Wozu dienen Feldbus und Industrial Ethernet?

Der Feldbus war für die Automatisierungstechnik ein echter Game-Changer – er vereinfachte den Aufbau von Automatisierungssystemen enorm und machte die heute prinzipiell vernetzte Automatisierung erst möglich. Nachdem fast jedes größere Unternehmen einen Feldbus anbot, kam im zweiten Schritt das Industrial Ethernet hinzu – sinngemäß ein Feldbus auf Basis der Ethernet-Technologie. Doch IIoT-Anwendungen verlangen mehr, weswegen ein Blick hinter die Kulissen der Feldbusentwicklung lohnt.

Prof. Dr.-Ing. Thomas Schmertosch (schmertosch.de/automatisierung) betreut seit 2014 an der HTWK Leipzig als Honorarprofessor die Fachgebiete ‚Komponenten der Automatisierung‘ sowie ‚Modulare Automatisierungssysteme‘. 1952 in Leipzig geboren, studierte und promovierte er als Kybernetiker und arbeitete bis zu seinem Ruhestand als Automatisierungsingenieur. Seit 2016 ist er freiberuflich als Fachautor und beratender Ingenieur rund um das Thema Automatisierungstechnik und Industrie 4.0 tätig.

Zu den Grundlagen der Automatisierungstechnik sind von Prof. Schmertosch erschienen:

Inhaltsverzeichnis

1. Welche Aufgaben hat ein Feldbus?
2. Welche Feldbusse gibt es?
3. Warum ist die Echtzeitfähigkeit der Datenübertragung für einen Feldbus prägend?
4. Welche Reaktionszeiten müssen Feldbusse ermöglichen?
5. Wie steuert ein Feldbus den Datenfluss und wie vermeidet er Kollisionen?
6. Was unterscheidet Feldbus und Industrial Ethernet?
7. Welche Industrial-Ethernet-Systeme gibt es?
8. Welche Rolle spielt die Protokollvielfalt bei Feldbussen?
9. Warum setzt das IIoT der Protokollvielfalt von Feldbussen Grenzen?
10. Kann OPC UA die Problematik der Protokollvielfalt lösen?
11. Warum befindet sich die Welt der Feldbusse im Umbruch?

Als der Profibus (Process Field Bus) als einer der ersten industriellen Feldbusse 1989 durch die Firma Siemens und das Bundesministerium für Bildung und Forschung initiiert wurde, bestand das oberste Ziel in der Reduzierung des Verkabelungsaufwandes zunehmend umfangreicherer Automatisierungsanlagen. Aktuelle und zukünftige Feldbusse müssen jedoch eine Reihe zusätzlicher Aufgaben erfüllen und die Digitale Produktion impliziert weitere Anforderungen für eine effektive Kommunikation zwischen unterschiedlichen Systemkomponenten. Dem Anwender bietet sich heute eine Vielzahl von Lösungen – doch welche ist die beste Lösung? Und was unterscheidet Feldbus und Industrial Ethernet?

Welche Aufgaben hat ein Feldbus?

Die Aufgabe, alle erforderlichen Prozessinformationen und Steuersignale mit möglichst wenig Installationsaufwand auch über größere Entfernungen von und zur zentralen Steuerung zu übertragen, ist heute und zukünftig sicher die wichtigste Aufgabe eines Feldbusses, ganz gleich welcher Ausprägung.
Mit fortschreitendem Einsatz immer intelligenterer Feldgeräte und dem Trend zu modularisierten Maschinen und Anlagen, gelangt auch der Datenaustausch zur Konfiguration und Diagnose sowie zur Koordinierung der technologischen Prozesse in den Fokus der Entwickler.
Dazu kommen Anforderungen zur Qualitätssicherung, des Ressourcenverbrauches und der Maschinensicherheit.
Nicht zuletzt muss die Datenübertragung auch vor unautorisiertem Zugriff geschützt werden, insbesondere dann, wenn es eine Verbindung des Netzwerkes zum Internet gibt, wie es beispielsweise für die Fernparametrierung und -diganose erforderlich ist.
Schließlich ist noch in Daten zu unterscheiden, deren Zeitbezug zum Prozess entscheidend für eine hohe Regelgüte wichtig ist.
Nicht zuletzt sind auch praktische Anforderungen zu berücksichtigen, wie beispielsweise die Leitungsführung, Montagebedingungen, Infrastruktur oder die Robustheit gegen Störungen aller Art.

