Trends der Industriellen Kommunikation Schlüsselfunktion: Flexible und sichere Kommunikationsschnittstelle

Von Thilo Döring* und Dipl. -Ing. Ines Stotz

Das Industrial Internet of Things (IIoT) und die damit einhergehende Digitalisierung im Fertigungsumfeld hat dazu geführt, dass die industrielle Kommunikation zunehmend komplexer wird und Anforderungen stetig steigen.

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Flexible und sichere Kommunikationslösungen sind das A und O in der Fabrik der Zukunft, in der das Datenvolumen und die Geschwindigkeit des Datenaustausches stetig steigen.
Flexible und sichere Kommunikationslösungen sind das A und O in der Fabrik der Zukunft, in der das Datenvolumen und die Geschwindigkeit des Datenaustausches stetig steigen.
(Bild: © Blue Planet Studio – stock.adobe.com)

Zukunftsfähige Automatisierungskomponenten müssen heute sowohl die bewährten industriellen Feldbus- und Industrial-Ethernet-Netzwerke für die zyklische Prozessdatenübertragung als auch die Anbindung an IIoT- und Cloud-Plattformen – sprich an verschiedenste IT-Systeme – unterstützen.

Gängige Feldbusse sind nach wie vor zum Beispiel Profibus, Modbus RTU oder auch Devicenet. Ihre Industrial-Ethernet-Varianten Profinet, Modbus-TCP und Ethernet/IP sind ebenfalls weit verbreitet.

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Bei der Anbindung von Automatisierungskomponenten an IT-Systeme haben sich mit OPC UA und MQTT zwei verschiedene Standards etabliert, was Hersteller von Automatisierungsgeräten auch im Hinblick auf eine sichere Datenübertragung vor neue Herausforderungen stellt.

Denn jede Anbindung an IT-Systeme birgt ein gewisses Risiko für Cyberangriffe. Die Sicherheitstrends werden deshalb hauptsächlich durch die Interaktion von Produktionsanlagen mit IT-Systemen vorangetrieben. Daraus ergibt sich die Forderung, auch die OPC UA- und MQTT-Kommunikation zu verschlüsseln. Es gilt neue Cybersecurity-Anforderungen umzusetzen, die in ebenfalls neue IEC- oder Protokollstands einfließen, wie die IEC 62443, die den Rahmen für Security-Implementierungen bildet.

Einheitlicher Standard? Fehlanzeige

Auch wenn die für den Anwender nutzbaren Funktionen der einzelnen Bussysteme meist ähnlich sind, haben die Busprotokolle im Detail wenig gemeinsam. Es gibt viele verschiedene Feldbusse und Industrial-Ethernet-Protokolle, die sich hinsichtlich ihrer technischen Funktionen, Einsatzgebiete und Anwendungshäufigkeit grundsätzlich voneinander unterscheiden. Die Auswahl richtet sich meist nach dem in der Anlage eingesetzten Steuerungshersteller, der geographischen Region, den funktionalen Anforderungen in puncto Geschwindigkeit und Netzwerkausdehnung sowie der Verfügbarkeit geeigneter Feldgeräte.

Nach wie vor ist kein einheitlicher Standard in Sicht. Umso wichtiger sind flexible Kommunikationslösungen in Form von Multiprotokollschnittstellen oder Gateways für Automatisierungsgeräte und Maschinen, wie sie zum Beispiel HMS Networks anbietet.

Aktuelle Trends und deren Reifegrad

Neben OPC UA und MQTT und den daraus resultierenden Cybersecurity-Anforderungen sind TSN (Time-Sensitive Networking) und SPE (Single Pair Ethernet) als weitere Trends zu nennen.

Ersteres dient der zuverlässigen und einheitlichen deterministischen Kommunikation von der Feldebene zur IT-Ebene, was völlig neue Cloud-Computing-Anwendungen ermöglicht.

Letzteres ist eine drahtgebundene Lösung für die Anbindung kleinster Sensoren, die die industrielle Kommunikation vom Sensor bis in die Cloud möglich macht.

Allerdings haben OPC UA, MQTT, TSN und SPE sehr unterschiedliche Reifegrade.

