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Industrial EthernetDurchgängig vernetzt?

Dem Industrial Ethernet als universellem Kommunikationsinstrument wird in der Automatisierungstechnik eine jährliche Wachstumsrate prognostiziert, die alles Bisherige in den Schatten stellt. Dies hängt aber nicht nur mit dem weitergehenden technischen Nutzen zusammen, sondern auch damit, dass sich der Anwender bereits seit geraumer Zeit in der IT-Welt bewegt und somit ein Gefühl für diese Art der Kommunikation entwickelt hat. So ist denn auch die Hemmschwelle für das Industrial Ethernet deutlich niedriger als beispielsweise bei der Einführung der Feldbusse.

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Elektrotechnik/Elektronik (ET): Durchgängig vernetzt?

Selbst wenn Anlagen bereits installiert sind und das Industrial Ethernet immer weiter in die Feldebene vordringt, bleibt für neue (und alte) Anwender aufgrund der unterschiedlichen Technologien eine wesentliche Frage bestehen: In welche der angebotenen Lösungen macht es überhaupt einen Sinn (weiter) zu investieren? Der Kunde sucht eine durchgängige, schnelle und günstige Lösung, die seine Maschinen problemlos mit der IT-Umgebung verbindet. Darüber hinaus wird erwartet, dass möglichst viele Komponenten angeboten werden, die man einfach zusammenstecken und ergänzen kann. Tatsache ist aber, dass es die „Offene Lösung für Alles“ nicht gibt – auch wenn viele Anbieter dies gerne so darstellen. Außerdem sind die Anforderungen an die Netzwerke sehr unterschiedlich. Jede einzelne Bewertung ist daher entsprechend aufwändig und der Betreiber muss für seine Anlage(n) entscheiden, welche Faktoren ihm jetzt und auch in naher Zukunft wichtig sind: Gibt es überhaupt Schnittstellen zu konventionellen Bussystemen, wie groß ist die Herstellervielfalt, bin ich 100 Prozent kompatibel zur IT-Welt und – was immer wichtiger wird – kann ich den Security-Bereich ausreichend abdecken? Natürlich ist da auch die Frage nach den Kosten und der harten Echtzeitfähigkeit, auch wenn diese nur in wenigen Anwendungen wirklich von Relevanz ist. Die bislang in der Automatisierungstechnik am häufigsten eingesetzten Lösungen sind Modbus-TCP, deren Einsatz man schon fast in Jahrzehnten ausdrücken kann, sowie Ethernet/IP und Profinet.

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Die Themen Offenheit, Echtzeit sowie Anbindung an bestehende Feldbusse näher zu beleuchten, war das Ziel des SCOPE-Roundtable-Fachgesprächs. Repräsentanten von fünf verschiedenen Lösungen sowie ein Anwender waren zu einem offenen Meinungsaustausch eingeladen. Es ging um die Lösungen EtherCat, JetWeb, Modbus, Powerlink und Profinet. Dass sich im Laufe der Zeit überhaupt unterschiedliche Lösungen ausgeprägt haben, ist für den Anwender auf der einen Seite zwar bedauerlich, andererseits wäre jedes einzelne Anwenderprotokoll aber nicht so gut, wenn es nicht mehrere geben würde. Man kann auch einen Schritt weitergehen und sagen: Deutschland ist nur deshalb führend in dieser Technologie, weil seit Jahren genau dieser Wettstreit stattfindet. Gut so! Denn das hat etwas mit Innovationsfähigkeit zu tun.

Für und Wider von „proprietären“ Lösungen

Ein typisches Beispiel für ein immer wiederkehrendes Thema ist die Echtzeitthematik in Verbindung mit dem Begriff Proprietär. Kaum ein anderes Wort hat eine derartige Wirkung auf den Anwender. Die Frage Je schneller, umso proprietärer? wurde schon vor Jahren vom Zaun gebrochen, ist aber immer noch nicht vom Tisch; nur dass es jetzt weniger darum geht, wie viele Millisekunden eine bestimmte Lösung noch rausholen kann. Heute spiegelt diese Frage eher die Zweifel von Anwendern wider, die befürchten, sich mit bestimmten Lösungen in eine Sackgasse zu manövrieren.