Das alles in Einklang zu bringen, erscheint besonders dann nahezu unmöglich, wenn unterschiedliche Systeme im Verbund arbeiten sollen. Durch diese Gemengelage sieht sich der Anwender mit unterschiedlichen Lösungen konfrontiert, deren Eignung für den konkreten Anwendungsfall mit Sorgfalt betrachtet werden muss.

Welche Feldbusse gibt es?

Bezeichnung	Nutzerorganisation	favorisiert von
AS-Interface (AS-i)	AS-International Association e.V.	diversen Herstellern
CANopen	CiA – CAN in Automation	diversen Herstellern
CC-Link	CC-Link Partner Association	Mitsubishi Electric
ControlNet	ControlNet-International-Nutzergruppe -> jetzt ODVA	Rockwell Automation
DeviceNet	ODVA (Open DeviceNet Vendors Association)	Rockwell Automation
Interbus	Interbus Club e.V. -> jetzt PNO	Phoenix Contact
Profibus	PNO – Profibus Nutzerorganisation e.V.	Siemens

Warum ist die Echtzeitfähigkeit der Datenübertragung für einen Feldbus prägend?

Um einen technologischen Prozess stabil steuern und regeln zu können, bedarf es der Gewährleistung einer bestimmten Reaktionszeit und somit einer möglichst verzögerungsfreien Bereitstellung der ermittelten Prozessinformationen sowie der ebenso unmittelbaren Ausführung der Stellbefehle. Das Problem dabei: Serielle Übertragung bedeutet nichts anderes als ‚Eins nach dem Anderen‘.

Wenn aber eine Information warten muss, bis sie übertragen wird, geht deren direkter zeitlicher Bezug zum Prozess verloren und die Steuerung muss im Prinzip mit ‚alten‘ Werten arbeiten. Das gleiche gilt auch für Steuerbefehle, die erst mit einer gewissen Zeitverzögerung am Stellgerät eintreffen. Dies ist bei einer (üblicherweise) zyklisch arbeitenden Steuerung auch ohne Verwendung eines Feldbusses so, aber bei weitem nicht in der Dimension, wie es durch einen seriell arbeitenden Feldbus verursacht wird.

Welche Reaktionszeiten müssen Feldbusse ermöglichen?

In vielen Applikationen, wie beispielsweise bei chemischen oder Temperierprozessen ist dieser Sachverhalt bedeutungslos, denn die erforderlichen Reaktionszeiten liegen in Bereichen von teilweise mehreren Sekunden. Andere Bereiche stellen deutlich höhere Anforderungen an die Reaktionszeit T_Reaktion:

T_Reaktion > 1 s:

chemische Prozesse, Bioreaktoren
Temperaturregelung in Industrieöfen

100 ms > T_Reaktion > 10 ms:

Drehzahlregelung in der Förder- und Zuführtechnik
Temperaturzonenregelung in Extrudern

10 ms > T_Reaktion > 1 ms:

Standard SPS-Funktionen

T_Reaktion << 1 ms:

Lageregelung für Servoantriebe
Druckmarkenregelung in Verpackungsmaschinen
Kantenerkennung bei Print- und Postprint-Prozessen
Registerregelung in Druckmaschinen
Regelung des Einspritzdruckes in Kunststoffspritzgießmaschinen
intelligente Nockenschaltwerke

Seit Beginn der Feldbus-Ära wurden durch beständig wachsende technologische Anforderungen, speziell aus dem Maschinenbau und der Robotik, immer kürzere und vor allem stabile Reaktionszeiten erforderlich. Da die Zykluszeit eines Feldbusses aber im besten Fall mindestens doppelt in die Berechnung der Reaktionszeit eingeht und sich dieser Einfluss durch Asynchronitäten und Jitter noch weiter verdoppeln kann, darf dieser Zeitanteil nicht vernachlässigt werden. Infolgedessen wurden von Beginn an alle Feldbusentwicklungen mit dem Fokus auf kürzeste, stabilste und möglichst jitterfreie Übertragung geführt.

