Wie Sie mit Interoperabilität in der Industrieumgebung umgehen

Typische industrielle Architekturen

Eine typische Architektur eines größeren industriellen Automatisierungssystems besteht aus drei Schichten – einer Schicht mit Sensoren und einfachen Geräten (z. B. motor Startern oder elektronischer Überlast), einer Steuerungsschicht mit speicherprogrammierbaren Steuerungen, Bedienfeldern oder intelligenten motor Antrieben und einer Schicht mit Informationssystemen.

Jede Schicht hat unterschiedliche Anforderungen an das Volumen des Datenaustauschs, die Geschwindigkeit und die Deterministik. Der bisherige Ansatz würde diese verschiedenen Anforderungen durch spezialisierte Netzwerke erfüllen, insbesondere im Fall der beiden unteren Schichten.

Darüber hinaus empfahl jeder größere Technologieanbieter eine Integrationsmethode, je nach den eigenen Präferenzen des Anbieters. Infolgedessen können wir in bestehenden industriellen Anwendungen auf viele verschiedene Datennetzwerke und Protokolle stoßen. Die Interoperabilität und Skalierbarkeit der so entworfenen und implementierten Systeme sind und werden für lange Zeit ein Albtraum für alle Systemintegratoren und Eigentümer dieser Lösungen sein.

Die Situation war bereits vor dem Aufkommen von Industrie 4.0 und IIoT nicht tragbar. Wie kann man mit diesem Problem umgehen?

Idealerweise wollten wir eine ähnliche Lösung haben, die es bereits seit Jahren für Informations- und Bürosysteme gibt – Ethernet. Ethernet selbst wurde lange Zeit als Standard (eigentlich eine Familie von Standards, wie unten angegeben) angesehen, der aufgrund seiner Eigenschaften (per Definition nicht deterministisch, unterstützt kein Echtzeit-messaging, ziemlich teuer usw.) für die Industrieumgebung nicht geeignet ist.

Faktoren wie die Einführung neuer Technologien (insbesondere intelligenter Switches), Änderungen in der Netzwerktopologie (von Baum- zu Sterntopologien), eine Voll-Duplex-Kommunikation, höhere Übertragungsgeschwindigkeiten und die allgemeine Preissenkung der Ethernet-Technologie im Laufe der Zeit haben Ethernet zu einer interessanten Lösung gemacht, die auch für die Kommunikation in den beiden unteren Schichten eines industriellen Automatisierungssystems verwendet werden kann.

Ethernet, unverändertes Ethernet, EtherNet/IP und Interoperabilität in der Industrieumgebung

Bevor wir über die Verwendung von Ethernet in industriellen Anwendungen sprechen, sollten wir erklären, was Ethernet ist.

Streng genommen ist Ethernet durch den Standard IEEE 802.3 definiert und stellt eine Implementierung der beiden unteren Schichten (physikalische und Datenverbundschicht) des OSI-Modells (Open Systems Interconnection) dar. In der industriellen Praxis werden meist verdrillte Doppelleitung oder Glasfaser als physikalisches Medium verwendet.

Ethernet wird im weiteren Sinne oft als Technologie verstanden, die die Verbindung zum Internet ermöglicht, einschließlich aller Protokolle der Netzwerk- und Transportschichten, insbesondere IP-, TCP- und UDP-Protokolle. 

Die Gründe, warum Ethernet in der Industrieumgebung zunehmend in Betracht gezogen wird, wurden bereits oben erwähnt. Allerdings sind die wichtigsten Nachteile von Ethernet für den Einsatz in der industriellen Automatisierung, d. h. fehlende Unterstützung für Echtzeitdatenübertragung und Nichtdeterminismus, noch nicht vollständig behoben.

Drei Lösungen

Deshalb wurden Lösungen gesucht, die diese Anforderungen industrieller Anwendungen erfüllen. Im Allgemeinen gibt es heute drei solche Lösungen. Aufgrund des begrenzten Platzes können wir nicht näher darauf eingehen, aber wir können damit beginnen, dass nur eine Lösung, die in der Literatur als „unmodifiziertes Ethernet“ bezeichnet wird, ohne Änderungen des Ethernet-Standards und der TCP/IP- und UDP-Protokolle höherer Schichten verwendet wird.

Die anderen beiden Lösungen erfordern Modifikationen und Erweiterungen der Standardprotokolle oder sogar der Hardware.

Nur Standards für den Datenaustausch in der Industrieumgebung, die auf unmodifiziertem Ethernet basieren, erfordern keine Änderungen der Infrastruktur (d. h. spezielle Switches, Router usw.), können einfach mit anderen bestehenden Protokollen koexistieren und ermöglichen vor allem im Hinblick auf IIoT eine reibungslose Integration und Interoperabilität.

Einer der wenigen Standards, die vollständig auf unmodifizierten Ethernet-Prinzipien basieren, ist EtherNet/IPTM. EtherNet/IPTM ist ein offener Standard, der von der ODVA verwaltet wird.

Wir sind Gründungsmitglied dieser Vereinigung und profitieren langfristig von EtherNet/IPTM. Diese Technologie ist auch ein Eckpfeiler unserer Lösung für die vollständige Digitalisierung der industriellen Automatisierung, die The Connected Enterprise® genannt wird und dank der Vorteile von EtherNet/IPTM eine ideale IIoT-Lösung ist.