Industrielle Netzwerke

Kommunikation braucht Standards wie OPC UA

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Um Maschinen, Anlagen und Komponenten durchgängig miteinander zu vernetzen und Daten nahtlos zu transportieren, bedarf es einheitlicher Protokolle und offener Standards. Der Druckluft-Spezialist Kaeser Kompressoren setzt bereits auf IP-basierte Kommunikationsinfrastrukturen. Mit OPC UA und Ethernet TSN entstehen vielversprechende Ansätze für die zukünftige Standardisierungen.

Dipl. Ing. (FH) Andreas Birkenfeld und Dipl. Betriebswirtin Daniela Koehler, Kaeser Kompressoren, Coburg

Inhaltsverzeichnis

1. Zukunftssicheres Ethernet
2. Bussysteme dominieren die untere Ebene

 

Gängige Feldbuslösungen sind eher ungeeignet, um große Datenmengen durchgängig zu transportieren. Neue Wege müssen gebahnt werden. Einige vielversprechende Ansätze gibt es bereits. So zeichnen sich OPC UA und Ethernet TSN als mögliche künftige Industriestandards ab und werden von Unternehmen und Verbänden aktiv vorangetrieben. Basis dieser Ansätze ist die IP-basierte Kommunikation. Für die Internetprotokollfamilie ist dabei die Gliederung nach dem sogenannten TCP/IP-Referenzmodell maßgebend, welches vier aufeinander aufbauende Schichten beschreibt. Die Basis dieser Protokolle ist Schicht 3, welcher eine Mindeststandardisierung der zu übertragenden Daten definieren. Die „physische“ Netzwerkschnittstelle in Schicht 1 ist üblicherweise als Ethernet gemäß den IEEE-Standards 802.3 ausgeführt. Teilnehmer eines Kommunikationsverbundes, der dieses Modell verwendet, müssen also mindestens IP-basierte Daten verarbeiten können und über ein standardisiertes Netzwerkinterface verfügen. Doch viele Fragen sind noch offen und werden derzeit diskutiert, wie die zur Datenstandardisierung, zur Echtzeitfähigkeit und zur IT-Security. Auch wenn sich hierarchiebasierte Strukturen mit Einführung einer durchgängigen Kommunikation auflösen („Jeder spricht mit jedem“), sollten mit Blick auf die IT-Sicherheit und das Netzwerkmanagement sinnvolle Abgrenzungen definiert werden. Netzwerkzellen bieten sich an und sind in der industriellen Anwendung üblich.

Zukunftssicheres Ethernet

Nutzen Teilnehmer eines Kommunikationsverbundes eine gemeinsame Infrastruktur, ist ein Netzwerk auf Ethernet-Basis das Mittel der Wahl. Ein solches Ökosystem für IP-basierte Daten ist protokolloffen und skalierbar. Im Bereich von industriellen Druckluftanlagen hat sich dieser Ansatz bewährt, um Komponenten wie Kompressoren, Trockner, Druckhaltesysteme oder Sensoren zu vernetzen. Zusammen mit einer maschinenübergreifenden Steuerung spart das System Energie und garantiert eine hohe Verfügbarkeit der Druckluft. Überdies stellt es Daten für die fortlaufende Diagnose und die vorausschauende Wartung zur Verfügung. Die Integration lokaler Netzwerkzellen in übergeordnete Infrastrukturen, wie Scada, MES, EMS oder auch eine Cloud geschieht mittels definierter Schnittstellen. Die Entkopplung der Netze ist aus Sicht der IT-Security essentiell und kann mit Hilfe bekannter Maßnahmen wie Router oder Firewalls erreicht werden. Im Falle der Verbundsteuerung von Kaeser stehen neben einer GBit-Ethernetschnittstelle weitere Standardschnittstellen wie Profinet, Ethernet/IP, ModbusTCP usw. optional zur Verfügung. Die Anbindung an nachgelagerte IoT-Infrastrukturen ist ebenso möglich, wie auch OPC UA als standardisierte Schnittstelle.

