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Industrielle Kommunikation konvergiert zum Internet

Bussysteme: Echtzeit-Lösungen bestimmen die Geräte- und Web-Integration
Industrielle Kommunikation konvergiert zum Internet

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Die Automatisierungstechnik steht vor einem grundlegenden Wandel. Informationstechnologien und ein immenser Kostendruck treiben die Veränderungen in Richtung Echtzeitfähigkeit voran. Die Basis all dessen ist das Internet.

Achim Scharf ist Fachjournalist in München, Werner Möller ist Redaktionsmitglied Industrieanzeiger

Auf Wettbewerb und Globalisierung reagiert die Industrie mit immer schnelleren Produktzyklen. Die Grundlage dafür legen die Unternehmen mit hochproduktiven und flexiblen Fertigungsorganisationen. Ihr Kennzeichen ist, dass verschiedene Stufen der Produktion intelligent verknüpft und die richtigen Information zur richtigen Zeit am richtigen Ort sind. „Die Anwender fordern eine nahtlose Anbindung der Unternehmensleitebene an die Produktion, um Auftrags- und Produktionsdaten auszutauschen, sowie an das Internet, um Aufträge einzuleiten und Servicemaßnahmen von entfernten Standorten durchführen zu können“, definiert Peter Wenzel, Geschäftsführer der Profibus-Nutzerorganisation (PNO), den Wandel.
Doch der Reihe nach. Nach dem Standardisieren der Feldbusse, konzentrierte sich die zweite Phase der modernen Automatisierungsgeschichte auf die Anwendungs-profile. Feldgeräte erhielten immer mehr Rechenleistung, was zu verteilten Automatisierungssystemen mit lokaler Intelligenz führte. „Der Trend in der heutigen dritten Phase geht zu herstellerneutralen und verteilten Automatisierungssystemen mit international genormten Schnittstellen und Protokollen“, unterstreicht Wenzel.
Die geforderte Offenheit wurde mit den Internet-Protokollen TCP/IP, HTTP und XML geschaffen. Der Vorteil für den Anwender ist enorm: „Mit TCP/IP und HTTP lassen sich eingebettete Web-Server für den Zugriff auf Bedien- und Diagnosedaten beliebiger Geräte realisierten, das Parametrieren und Konfigurieren erfolgt über einen Browser auch von der Ferne“, nennt Edgar Schüber die wichtigsten Punkte. Der Geschäftsführer der auf Tele-Service spezialisierten Karlsruher Xcc Software GmbH favorisiert klar die Web-Technologien: „Die XML-Beschreibungssprache ermöglicht die offene Integration von Applikationen und Systemen über alle Ebenen und auch über Unternehmensgrenzen hinweg und ist eine Schlüsseltechnologie bei der Integration von Software im gesamten Unternehmen.“
Doch wo Licht ist, ist auch Schatten: „TCP/IP als Basis für die Datenübertragung erlaubt zwar die Nutzung derselben Ethernet-Infrastruktur, eine Interoperabilität ist damit aber nicht gewährleistet“, gibt Manfred Brill vom Vorstand der IDA (Interface for Distributed Automation) zu bedenken. Das erklärt auch die unterschiedlichen Ansätze der Kommunikationsspezialisten – von Rockwells ODVA Ethernet/IP, dem Foundation Fieldbus High Speed Ethernet, dem Profinet, dem Autonomous Decentralization Protocol, der IDA und der Iaona (Industrial Automation Open Networking Alliance).
In der Automatisierungstechnik kann daher auf Feldbussysteme auch in Zukunft nicht verzichtet werden. „Ethernet als Standard im Unternehmen wird von der Leitebene kommend weiter in die Feldebene vordringen und auch bei intelligenten Feldgeräten eingesetzt werden. Dezentrale Automatisierungsfunktionen verlagern die Intelligenz in Sensoren und Aktoren“, prognostiziert Helmut Gierse. Für den Vorsitzenden des Siemens-Bereiches A&D in Nürnberg ist es deshalb klar, dass immer weniger Automatisierungsfunktionen zentral gesteuert werden, so dass am Markt nur solche Lösungen Chancen haben, die sowohl die Vorteile des Ethernet nutzen als auch Feldbussysteme integrieren.
