Fabrik-Vernetzung

Andreas Mühlbauer,

Standards setzen sich durch

Datennetze in Fabriken müssen schnell, echtzeitfähig und standardisiert sein, fordert Oliver Riedel, Professor vom Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart. Doch bis dahin sind noch einige Hausaufgaben zu erledigen. Lapp als führender Hersteller von Leitungen ist für die Veränderungen gewappnet. von Bernd Müller

© Bild: ©Mikko Lemola / Fotolia

Das Internet hat die Fabriken erreicht. Steuerungen, Antriebe, Sensoren und Maschinen sind miteinander vernetzt und tauschen unablässig Daten aus. Die Vernetzung vom Sensor bis zur Cloud wird weiter zunehmen, ebenso die Datenmenge. Klassische IT-Dienste wie betriebswirtschaftliche oder Logistik-Software sind Teil der Vernetzung. Doch nach wie vor widersetzt sich die Infrastruktur zum Datenaustausch in vielen Betrieben hartnäckig dem Vernetzungstrend. Aus der Vergangenheit dominieren dort einzelne voneinander softwaretechnisch und physikalisch getrennte Netze. Jede Ebene der so genannten Automatisierungspyramide – von der Leitebene bis zur Feldebene – arbeitet mit eigener Infrastruktur und eigenen Protokollen.

„Diese vielen verschiedenen Netze werden verschmelzen“, sagt Riedel. „Die Automatisierungspyramide wird sich dadurch Schritt für Schritt auflösen.“ Statt hierarchischer Kommunikationsstrukturen in der Automatisierung erwartet der Professor vom Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart flexible Hierarchien, in denen cyber-physische Systeme untereinander und mit der Unternehmens-IT sowie der Cloud über ein engmaschiges Netzwerk Informationen austauschen.

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Wildwuchs der Standards
Was diesem Ziel entgegensteht, ist der aktuelle Wildwuchs der Kommunikationsstandards. Obwohl: Seit Beginn der 2000er Jahre boomt der Ethernet-Standard (IEEE 802.3), der seit Jahrzehnten PCs vernetzt und extrem schnell und zuverlässig ist. Doch in Fabriken kann von Standard keine Rede sein, denn im Lauf der Zeit haben viele Anbieter Ethernet so „verbogen“, dass es heute ein Dutzend unterschiedlicher Varianten gibt, die nicht automatisch miteinander kompatibel sind. Darüber hinaus gibt es noch viele weitere Feldbus-Standards wie Profibus, Modbus, CC-Link und weitere, die zusammen immer noch fast die Hälfte der Installationen stellen.

Ursache des Wirrwarrs ist der Wunsch vieler Anbieter von Automatisierungskomponenten, den Kunden einen proprietären Standard aufzuzwingen, der viele Jahre gute Umsätze sichert. Doch was schon im öffentlichen Internet nicht funktioniert hat, wird auch innerhalb der Fabrikmauern nicht erfolgreich sein. Die Anwender fordern heute allgemeine, offene Standards, die einen barrierefreien Datenfluss in allen Bereichen und Funktionen eines Unternehmens erlauben. Es ist unausweichlich: Die vielen Vernetzungsstandards werden zu einem Standard konvergieren.

Eine weitere wichtige Anforderung an die Kommunikation in der Automatisierung vor allem in der Feldebene ist die Fähigkeit zur Datenübertragung in Echtzeit. Während es beim Klick auf einen Link im Webbrowser egal ist, ob sich die Seite eine halbe Sekunde früher oder später aufbaut, kommt es in der Automatisierung auf Millisekunden, manchmal sogar auf Mikrosekunden an. Netze auf Basis von Ethernet leisten das bisher nur bedingt, weil Ethernet mit stochastischen Zugangsverfahren und großen Datenpaketen, so genannten Frames, arbeitet und daher per se nicht echtzeitfähig ist.

Echtzeitfähig mit TSN
Ein Ausweg ist das Time Sensitive Network, kurz TSN. Dabei handelt es sich um einen künftigen Standard, der auf einem Vorschlag des Ethernet-Gremiums basiert. Sein großer Vorteil ist, dass er nicht aus dem Automatisierungsumfeld stammt, sondern aus dem Audio/Video-Bereich, und er damit auf geringere Ablehnung und Konkurrenzdenken der Automatisierer treffen dürfte. Konzerthallen haben Echtzeit-Ethernet, damit Tonsignale aus unterschiedlichen Mikrofonen an die zahlreichen Lautsprecher stets ohne Laufzeitunterschiede gespielt werden. Schon Verzögerungen von wenigen Millisekunden zwischen Audiokanälen würden sich als Echos bemerkbar machen.

Auf die Automatisierung übertragen, brächte TSN als eine auf konvergenten Netzen basierte Lösung viele Vorteile. Alle Teilnehmer eines TSN-Netzwerks sind zeitsynchronisiert, führen also zum exakt richtigen Zeitpunkt die richtige Aktion aus. TSN besitzt unterschiedliche so genannte Verkehrsklassen mit unterschiedlichen Zeitfenstern, die eine Priorisierung von Daten nach Bandbreite und Zeittreue erlauben. Informationen, die wichtig sind und keine Verzögerung erlauben, können eine höhere Priorität erhalten, dafür werden Bandbreite und Zeitfenster reserviert. TSN wird eine genormte Erweiterung von Ethernet und hundertprozentig kompatibel dazu sein. Noch gibt es TSN nicht in vielen Produkten zu kaufen, aber erste Geräte und Demonstratoren existieren bereits.

OPC-UA gibt Daten Bedeutung
TSN sorgt dafür, dass Daten rechtzeitig dort ankommen wo sie gebraucht werden. Es enthält aber keine Information, was diese Daten bedeuten. Dafür sorgt ein zweiter Standard: OPC-UA. Dabei handelt es sich um ein Kommunikationsprotokoll zum Datenaustausch zwischen cyberphysischen Systemen. OPC-UA ist mittlerweile in der Kommunikation für Industrie 4.0 als Quasi-Standard akzeptiert. Dieser ist allerdings nicht echtzeitfähig. Doch daran arbeiten die Experten des Stuttgarter ISW gemeinsam mit Normungsgremien bereits. „Kommunikation ist kein Alleinstellungsmerkmal mehr“, sagt Oliver Riedel. „Wer versucht, TSN oder OPC-UA zu bekämpfen, und weiter auf proprietäre Lösungen setzt, wird das voraussichtlich nicht lange durchhalten.“

Ebenfalls noch in der Diskussion ist das Thema „Security“, also die Abwehr von Hacker-Angriffen. Für den Aspekt Safety, also den Schutz der Mitarbeiter, gibt es bereits gute Lösungen. Der Werker muss sich zum Beispiel darauf verlassen können, dass seine Maschine sofort stoppt, wenn er den roten Not-Knopf drückt. Solche Kommandos haben bei TSN allerhöchste Priorität. Mit den beschriebenen Eigenschaften hat TSN daher das Potenzial, die babylonische Verwirrung in der industriellen Datenkommunikation aufzulösen.

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