Von allem nur das Beste

Der Traum von der intelligenten Fabrik ist beinahe so alt wie der industrielle Maschinenbau selbst. Während früher ein rigider Arbeitstakt die Zusammenarbeit aller Mitarbeiter an verschiedenen Stationen regelte, sollen heute andere Formen von Kommunikation und Steuerung die Produktion auf Trab halten: So bilden Informationsstränge praktisch das Nervensystem eines Unternehmens.

Bei genauerer Betrachtung verfügen produzierende Unternehmen heute aber nicht nur über ein Netzwerk, sondern über viele. Da sie bezüglich Geschwindigkeit, Robustheit und Erweiterbarkeit unterschiedliche Anforderungen erfüllen müssen, entstanden viele spezialisierte Lösungen. Was in Büros problemlos funktionierte, war für die harten Bedingungen einer Produktionshalle aber nur bedingt geeignet. Dort setzten sich Feldbusse als eigenes Kommunikationssystem durch. In den 80er Jahren brachten sie die digitale Datenübertragung in die Produktion. Die hier angewendeten Verfahren waren für die Steuerung von Maschinen optimiert, legten also in der Regel wenig Wert auf hohen Datendurchsatz oder einfachen Datentransfer über größere Strecken oder zwischen unterschiedlichen Geräten.

So laufen in Büros und Produktionshallen vieler Unternehmen mehrere Netzwerke nebeneinander, die entweder gar nicht oder nur mit großem Aufwand miteinander kommunizieren können. Dabei wäre es sinnvoll, wenn eine Spritzgussmaschine einen Fehler nicht nur an das Personal vor Ort melden würde, sondern auch an Produktionsplanungssysteme, die Materialwirtschaft und den Hersteller. Wäre der PC eines Entwicklers in der Zentrale direkt mit der Steuerung einer Produktionsstraße im Tochterwerk verbunden, würde das auch Updates schneller und preiswerter machen.

Deshalb setzen Unternehmen vermehrt auf ein einheitliches Protokoll, um Informationen von A nach B zu übermitteln. Hierfür haben sich Ethernet und TCP/IP durchgesetzt, die die Basis des Internets und der Bürokommunikation sind. Ethernet bietet eine einheitliche Infrastruktur, mit der Informationen innerhalb eines Gebäudes oder rund um den Globus den richtigen Empfänger erreichen. Es ermöglicht die vertikale Integration zwischen verschiedenen Anwendungen und bietet so Kommunikation ohne Grenzen.

Da Informationsnetze in der Fabrikautomation robuster, zuverlässiger und sicherer sein müssen, sieht Ethernet in der Produktionshalle etwas anders aus als Ethernet im Büro. Die wichtigste Anforderung an das sogenannte Industrial Ethernet ist die Echtzeit-Kommunikation – also die Garantie, dass wichtige Informationen sofort oder doch in den erforderlichen Zeitintervallen übertragen werden. Nur so lassen sich komplexe Abläufe koordinieren. Das herkömmliche Ethernet erlaubt einem Gerät jedoch, die Leitung für alle anderen Teilnehmer so lange zu blockieren, bis es seine Daten komplett gesendet hat. Dies führt zum typischen „hängen“ des Netzwerks, wenn jemand zum Beispiel eine E-Mail mit einer Größe von mehreren Mega-Byte an viele Empfänger sendet. Zwei Sekunden Verzögerung sind im Büro kein Problem. Bei einer Maschine, die 80 Arbeitstakte pro Minute koordinieren muss, wäre dies aber eine Katastrophe.

Das zweite wichtige Merkmal ist die Zuverlässigkeit. Wo gearbeitet wird, sind Hitze, Staub und Vibrationen nicht auszuschließen. Starke Magnetfelder können in nicht abgeschirmten Kabeln Ströme induzieren. Und weil viele Teile bewegt werden, ist auch ein Kabelbruch nie auszuschließen. Alle diese Einflüsse dürfen die Einsatzfähigkeit nicht gefährden. Gleiches gilt für die Sicherheit bei Zugriffen von außen. Zwar ist einfa- che Kommunikation erwünscht. Doch bei einem Produktionssystem müssen unautorisierte Zugriffe auf jeden Fall verhindert werden.

Hinter dem Begriff Industrial Ethernet stecken heute in der Praxis verschiedene Ansätze, die die Vorteile von Ethernet für die harten Anforderungen einer Fabrikhalle tauglich machen. Etwa ein Dutzend Lösungen werden derzeit angeboten. Sechs davon, darunter Sercos III, Profinet RT oder EtherNet/Ip, sind zu den relevanten Marktteilnehmern zu rechnen, die international genügend Unterstützung und Kunden haben.

