Mit Ethernet vom Büro bis zur Maschine

In der Automatisierung befindet sich die Vernetzung in rasanter Entwicklung. Es zeigt sich jedoch immer wieder, daß sowohl die Ansprüche als auch deren Verständnis teilweise weit entfernt von einander liegen. Für viele Betreiber von Anlagen bleibt die Frage derzeit noch offen, wo das Ethernet eine wirtschaftliche Alternative für Feldbusse ist und welche Probleme oder Nachteile sie sich mit ihrer jeweiligen Entscheidung einhandeln.

02. April 2002

Ethernet-TCP/IP verspricht eine wesentliche Erweiterung der Vernetzung und Einbindung der Produktionssteuerung in die Organisation des gesamten Unternehmens. Konsequent von der Maschine bis in die Unternehmensorganisation durchgezogen, lässt sich damit auch die weltweite Kommunikation über das Internet nutzen. Daß hier gewaltige Einsparungspotentiale zu finden sind, liegt auf der Hand. Deshalb wundert es nicht, daß das Thema den Automatisierungstechnikern „unter den Nägeln brennt“.

Die Anwender stellen heute weitgehende Forderungen an Vernetzung. Sicherheit, Interoperabilität unter Nutzung von Extranet/Internet, Qualität der Kommunikation, niedrige Ausfalltoleranz und am konkreten Objekt orientierte Softwarearchitekturen, so Dr. Frank J. Furrer, Object Technology Source GmbH, Zürich (CH). Er ortet eine starke Polarisierung der Meinungen, wo und wie Ethernet-TCP/IP sinnvoll im industriellen Umfeld einsetzbar ist. Für ihn ist diese Frage jedoch beantwortbar, wenn die Voraussetzungen für den Einsatz klar herausgearbeitet werden. Grundsätzlich ist Ethernet und TCP/IP auseinanderzuhalten, betont er: Bei Ethernet handelt es sich um einen physikalischen Standard für die Datenübertragung, bei dem in Netzen mit vielen adressierten Teilnehmern gewisse Unsicherheiten bei der Bitübertragung bestehen. TCP/IP ist eine Kommunikationsarchitektur und Protokollfamilie, eine komplexe eigene Technologie, die beherrscht werden muß. Sie kann außer dem Ethernet auch andere Datenübertragungssysteme nutzen. Ebenso können über Ethernet nicht nur TCP/IP, sondern auch andere Protokolle laufen.

Unterschiedliche Bewertung der Echtzeit

Beim industriell eingesetzten Ethernet sieht Furrer fünf ganz wesentliche Gesichtspunkte, die bei der Entscheidung über die Tauglichkeit für die jeweilige Anwendung unter die Lupe genommen werden müssen. Nämlich das Zeitverhalten, die Art des Zugriffes der Programme auf die Vernetzung, die Sicherheit, die Redundanz und Fehlertoleranz und schließlich die industrietaugliche Installation. Bei der Inbetriebnahme von Anlagen stellt sich die Installation nach wie vor als eine große Problemquelle heraus. Die Echtzeitfähigkeit wird je nach Anwendung eine ganz unterschiedliche Bewertung erfahren. Eine Werkzeugmaschine beispielsweise muss im Bereich von 200 µs wesentlich schneller reagieren als eine Chemieanlage, deren Antwortzeit bei einer Sekunde liegt. Das garantierte Zeitverhalten ist also viel wichtiger als die kurze Antwortzeit. Redundanz und Fehlertoleranz gehören ebenso zu den kritischen Verfügbarkeitsfaktoren. Die Sicherheit wird heute in der Industrie als ganz wesentlicher Faktor angesehen. Dabei geht es sowohl um den Personen-, Anlagen- und Umweltschutz, als auch um das Vermeiden von Betriebsunterbrüchen und das Verhindern, daß Unbefugte auf Daten zugreifen.

Für Furrer gehören zur dezentralisierten Automatisierung sowohl die geografische Aufteilung der Funktionen als auch die hierarchische Organisation der Aufgaben. Ganz oben in dieser Hierarchie wird das Datenmanagement mit Visualisierung Bedien- und Beobachtungsfunktionen, Verwaltung und Archivierung abgewickelt. Eine Ebene darunter wird gesteuert und geregelt während ganz unten, in der Sensor-/Aktorebene, das Messen, Stellen, Bewegen und Schalten geschieht. Je näher die Vernetzung der Sensor-/Aktorebene ist, desto schneller muss sie reagieren und desto höhere Anforderungen werden an das Echtzeitverhalten gestellt. Allerdings wird auch die abzuwickelnde Nutzdatenmenge immer kleiner, je näher die Vernetzung der Sensor-/Aktorebene kommt. Als Knackpunkt bei Prioritäten und Rechnerleistung erweist sich hier immer wieder die Anwendersoftware.