TSN und SPE sind zum Beispiel Technologien, die heute viel diskutiert werden, deren flächendeckende Verbreitung aber noch ganz am Anfang steht.

MQTT ist ein einfaches, schlankes Protokoll, das von Anwendern schnell eingeführt werden kann. Es wird von Unternehmen häufig dazu benutzt, Daten ihrer Fabrikautomation an die eigenen, internen IT-Systeme zu übertragen.

OPC UA dagegen hat sich als Standard für die vertikale Vernetzung von Steuerungen mit IT-Systemen etabliert. Zukünftig sollen damit aber auch Feldgeräte angebunden werden, um eine vollständige, durchgängige und transparente Kommunikation vom Sensor in die Cloud zu ermöglichen.

Hier konkurriert OPC UA mit etablierten Kommunikationsstandards wie zum Beispiel Profinet oder Ethernet/IP, die sich auch stetig weiterentwickeln. Wichtige Punkte sind die Geschwindigkeit der Datenübertragung, transparente Netzwerkstrukturen und einheitliche Engineering-Werkzeuge sowie eine cybersichere Datenkommunikation.

Gigabit Ethernet und SPE sind die wichtigsten Weiterentwicklungen.

Gigabit Ethernet wird von der Industrie gefordert, um die notwendige Bandbreite zu erreichen.

SPE ermöglicht die kostengünstige Vernetzung vom Sensor in die Cloud auf einer physikalischen Ebene, nämlich Ethernet.

Somit entsteht eine durchgängige und transparente Kommunikationsinfrastruktur, welche die zukünftigen Anforderungen erfüllt.

Auch Cybersicherheit wird in der Industrie zukünftig eine wesentliche Rolle spielen. Die meisten Systeme sind heute noch unverschlüsselt und können relativ einfach manipuliert werden. Um sich gegen Cyberangriffe zu schützen, muss die Datenkommunikation zwischen der Feldebene und IT-Systemen oder Cloud-Plattformen zukünftig verschlüsselt sein.

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Wie sind wireless Lösungen und 5G einzuordnen?

Heutiger Konsens ist, dass sich das IIoT in vollem Umfang nur mit kabelloser Kommunikation umsetzen lässt.

Funktechnologien sind die erste Wahl bei mobilen, rotierenden Anwendungen oder in schwer zugänglichen Bereichen. Daher sind sie insbesondere im Logistikbereich oder der Lagerhaltung eine feste Größe, denn nur mit ihnen können beispielsweise fahrerlose Transportsysteme in das übergeordnete industrielle Netzwerk eingebunden werden. Auch bei der Inbetriebnahme oder Konfiguration von Maschinen haben sich drahtlose Lösungen etabliert.

Die häufigsten Funktechnologien im industriellen Umfeld sind WLAN und Bluetooth, aber auch die Mobilfunkstandards 3G/4G sind vertreten. Diese Technologien haben eines gemeinsam: Sie genügen nicht den zukünftigen Anforderungen im Hinblick auf Bandbreite, Echtzeitverhalten, Übertragungsraten und Zuverlässigkeit, die die fortschreitende Digitalisierung mit sich bringt.

5G wird in diesem Zusammenhang zur Schlüsseltechnologie, da es echtzeitfähig ist und eine enorme Bandbreite bietet. Außerdem lassen sich damit verschiedene Anwendungsfälle abdecken, in denen heute mehrere drahtlose Technologien verwendet werden, etwa WLAN, LoRa, Bluetooth oder die klassischen 3G/4G Mobilfunkstandards.

Allerdings wird der flächendeckende Einsatz von 5G noch etwas Zeit in Anspruch nehmen und die meisten 5G-Anwendungen sind noch in der Testphase. Vorreiter sind hier die großen Automobilisten oder auch die Prozessindustrie. Außerdem benötigt nicht jede Anwendung 5G. Viele Anwendungen können auch mit den herkömmlichen Funktechnologien realisiert werden.

Wenn es aber zum Beispiel um Echtzeitdaten, Echtzeit-Positionierung, Edge-to-Cloud Analytics oder Robotersteuerung in Echtzeit geht, dann ist der Einsatz von 5G unerlässlich.

* Thilo Döring, Geschäftsführer HMS Industrial Networks

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