Nachdem die IT-Branche mit dem Siegeszug von IP als Netzprotokoll seit längerem die Verschmelzung von IT- und TK-Welt mit VoIP propagiert, scheint nun die nächste Konvergenzwelle zu rollen: die Einführung von IP und Ethernet in der Produktion, neudeutsch als Industrial Ethernet bezeichnet. Netzwerk-Player wie Cisco, Lancom und andere sehen hier einen neuen Markt und treten in Konkurrenz zu klassischen Industrieanbietern wie etwa Hirschmann.

Marktprognose

In der im April veröffentlichten "Industrial Ethernet Market Outlook Study" prognostiziert die US-amerikanische ARC Advisory Group, dass der Markt für Industrial Ethernet in den nächsten fünf Jahren jährlich um 51,4 Prozent (Deutschland 59 Prozent) wächst. Wurden 2004 lediglich 840000 Industrial-Ethernet-Komponenten (Deutschland 39000) ausgeliefert, so soll diese Zahl 2009 bei 6,7 Millionen liegen. Im gleichen Zeitraum, so ARC weiter, wachse das Marktvolumen für Industrial-Ethernet-Switches von 124,4 Millionen (Deutschland sechs Millionen) auf 939,8 Millionen Dollar. Ähnlich optimistische Prognosen trifft Frost & Sullivan bezüglich des Einsatzes von Wireless LAN im Produktionsumfeld. Das Institut geht davon aus, dass sich der europäische Markt, der 2002 ein Volumen von 117 Millionen Dollar hatte, bis 2006 vervierfacht.

Treibende Kraft für den Einsatz der klassischen Ethernet-Technologie in der Produktion ist die Idee, eine standardisierte Kommunikation einzuführen, aus der sich eine einheitliche Infrastruktur ergibt, die vom Büro bis zur Maschine beziehungsweise zum Sensor reicht. Damit stehen die Prozess- und Fertigungsdaten künftig nicht nur auf der Feldebene (Maschinenebene) zur Verfügung, sondern gehen nahtlos in bereichsübergreifende Datenerfassungssysteme ein.

Die Vorteile dieses Ansatzes liegen auf der Hand. So können etwa Updates zur Steuerung leicht mit Hilfe von FTP, TCP/IP und Ethernet aus den Ingenieurbüros auf die einzelnen Roboter geladen werden. Zudem helfen die Echtzeitinformationen aus Planung, Logistik, Fertigung und Vertrieb gerade weltweit verteilten Unternehmen bei der Optimierung ihrer Prozesse.

Anwenderbeispiele

Mit General Motors hat sich bereits ein großer Konzern auf Anwenderseite dazu bekannt, Ethernet als durchgängige Lösung für die industrielle Kommunikation einzuführen. Ein Ethernet/IP-Netzwerk soll dabei bei GM die Kommunikation zwischen Maschinensteuerung, Robotern und Prozesssteuerungen übernehmen sowie Informationen für die darüber liegenden Verwaltungssysteme zur Verfügung stellen. Nach Informationen der Open Devicenet Vendors Assosciation (ODVA) hat GM die Lieferanten der über 60 weltweiten Werke aufgefordert, bis zum ersten Januar 2007 Ethernet-kompatible Produkte zur Verfügung zu stellen. Ebenso haben deutsche Autobauer wie BMW, Mercedes-Benz oder Volkswagen Ethernet in der Produktion eingeführt. Der Einsatz von Ethernet im industriellen Umfeld beschränkt sich allerdings nicht auf den Fertigungsbereich. So hat BP beispielsweise die seismischen Sensoren seiner Bohrinseln im kaspischen Meer per Ethernet vernetzt, um die Ölförderung zu steigern. Im Gegensatz zum früheren System kann das Unternehmen nun fortlaufend die ölführenden Formationen überwachen und den Wasserdruck zur effizientesten Förderung dynamisch anpassen. Immer häufiger werden im produktiven Umfeld statt dem kabelgebundenen Ethernet auch WLANs genutzt. Per WLAN werden etwa im Chemiepark Bitterfeld Wolfen Messergebnisse und Steuersignale von dezentralen Messstellen an ein zentrales Prozessleitsystem übertragen.

So überzeugend die Vorteile klingen, die Migration zu Industrial Ethernet ist nicht unproblematisch. Um die Problemfelder zu erkennen, ist ein kurzer Ausflug in die theoretische Netzstruktur eines Unternehmens erforderlich. Hier unterscheidet man zwischen drei Ebenen: dem Corporate Network, dem Steuerungs- und Leitnetz sowie dem eigentlichen Feld- oder Produktionsnetz. Diese drei Ebenen werden teilweise auch als Enterprise Information Network, Control Network sowie Device Network bezeichnet.

Ausgangssituation

Im Corporate Network, zu dem Office-Applikationen, SAP-Systeme etc. zählen, sind heute Ethernet und TCP/IP Standard. Beide Technologien sind in der Regel auch bereits auf der Steuerungs- und Leitebene der Produktion anzutreffen. Diese beinhaltet etwa die Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI) zur Steuerung einer Produktionstrasse oder Produktions-Controller. Je nach Größe des Unternehmens handelt es sich dabei um kleine Data Center, in denen klassische IT-Technik zum Einsatz kommt. Von hier werden die einzelnen Produktionsinseln beziehungsweise -zellen gesteuert. Dabei werden bis zu neun Zellen zu einer Strasse zusammengefasst. In den Inseln selbst, vom Normalbürger salopp als Maschine oder Roboter bezeichnet, unterscheiden die Automationstechniker nun zwischen Programmable Logic Controller (PLC), Aktoren (Sensoren) und Motion-Komponenten (Motoren). Diese wurden in der Vergangenheit mit proprietären Feldbussystemen wie Modbus, Profibus, Devicenet, Foundation Fieldbus H1vernetzt, um nur einige zu nennen.