Wie steuert ein Feldbus den Datenfluss und wie vermeidet er Kollisionen?

Master-Slave-Verfahren:
Eine Methode, die beispielsweise beim Profibus als Feldbus oder dem Ethernet-basierten Powerlink als Industrial Ethernet verwendet wird, ist das Master-Slave-Verfahren. Dabei kommuniziert ein Master (i.d.R. die Steuerungs-CPU) nacheinander mit jedem Slave, wodurch Informationen allein vom Master eingesammelt und verteilt werden. Der Vorteil dieses Verfahrens ist die völlige Vermeidung von Kollisionen was sehr stabile Reaktionszeiten bewirkt, denn der durch den Feldbus verursachte Zeitverzug ist für jede Information nahezu konstant.
Wenn zusätzlich jeder Slave bei der Übertragung mithören kann, ist auch ein direkter Querverkehr zwischen den einzelnen Teilnehmern möglich. Dadurch kann beispielsweise die Istposition eines Leitantriebes sehr schnell und mit geringstem Zeitverzug direkt an die gekoppelten Antriebe übertragen werden – eine Eigenschaft, die besonders für Robotersteuerungen und viele Verarbeitungsmaschinen essenziell ist.
Multi-Master-Verfahren:
Beim ebenso weit verbreiteten Multi-Master-Verfahren kann dagegen jeder Teilnehmer mit jedem anderen direkt kommunizieren. Typische Beispiele dafür sind der CAN-Bus oder das Standard-Ethernet, wie wir es aus der Bürowelt kennen. Der Datenverkehr ist bei diesem Verfahren bedarfsgesteuert und unterliegt keinem festen Zeitregime, es sei denn, ein Teilnehmer bewirkt durch zyklische Aufrufe einen gewissen Systemtakt.
Der unmittelbare Datenaustausch bei Bedarf generiert den Vorteil einer deutlich effektiveren Kommunikation – wenn nicht das Problem der Kollisionen bestehen würde. Dieses entsteht, wenn ein Teilnehmer den Buszugriff anfordert, dieser aber durch eine bereits aktive Übertragung abgelehnt wird. Er muss nun so lange warten, bis die Leitung frei wird. Der entstehende Zeitverzug ist dabei unkalkulierbar und bewirkt den für eine stabile Regelung äußerst störenden Jitter.
Um diesen Effekt abzumildern, werden beispielsweise beim CAN-Bus Priorisierungsverfahren angewendet, die bestimmte Teilnehmer bevorzugen. So kann in einem Antriebsverbund die Leitachse eine so hohe Priorität erhalten, dass in Kombination mit dem Querverkehr, trotzdem eine nahezu konstante Übertragung an die Folgeachsen möglich ist. Ethernet-basierte Feldbusse vermeiden diesen Jitter mit unterschiedlichen hard- und/oder softwarebasierten Methoden, die in [1] ausführlich sowohl in technischer wie auch wirtschaftlicher Hinsicht vorgestellt und bewertet werden.

Was unterscheidet Feldbus und Industrial Ethernet?

Wie dargestellt, ist also die Echtzeitfähigkeit der Datenübertragung DIE prägende Eigenschaft eines Feldbusses – dazu muss der Datenfluss gesteuert werden und Kollisionen sind zu vermeiden. Das Standard-Ethernet kann dies nicht, gleichwohl ist die Verwendung von Ethernet aber sehr verlockend, insbesondere bei einer Kommunikation über alle Ebenen der Automatisierungspyramide hinweg. Industrie-4.0-Konzepte verlangen dies unter dem Schlagwort der ‚Sensor-to-Cloud-Kommunikation‘, bei dem letztlich die steuernden IT-Systeme (wie MES oder ERP) eingebunden sind.

