Datenkommunikation

Andreas Mühlbauer,

„Die Zukunft gehört dem Industrial Ethernet“

Mit Industrie 4.0 wachsen die Anforderungen an die Datenkommunikation in Fabriken, insbesondere aufgrund der Echtzeit-Kommunikation. SCOPE-Redakteur Andreas Mühlbauer spricht mit Georg Stawowy, Vorstand für Technik und Innovation beim Weltmarktführer Lapp, darüber, was das für Verbindungssysteme bedeutet und welche die zukunftstüchtigen Standards sein werden.

Single-Pair-Ethernetkabel und CAT-7-Ethernetkabel mit vier Aderpaaren. © Lapp

SCOPE: Herr Stawowy, als Kabelspezialist sind Sie mittendrin: Warum hat es so lange gedauert, bis das schnelle Ethernet den Weg von den Büros in die Produktion gefunden und sich dort etabliert hat?

Georg Stawowy, Vorstand für Technik und Innovation beim Weltmarktführer Lapp. © Lapp

Georg Stawowy: Ethernet gibt es seit 1973 und seither ist es die Nummer eins zur Datenkommunikation in lokalen Netzwerken. Dass der Schritt in die Industrie trotzdem so lange gedauert hat, liegt vor allem am Wildwuchs der Ethernet-Standards. Mittlerweile gibt es mehr als 20 Industrial Ethernet Systeme, wie Profinet, Ethernet/IP und CC-Link IE, die sich alle mehr oder weniger in technischen Details unterscheiden und daher inkompatibel sind.

Die Anbieter von Steuerungstechnik hatten wenig Motivation, das zu ändern, denn sie verdienen gut an ihren proprietären Standards, da sie eine gute Abschottung ihrer Systeme gegen Wettbewerbsprodukte bieten. Das ändert sich aber gerade. Der Trend zu offenen Standards wie Time Sensitive Network (TSN) und Open Platform Communications Unified Architecture (OPC-UA) führt dazu, dass proprietäre Standards zukünftig weniger von Kunden akzeptiert werden.

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Die Anwender profitieren von reduziertem Aufwand für die Systemintegration, aufgrund einheitlicher Kommunikations-Schnittstellen. Die Zukunft auch in Fabriken gehört daher Industrial Ethernet und darauf basierenden offenen Protokollstandards. Der Markt wächst derzeit mit über 20 Prozent pro Jahr, Feldbus-Systeme legen nur noch mit sechs Prozent zu. 2018 übertrifft die Zahl der installierten Industrial-Ethernet Systeme in Fabriken erstmals die von Feldbussen

SCOPE: Was sind die technischen Voraussetzungen, um dies kabelseitig umzusetzen – insbesondere im Hinblick auf zeitsynchronisierte Netzwerke, also TSN – und wie hat Lapp dies umgesetzt?
Stawowy: Damit TSN funktioniert, müssen Leitungen zuverlässig Daten von A nach B bringen, es darf also unterwegs keine Datenverluste oder Störungen geben. TSN wird insbesondere in sehr echtzeitkritischen Applikationen eingesetzt werden. Dies sind beispielsweise Antriebssysteme , welche mit sehr schnellem Regeltakt arbeiten. Wenn das Datenpaket auf der Kabelstrecke verfälscht wird, gerät die Antriebsregelung aus dem Takt und die Maschine produziert Ausschuss. In solch einem Fall kann TSN auch nichts mehr reparieren, denn eine falsche Information bleibt falsch auch wenn sie rechtzeitig zugestellt wird.
Somit ist die Ethernet-Leitung in einem TSN-System also vor allem für die fehlerfreie und zuverlässige Übertragung wichtig. Diese wird bei unseren Industrial-Ethernet-Leitungen durch eine Schirmung mit hohem Bedeckungsgrad sowie durch enge Toleranzen bei übertragungsrelevanten Parametern, wie der charakteristichen Impedanz, sichergestellt. Nicht zuletzt ist ein geeigneter Aufbau wichtig , welcher den langlebigen Einsatz in bewegten Anwendungen, bei extremen Temperaturen oder chemischer Belastung sicherstellt. Das geht nur mit Leitungen hoher Qualität, ausgelegt für das industrielle Umfeld, wie wir sie bei unserem Tochterunternehmen Ceam in Italien herstellen.
Primär ist TSN natürlich eine Funktion der Switches. Lapp wird ein Portfolio von TSN-fähigen Swtiches auf den Markt bringen. Ein weiterer Trend ist Single-Pair-Ethernet. Nicht jeder Sensor muss über eine Leitung mit vier Aderpaaren angeschlossen werden, oft reicht ein Aderpaar. Solche Leitungen sind dünner, kostengünstiger und leichter zu verarbeiten. Auch das wird den Siegeszug von Ethernet und Standards wie TSN beschleunigen.

SCOPE: Hätte die Industrie nicht früher auf TSN setzen können? Die Unterhaltungsbranche hat ja vorgemacht, dass es funktioniert.

Stawowy: TSN wurde tatsächlich in der Unterhaltungsbranche erfunden. Dort dient es zum Beispiel in Konzerthallen dazu, Laufzeiten von Schall aus den Lautsprechern exakt auszugleichen, damit es keine Echos gibt. Dass es dort funktioniert, heißt aber nicht, dass man es eins zu eins auf die Industrie übertragen kann. Vielleicht war es bisher auch nicht so notwendig, denn Digitalisierung und Industrie 4.0 – und damit auch höhere Anforderungen an die Echtzeitübertragung – sind erst in den letzten Jahren ein Thema in der Industrie geworden. Derzeit arbeiten Unternehmen und Normungsgremien daran, TSN in der Industrie zu etablieren. Sicher lag die Verzögerung auch hier wieder daran, dass viele Anbieter von industrieller Datenkommunikation bereits Echtzeit-Kommunikationsstandards entwickelt hatten. Mit TSN steht nun ein herstellerübergreifender Standard zur Verfügung. Die Komponenten dafür werden in größeren Mengen verkauft werden, dadurch entsteht Kostensenkungspotential. Die vielen Vernetzungsstandards werden zu einem Standard konvergieren, und dann wird sich auch TSN schnell durchsetzen.