Die Unterschiede zwischen den Industrial-Ethernet-Lösungen erklären sich aus der individuellen Geschichte sowie den spezifischen Anforderungen und Zielapplikationen, für die sie entwickelt wurden. Teilweise gehen die Ansätze auf alte Feldbusse zurück, die in mehreren Schritten in die offene, digitale Welt geführt wurden.

Damit verwenden die einzelnen Lösungen zwar mit TCP/IP ein genormtes Protokoll, mit dem sich Datenpakete sicher von einem Gerät zum anderen übertragen lassen. Das bedeutet aber noch nicht, dass Anschlüsse und Kontrollmechanismen identisch wären. Gerade in der Frage der uneingeschränkten Echtzeitfähigkeit, der Übertragungsgeschwindigkeit und der Netzwerkverwaltung gibt es gravierende Unterschiede.

Das stellt Maschinenbauer vor ein Dilemma. Ein einheitlicher Standard zeichnet sich derzeit nicht ab, und viele Systeme und Komponenten bestimmter Hersteller sind nur im Rahmen einer Gesamtlösung verfügbar. Bei der Entwicklung muss sich der Maschinenbauer deshalb unter Umständen zwischen dem besten Industrial-Ethernet-Konzept und den besten Komponenten zur Lösung der Aufgabe entscheiden. Oder die Ingenieure müssen aufwändig Brücken zwischen den Systemwelten schaffen. Vor diesem Hintergrund hat sich Bosch Rexroth entschieden, nicht nur die Leistungsfähigkeit von Sercos III weiterzuentwickeln, sondern auch die Komponenten seines Automation House in multiprotokollfähige Verbindungen zu integrieren. Damit müssen Entwickler nicht zwischen Netzwerk und Komponenten entscheiden, sondern können die besten Module für die jeweilige Anwendung auswählen.

Echtzeitanwendungen, die das präzise Zusammenspiel mehrerer Elektroantriebe erfordern oder die für die Steuerung Daten von Sensoren sehr schnell verarbeiten müssen, verlangen beispielsweise ein Netzwerk mit hoher garantierter Performance. Dies ist die Domäne von des Protokolls Sercos III. Durch Fast-Ethernet mit einem Datendurchsatz von 100 MBit pro Sekunde und möglichen Minimal-Zykluszeiten von nur 31,25 µs – zum Vergleich: ein Lidschlag dauert etwa 330 000 µs – ist die schnelle Weitergabe der Informationen auf diesem Weg garantiert.

Karl-Friedrich Rauterberg Bosch Rexroth, Lohr am Main

Etwa ein Dutzend Lösungen sind auf dem Markt

Die Serie Ethernet im Maschinenbau beleuchtet in vier Teilen unterschiedliche Aspekte: Nach dem ersten Teil „Mehr Flexibilität im Maschinenbau durch Industrial Ethernet“ behandelt Teil 2 in Ausgabe 48 (26.11.2007) „Trends und Herausforderungen in der Fabrikautomation“. Teil 3 in Ausgabe 3/4 (21.01.2008) betrachtet den „Datenverkehr mit hoher Performance und geprüfter Zuverlässigkeit“, und der abschließende Teil 4 in Ausgabe 5/6 (04.02.2008) zeigt, wie Unternehmen den Umstieg sicher und gezielt bewerkstelligen.

Die Open-Connectivity-Platform (OCP) der Bosch Rexroth AG, Lohr am Main, bietet neben den klassischen Feldbussen Profibus und DeviceNet auch Master- und Slave-Schnittstellen für Sercos III, Profinet RT und EtherNet/IP. So lässt sich die Embedded-Steuerungsplattform IndraControl direkt in die wichtigsten Systemwelten einbinden. Solche multiprotokollfähigen Anschaltungen reduzieren den Entwicklungsaufwand und vereinfachen das Systemdesign.

Weil die Antriebsfamilie IndraDrive ebenfalls über Slave-Anschaltungen für weitere Ethernet-basierte Derivate und Feldbusse verfügt, lassen sich auch die Servoantriebe über Sercos III, Profinet RT, EtherNet/IP und EtherCAT ansteuern. Insgesamt unterstützt IndraDrive neun Kommunikationsschnittstellen und fügt sich damit in die Systemwelt ein, die ein Anwender bevorzugt.