trotz vielerlei Anstrengungen nicht, sich auf eine einzige – von allen akzeptierte Lösung – für die industrielle Datenübertragung zu einigen. Vielmehr entbrannte ein erbitterter Wettstreit zwischen den einzelnen Nutzergruppen um die Akzeptanz der jeweiligen Lösung als internationale Norm.

Die Geschichte der Feldbusnormen ist wahrscheinlich einmalig in der ganzen technischen Normung der letzten Jahrzehnte. Die Normungsbemühungen wurden mit großem Einsatz von den verschiedenen Interessensgruppen betrieben. Oftmals wird in diesem Zusammenhang vom „Krieg der Feldbusse“ gesprochen. Der erste große Konflikt um die Anerkennung als internationale IEC-Norm entbrannte in den frühen 90er-Jahren zwischen dem aus Deutschland stammenden Profibus und Interbus sowie dem aus Frankreich stammenden FIP-Bus.

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In den späteren 90er Jahren entschlossen sich vor allem namhafte amerikanische Firmen aus dem Umfeld der Prozessautomation dem Taktieren der Europäer nicht länger tatenlos zuzusehen. Sie gründeten die Fieldbus Foundation (FF) mit dem Ziel der Entwicklung und Standardisierung einer Feldbuslösung, die für die Anforderungen der Prozessindustrie optimiert war.

Die Normungsaktivitäten wurden über die ISA (International Society of Automation), einem amerikanischem Industrieverband vorangetrieben und unterstützt von einer starken internationalen Lobby in die IEC-Normungsgremien eingebracht. Angesichts dieser Konstellation sowie der technischen Unterschiede und unterschiedlichen Zielmärkte ist es nicht verwunderlich, dass es nicht gelang, eine einzige Lösung als internationalen Standard festzuschreiben.

Der Kompromiss: IEC 61158 Normenreihe

Als Kompromiss hat man sich mit der Veröffentlichung der IEC 61158 Normenreihe letztendlich darauf geeignet, alle technisch ausgereiften Lösungen, die ihre Spezifikationen vollständig offenlegten und ihre Praxistauglichkeit durch Lobbyarbeit ihrer jeweiligen Industrieverbände nachweisen konnten, in einem einzigen Standard als gleichwertige Lösungsansätze quasi nebeneinander zu standardisieren.

Die aktuellen Versionen der IEC 61158 Normenreihe und der ergänzenden Profildefinitionen enthalten über die Feldbusse hinaus auch die auf Ethernet basierenden industriellen Echtzeitprotokolle und standardisieren auf tausenden Seiten Papier mehr als 18 verschiedene Protokolle.

Obwohl dies sicher keine optimale Lösung ist, hat sie dennoch entscheidende Vorteile:

  • die Protokolle sind nun offengelegt und ermöglichten so die Kommunikation über Herstellergrenzen hinweg,
  • die Anwender konnten sich die für die jeweilige Anwendung am besten geeignete Lösung aussuchen,
  • die Lösungen mit dem größten Basistechnologie-, Produkt- und Serviceangebot etablierten sich als weit verbreitete Industriestandards mit großen Marktanteilen.

Für den Praktiker hat sich durch diese Entwicklung die Bedeutung der Normen in der industriellen Kommunikation verschoben. Oftmals werden nicht mehr wie in anderen Bereichen üblich die Normen als Basis für die Produktentwicklung herangezogen. Stattdessen vertraut man auf Komponenten wie Protokollchips, Kommunikationsmodule und Protokollstacks, die von spezialisierten Anbietern, wie HMS Industrial Networks, als zertifizierte Basistechnologie angeboten werden, um die Aufwendungen für die Entwicklung einer Multiprotokoll-fähigen Kommunikationsschnittstelle zu reduzieren.

Offene Standards verhelfen den Feldbussen zum Durchbruch

Die 1990er Jahre haben den Durchbruch für die digitale Kommunikation in der Automatisierungstechnik gebracht. Die massive Kostenersparnis und viele funktionale Vorteile der Feldbusse überwogen schließlich die anfängliche Skepsis der Anwender. Die zunehmende Standardisierung und Offenlegung der Feldbusprotokolle half die „Spreu vom Weizen“ zu trennen und setzte dem „Wildwuchs“ der proprietären Protokolle Grenzen.

Der Markt für industrielle Kommunikation in der Fabrikautomation wuchs rasant und verzeichnete jährlich zweistellige Wachstumsraten.