„Die EtherCat-Lösung“, so Martin Rostan, Executive Director der ­Ethercat Technology Group (ETG), „hat ganz bewusst einen Weg eingeschlagen, der nicht durchgängig auf dem Standard Ethernet Protokoll TCP/IP basiert, wie beispielsweise die Jetter-Lösung. Aber nicht alles, was nicht IEEE 802.3 ist, ist auch proprietär. Wir bieten dem Kunden eine Performance, den die TCP/IP-Varianten mit ihren Standardkomponenten durch die Bank eben nicht erreichen. EtherCat erfüllt alle Kriterien einer offenen Lösung, angefangen von der IEC- und ISO-Standardisierung bis hin zu einer großen Herstellervielfalt. Wenn Sie eine bestimmte Performance erreichen wollen, müssen sie eben gewisse Dinge ändern, um überhaupt weiter zukommen. Wir befinden uns daher auch nicht im Hauptwettbewerb zu Profinet RT, sondern zu IRT und den anderen schnellen Antriebsfeldbussen“.

EtherCat als so genannte harte Echtzeitlösung arbeitet mit ähnlichen Mechanismen wie Powerlink, Sercos III oder Profinet IRT und ist in der Lage, auf der Steuerung reine Ethernetcontroller ohne Coprozessor und ohne spezielle Hardware einzusetzen. Standard Ethernet Frames, so wie es die Norm IEEE 802.3 vorsieht, werden nicht durchgängig verwendet. Tatsache ist aber auch, dass EtherCat zusätzlich ein Gateway benötigt, um beispielsweise ein externes Gerät anzuschließen; aber auch Profinet IRT für schnelle Motion-Anwendungen benötigt einen speziellen Port.

Für Ewald Kuk, Direktor Produktmar­keting bei Siemens, sieht das Ganze schon etwas anders aus. Seiner Meinung nach ist die Sorge des Kunden hinsichtlich der Abweichungen vom Ethernet Standard durchaus berechtigt. „Der Grund liegt einfach darin, dass der Anwender denkt, mit Ethernet ist alles offen; er kann mit seinem PC überall hingehen und ihn anschließen – so sollte es ja auch sein. Aber genau dies ist mit gewissen Lösungen eben nicht möglich. Proprietär bedeutet ja auch, mit welchen zusätzlichen Mittel, wie beispielsweise ASICs, kann ich meine Anschaltung überhaupt umsetzen? Das gilt auch für die Übertragungsmedien. Bei Profinet ist es kein Problem ein Teil der Strecke mit WLAN oder sogar Bluetooth zu realisieren – mit EtherCat ist dies nicht möglich. Für uns steht daher die Durchgängigkeit in Hard- und Software an erster Stelle“. Und Martin Müller, Bereichsleiter bei Phoenix, ergänzt: „Für den Kunden ist es doch wesentlich, dass er beispielsweise zwei Geräte mit Ethernet-Schnittstellen bedenkenlos mit einem Notebook oder auch untereinander verbinden kann und dass sie sich dann auch verständigen können – ohne dass besondere Kenntnisse oder weitere Komponenten benötigt werden, nur weil ein anderes Protokoll genutzt wird“.

Kommunikation mit Wettbewerbsprodukten?

Solange sich der Anwender ausschließlich im Standard Ethernet bewegt – so war mal die ursprüngliche Idee – kann er mit verschiedenen Protokollen auf demselben Kabel unterschiedliche Applikationen verbinden. Diese Chance wäre auch da gewesen, nur hatten ei­nige ­Unternehmen bereits eigene Entwicklungen mit einer anderen Kommunikation auf dem Ethernetkabel vorangetrieben. So kann man beispielsweise keinen Powerlink-Teilnehmer an eine EtherCat-Anlage anschließen (beide sind unterschiedlich zu Standard Ethernet), selbst wenn sie das gleiche Protokoll „sprechen“ würden. Dies ist aufgrund der unterschiedlichen Zugangsverfahren nicht möglich.

Dass genau dies doch machbar ist, erläutert Andreas Kraut, Vorstand Technik und Vertrieb bei Jetter: „Man muss nur all das implementieren, was sich auf das Standard Ethernet bezieht – dann kann man auch mit Wettbewerbsprodukten kommunizieren. Außerdem sucht der Anwender eine kostengünstige Hardware und das nicht nur von einer einzigen Quelle. Er möchte ein High Speed Ethernet einsetzen, das im Kostenniveau möglichst unterhalb der Feldbusse liegt und die Möglichkeit bietet, Feld-, Wald- und Wiesengeräte anschließen zu können. Und genau deshalb sprechen wir mit drei unterschiedlichen Sprachen: Modbus TCP/IP, Ethernet/IP und natürlich JetWeb. Wir können aber nicht über B&R-, Beckhoff- oder Siemens-Knoten kommunizieren“. Und Thomas Hammermeister, Marketing Manager bei Schneider ­Electric, ergänzt: „Wir bieten den Kunden nicht nur das bewährte TCP/IP-Protokoll als Standard, sondern können mit weit über sieben Millionen Netzknoten in Europa und den USA auf eine langjährige Erfahrung mit Modbus als Ethernet konforme Lösung zurückblicken. Auch wenn wir im Moment nicht in der Liga der harten Echtzeit spielen – aber das wird sich bald ändern...“

