Sechs Fragen zu Industrial-Ethernet

Können Sie in kurzen Statements die wesentlichen Entwicklungsschritte zur industriellen Kommunikation ausführen und wo wird es hingehen?

Michael Volz ist Geschäftsführer der HMS Industrial Networks GmbH in Karlsruhe.HMS

Michael Volz, HMS: Ausgehend von den beiden Grundtechnolo­gien Modbus und Ethernet entwickelten sich viele unterschiedliche industrielle Netzwerke. Modbus kann man als Ursprungstechnologie der Feldbusse bezeichnen, Grundzüge des Modbus-Protokolls wie die Master/Slave-Kommunikation sind in viele der heutigen Feldbus-Lösungen wie Profibus und Interbus eingeflossen. Modbus wird auch heute noch vielfältig eingesetzt. Das ursprünglich für die Bürokommunikation entwickelte Ethernet bildete die Basis der Industrial-Ethernet-Netzwerke. Voraussetzung für die erfolgreiche Nutzung in der Automatisierung waren technische Weiterentwicklungen wie Fast Ethernet, Switching-Technologie und Full-Duplex-Übertragung. Die Grundzüge der Ethernet-Technologie gemäß IEE 802.3 finden sich auch heute noch in allen Echtzeit-Ethernet-Netzwerken wie Profinet, Ethernet/IP, Ethercat, Powerlink, Sercos III. Auf lange Sicht werden die Industrial-Ethernet-Netzwerke die klassischen Feldbusse verdrängen. Der Trendwechsel vollzieht sich jedoch viel langsamer als zunächst erwartet, denn die Feldbusse haben ihren Zenit noch lange nicht überschritten und wachsen nach wie vor mit zweistelligen Zuwachsraten. Die drahtlose Kommunikation wird meist nur in Spezialanwendungen eingesetzt. Nachdem aber selbst sicherheitsrelevante Signale zuverlässig drahtlos übertragen werden können, sind die Voraussetzungen für einen breiteren Einsatz gegeben.

Martin Jenkner, Moxa: Nachdem sich inzwischen IP-basierte Kommunikation in fast allen industriellen Anwendungen als kostengünstig etabliert hat, werden in den nächsten Jahren verschiedene Herausforderungen an die Leistungsfähigkeit zu meistern sein. Industrielle IP-basierte Kommunikation muss Eigenschaften haben, die bis vor kurzem noch als konträr galten. So wird neben hohem Durchsatz auch verzögerungsarme Übertragung mit Echtzeit-Ansprüchen gefordert werden. Das wird auch für drahtlose Verbindungen gelten – ohne Abstriche bei Robustheit und Redundanz zu machen. Sollten diese Herausforderungen erfolgreich gelöst werden, so wird die Konvergenz in der IP-basierten Kommunikation weiter zunehmen.

Martin Müller, Phoenix Contact: Die digitale Kommunikation spielt heute in alle Lebensbereiche hinein und ist aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Dies gilt auch für die industrielle Kommunikation, die im Maschinen- und Anlagenbau das Rückgrat jeder modernen Automatisierungslösung bildet. Prägend sind dabei Technologien, die zunächst für das kommerzielle Umfeld entwickelt worden sind – beispielsweise Ethernet oder Wlan – und aufgrund von Skaleneffekten und der Durchgängigkeit zur Unternehmens-IT Einzug in die Automatisierungstechnik gehalten haben. Neben den vielen Vorteilen, die diese Technologien bieten, muss sich die Industrie allerdings auch den Herausforderungen der wachsenden Komplexität solcher Systeme sowie dem damit einhergehenden Thema der Netzwerksicherheit widmen. Hier liegen auch die wesentlichen Herausforderungen, denn Anwender erwarten, dass diese Systeme genauso einfach wie bisherige Feldbussysteme zu projektieren, in Betrieb zu nehmen und zu betreiben sind sowie kein Einfallstor für Hacker, Viren und Würmer bietet.