Anfang der 2000er Jahre hatten sich aus der Vielzahl der Lösungen zehn offengelegte und standardisierte Feldbusse als dominant in ihren jeweiligen Anwendungsfeldern herauskristallisiert: Profibus, DeviceNet, ControlNet. Interbus, Modbus, CAN und CANopen, CC-Link, AS-I, Sercos I +II sowie FIP.

Entwicklung führender, offener industrieller Netzwerke in der Fabrikautomation
Entwicklung führender, offener industrieller Netzwerke in der Fabrikautomation (Bild: HMS Industrial Networks)

Neue Ära der Sicherheitstechnik

Anfänglich wurden die Feldbusse nur zur Übertragung von nicht-sicheren (Standard) E/A-Signalen und Daten eingesetzt, während die sicheren Signale wie z. B. Not-Aus weiterhin konventionell und festverdrahtet ausgeführt wurden. Dies änderte sich Ende der 1990er Jahre mit der Entwicklung von Profisafe (Profibus Nutzerorganisation, PNO) und CIP-Safety (Open DeviceNet Vendor Association, ODVA). Anfang der 2000er Jahre wurden die Technologien von den zuständigen Zertifizierungsstellen u. a. TÜV und BIGA für die digitale Übertragung von sicheren Signalen über die jeweils zu Grunde liegenden Feldbusse Profibus bzw. Devicenet zugelassen. Beide Systeme basieren auf der sogenannten Black-Channel-Methode und ermöglichen die rückwirkungsfreie Übertragung von sicheren und nicht-sicheren Signalen über dasselbe Buskabel.

Die rückwirkungsfreie Übertragung sicherer I/O-Signale nach dem sogenannten Black-Channel-Prinzip zusammen mit den Standardsignalen über dasselbe Buskabel veränderte die Sicherheitstechnik nachhaltig.
Die rückwirkungsfreie Übertragung sicherer I/O-Signale nach dem sogenannten Black-Channel-Prinzip zusammen mit den Standardsignalen über dasselbe Buskabel veränderte die Sicherheitstechnik nachhaltig. (Bild: HMS Industrial Networks.)

Damit begann eine neue Ära der Sicherheitstechnik, denn durch die digitale Übertragung der sicheren Signale konnte auch in diesem Bereich die aufwändige Festverdrahtung und Relaistechnik durch die wesentlich flexiblere und kostengünstigere digitale Übertragungstechnik abgelöst werden.

Ethernet ergänzt die klassischen Feldbusse

Waren die ursprünglichen Ethernet-Standards noch kollisionsbehaftet und damit für die Übertragung von Echtzeitdaten in der Automatisierungstechnik ungeeignet, so wurde dieses Problem in den späten 1990er Jahren durch Erweiterung der IEE-802.xx Standards mit Einführung der Switching-Technologie und der Full-Duplex-Übertragung über 4- bzw. 8-adrige Twisted-Pair-Kabel gelöst.

Wird ein Ethernet-Netzwerk konsequent mit Switches und Twisted-Pair-Kabeln oder Lichtwellenleitern in Full-Duplex-Übertragung ausgeführt, so treten keine Kollisionen mehr auf und die maximale Übertragungszeit der Telegramme ist kalkulierbar. In dieser Konfiguration ist Ethernet echtzeitfähig und erfüllt so zentrale Anforderungen der Automatisierungstechnik.

Die Anwender hegten die Hoffnung, dass ein einheitlicher Ethernet-Standard die vielen verschiedenen Feldbussysteme ersetzen könnte und zukünftig nur noch ein einziges Protokoll in der industriellen Automation zum Einsatz kommen sollte. Doch diese Hoffnung blieb unerfüllt, denn die Ethernet-Standards definieren nur die Protokolle auf den unteren Ebenen (Physical und Data LinkLayer), lassen aber die Regeln für die Übertragung und Bedeutung der in der Automatisierung wichtigen Prozess- und Parameterdaten offen.

Dieser Freiraum wurde von den verschiedenen Industrieverbänden unter Federführung der großen SPS-Hersteller genutzt und es entstanden Ethernet-basierte Varianten der jeweiligen Feldbusprotokolle wie Profinet, Ethernet/IP, Ethercat, Powerlink, Modbus-TCP, Sercos III, CC-Link IE oder FL-Net, die – obwohl sie alle auf Ethernet basieren – dennoch inkompatibel zueinander waren. Die fehlende Standardisierung und die schnelldurchgeführten technischen Weiterentwicklungen der jeweiligen Protokolle hemmten den Einsatz der Ethernet-basierten Lösungen und führten über viele Jahre bis heute zu einem Nebeneinander der Feldbus- und Ethernet-Netzwerke.