Eine erfolgversprechende Methode zur Vermeidung von Kollisionen, bei der sich Datenpakete gegenseitig zerstören, ist ein Ethernet-Switch, so Furrer. Pro Port des Switches ist nur eine Ethernet-Station angeschlossen, was die Kollisionsmöglichkeiten verringert. Allerdings verlangt dies Hardwareaufwand, weshalb sich gegebenenfalls die Kombination mit einer Lastbeschränkung empfiehlt. Im Switch gibt es zwei Möglichkeiten der Datenschaltung: Beim Store-Forward wird eine Meldung erst weitergegeben, wenn sie vollständig im Switch angekommen ist, beim Cut and Through gibt der Switch die Meldung weiter, sobald der Empfänger bekannt ist.

Wirtschaftlichkeit ist Motor und Steuerung der Vernetzung

Die fortschreitende Entwicklung bei der industriellen Vernetzung ist getrieben von der kommerziellen Kommunikation, die in ihren Bereichen teilweise wesentlich weiter fortgeschritten ist und in ihren Bereichen schon auf jahrelange Erfahrung zugreifen kann. Die kommerzielle und die industrielle Kommunikation kommen sich jedoch immer näher. Heute zeichnet sich bereits ab, daß in naher Zukunft der Anwender sich kaum mehr für die Details der Vernetzung oder die „Feldbuskriege“ zwischen Anbietern und Anwenderorganisationen interessiert. Was sich der Anwender wünscht und was über kurz oder lang zu einem Imperativ des Marktes werden wird, ist eine systemweite Middleware, die es erlaubt, über preiswerte Interfaces Objekte und Objektgruppen wie Sensoren und Aktoren, Steuerungen und Regelungen, die Visualisierung und Qualitätssicherung bis zum Anschluss an das Internet möglichst unkompliziert und wirtschaftlich anzuschließen und zu betreiben.

Null Sekunden für unendlich viele Daten? Der Begriff Determinismus schließt das Wissen ein, was zu tun ist, wenn die Echtzeitforderung nicht erfüllt ist. Ideal wäre natürlich die Übertragung von unendlich vielen Daten in Nullzeit. Im Kommunikationssystem & uot;Jet Web& uot; dringt Ethernet schon sehr weit in die Feldbusbereiche vor. Ein & uot;Zeitstempel& uot;, der das theoretische Zeitniveau der Verzögerung gegenüberstellt, sorgt hier für die Abstimmung der Teilnehmer. Das System geht wesentlich weiter als die derzeit aktuelle dezentrale Automatisierung, die eine aufwendige softwaremäßige Synchronisation und Kommunikation mit unterschiedlichen Bussystemen zwischen Leitebene, Zellenebene, Feldebene und Sensor-/Aktorebene verlangt, so Stefan Ditting, Produktmanager bei Jetter AG, Ludwigsburg. Bei der dort entwickelten verteilten Intelligenz ist das Netz die Steuerung, was die Vorteile der zentralen und dezentralen Automatisierung kombiniert. Ethernet verbindet die Produktionsebene mit der Unternehmensebene und gegebenenfalls über Firewalls mit dem Internet. Bei dieser Steuerungsstruktur ist das Programm auf die verschiedenen Steuerungsmodule verteilt. Jedes Modul kommuniziert über Ethernet direkt mit den anderen Netzknoten und über einen Ethernet-Switch nach außen. Die einzelnen Geräte lassen sich ohne Parametrierung austauschen.

Jedes Gerät hat sozusagen eine eigene integrierte Homepage, über die alle Interaktionen, etwa zwischen Bediener und Maschine, Visualisieren, Bedienen, Konfigurieren, Diagnose sowie Hilfe und Informationsfunktionen abgewickelt werden. Damit lässt sich die ganze Anlage ohne zusätzlichen Softwareaufwand von jedem angeschlossenen Bedienterminal und sogar von der Produktionsmanagementebene aus betätigen. Betriebs- und Produktionsdaten werden durch direktes Beschreiben der Firmendatenbank erfasst. Dazu kann jede Applikation und jeder Task direkt auf die Firmendatenbank zugreifen. Diese Funktionen lassen sich auch über das Internet ausführen. Bei Modifikationen oder Erweiterungen der Anlage oder von Anlagefunktionen können Parameter und Programme über standardisierte Internet-Protokolle wie etwa FTP auf die Anlage übertragen werden. Durch den Zugriff aller Teilnehmer auf die gesamte Softwarestruktur ist die Synchronisation der Daten und Programme nicht mehr nötig. Die Software hängt nicht von der Hardware ab, prinzipiell könnte jedes Gerät im Netz jede Funktion übernehmen, CPUs und SPSsen können entfallen. Es werden vereinfachte, kostengünstigere Softwarestrukturen möglich.