Gerade die Web-Technologien schieben industrielle Ethernetanwendungen kräftig an. „Sie eröffnen erstaunliche Möglichkeiten, von der einfachen Statusanzeige auf Browsern über das Fernwarten bis zum Optimieren von Anlagen“, schwärmt Gierse. Mit dem Internet werde auch die mobile Datenkommunikation in die Automatisierung Einzug halten. Beispiel: der mobile Industrial Communicator Mobic, ein mobiles, industrietaugliches Web-Pad mit drahtlosem Netzwerkanschluss. Letztendlich würden die Technologien auch in Form von Web-Servern in die Automatisierungsgeräte einziehen. Mit der Münchener Wind River GmbH hat Siemens das Protokoll Windnet IP entwickelt. Es konfiguriert sich und sorgt dafür, dass sich unterschiedlichste Automatisierungsgeräte und Web-Pads ohne komplizierte Netzwerkkonfiguration mit dem Internet verbinden lassen.
Ethernet im Feldbereich hat aber noch eine offene Flanke. Echtzeit-Fähigkeit und Deterministik sind laut Gierse noch nicht gelöst. „Die Reaktionszeiten müssen nach unseren Erfahrungen bei einem Großteil der Anwendungen in einem 10-Millisekunden-Bereich liegen“, sagt der A&D-Chef. Den ersten Schritt bei Echtzeit-Ethernet realisiert Siemens auf Basis einer Softwarelösung, um E/A an das Ethernet anzubinden. Dieses realisierte die Profinet-Kernmannschaft der Profibus Nutzerorganisation (PNO). Die Ergebnisse lassen sich mit den Leistungsdaten der Profibus-Systeme vergleichen. Die Experten gehen für die Zukunft von entsprechenden Performancesteigerungen aus, die auch Motion-Control über Ethernet ermöglichen.
In Sachen Echtzeitfähigkeit macht auch der Profinet-Arbeitskreis Dampf. Während Profinet V1 das Ethernet/Internet über sogenannte Proxys als Komponententechnologie integriert, setzt die zweite Profinet-Generation auf Software-Echtzeit-Funktionen und priorisiert entsprechende Tasks (Überspringen des TCP/IP-Stacks) mit einer Reaktionszeit von 5 ms. „Damit lässt sich Pofinet auch für dynamische Antriebe anwenden, und Spezialbusse für Antriebe sind damit hinfällig“, zeichnet Edgar Küster vom Vorstand der PNO ein Zukunftsbild. Die Web-Integration in Profinet V2 erfolgt in einem ersten Schritt über den zentralen Web-Server, der alle relevanten Daten der angeschlossenen Geräte vorhält. In einem zweiten Schritt wird der Server in jedem Profinet-Gerät integriert sein. Für Ende 2003 erwartet Küster Profinet III für die Antriebstechnik.
Die Manager der Ludwigsburger Jetter AG sind der Ansicht, mit Switched Ethernet das Echtzeitproblem bereits gelöst zu haben. Der Grund: Hier wird die Zieladresse überprüft, in welches Segment Datenpakete gesendet werden sollen. Weitergeleitet wird es nur, wenn das Segment frei ist. Steht die Ampel auf Rot, werden die Daten zwischengespeichert und wieder gesendet, sobald Grün ist. Switches vermeiden Kollisionen. „Wo dieser Ansatz konsequent wie bei unserer Jetweb-Technologie umgesetzt wird, ist Ethernet echtzeitfähig im Sinne der Fabrikautomation“, erläutert Martin Jetter. Der Firmenchef hatte diese Technologie in die im Frühjahr 2000 gegründete IDA-Gruppe eingebracht, zu der als Gründungsmitglieder die Firmen Innotec, Kuka, Lenze, Phoenix Contact, RTI, Schneider Electric und Sick gehören. Um das Konzept rund zu machen, will der IDA-Vorstand die Modbus-TCP/IP-Variante von Schneider Electric als bevorzugtes Protokoll für den Nachrichtenservice übernehmen. Damit wäre eine weitere Echtzeit-Lösung mit Standard-Hardware auf dem Markt, die verteilte Intelligenz über Ethernet und Internet unterstützt.
Den Ethernetzugang für Interbus bietet IDA-Mitglied Phoenix Contact GmbH aus Blomberg mit seiner Inline-Busklemme. Damit wird der als Sensor-/Aktorbus entwickelte Feldbus mit kurzen Zykluszeiten, einer hohen Deterministik und guten Diagnoseeigenschaften ethernettauglich. Insofern eignet sich Interbus insbesondere als Zubringer für intelligente Stationen, die über Ethernet miteinander vernetzt werden. „Kommuniziert wird über Ethernet via Modbus-TCP-Protokoll, zur Diagnose erfolgt der Zugriff über das SNMP-Protokoll oder auf den integrierten Webserver“, definiert IDA-Vorstand Müller die unterschiedlichen Ansätze. Innerhalb der IDA-Group wurde Modbus TCP als einfachster Level der Interoperabilität gewählt und in die IDA-Spezifikation integriert. Insofern sind Interbus, Modbus TCP/IP und Jetweb in verschiedenen Ebenen der Automatisierungspyramide angesiedelt und können aufeinander aufbauend in ein und der selben Anwendung eingesetzt werden.