Datenhunger verhilft Ethernet zum Durchbruch in der Industrie

Über lange Zeit wurden die Feldbusse und Industrial-Ethernet-Netzwerke nur für die Übertagung von Prozess-, Parameter-, Diagnose- und Safety-Daten benutzt. Mit der zunehmenden Digitalisierung und Anwendung industrieller IT-Systeme kristallisierte sich jedoch ein weiterer Pluspunkt der industriellen Ethernet-Systeme heraus, denn: Während Feldbusse hauptsächlich aus Performance-Gründen nur ein einziges Protokoll über ein Kabel übertragen können, ist es mit Ethernet und dem Einsatz der aus der IT-Welt kommenden TCP/IP-Protokolle möglich, mehrere Protokolle quasi gleichzeitig (simultan) über ein und dasselbe Kabel zu übertragen.

Mit 100 Mbit/s Ethernet steht genügend Performance zur Verfügung, um Komfortfunktionen wie geräteinterne Webseiten, Filetransfer, E-Mail-Benachrichtigungen sowie große Mengen an qualitätsrelevanten Daten der jeweiligen Prozesse ohne Verletzung der Echtzeitanforderungen über dasselbe Kabel zu übertragen. So hat der Datenhunger der industriellen IT-Systeme letztendlich den industriellen Ethernet-Netzwerken zum Durchbruch verholfen und erstmals im Jahr 2018 wird erwartet, dass der Marktanteil industrieller Ethernet-Systeme größer sein wird, als der der klassischen Feldbusse.

Entwicklung der Marktanteile Feldbus, Ethernet und Wireless Netzwerke in der Fabrikautomation.
Entwicklung der Marktanteile Feldbus, Ethernet und Wireless Netzwerke in der Fabrikautomation. (Bild: HMS Industrial Networks)

Wireless Netzwerke vereinfachen Bedienung und Diagnose

Durch Nutzung drahtloser Netzwerke eröffnen sich weitere Möglichkeiten für flexible und effiziente Automatisierungslösungen. Mit Wireless LAN oder Bluetooth werden teure Kabelwege durch moderne Funktechnologie ersetzt und mobile Teilnehmer einfach und zuverlässig in das Automatisierungsnetzwerk integriert. Funknetzwerke sind darüber hinaus Basistechnologie für die Realisierung mobiler Bedienkonzepte unter Nutzung von Standard Smart Devices wie Tablet-PCs oder Smartphones.

Bei der Betrachtung einer typischen Fertigungsanlage lassen sich sofort zahlreiche Applikationen erkennen, die von einer drahtlosen Kommunikation profitieren oder diese sogar voraussetzen. Beispiele sind u. a. der Datenaustausch mit mobilen Transportsystemen wie Lager-Shuttles oder Paletten-Wickelmaschinen sowie mit Kränen. Die mobile Wartung oder die flexible Integration von Terminals und Maschinen in das Produktionsnetzwerk sind weitere Anwendungsbeispiele. In den meisten Fällen steht nicht die Einsparung von Verkabelungskosten im Vordergrund. Vielmehr ergeben sich aus einer schnelleren und zuverlässigeren Funkkommunikation Kostenvorteile, die aus der vereinfachten Konstruktion, größerer Flexibilität und Verschleißfreiheit resultieren. Vor diesem Hintergrund haben sich drahtlose Automatisierungsnetzwerke bereits in zahlreichen Fertigungsanlagen etabliert – und das mit steigender Tendenz.

„BYOD“-Konzept und Maschinen-Apps

Das Schlagwort „Bring Your Own Device“ (BYOD) beschreibt den Trend, bei dem moderne Smart Devices wie Tablets, Smartphones etc. genutzt werden, um über ihren integrierten Internetbrowser oder spezielle Apps Maschinen zu parametrieren, zu bedienen und Diagnosedaten abzufragen. Moderne Tablets und Smartphones bringen standardmäßig wireless Technologie mit und bieten dank dem im mobilen Betriebssystem integrierten Webbrowser Visualisierungsmöglichkeiten wie klassische HMIs.

Was ist da naheliegender als Smart Devices als mobile HMIs einzusetzen? Typische Abfragen wie z. B. der aktuelle Betriebszustand der Maschine, Produktionsstückzahlen oder Diagnosedaten werden beim „BYOD“-Konzept nicht über teuere, fest installierte HMIs erledigt, sondern über das Smart Device.