Der Einzug der IT in die Industrie hat vor mehr als 20 Jahren mit der Verwendung von PC und mit der Vernetzung durch Ethernet begonnen. Die hohe Rechenleistung, die günstigen Investitionskosten und die schnellen Innovationszyklen waren häufig Grund genug, bei Umgebungsanforderungen, Verfügbarkeiten oder Security ein Auge zuzudrücken. Rächt sich das?

Michael Volz, HMS: Wer jemals Standard-Office-PCs in kritischen industriellen Anwendungen eingesetzt hat, hat sicher Lehrgeld bezahlt. Moderne Industrie-PCs erfüllen die industriellen Anforderungen hinsichtlich Umgebungsbedingungen und Zuverlässigkeit. Besondere Security-Aspekte sind immer dann zu beachten, wenn die PCs in das Firmennetzwerk integriert werden und so Zugang zum Internet erhalten. Ein konsequentes Trennen von Firmennetzwerk mit Internetzugang und Echtzeit-Netzwerken in der Fertigung hat sich in der Praxis bewährt.

Martin Jenkner ist Business Development Manager Industrial Ethernet bei der Moxa Europe GmbH in Unterschleißheim.Moxa

Martin Jenkner, Moxa: Die IT im industriellen Umfeld hat in den letzten 20 Jahren erfolgreich eine Lernkurve durchfahren. So wurden Standard-PCs in rauhen Umgebungen durch robuste, lüfterlose Embedded Computer ersetzt und netzwerkbasierte Kommunikation verdrängte mehr und mehr PC zentrierte, serielle Verbindungen. Langzeitverfügbarkeit als auch Sicherheitsfunktionen gehören heute zu den typischen Anforderungen an industrielle Kommunikation.

Martin Müller, Phoenix Contact: Wie bei jeder neuen Technologie hat sich auch beim Einzug der IT in die Industrie nach der Anfangseuphorie eine gewisse Ernüchterung eingestellt. Es ist schnell klar geworden, dass man mit Geräten, die für den Bürobereich entwickelt worden sind, keine professionelle Automatisierungslösung aufbauen kann.

Lassen sich alle relevanten Steuerungsdaten – sichere und nicht ­sichere – über ein System übertragen? Wenn ja, wie?

Michael Volz, HMS: Die Antwort ist ein klares Ja. Nahezu alle industriellen Netzwerke bieten heute integrierte Mechanismen für die Übertragung sicherer Signale. Die bekanntesten Lösungen sind Profisafe, CIP-Safety und Opensafety. Neben den Vorteilen, die der Einsatz standardisierter offener Protokolle und Techniken mit sich bringt, sind entsprechende Netzwerke jedoch stärker der Gefahr unberechtigter Zugriffe durch Dritte ausgesetzt.

Martin Jenkner, Moxa: Der vermehrte Einsatz von Firewalls, leistungsfähigen Routern, VPN als auch der Einsatz von Vlan sind Anzeichen, dass immer häufiger eine gemeinsame IT-Infrastruktur für Daten unterschiedlicher Sicherheitsrelevanz verwendet wird. Je nach Sicherheitsanspruch werden jedoch auch noch heutzutage physisch getrennte Netzwerke realisiert.

Martin Müller, Phoenix Contact: Uneingeschränkt ja. Industrielle Kommunikationssysteme wie Profinet bieten neben der Übertragung von Echtzeit-Steuerungsdaten und nicht zeitkritischen ­Bedarfsdaten auch die Möglichkeit, sicherheitskritische Informationen über das Profisafe Protokoll auszutauschen.

Neben den Vorteilen, die der Einsatz standardisierter offener Protokolle und Techniken mit sich bringt, sind entsprechende Netzwerke jedoch stärker der Gefahr unberechtigter Zugriffe durch Dritte ausgesetzt. Ist eine Konfiguration sicherer Verbindungen mit minimalem Aufwand realisierbar?

Martin Jenkner, Moxa: Mit Virtual Private Networks hat sich auch in der Indutrie eine weltweit akzeptierte Sicherheitslösung etabliert, die den Sicherheitsansprüchen fast aller Anwendungen im Industriebereich genügt.

