Bild 1: Leistungsfähige Kommunikationsnetzwerke bilden das Rückgrat für das Internet der Dinge und für Industrie 4.0.

Bild 1: Leistungsfähige Kommunikationsnetzwerke bilden das Rückgrat für das Internet der Dinge und für Industrie 4.0.Phoenix Contact

Mit dem Konzept für ein Internet der Dinge, (Internet of Things, IoT), bei dem intelligente Gegenstände mit ihrer virtuellen Repräsentanz ein Netzwerk bilden und Alltagsunterstützung leisten, entstand auch die Basis für Industrie 4.0.

All diese Trends und Tendenzen baut man mit ihren technischen Lösungen unter industriellen Gesichtspunkten weiter aus. Dabei steigen die Kommunikationsbedürfnisse permanent. Wachsende Teilnehmerzahlen in einem Netzwerk und die vertikale Integration mit MES- und ERP-Systemen verursachen zusätzlichen Datenverkehr und erhöhen den Bandbreitenbedarf.

Bild 2: Hierarchische Netzwerkstrukturen sind heute optimiert für die Anforderungen an Sicherheit, Umweltbelastung, Deterministik und Datenmenge in den einzelnen Ebenen.

Bild 2: Hierarchische Netzwerkstrukturen sind heute optimiert für die Anforderungen an Sicherheit, Umweltbelastung, Deterministik und Datenmenge in den einzelnen Ebenen.Phoenix Contact

Hierarchische Strukturen lösen sich auf

Aktuell ist die industrielle Kommunikation in der Automatisierungspyramide hierarchisch organisiert – von den Geräten im Feld bis hinauf zum ERP-System (Bild 2). Mit den Kerngedanken von Industrie 4.0 – Modularisierung, Dezentralisierung, Virtualisierung, Individualisierung einzelner Produkte, Begleitung des Produktes über den Lebenszyklus sowie stetige Anlagenverfügbarkeit – lässt sich dieses hierarchische und starre System nicht in Einklang bringen. Vielmehr ist ein System gefragt, das hierarchielos und umfassend alle verfügbaren Informationen allen Beteiligten zur Verfügung stellt. Eine umfassende Vernetzung und Informationsnutzung, die auf dem durchgängigen Kommunikations­standard TCP/IP basiert, geht damit einher (Bild 3).

Bild 3: Netzwerkstrukturen für Industrie 4.0 sind optimiert für Fertigungsmodule und deren wechselnde Anordnung.

Bild 3: Netzwerkstrukturen für Industrie 4.0 sind optimiert für Fertigungsmodule und deren wechselnde Anordnung.Phoenix Contact

Modularisierung bedeutet, dass sich verschiedene Baugruppen einer Fertigungsanlage situativ miteinander kombinieren lassen, damit sich dann unterschiedliche Produkte darauf fertigen lassen. Außerdem ist ein Umbau, eine Aufrüstung oder eine Erweiterung der Fertigungsmodule wahrscheinlich, um immer neuartige Produktvarianten im Laufe des Produktzyklus zu erstellen. Der Umbau einzelner Fertigungsmodule ist auch deshalb attraktiv, weil die Komplexität dabei deutlich geringer ist als bei der Errichtung einer weiteren Fertigungsanlage. Auch im Hinblick auf Planung, Ausführung, Kosten und Zeitbedarf ist ein Umbau einfacher zu bewerkstelligen und in den Produktionsablauf zu integrieren.

Bandbreite künftig bei 10 GBit/s

Die Modularisierung bestimmt – mit ihrer Dezentralisierung der Automatisierungstechnik – auch die Konzepte der Verbindungstechnik. Die Kommunikationsnetzwerke in den heutigen Fertigungsanlagen sind von Ingenieuren geplant und errichtet. Große Reserven für Bandbreiten und weitere Teilnehmer sowie zusätzliche Kabelwege sind hier nicht vorgesehen. Erfüllt die Anlage ihre Aufgabe am ersten Tag, so wird sie das auch am letzten Tag ihrer Lebensdauer tun – geänderte oder zusätzliche Kommunikationsteilnehmer sind nicht zu erwarten. Es besteht also keine Notwendigkeit, das Kommunikationsnetzwerk auf geänderte oder erhöhte Anforderungen hin auszulegen.

Bei Industrie 4.0 muss innerhalb eines Fertigungsmoduls das Kommunikationsnetzwerk so aufgebaut sein, dass es hinsichtlich Bandbreite und Teilnehmerzahl ausreichende Reserven besitzt. Mit einer vierpaarigen Kommunikationsverkabelung ist schon heute eine Bandbreite von einem GBit/s oder mehr möglich. Je nach räumlicher Ausdehnung sind hier Stern- oder Linien-Topologien üblich. Müssen auch Anforderungen der funktionalen Sicherheit erfüllt werden, ist die Ring-Topologie meistens das Mittel der Wahl. Um eine Abhängigkeit von anderen Modulen zu umgehen, sollte zudem jedes Modul nach außen eine definierte Schnittstelle zur Verfügung stellen, die künftig eine Bandbreite von zehn GBit/s erlaubt.