Dies führt bei verketteten Systemen wie beispielsweise Druck- und Verpackungsmaschinen zu einer Kostenreduktion. Wo bisher für jede Einzelmaschine des verketteten Systems ein teures, fest installiertes HMI notwendig war, kann der Techniker über sein Tablet oder Smartphone „beim Vorbeilaufen“ direkt auf jede Einzelmaschine zugreifen.

Der Trend wird verstärkt durch die neuen auf Windows 8 und 10 basierenden Tablets, auf denen auch Windows-basierte HMI-Standardanwendungen wie z. B. Win-CC oder Labview laufen, die die Anwender vom stationären Windows-basierten HMI gewohnt sind. Die Verbindung zwischen dem Smart Device und dem Fertigungsnetzwerk erfolgt über Funkgateways, die in diesen Applikationen als Wireless Access Point arbeiten.

IO-Link: Neue Kommunikation auf Sensorebene

Mit der Veröffentlichung der IO-Link Spezifikation im Jahr 2007 entsteht eine weitere Kategorie industrieller Netzwerke für die Kommunikation zwischen Steuerung und den Sensoren und Aktuatoren auf der untersten Feldebene. IO-Link ist der bekannteste Vertreter dieser Kategorie und wurde im IEC 61131-9 Standard international standardisiert.

Netzwerke wie IO-Link basieren auf einer Punkt-zu-Punkt-Kommunikation, auf dem schon lange bekannten 3-Leiter Sensor- und Aktor-Anschluss ohne weitere zusätzliche Anforderungen an das Kabelmaterial. IO-Busse, wie IO-Link, sind somit keine Feldbusse im klassischen Sinn, sondern die evolutionäre Weiterentwicklung der bisherigen, erprobten Anschlusstechnik für Sensoren und Aktuatoren. Sie ergänzen die Feldbus- und Ethernet-Netzwerke nach unten und ermöglichen die kostengünstige Einbindung der Sensoren und Aktuatoren in die vernetzte Fertigung.

Aktuelle Marktsituation in der Fabrikautomation

Stand heute (Mitte 2018) gibt es mit Profibus, DeviceNet, Modbus, CAN + CAN-FD, CC-Link und AS-Interface sieben verschiedene Feldbusse und mit Ethernet/IP, Profinet, Ethercat, Powerlink, Modbus-TCP, CC-Link IE und Sercos III acht Industrial-Ethernet-Netzwerke, die offengelegt und standardisiert sind und anhand aktueller Marktstudien hohe Marktanteile in der Fertigungsautomatisierung haben. Über die Feldbusse und Industrial-Ethernet-Netzwerke hinaus haben auch die Wireless Systeme mit WLAN und Bluetooth relevante Marktanteile erreicht.

Im Hinblick auf neu installierte Knoten in der Fabrikautomation hat Industrial Ethernet die traditionellen Feldbusse jetzt überholt. Das ist die Haupterkenntnis der jährlichen Studie von HMS Industrial Networks bezüglich der Marktanteile industrieller Netzwerke. Der Anteil von Industrial Ethernet an neu installierten Knoten beträgt 52 % (Vorjahr 46 %), der von Feldbussen 42 % (Vorjahr 48 %). Weltweit ist Ethernet/IP mit 15 % das am häufigsten installierte Netzwerk, gefolgt von Profinet und Profibus mit jeweils 12 %. Auch die wireless Technologien sind mit 6 % Marktanteil vertreten.

Marktanteile industrieller Netzwerke 2018: Die Grafik umfasst Einschätzungen von HMS für 2018 auf Basis neu installierter Knoten im Jahr 2017 in der Fabrikautomation. Ein Knoten ist definiert als eine Maschine oder ein Gerät, das mit einem industriellen Netzwerk verbunden ist. Die Zahlen sind eine konsolidierte Sicht von HMS basierend auf eigenen Verkaufsstatistiken, den Einblicken der Kollegen in die Industrie sowie der Gesamtwahrnehmung des Marktes.
Marktanteile industrieller Netzwerke 2018: Die Grafik umfasst Einschätzungen von HMS für 2018 auf Basis neu installierter Knoten im Jahr 2017 in der Fabrikautomation. Ein Knoten ist definiert als eine Maschine oder ein Gerät, das mit einem industriellen Netzwerk verbunden ist. Die Zahlen sind eine konsolidierte Sicht von HMS basierend auf eigenen Verkaufsstatistiken, den Einblicken der Kollegen in die Industrie sowie der Gesamtwahrnehmung des Marktes. (Bild: HMS Industrial Networks)