Der einzige Anwender in der ­Runde ist Manfred Gaul, Manager Software Tools bei SEW Eurodrive. Er wird mit der Realtime von einer ganz anderen Seite her konfrontiert. „Wir haben als Anwender in der Vergangenheit die klassischen Feldbusse wie Profibus und Interbus bedient und sind auch jetzt für unsere Kunden im Rahmen der Antriebselektronik in der Pflicht, Hardware und Schnittstellen zu übergeordneten SPSen anzubieten. Bereits vor Jahren haben wir eine Hardware entwickelt, die es uns erlaubt drei verschiedene Ethernetprotokolle abzubilden – Modbus-TCP, Ethernet/IP und Profinet RT. Realtime bedeutet für uns, Sollwerte zeitlich äquidistant von der Steuerung zu den Antrieben zu verlagern und das deutlich < 1ms. Für uns ist Profinet IRT echtes Realtime; Profinet RT und EtherCat hingegen entsprechen den klassischen Feldbussen“. So wurde nach Aussage von Gaul auch die Entscheidung des Unternehmens für EtherCat hinsichtlich Motion Control Anwendungen weniger aufgrund der technologischen Möglichkeiten gefällt, sondern es ging eher darum, welche SPSen von den Kunden eingesetzt werden. Ein gutes Beispiel für Kundenorientierung!

Dass diesen Überlegungen auch immer eine Steuerungsphilosophie zugrunde liegt, erläutert Andreas Pfeiffer, Mitglied im Executive Board der Ethernet Powerlink Standardisation Group (EPSG). „Möchte man beispielsweise den Lageregelkreis über den Bus schließen – so ist ja der derzeitige Trend – muss man sich innerhalb bestimmter Minimalzeiten bewegen. Für die Realtime im Motionbereich gibt es die magische Grenze der Zykluszeit von 1 msec und die der zeitlichen Präzision von 1 µsec. Natürlich ist es bei einigen Applikationen völlig ausreichend, wenn der Antrieb seinen Lageregelkreis lokal schließt, die neue Variante vereinfacht aber vieles und deckt die „übernächste“ Applikation gleich mit ab. Der Vorteil einer Echtzeitlösung wie Powerlink im Vergleich zum klassischen Feldbus besteht ja darin, dass sie wesentlich schneller ist und zudem einen geringeren Jitter hat. Darüber hinaus kann der Anwender auf dem gleichen System eine High End Motion Control, die I/Os und auch noch den Safety-Bereich mit abdecken – und das ohne einen Safetybus“.

Mehrwert zu den Kosten eines Feldbusses

Die typischen Forderungen der Industrie sehen oft so aus: Der Maschinenbauer hat einen PC als Steuerung oder ein Visionsystem mit einer Ethernet-Schnittstelle; und er ist nicht gerade begeistert, wenn eine zusätzlich Karte für den Feldbus notwendig wird. Bei kleineren und mittleren Anwendungen, bei denen auch unterschiedliche Maschinen zusammengeschaltet werden sollen, ist in der Regel ein Feldbus vorhanden und „darüber“ das Ethernet. Im Automobilbereich hingegen gibt es mindestens einen Feldbus für die Standard-Prozessdaten, einen zweiten Strang für Sicherheitsanwendungen und zusätzlich noch das Ethernet. Bei allen Varianten besteht der Wunsch nach nur einem Netz. „Und genau das können wir mit Profinet leisten“, so ­Martin Müller von Phoenix. „Ein System sollte nicht nur durchgängig die Vernetzung in die Officewelt bringen, sondern auch Daten schnell und effizient übertragen und zusätzlich Safety-Lösungen anbieten, und das zu einem günstigen Preis. Aus genau diesem Grund führen wir die Diskussion Interbus oder Profibus schon gar nicht mehr – es gibt Profinet.“ Soll heißen: Die gesamte installierte Basis mit circa 20 Millionen Knoten von Profibus und Interbus zusammengenommen, kann mit Profinet genutzt werden kann – es wurde also nichts „umsonst“ investiert.