Industrial Ethernet löst diese Aufgabe, in dem es das Standard-Ethernet insbesondere um die Echtzeitfähigkeit der Datenübertragung ergänzt. Dass die Ethernet-Technologie eine effiziente Nutzung auch in der Automatisierungswelt gefunden hat, zeigt die hohe Zahl an Industrial-Ethernet-Protokollen verschiedener Hersteller. Nahezu jeder Feldbus besitzt heute einen Industrial-Ethernet-Nachfolger. Ein entscheidender Nachteil blieb damit aber auch erhalten: die Protokollvielfalt!

Welche Industrial-Ethernet-Systeme gibt es?

Bezeichnung	Nutzerorganisation	favorisiert von
CC-Link IE	CC-Link Partner Association	Mitsubishi Electric
Ethercat	ETG – Ethercat Technology Group	Beckhoff Automation
EtherNet/IP	ODVA (Open DeviceNet Vendors Association)	Rockwell Automation
Modbus TCP	Modbus Organization	Schneider Electric
Powerlink	jetzt bei B&R, zuvor EPSG – Ethernet Powerlink Standardization Group	B&R
Profinet	Profibus and Profinet International (PI)	Siemens
Sercos	Sercos Nutzerorganisation	Bosch Rexroth

Welche Rolle spielt die Protokollvielfalt bei Feldbussen?

Der Nachteil aller etablierten Feldbusse ist die fehlende Protokollkompatibilität, da fast alle von einzelnen Herstellern entwickelt und vornehmlich in deren Steuerungssysteme integriert wurden. Soll beispielsweise ein Feldgerät in einen bestimmten Bus eingebunden werden, so ist dazu eine Variante erforderlich, die diesen auch unterstützt. Das ist auch der Grund, warum die meisten Feldgeräte-Hersteller ihre Komponenten mit möglichst vielen Busoptionen anbieten, um eine breite Marktakzeptanz zu erreichen.

Auch wenn die meisten Feldbus-Lösungen in Nutzerorganisationen überführt wurden, wie bspw. die PNO (Profibus Nutzerorganisation e.V.) für den Profibus [2] oder die EPSG (Ethernet Powerlink Standardization Group) für Powerlink [3], so wird zwar der Zugang zur jeweiligen Technologie erleichtert, aber an der Interoperabilität zwischen den einzelnen Varianten ändert das leider gar nichts. Nach wie vor müssen Feldgeräte in vielen Optionen angeboten werden – und wenn ganze Systeme miteinander kommunizieren müssen, sind umständliche, aufwändige und fehleranfällige Hard- und Softwarelösungen erforderlich.

Einzige Ausnahme ist der CAN-Bus mit dem offenen Protokoll CANopen [4], aber dieser wird aus verschiedenen z.T. auch egoistischen Gründen nicht von allen Steuerungsherstellern unterstützt. Leider versuchen Hersteller noch immer, durch eigene dedizierte Feldbus-Lösungen ihre Marktstellung zu behaupten.

Warum setzt das IIoT der Protokollvielfalt von Feldbussen Grenzen?

Das Ringen um Marktanteile über den jeweils eigenen Feldbus dürfte bald Geschichte sein, denn im Zuge der Umsetzung des Industrial Internet of Things (IIoT) werden Netzwerke mit mehreren hundert Knoten auf Feldebene immer häufiger – und wenn in einer typischen Maschinenhalle für die digitale Produktion verschiedene Maschinen mit unterschiedlichen Steuerungssystemen und Feldbussen miteinander kommunizieren sollen, müssen häufig inkompatible Protokolle über Schnittstellen (sogenannte Bridges) zu einem Gesamtnetzwerk miteinander verbunden werden. Diese Heterogenität ist mit großem Aufwand bei Inbetriebnahme und Wartung verbunden, das Engineering der Netzwerke wird komplexer, aufwendiger und fehleranfällig. Das Ziel lautet daher: Reibungslose Kommunikation zwischen einzelnen Teilsystemen und Komponenten ohne Einschränkungen durch proprietäre Lösungen.