HMS Industrial Networks konzentriert sich in seiner jährlich aktualisierten Auswertung des industriellen Netzwerkmarktes auf neu installierte Knoten innerhalb der Fabrikautomatisierung. Als unabhängiger Anbieter von Produkten und Dienstleistungen für die industrielle Kommunikation und das Internet der Dinge hat HMS einen fundierten Einblick in den Markt der industriellen Netzwerke. HMS sieht einige Trends für die industrielle Kommunikation im Jahr 2018, blickt aber auch auf die Entwicklung der Marktanteile der industriellen Netzwerke der letzten fünf Jahre zurück.

Industrial-Ethernet-Netzwerke überholen Feldbusse

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Industrial-Ethernet-Netzwerke überholen Feldbusse

16.03.18 - Die traditionellen Feldbusse sind von Industrial Ethernet überholt, so urteilt HMS Industrial Networks in seiner jährlichen Auswertung zu industriellen Netzwerken. Funktechnologien nehmen weiter zu. lesen

Industrial Ethernet – Wachstum durch IIoT (Industrial Internet of Things)

Seit einigen Jahren wachsen Industrial-Ethernet-Netzwerke schneller als traditionelle Feldbusse und haben letztere nun überholt. Mit einer Wachstumsrate von 22 % hat Industrial Ethernet mittlerweile weltweit einen Marktanteil von 52 %, verglichen zu 46 % im Vorjahr. Ethernet/IP hat sich mit 15 % Marktanteil zum am weitesten verbreiteten Netzwerk entwickelt, gefolgt von Profinet, Ethercat, Modbus-TCP und Ethernet Powerlink.

Feldbusse noch weit verbreitet, aber Rückgang erwartet

Dank einer starken Industrie und Bedenken hinsichtlich Cyber Security wachsen Feldbusse immer noch leicht. Dennoch: Obwohl die Feldbusse mit einer Wachstumsrate von 6 % (Vorjahr 4 %) leicht zugelegt haben, ist davon auszugehen, dass die Zahl der Feldbusinstallationen in den nächsten Jahren stetig abnimmt. Dominierender Feldbus ist nach wie vor Profibus mit 12 % weltweitem Marktanteil, gefolgt von Modbus-RTU und CC-Link mit jeweils 6 %.

Wireless definiert das Bild der Netzwerke neu

Funk-Technologien wachsen nach Auffassung von HMS um 32 % (Vorjahr ebenfalls 32 %) und machen 6 % (Vorjahr ebenfalls 6 %) des Gesamtmarktes aus. Innerhalb von Wireless ist WLAN die am weitesten verbreitete Technologie, gefolgt von Bluetooth.

Regionale Unterschiede bei den Netzwerken

In Europa und dem Nahen Osten sind Profinet und Ethernet/IP führend. Auch Profibus ist dort immer noch weit verbreitet. Andere populäre Netzwerke sind Ethercat, Modbus-TCP und Ethernet Powerlink. Der US-Markt wird von den CIP-Netzwerken dominiert, mit einer deutlichen Verschiebung in Richtung Ethernet/IP. In Asien ist kein Netzwerk marktführend, aber Profinet, Ethernet/IP, Profibus, Ethercat, Modbus und CC-Link sind weit verbreitet. Auch die Ethernet-Version CC-Link IE Field gewinnt an Bedeutung.

Ausblick: Kommunikation erneut im Umbruch

Die dafür erforderlichen Netzwerke müssen immer leistungsfähiger werden und folgende wesentliche Kriterien erfüllen:

  • Performante Übertragung der Prozessdaten in Echtzeit
  • Übertragung von sicheren Signalen (Safety) über dasselbe Kabel
  • Simultane Übertragung von IT-Protokollen und Anwendungsdaten
  • Hohes Maß an Security
  • Einfache Installation mit Standardkomponenten
  • Gute Diagnose- und Wartungsmöglichkeiten
  • Offene, herstellerunabhängige und standardisierte Protokolle
  • Qualitätssicherung durch Zertifizierung und Nachweis der Interoperabilität.