Bussysteme dominieren die untere Ebene

Die Prozessebene stellt hinsichtlich der Datenintegration noch eine Herausforderung dar. Der überwiegende Anteil an Daten ist in industriellen Prozessen mit konkreten physikalischen Vorgängen verknüpft und wird mit Hilfe von Sensoren und prozessnahen Steuerungen erzeugt. Die Schnittstelle zu diesen Instanzen ist daher von entscheidender Bedeutung. Die Voraussetzung für einen nahtlosen und durchgängigen Transport der Daten muss somit bereits an ihrer Quelle erfüllt sein. Dies ist bei Sensoren, Antrieben und IO-Komponenten heute überwiegend nicht gegeben. Unterschiedliche Bussysteme dominieren die Vernetzung auf unterer Ebene und sind im Brownfield immer noch Stand der Technik. Die spezifische Differenzierung der eingesetzten Technologien besteht im einfachsten Fall in der physischen Verbindungstechnik (Stecker und Kabel). Die unterschiedlichen Ausprägungen der Datenstrukturen, der Protokolle und der Semantik stellen die größte Herausforderung dar. Die Prozessdaten müssen vor der Nutzung zunächst aufbereitet werden. Datenkonnektoren, -hubs und -konverter erzeugen zwar IP-basierte Daten in einem Format, welches zu den nachgelagerten Verarbeitungsinstanzen kompatibel ist. Dies ist aber nur eine “Brückenlösung“.

Es ist also wünschenswert, alle Komponenten in eine offene, durchgängig IP-basierte Kommunikationsarchitektur einzubinden. Dazu sind technische Voraussetzungen zu erfüllen. Neben der Anschlusstechnik des Ethernet ist auch ein Kommunikationsstack in der Komponente vorzuhalten, was entsprechende Anforderung an Rechenleistung und Speicher mit sich bringt. Wie muss also eine ideale Topologie künftiger Datennetzwerke im Bereich der unteren industriellen Schicht aussehen? Die Daten müssen bereits bei ihrer Entstehung in einem IT-kompatiblen Format zur Verfügung stehen und nahtlos transportiert werden können. Der kleinste gemeinsame Nenner ist die IP-Konformität und die Standardisierung der Daten. Die jeweils erforderlichen Echtzeiteigenschaften können durch Mechanismen wie TSN erfüllt werden. Dazu sind Anpassungen in Schicht 2 erforderlich, entsprechende Standardisierungen sind in Arbeit. Die Ausdehnung dieser Forderung selbst auf Sensoren, Aktoren und sonstige IO-Komponenten stellt heute noch eine Herausforderung dar. Für die Hersteller bedeutet dies einen Technologiesprung, der bewältigt werden muss. Das aktuelle Standardisierungsvorhaben IEEE 802.3cg hat das Potential für die Vernetzung bis in die unterste Ebene. Nur zwei Adern dienen sowohl zur Kommunikation als auch zur Spannungsversorgung. Dieser Standard ist in vielen Anwendungen für die Vernetzung von Sensoren, IO´s und sonstigen Subsystemen in der Feldebene interessant und wird eine integrale Datendurchgängigkeit ermöglichen. Als Advanced Physical Layer (APL) wird dieser Standard für den Einsatz in der Prozessindustrie und die generelle industrielle Anwendung vorangetrieben. Diese Initiative hat das Potential, die Kommunikationsinfrastruktur der Feldebene zu revolutionieren. Entscheidend wird sein, dass es sich um einen herstellerneutralen, offenen Standard handelt. Die bestehende Inkompatibilität durch proprietäre Technologien wie bei den historischen Feldbussen sollte grundsätzlich vermieden werden. Dann sind die Voraussetzungen gut, um Daten künftig wirklich nahtlos vom Sensor bis in die Cloud zu transportieren. kf

www.kaeser.de

Mehr Informationen zum Sigma Network von Kaeser:
hier.pro/q7iVh

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