Das System entspricht auch der Forderung nach Sicherheit, wie Ditting erklärt. Dabei entfällt eine separate Sicherheitsstruktur, denn die sonst erforderliche Sicherheits-SPS arbeitet virtuell in den sicheren Sensoren und Aktoren, die über das sichere Netz kommunizieren. Neben Jetter beteiligen sich Phoenix Contact, Sick, Microsoft und Kuka am Entwicklungspool. An der Entwicklung der Interoperabilität, also daran, daß jeder Teilnehmer jeden versteht, sind 25 renommierte Partner wie Festo, Beckhoff oder SIG positec beteiligt; über 100 Unternehmen tragen in der IAONA, der Industrial Automation Open Networking Alliance, dazu bei, daß sich die Entwicklung laufend erfolgreich den Ansprüchen der Anwender stellt.

Das Medium wählt den Anwender

Heute bezweifelt beinahe niemand mehr den Durchbruch von Ethernet in der Automation, stellt Stephan Schaufelberger, Produktmanager bei Rockwell Automation in Mägenwil (CH) fest. Wie er erläutert, schließt & uot;EtherNet/IP& uot; die Lücke zwischen den OSI/ISO-Schichten 4 und 7. Es handelt sich dabei, obwohl aus einem US-amerikanischen Haus stammend, nicht um eine amerikanische, sondern eine weltweite, seit Februar 2000 einsetzbare, fertige Lösung, betont er. Die Technologie dazu basiert auf offenen, frei verfügbaren Technologien. Das System bietet eine hohe Durchgängigkeit über mehrere Ebenen, dazu sind keine Gateways nötig. Aktive Medien wie Switches verhindern Datenkollisionen. Bei diesem System dringt das Ethernet über & uot;ControlNet& uot; und & uot;DeviceNet& uot; bis in die physikalische Ebene der Fabrikautomatisierung vor. Mit dem Switching Multiport Repeater (Switch) ist die effektive Entkopplung von Segmenten und damit die Vermeidung von Kollisionen möglich, was eine wichtige Voraussetzung für den Determinismus im Netzwerk ist.

TCP/IP allein sorgt zwar für den Datentransport zwischen den Geräten, aber nicht für Interoperabilität zwischen den Anwendungen. An diesem Punkt setzt das Control & Information Protocol CIP an: Es handelt sich um ein offenes Application Layer-Protokoll, das für E/A-Austausch, Datentransfer und Konfiguration sorgt, die damit über ein einziges Netzwerk laufen. Damit wählt sozusagen das Medium den Anwender. Das Netz kann durch effiziente Zugriffsmethoden entlastet werden: Beim Multicast ist nur eine Übertragung erforderlich - einer sendet und viele hören. Weitere Möglichkeiten sind die prozessabhängige Konfiguration von zeitgesteuerten zyklischen Übertragungsrechten oder die ereignisabhängige Übertragung, bei der nur gesendet wird, wenn sich Daten ändern. Trotz dieser Zugriffsoptimierungen sind Gerätebeziehungen wie Master-Slave, Multimaster oder Peer-to-Peer uneingeschränkt möglich.

Sicherheit über Jahre hinweg?

Der Anwender will sich heute mit dem Feldbus keinerlei Experimente mehr leisten, er verlangt, daß er standardisiert und interoperabel ist, stellt Jürgen Gorka, Produktmanager bei Wago Contact SA, Minden (D), fest. Daß er die Funktionalitäten der zu automatisierenden Anlage inklusive Echtzeitanforderungen und Sicherheit vollumfänglich erfüllt, wird als Selbstverständlichkeit vorausgesetzt. Außerdem wird die Sicherheit verlangt, daß der installierte Feldbus über Jahre hinweg problemlos Modifikationen und Erweiterungen an der Anlage mit freier Wahl der Komponentenfabrikate ermöglicht ohne ein neues Feldbussystem installieren zu müssen. Dazu sind die Offenheit für die Kommunikation mit anderen Systemen, aber auch entsprechende Anwenderschnittstellen für Steuerungen, Peripheriegeräte und vorhandene Anlagenteile erforderlich. Bei der Inbetriebnahme und Konfiguration wird zunehmend verlangt, daß sie auch von Nichtfachleuten unkompliziert und schnell vorgenommen werden können. Diagnosetools müssen die Fehlersuche erleichtern.