Kann OPC UA die Problematik der Protokollvielfalt lösen?

Der offene Standard OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture, [5] [6]) kommt hier mit der Erweiterung des Ethernet-Standards IEEE 802.1, dem Time-Sensitive Networking (TSN, [7] [8]) ins Spiel. Diese Technologien stehen allen Marktteilnehmern offen, sind standardisiert und ermöglichen zudem eine nahezu jitterfreie Übertragung auch größerer Datenpakete.

Dazu kommt, dass das OPC-UA-Protokoll bereits implementierte Security-Funktionen zur Verfügung stellt und dienstorientiert arbeitet. Es werden damit keine dimensionslosen Daten, sondern echte Werte mit entsprechenden semantischen Informationen übertragen. Wenn beispielsweise ein Sensor eine Temperatur von 5 °C misst, übertragen herkömmliche Protokolle den Wert ‚5‘ als Datentyp Integer an die Steuerung. Dort ist gespeichert, dass es sich bei der übertragenen Zahl um einen Temperaturwert in °C handelt, der zudem bestimmte Grenzwerte hat. Mit OPC UA wird der Wert ‚5‘ inklusive der beschreibenden Daten zur Verfügung gestellt, in diesem Fall also mit der Information, dass es sich um einen Temperaturwert handelt, der in °C gemessen wurde und in welchen Grenzwerten sich der Wert bewegen soll. Andere Teilnehmer im OPC-UA-Netzwerk können nun diese Informationen abfragen – und mit TSN werden diese zudem in harter Echtzeit übertragen. Damit wird nicht nur das Engineering beträchtlich erleichtert, sondern auch der Zeitbezug zum Prozesswert bleibt weitgehend erhalten.

Warum befindet sich die Welt der Feldbusse im Umbruch?

OPC UA wird gemeinsam mit TSN die Welt der Feldbusse revolutionieren und singuläre Varianten werden zu Nischenprodukten mutieren, die nur in einzelnen abgegrenzten Applikationen noch Vorteile generieren. Der Umbruch hat schon begonnen, viele Hersteller bieten bereits entsprechende Produkte und der Druck aus der Industrie nimmt zu. Wir dürfen gespannt sein.

Nachtrag: Aktualisiert bezüglich der Nutzerorganisation EPSG im Dezember 2023

Automatisierung 4.0: Objektorientierte Entwicklung modularer Maschinen

Übersicht zu den Beiträgen der Serie Grundlagen der Automatisierungstechnik von Prof. Schmertosch:

Quellen und Literaturhinweise:

[1] EPSG – Ethernet Powerlink Standardiziation Group. Industrial Ethernet Facts 3d Edition. Fredersdorf: s.n., 2017.

[2] PNO – Profibus Nutzerorganisation e.V. Homepage: www.profibus.com

[3] EPSG – Ethernet Powerlink Standardiziation Group. Homepage: www.ethernet-powerlink.org

[4] CiA – CAN in Automation. Homepage: www.can-cia.org

[5] OPC – OPC Foundation. Homepage: www.opcfoundation.org

[6] Spinnarke, Sabine. OPC UA wird (neben anderen) Industrie 4.0-Standard. Produktion – Technik und Wirtschaft für die deutsche Industrie. 2016.

[7] IIC: OPC UA TSN – A new Solution for Industrial Communication, Whitepaper. [Online] 2018.

[8] B&R Industrial Automation GmbH. OPC UA TSN – Von der Feldebene bis in die Cloud. [Hrsg.] B&R Industrial Automation GmbH. Automotion. 2017, 09/2017.

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