In der Automation werden Feldbusse nicht ersetzt
„Eine wesentliche Säule ist eine durchgängige Verbindungsschicht für alle Klassen der Kommunikation, von der Peripherie über die Steuerung bis hin zum Management und der Integration von Kanälen für die Sicherheitstechnik auf Basis von Ethernet und TCP/IP“, so Volker Arlt vom Antriebsspezialisten Lenze AG aus Aerzen. Der Vorteil für den Anwender: Hier arbeiten IDA und PNO punktuell zusammen. „Uns geht es hier um die Geräte- und Web-Integration, bei der auch Rockwell mit seiner ODVA mitmachen will“, unterstreicht auch PNO-Mann Küster.
Neben der IDA forciert auch die Iaona Europe das Thema Ethernet in der Industrie. „In diesen von uns mitgegründeten Organisationen stimmen die Marktführer Siemens, Rockwell und Schneider ihre Ethernet-Standards ab, und somit stellt sich niemand mehr gegen den durch Internet und Ethernet eingeleiteten Paradigmenwechsel. Je mehr Marktführer diese Technologien unterstützen, desto schneller wird der Wechsel kommen“, freut sich denn auch IDA-Vorsitzender Martin Jetter.
Ziel ist es, dass zukünftige Kommunikation die vier Grundforderungen nach
– schneller und effizienter Erfassung von einfachen E/A-Signalen,
– Integration der Sicherheitstechnik in das Kommunikationssystem,
– Synchronisation von Antriebssystemen und
as Verbinden der Automatisierungs-und Officewelt erfüllen müssen.
„Mit heutigen Feldbussystemen sind vor allem die drei erstgenannten, mit Ethernet insbesondere der vierte Punkt abgedeckt“, weiß Martin Müller. Ethernet ist jedoch dabei, auch die ersten drei genannten Anforderungen zu erfüllen.
„Der US-Markt ist von seiner Größe her sehr bedeutend“
Nach erfolgreichem Einsatz in der Fertigungsautomatisierung wird jetzt mit Profibus verstärkt der Markt der Prozessautomatisierung erschlossen. Wir befragten den Vorstand der Profibus Nutzerorganisation Edgar Küster nach den Chancen.
Welchen Anteil hält Profibus in der Prozessindustrie und in der Fertigungsindustrie?
Die Analysten von Frost & Sullivan sehen für Profibus in Westeuropa einen Marktanteil von 54 Prozent, während die Nummer zwei auf einen Marktanteil von zehn Prozent kommt. In der Fertigungsautomatisierung gibt es keine aktuellen Studien zum Ranking der verschiedenen Feldbussysteme. Wir sehen in Westeuropa aber ebenfalls einen Marktanteil zwischen 55 und 60 Prozent.
Welche Synergien entstehen bei der Entwicklung einer Lösung für die Bereiche?
Schon Profibus hat gezeigt, dass trotz unterschiedlichen Anforderungen große Gemeinsamkeiten für die Märkte der Fertigungs- und Prozessautomatisierung bestehen. Zudem sind die Upstream- und Downstream-Anwendungen weitgehend identisch. Hieraus allein ergeben sich wesentliche Kostenvorteile und Synergien beim Einsatz eines einzigen Bussystemes.
Welche Rolle spieltder US-amerikanische Markt bei der Profibus-Offensive?
Der US-Markt ist von seiner Größe her sehr bedeutend. Außerdem machen die meisten international tätigen US-Großunternehmen für ihre Automatisierungs-Investitionen ebenfalls Vorgaben zur einzusetzenden Kommunikationslösung. Deshalb stand die Gründung der PTO (Profibus Trade Organization) 1994 in den USA an vorderster Stelle. In unserer Vermarktungsoffensive für Profinet ist der US-Markt ein vorrangiges Ziel neben Westeuropa.
Welchen Nutzen hat der Anwender vom Profinet-Ansatz?
Das ist einmal die vertikale Integration, mit transparentem Durchgriff von ERP/ MES-Systemen auf die Daten von Feldgeräten. Gleichzeitig erschließen wir uns die in der Officewelt bewährten IT-Funktionen für Fehlersuche, Diagnose, Updates und Geräteparametrierung. wm
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