SCOPE: Ein weiteres Thema, das uns zukünftig wohl noch beschäftigen wird: die Forderung nach Gleichspannung. Viele Hersteller könnten sich freuen, es entstünde ein riesiger Markt: neue Schalter, neue Kabel und vieles mehr – erst mal eine teure Angelegenheit. Andererseits liefern einige alternative Energiequellen wie beispielsweise Solarzellen nun mal Gleichspannung. Ist das in erster Linie eine gute Geschäftsidee oder eine technisch lohnende Perspektive?

Stawowy: Vor allem ist es ein Gebot der Vernunft. Durch das Wandeln zwischen Wechsel- und Gleichstrom entstehen in der Summe riesige Verluste von volkswirtschaftlicher Dimension. Es gibt Pilotprojekte in der Industrie, die zeigen, dass Produktionsanlagen durch konsequente Umstellung auf Gleichstrom Energie im zweistelligen Prozentbereich sparen können. Auch Büros und Wohnhäuser mit DC-Versorgung würden erheblich Energie sparen. Ein konsequent auf Gleichstrom ausgelegtes Energienetz käme auf einen Gesamtwirkungsgrad von 90 Prozent, heute sind es etwa 56 Prozent.

Schon bei einem höheren Wirkungsgrad von zehn Prozent könnten die zwei größten Braunkohlekraftwerke in Deutschland abgeschaltet werden. Das würde 63 Millionen Tonnen CO2 – zwölf Prozent des deutschen CO2-Ausstoßes – einsparen. Bei Stickoxiden wären es sogar 29 Prozent. Jetzt schon von großen Umsatzerwartungen zu sprechen, ist aber deutlich zu früh. Noch ist viel Forschung und Entwicklung zu leisten. Lapp unterstützt das, etwa indem wir selbst und zusammen mit Partnern aus dem akademischen Umfeld erforschen, wie sich etwa die immer gleichgerichteten elektromagnetischen Felder von Gleichstrom auf die Isolations- und Mantelmaterialien von Kabeln auswirken. Möglicherweise werden für Gleichstrom-Kabel andere Materialien nötig.

SCOPE: Wie haben die Digitalisierung und die zunehmend hohen Anforderungen an einzelne Produkte, aber auch die Nachfrage nach kompletten Systemen Ihr Geschäft verändert? Wird Lapp künftig neue Wege gehen müssen, wenn sich die Technologien und Märkte weiter verändern?

Stawowy: Richtig, Technologien und Märkte verändern sich. Zudem nimmt das Tempo mit der Digitalisierung und Industrie 4.0 noch zu. Lapp war schon immer gut darin, solche Trends aufzuspüren und selbst welche zu setzen. Einen Trend haben Sie schon genannt: Die Nachfrage nach kompletten Systemen wächst. Unsere Kunden sehen, dass die Anforderungen an Verbindungstechnologien steigen und dass sie nicht immer das Knowhow im Haus haben, um damit Schritt zu halten.

Auch wollen sich unsere Kunden auf ihre Kernkompetenzen, zum Beispiel den Bau von Maschinen, konzentrieren. Sie bestellen daher komplette Verbindungssysteme bei uns. Um diese Nachfrage besser befriedigen zu können, haben wir unser Ölflex Connect Programm geschaffen, das unser Konfektionsgeschäft zusammenfasst, von Standardservokonfektionen bis zu einbaufertigen Energieketten. Die Umsätze mit diesen Lösungen wachsen überproportional, im vergangenen Geschäftsjahr mit rund 17 Prozent.

Das ist natürlich nicht das Ende. So versteht sich Lapp als führender Anbieter für Verbindungstechnologien in der industriellen Datenkommunikation. Auch hier kommt es darauf an, alle Komponenten optimal aufeinander abzustimmen, und Kunden kaufen zunehmend komplette Systemlösungen. Für uns heißt das, dass wir neben Leitungen zum Beispiel auch aktive Komponenten anbieten müssen. Deshalb haben wir seit dem letzten Jahr robuste Switches für die Industrie im Programm, und unser Angebot an aktiven Komponenten wird weiter wachsen.

SCOPE: Werden künftig in Fabriken nicht deutlich weniger Kabel gebraucht? Man könnte doch auch vieles drahtlos machen.

Stawowy: Ich werde oft gefragt, ob der Trend zu Wireless nicht das Ende des Kabels bedeutet. Das ist keinesfalls so. Denn durch Industrie 4.0 nimmt die Nachfrage nach Leitungen eher noch zu, weil alles mit allem vernetzt wird. Funktechnologien in der Industrie sind interessant etwa für schwer zugängliche Stellen, mobile Maschinen oder bewegte Maschinenteile. Aber das werden auf absehbare Zeit Nischen bleiben, weil die Verlässlichkeit der Verbindungen nicht so hoch ist und die möglichen Datenübertragungen unter dem liegen, was kabelbasierte Verbindungen erreichen können. Aber auch hier gilt: Wir sehen eine steigende Nachfrage und werden daher auch Wireless-Produkte in unser Programm aufnehmen.

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