Man darf nicht vergessen, dass einige Lösungen des Industrial Ethernets nicht unbedingt schneller sind als die Feldbusse, die auf Servoantriebe und ­Multi-Achs-Anwendungen spezialisiert sind. Aber auch auf der „langsamen“ Seite können sie (auch in Zukunft) sehr effektiv eingesetzt werden, beispielsweise zur Vernetzung von Tastern. Betrachtet man sich jetzt auch noch die Prozessin­dustrie – natürlich ticken die Uhren hier anders und auch die Stückzahlen sind geringer – so sagt die ARC-Studie den herkömmlichen Feldbussen für die Datenübertragung sehr hohe Wachstumsraten voraus. Auch Thomas Hammermeister ­(Schneider Electric) sieht die Feldbusse mehr und mehr als integralen Bestandteil und ergänzt in Richtung Prozess­industrie: „Der Anstieg der Feldbusse in diesem Industriezweig hängt im Wesentlichen damit zusammen, dass im Vergleich zur Automatisierungsindustrie die Sicherheitsanwendungen deutlich überwiegen. Um in diesen Sektor einsteigen zu können, müssen wir alle ohnehin weiterentwickeln, da es ein eigensicheres Industrial Ethernet noch nicht gibt“.

Auch zum Thema Switch, er verhindert „Kollisionen“ von Datenpaketen, sind die Meinungen sehr unterschiedlich. Werden sie konsequent eingesetzt, wie beispielsweise bei Jetter, können über entsprechende Synchronisationsverfahren auch Ethernet-Standard-Lösungen mit Zeiten aufwarten, die für die meisten Anwendungen völlig ausreichend sind. Für Martin Rostan (ETG) hingegen ist eine Switch-basierte Lösung über die Strecke von einigen Kilometern aber eine recht ungünstige Ethernet-Topologie: „Jeder Knoten, der über einen vollständigen TCP/IP-Stack verfügt, treibt die Kosten nach oben. Mit einem System hingegen, mit dem man viele Geräte hintereinander schalten kann, erreicht man deutlich Vorteile gegenüber den reinen Standard-Lösungen.“ Dem widerspricht Martin Buchwitz, Leiter des Marketings bei Jetter, mit der Argumentation, dass die Kosten der Standard Chiptechnologie immer stärker fallen und der Einsatz von leistungsfähigen Switches durchaus einen Sinn macht. Er ergänzt: „Hinzu kommt, dass die typischen Netze in der klassischen Ebene des mittelständigen Maschinenbaubereichs mit DeviceNet oder Profibus im Durchschnitt nur circa 20 bis 30 Ethernetknoten aufweisen. Hier ist alles überschaubar, es gibt auch kein Problem mit der Adressverwaltung und die üblichen Diskussionen zwischen IT- und Automatisierungswelt wie in der Automobilindustrie treten erst gar nicht auf“.

Fazit

Die Kosten für Industrial Ethernet Lösungen bewegen sich ungefähr in der Kategorie der Feldbusse – je nach Ansatz. Natürlich wird das niedrige Niveau von Officekomponenten noch lange nicht erreicht, aber die neuen Lösungen bieten für viele Anwendungen einen deutlichen Mehrwert! Und damit den so heiß begehrten Wettbewerbsvorteil. Natürlich schmerzen die relativ hohen Anfangsinvestitionen und schwierig sind die neuen Bewertungen auch noch. Der Mehrwert entsteht aber nur aus einem durchgängigen Gesamtsystem, welche Prioritäten der Anwender auch immer setzt. Ein wichtiger Punkt in der Überlegung ist auch, dass all das, was teilweise unter freiem Datenzugang verstanden wird, noch lange nicht Einzug in die industrielle Vernetzung gehalten hat – selbst wenn Security-Lösungen bereits angeboten werden. Hier fehlt es deutlich an mehr Kommunikation mit den IT-Verantwortlichen, da den neuen Lösungen oftmals ein Riegel vorgeschoben wird, indem beispielsweise nur Teilbereiche frei geschaltet werden. Wenn es denn mal klappt, sind es entweder nur einfache Anwendungen, oder solche, die vollständig isoliert betrieben werden. Die Lösungen für das Industrial Ethernet – es wird auch in Zukunft definitiv mehr als nur eine geben – sind die zukünftige Technik in der Automatisierung. Freuen wir uns doch über die Vorreiterrolle, auch wenn die Entscheidung dem Anwender nicht immer leicht fällt. Dr. Peter Stipp stipp@hopp.de

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