Netzwerkprotokolle in der Industrie So treffen Sie die richtige Wahl

Gängige Netzwerkprotokolle in der Industrie
Gängige Netzwerkprotokolle in der Industrie

MRO-Mitarbeiter finden in industriellen Automatisierungsanwendungen verschiedene leitungsgebundene Netzwerkprotokolle wie EtherCAT, Ethernet/IP und Profibus vor. Wie findet man das passende und welche Rolle spielen zeitkritische Netzwerkstandards? Ein Überblick.

Die Entwicklung der ersten speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) wurde in den späten 1960er-Jahren durch die Anforderungen in der Automobilindustrie vorangetrieben, wobei das Modell Modicon 084 als erstes auf den Markt kam. Die Kommunikation zwischen den SPSen erfolgte zunächst über serielle Schnittstellen. Die Lösungen waren proprietär und jedes Gerät eines der Hauptanbieter kommunizierte über ein kundenspezifisches Busprotokoll. Für einfache Systeme, bei denen keine Erweiterung oder Verbindung zu anderen Komponenten geplant ist, bleibt die proprietäre Kommunikation weiterhin sinnvoll. Als sich jedoch die Notwendigkeit ergab, Geräte von mehreren Anbietern bereitzustellen, wurde eine Anzahl von Standard-Kommunikationsprotokollen entwickelt, die basierend auf den Besonderheiten der Anwendung – z.B. Sensortyp, Reglertyp und physikalische Umgebung – angepasst waren. Aufgrund der hohen Investitionskosten für industrielle Anlagen und Maschinen und der entsprechend langen Laufzeiten sind viele dieser seriellen Protokolle immer noch beliebt und im Einsatz, was eine schnelle und einfache Verbindung zwischen den Produkten eines einzelnen Lieferanten ermöglicht.

Beispiele dafür sind die gängigen Protokolle Profibus, CAN-Bus, Modbus und CC-Link, die immer noch in modernen Fertigungsstätten zu finden sind. Fertigungssysteme werden gerne hierarchisch klassifiziert (Bild 1) und fallen in eine von fünf Kategorien. Die genannten Protokolle neigen dazu, als „Feldbus“-Protokolle klassifiziert zu werden, d.h. sie wurden entwickelt, um „Systemen im Feld“, also Sensoren, Motoren, Aktoren etc. zu ermöglichen, mit SPSen zu kommunizieren.

[Ethernet-/Industrie-4.0-Trends und Prioritäten

Die geforderten Produktivitätssteigerungen und Renditen sorgen für immer mehr Automatisierung in der Fertigung. Damit steigt auch der Vernetzungsgrad von Systemen und Geräten. Die Fertigungslinien der Industrie 4.0 (Smart Factory) werden vielfältiger und erfordern von immer mehr Systemen Interoperabilität, inklusive der Cyber-Physical Systems verschiedener Hersteller. Diese Entwicklung macht offene Systeme und gemeinsame Standards erforderlich. Dabei sind Parallelen zur Telekommunikationsbranche ersichtlich, in der Neuerungen durch offene Standards vorangetrieben wurden. Anbieter konnten damit Dienste auf Plattformen aufbauen, die Systeme von mehreren Herstellern umfassen. Die geringeren Kosten dieser Plattformen senkten die Eintrittsbarrieren, ermöglichten unternehmerische Servicemodelle und weitere neue Dienstleistungen.
Die zunehmende Verbreitung des Ethernet als industrielles Kommunikationsprotokoll ist entscheidend bei der Entwicklung der Smart Factory. Obwohl es viele Vorteile bietet, war die Ethernet-Bereitstellung zu Beginn aufgrund der deterministischen Natur vieler industrieller Prozesse zunächst auf die Steuerungs- und Informationsebenen der industriellen Kommunikationshierarchie beschränkt. Um diese Einschränkung zu beseitigen, haben einige große Industrie-OEMs Erweiterungen für das Standard-Ethernet-Protokoll entwickelt, z.B. Profinet, Ethernet/IP, EtherCAT, ModbusTCP etc. (diese Erweiterungen haben die Data-Link-, Netzwerk- und/oder Transport-Layer angepasst). Diese Erweiterungen sind seitdem zu offenen Standards geworden und werden überall in der Industrie eingesetzt, wodurch sich die deterministischen Probleme in gewissem Umfang überwinden lassen. Bei diesen Protokollen treten jedoch zwei wesentliche Probleme auf:

  • Da die verschiedenen Echtzeitprotokolle nicht vollständig mit Ethernet kompatibel sind, können sie nicht im selben Ethernet-Netzwerk existieren.
  • In jedem angeschlossenen System sind spezielle Hardware-Schnittstellen erforderlich.

Um dieses Problem anzugehen, hat das IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) kürzlich eine Reihe von IEEE-802-Ethernet-Substandards angekündigt, mit denen sich Echtzeitkommunikation unterstützen lässt. Diese Teilstandards umfassen zeitgesteuerte Übertragung, Synchronisation und Bandbreitenreservierung und ermöglichen es, alle Daten (einschließlich Echtzeitinformationen) gleichzeitig über ein einziges Netzwerk zu übertragen.

Damit kann sich Ethernet auf der Prozess- und Feldbus-Ebene in der industriellen Kommunikationshierarchie noch schneller ausbreiten. Ein kürzlich veröffentlichter Bericht von HMS Industrial Networks weist darauf hin, dass Industrial Ethernet im Jahr 2017 in 52 % der neu installierten Knoten zum Einsatz kam, während Feldbusse mit einem Anteil von 42 % vertreten waren. Ethernet/IP ist jetzt das am häufigsten installierte Netzwerk mit 15 %, gefolgt von Profinet und Profibus mit jeweils 12 %. Die Anteile der beliebtesten Protokolle bei Neuinstallationen sind in der Tabelle aufgeführt.

Wie erwähnt, finden sich in heutigen Fertigungsbetrieben verschiedene Protokolle – einige ältere und andere, die entwickelt wurden, um die Vorteile von Ethernet zu nutzen und die deterministische oder zeitkritische Natur vieler industrieller Prozesse zu berücksichtigten. Obwohl sich die Anzahl der bestehenden Protokolle verringert hat, da sich die Automatisierungstechnik stetig weiterentwickelt, liegt noch ein langer Weg vor uns, bis sich ein akzeptabler Standard etabliert. Jüngste Entwicklungen rund um die Standards IEEE 802.3 sollten dieses Vorhaben erleichtern.

[Fazit

Industrie 4.0 wird als die dritte industrielle Revolution bezeichnet, von der erwartet wird, dass die industrielle Automatisierung in der Smart Factory das zukünftige Wirtschaftswachstum stark vorantreibt. Ein zuverlässiges und effizientes Kommunikationsnetzwerk, das alle Komponenten dieser intelligenten Fabrik miteinander verbindet, ist entscheidend für Industrie 4.0. Während ältere Netzwerke und Protokolle immer noch eine Rolle spielen, wird die steigende Popularität von Industrial Ethernet dazu führen, dass diese Protokolle aktualisiert werden, sobald Systeme ersetzt werden.
Der Einsatz von Ethernet in der gesamten Kommunikationshierarchie verspricht eine einfachere Übertragung von Informationen von der Fertigungs- oder Feldebene zu den ERP-Systemen des Unternehmens. Dieser Integrationsgrad wird den Wandel vieler heutiger Geschäftsprozesse mit entsprechenden Auswirkungen auf die Produktivität und Rentabilität unterstützen.

Verschiedene industrielle Ethernet-Protokolle finden sich im Feld – jedes mit seinen eigenen Vor- und Nachteilen. Jüngste Anstrengungen, die von der IEEE zur Erweiterung der 802.3-Ethernet-Standards abgeschlossen wurden, sollen die Konvergenz industrieller Ethernet-Protokolle vereinfachen, um deterministische Echtzeit-Kommunikationsverbindungen mit höherer Zuverlässigkeit und integrierter Sicherheit bereitzustellen.