Stern-Topologie für Flexibilität

Die Komposition einer kompletten Fertigungs­anlage aus mehreren Fertigungsmodulen mit wechselnden Anordnungen an die Module erlaubt auch hier kein starres Netzwerk. Große  Flexibilität bei der Integration der jeweils notwendigen Module liefert die Stern-Topologie. Auch hier stellt sich wieder das Problem der zukunftssicheren Dimensionierung der Bandbreite, die möglichst großzügig mit 10 GBit/s ausgelegt sein sollte.

Bild 4: Mit optimierten Steckverbindern und Leitungen für 100 Mbit/s oder Gigabit-Ethernet lassen sich die Geräte der unterschiedlichen Ebenen passgenau integrieren.

Bild 4: Mit optimierten Steckverbindern und Leitungen für 100 Mbit/s oder Gigabit-Ethernet lassen sich die Geräte der unterschiedlichen Ebenen passgenau integrieren.Phoenix Contact

Auch die Optimierung der Anlagenverfügbarkeit spielt eine wichtige Rolle. Dazu ist ein möglichst genaues Abbild der Leistungsfähigkeit der eingesetzten Komponenten erforderlich. Stromverbrauchsprofile, die Analyse der Toleranzen der produzierten Teile sowie weitere Daten können entscheidende Hinweise auf die verbliebene Leistungsfähigkeit der Komponenten geben. Auch die eingesetzten Sensoren, Aktoren und Betriebsmittel können ihren Beitrag leisten, indem sie verschleißrelevante Parameter aufzeichnen und einer Big-Data-Analyse zuführen. Die Nutzung dieser Erkenntnisse setzt allerdings voraus, dass die Betriebsmittel vollständig in die IT-Infrastruktur eingebunden sind. Aus diesem Grund benötigt man nicht nur immer leistungsfähigere Kommunikationsnetzwerke mit immer höheren Bandbreiten sondern auch einfachere Netzwerke, die kostengünstig und leistungsoptimiert die Teilnehmer integrieren (Bild 4).

Die Hardware muss passen

Basis für das Gesamtkonzept von IoT und Industrie 4.0 wird also eine offene Netzwerkstruktur sein, die mit hoher Flexibilität und Transparenz, mit leichter Änder- und Erweiterbarkeit sowie mit der Einbindung aller Betriebsmittel erst die Voraussetzung für das Konzept schafft. Mit der Verbreitung des Industrial Ethernet durch die führenden Konsortien bestimmt auch deren Systemdesign die Datenraten und die Steckverbinder. Konsortien wie die PNO und ODVA haben bereits ihre Verkabelungsrichtlinien von 100 Mbit/s auf ein GBit/s erweitert. In einigen Applikationen überträgt man darüber hinaus heute schon Datenraten von zehn GBit/s.

Steckverbinder und vierpaarige Leitungen von Phoenix Contact nach Cat 6A erlauben Datenraten bis zehn GBit/s. Zusammen mit einer geschickten Modularisierung und einer ausgefeilten Netzwerk-Topologie lassen sich heute schon Anlagen errichten, die sich auch für Industrie 4.0 eignen. Hier kann die Zukunft des Internet of Things schon beginnen.

Steckverbinder für Industrie 4.0

Die Konzepte von Industrie 4.0 beruhen auf mehr Sensorik, intelligenten Geräten, Steuerungen und Datenverarbeitung. Das bedingt mehr Steckverbinder und Verbindungstechnik – übrigens nicht nur für die Kommunikation. Hierfür sind umweltgeschützte Steckverbinder notwendig, die schon als RJ45 und M12 Einsatz finden. Fakt ist: Miniaturisierung, einfache Konfektionierung im Feld sowie verbesserte Leistungsdaten erfordern stetige Innovationen.

Heute dominiert 100 MBit/s – Einsatz findet der RJ45, ungeschützt und in den Gehäusevarianten eins und 14, sowie der vierpolige M12 mit D-Kodierung. Mit Faseroptik wird der SCRJ bevorzugt – der sich für alle Fasertypen eignet, sowie der LC wegen seiner Popularität im kommerziellen Umfeld.

Industrietaugliche RJ45 und der neue achtpolige M12 mit X-Codierung gemäß der Datenübertragungsqualität Cat 6A sind in vielfältigen Ausführungen verfügbar. Sie erlauben Datenraten bis zehn GBit/s.

Zur Energieversorgung der Teilnehmer etablieren sich M12-Steckverbinder in speziellen Power-Codierungen. Ein durchgehendes robustes Konzept und der geringe Bauraum sind dafür die entscheidenden Vorteile in der Praxis.