Das Ethernet-TCP/IP bietet prinzipiell die Möglichkeit, ohne Technologiebruch vom Schalter bis in die Managementebene zu vernetzen. Dabei ist eine Reihe von Leistungen des Internet nutzbar. Allerdings benötigt die Netzwerkplanung viel mehr Erfahrung als bei Feldbussen, zu denken ist hier beispielsweise an den Abstimmungsbedarf gegenüber der oft bereits vorhandenen Büroautomation, der bei Feldbussen kaum erforderlich ist. Die Feldbusse gehören nach Meinung von Jürgen Gorka demnach noch nicht ins Technikmuseum, aber in den Bereichen, in denen die Vorteile von Ethernet-TCP/IP sehr wichtig sind, wird es sich sehr schnell durchsetzen.

TCP/IP als „Datenschleuder“

Die einzige Motivation des Anwenders für die Auswahl eines Kommunikationssystems oder dessen Änderung und Anpassung an neue Technologien ist der wirtschaftliche Nutzen, den er daraus ziehen kann. Eine seiner Hauptforderungen ist eine optimierte Modularisierung, die es ihm ermöglicht, Maschinen und Geräte verschiedener Hersteller in der Produktion einzusetzen und ohne nennenswerte Probleme zu vernetzen. Auch nachträgliche Änderungen und Erweiterungen müssen unkompliziert durchführbar sein. Daß diesen Wünschen ein modulares Konzept mit auf die Feldgeräte verteilter & uot;Intelligenz& uot; sehr weit entgegenkommt, liegt auf der Hand. Einer der & uot;Knackpunkte& uot; wird in der Zukunft für den Anwender zunehmend darin liegen, daß er meist keine IT-Spezialisten zur Verfügung hat. An diesem Punkt müssen die Entwickler von Kommunikationssystemen ihre Kunden & uot;abholen& uot;. Es muss ihnen gelingen, eine Kommunikationsschicht einzubauen, die Änderungen und Erweiterungen einer Anlage auch noch nach Jahren durch echtes Plug-and-Play ermöglicht.

Unter Maßgabe derartiger Voraussetzungen weist Joachim Betz, Profibus Nutzerorganisation e. V., Karlsruhe (D), auf das neue Bussystem ProfiNet hin, das den Profibus mit IT-Standards kombiniert. Anwender, Hersteller und Systemintegratoren von Profibus treiben die Entwicklung der durchgängigen Kommunikation zwischen Profibus und Ethernet voran. Für die Kommunikation gelten offene IT-Standards; TCP/IP ist in diesem System sozusagen die „Datenschleuder“. Das System nutzt den um einige Entwicklungen erweiterten Profibus-Standard. Die herstellerübergreifende Profibus-Nutzerorganisation legt die Schnittstellen fest und sorgt für ein durchgängiges Engineering, welches das Kommunikationssystem leicht nutzbar machen soll. Als offenes, durchgängiges Konzept soll ProfNet sich auch zur Kommunikation zwischen jedem anderen Feldbussystem und Ethernet eignen.

Ethernet verbucht nach Ansicht von Betz derzeit eine so große Akzeptanz, weil sein Standard schon seit mehr als einem Jahrzehnt verbreitet ist; er glaubt, daß er sich deshalb vielerorts bis in den Feldbereich ausbreiten wird. Er ermöglicht den vertikalen Durchgriff auf Daten von der Office-Welt bis auf die Prozess- und Automatisierungsebene. Vorhandene Kommunikations- und Automatisierungsstrukturen können in seine Organisation eingebunden werden. Die Vernetzung verlangt also keine Revolution, sondern kann über weite Bereiche als harmonische Evolution vor sich gehen. Weil seine Standards weltweit akzeptiert sind und ein umfangreiches Produktspektrum zur Verfügung steht, das laufend ausgebaut wird, bietet Ethernet über Jahre hinaus einen weitgehenden Investitionsschutz.

Erschienen in Ausgabe: 03/2001