Martin Müller, Phoenix Contact: Bei Maschinen und Anlagen kann in der Regel genau festgelegt werden, warum jemand von außen Zugriff auf die Anwendung erhalten muss. Nur für diese Einsatzszenarien wird dann der Zugriff erlaubt und alle weiteren Aktivitäten werden vom System geblockt. Dafür ist eine Konfiguration mit minimalem Aufwand möglich. Sie lässt sich mit der Konfiguration des zu Hause genutzten Routers vergleichen, wo auch der Nicht-Netzwerkspezialist mit wenigen Handgriffen ein sicheres System aufsetzen kann.

Sind eher drahtlose Subsystemen oder eine flexible Architektur eine Lösung, um Automatisierungssysteme durch die nahtlose Integration drahtloser Kommunikationssysteme flexibel gestalten zu können?

Michael Volz, HMS: Funkbrücken lassen sich heute elegant in viele Feldbusse und Industrial-Ethernet-Netzwerke integrieren. Dabei gilt es zu beachten, dass der Datendurchsatz geringer ist als mit klassischen Kabelverbindungen, dies sollte bei der Konzeption der Netzwerkarchitektur berücksichtigt werden.

Martin Jenkner, Moxa: Drahtlose Kommunikation bietet die größte räumliche Flexibilität, die jedoch durch erhöhten Kommunikations- und Sicherheitsüberhang als auch durch Einbußen in der Übertragungsgeschwindigkeit erkauft werden muss.

Martin Müller ist Leiter des Geschäftsbereichs IO & Networks bei der Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont.Phoenix Contact

Martin Müller, Phoenix Contact: Drahtlose Übertragungstechnologien wie Wlan oder Bluetooth ergänzen Ethernet in den Bereichen, wo Mobilität gefragt ist, und integrieren sich durch die gemeinsam genutzten Protokolle nahtlos in das Gesamtsystem. Dies ist auch der Grund, warum in heutigen Automatisierungssystemen Funktechnologien wesentlich häufiger eingesetzt werden, als dies noch zu Zeiten der Feldbussysteme der Fall war.

Neue Ethernet-Protokolle sollen energiesparendes Schalten einzelner Verbraucher ermöglichen. Zwar gibt es schon eine Reihe von Anwendungsszenarien, gibt es aber schon realisierte Applikationen?

Michael Volz, HMS: Die in der Aida zusammengeschlossenen Automobilproduzenten haben hier eine Vorreiterrolle übernommen. Die Einführung der Profienergy-Technologie für zukünftige Anlagen ist fest geplant. Erfahrungen gibt es von prototypischen Anlagen, die Ergebnisse sind vielversprechend.

Martin Jenkner, Moxa: Die fortschreitende Durchdringung industrieller Anwendungen durch IP-basierte Kommunikation hat den Kostenpunkt pro geschaltetem Endgerät inzwischen soweit gesenkt, dass auch das IP-gesteuerte Schalten einfacher Geräte bald wirtschaftlich sinnvoll wird.

Martin Müller, Phoenix Contact: Der nachhaltige Umgang mit unseren Ressourcen und hier insbesondere der eingesetzten Energien ist eines der wichtigsten Themen unserer Zeit. Der Automatisierungstechnik kommt dabei eine entscheidende Bedeutung zu, denn nur mit ihr lassen sich Maschinen und Anlagen so steuern, dass der Energieverbrauch minimiert wird. In der Profibus Nutzerorganisation wurde dazu das Profienergy-Profil erarbeitet, das das Abschalten und Wiederanlaufen einzelner Anlagenteile – beispielsweise nach Pausenzeiten – standardisiert. Nachdem im ersten Schritt die Potenziale für die Reduzierung des Energieverbrauchs in den verschiedenen Applikationen ermittelt wurden, werden heute gezielt Anlagen umgebaut oder neu errichtete Anwendungen energieeffizient ausgelegt. Im Bereich der Automobilindustrie ist dies ein Kriterium bei der Ausschreibung neuer Anlagen.

(hw)