Anhand der vorstehend genannten Kriterien wird deutlich, dass die klassischen Feldbusse ihren Zenit bei Neuinstallationen in der Fabrikautomation überschritten haben. Dies wird durch aktuelle Marktstudien bestätigt. Ethernet-basierte Netzwerke gewinnen weiter an Bedeutung und folgende Megatrends werden in den kommenden Jahren die industrielle Kommunikationslandschaft erneut stark verändern:

  • Industrial Internet of Things und Industrie 4.0: Standortübergreifende Vernetzung der einzelnen Produktionsschritte über die gesamte Lieferkette hinweg, Flexibilisierung, Digitalisierung und Konzentration und Verarbeitung der Daten in der Cloud
  • Verbesserung der Echtzeiteigenschaften von Ethernet durch Standardisierung von TSN (Time Sensitive Networks) gemäß IEE 802.1
  • Einführung von Security-Mechanismen wie Authentifizierung der Kommunikationsteilnehmer sowie Verschlüsselung der Daten auf der Feldebene
  • IT/OT-Integration durch Zusammenwachsen der industriellen IT-Systeme mit den Automatisierungsgeräten auf der Feldebene (Operational Technology, OT)
  • Einbeziehung von Umwelt-, Zustands- und Betriebsdaten der einzelnen Geräte als Basis für die Datenanalyse (Big Data, Data Analytics) und die vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance).

TSN (Time Sensitive Networks) wird neue Basistechnologie

Spätestens seit der letzten Hannover Messe ist klar: TSN (Time Sensitive Networks) gemäß IEE 802.1 wird zukünftig als neue Basistechnologie für die Echtzeitkommunikation eine wichtige Rolle in der Automatisierungstechnik spielen.

Alle führenden Industrieverbände sowie zahlreiche Automatisierungshersteller haben ehrgeizige Zeitpläne für die Integration des TSN-Protokolls in die jeweiligen Standards und Automatisierungsgeräte angekündigt.

OPC UA mit Security-Mechanismen

Darüber hinaus zeichnet sich mit OPC UA eine neue Technologie ab, die wichtige Voraussetzungen für die Vereinfachung der IT/OT-Integration mit sich bringt und darüber hinaus auch geeignete Security-Mechanismen integriert. OPC UA ist nach Kenntnis des Autors die bislang einzige Technologie, die vom Bundesministerium für die Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) als geeignet für die industrielle Security eingestuft wird. Mit den laufenden Spezifikationsarbeiten zu CIP-Security in der ODVA und Profinet-Security in der PNO beabsichtigen die Industrieverbände die „Nachrüstung“ von Security-Mechanismen für die jeweiligen Protokolle.

TSN, OPC UA und die kommenden Security-Erweiterungen sowie weitere aus der IT-Welt stammende Protokolle wie MQTT werden so einerseits die Möglichkeiten und Einsatzbereiche der industriellen Netzwerke weiter vergrößern, andererseits stehen jedoch die Gerätehersteller erneut vor der Herausforderung, ihre Geräte mit neuen Kommunikationsschnittstellen auszustatten, bevor Anwender von den neuen Möglichkeiten profitieren können.

Kommunikation wird zur Schlüsselfunktion

Im Zeitalter von Industrie 4.0 und dem Internet der Dinge (IoT) wird die Kommunikation immer mehr zur Schlüsselfunktion für eine effiziente und flexible Fertigung und zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit. Erst wenn alle an der Produktion beteiligten Geräte durchgängig vernetzt und an die industriellen IT-Systeme angebunden sind, greifen die Vorteile der Digitalisierung und neue datenbasierende Geschäftsprozesse bis hin zur vorausschauenden Wartung können umgesetzt werden.

Die neuen Technologien bieten einerseits dem Anwender immer mehr Möglichkeiten, andererseits wird die Realisierung einer entsprechend leistungsfähigen Kommunikationsschnittstelle für die Gerätehersteller immer aufwändiger und gerade für mittelständische Unternehmen wird das Risiko immer größer, mit den neuen Entwicklungen nicht mehr mithalten zu können und dadurch Nachteile im internationalen Wettbewerb hinnehmen zu müssen.

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* Dipl. Ing. Michael Volz, ehemaliger Geschäftsführer der Profibus Nutzerorganisation und langjähriger Geschäftsführer von HMS Industrial Networks ist heute als technischer Unternehmensberater tätig. Er hat die Entwicklung der industriellen Kommunikationssysteme von Anfang an aktiv begleitet und ist auch heute noch in den verschiedenen Industrieverbänden an der Weiterentwicklung der Kommunikationssysteme aktiv beteiligt.

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