Ethernet und IP

Per Konverter lassen sich das Device Network oder auch ältere Control Networks an Ethernet anbinden. Verfolgt man lediglich dieses Konzept, ergibt sich kein weiterer Bedarf für Industrial Ethernet. Zumal die Kosten hierfür dann in keinerlei Verhältnis zum Nutzen stehen, da gewonnenen Daten ebenso mit einem PC als Gateway an die oberen Applikationsebenen weitergeleitet werden könnten. Ein Modell, das etwa Nortel vertritt, denn für den Hersteller ist Industrial Ethernet zurzeit kein Thema. Die Verfechter von Industrial Ethernet halten jedoch dagegen, dass es das Ziel sei, Ethernet bis in die einzelnen Zellen zu bringen, um so nicht nur die Daten schneller zu erhalten, sondern auch von höherer Ebene steuernd in die Prozesse eingreifen zu können. Ferner ergebe sich durch die einheitliche Infrastruktur ein hohes Einsparpotenzial in Sachen Netz-Management, und ein umfassendes Sicherheitskonzept sei realisierbar.

Während das Gros der Ethernet-Protagonisten, sieht man einmal von Hirschmann ab (siehe Kasten "Hirschmanns Sonderweg"), darin übereinstimmt, dass eine solche Infrastruktur wie im Office-LAN sternförmig mit Switches aufgebaut sein sollte, sind sich die Hersteller in Sachen Protokolle uneinig: So setzen zwar immer mehr klassische Feldbushersteller auf den OSI-Layern 1 bis 2 auf Ethernet, doch auf den höheren Netzschichten fahren sie ihre bisherigen Protokolle wie Profibus weiter. Netzwerk-Player wie Cisco, die Industrial-Ethernet-Switches vermarkten, verfechten dagegen die reine Lehre und favorisieren den durchgängigen TCP/IP-Einsatz.

Erforderliche Schutzklassen

Eine Diskussion, die Lancom-Manager Eckhart Traber nicht weiter anficht. Er sieht das Ganze pragmatisch: "Da ein Switch oder unsere WLAN-Access-Points auf Netzebene 2 arbeiten, ist es letztlich egal, welches Protokoll auf den höheren Netzebenen transportiert wird." Eine andere Ansicht vertritt Jan Roschek, Manager Sales Business Development Manafucturing bei Cisco: "Es sollte möglichst durchgängig TCP/IP eingesetzt werden, um Daten nicht nur auslesen, sondern auch regelnd und steuernd eingreifen zu können." Zudem vereinfache ein durchgängiger Ansatz etwa das Management per SNMP und ermögliche eine End-to-End-Security-Policy.

Eine Brücke zwischen diesen konträren Ansätzen bauen Hersteller wie die OSI Software GmbH, Altenstadt, deren Software in der Lage ist, sowohl Feldbus- als auch Ethernet-Daten auszulesen, und dann etwa die Produktionsauslastung auf dem Display eines IP-Telefons anzeigen kann. Setzt sich allerdings der Trend zu Smart Devices durch, wie er dieses Jahr auf der Hannover Messe zu beobachten war, dann dürfte TCP/IP auch in der Produktion das Protokoll der Zukunft sein. Mit den Smart Devices soll nämlich die Trennung zwischen PLC, Aktoren und Motoren aufgehoben und Ethernet als Schnittstelle verwendet werden, so dass es kein Bedarf mehr für den Feldbus gibt und TCP/IP bereits auf der untersten Device-Ebene eingesetzt wird. Viele Hersteller von Automationsequipment haben bereits auf die kommende Entwicklung reagiert und bieten ihre Produkte heute wahlweise mit Feldbus- oder Ethernet-Interface an.

Unabhängig von diesen offenen Fragen ergeben sich mit der Einführung von Ethernet in der Produktion einige grundlegende Schwierigkeiten: So treffen mit IT-Abteilung und Anlagenbauern zwei Welten aufeinander, die eine unterschiedliche Sprache sprechen. Cisco-Manager Roschk erinnert die Situation an die Einführung von VoIP, als TK- und IT-Abteilungen aufeinander trafen und sich teilweise bekämpften. Er empfiehlt deshalb, bei der Ethernet-Einführung in der Produktion das Know-how beider Seiten zu nutzen.

Ein anderes Problem sind die klassischen Office-Ethernet-Komponenten selbst. Sie sind kaum für den Einsatz im rauen Fertigungsumfeld mit Vibrationen, hoher Luftfeuchtigkeit und großer Hitze geeignet. Deshalb haben Hersteller wie Lancom "gehärtete" Produkte im Portfolio, die unter anderem mit besonders geschützten Steckern und Gehäusen aufwarten. Die Widerstandsfähigkeit oder Belastbarkeit der Geräte wird anhand der IP-Schutzklasse (International Protection) spezifiziert. Von industrietauglichen Geräten spricht man in der Regel ab der Schutzklasse 20, wobei jedoch je nach Umfeld, etwa Hitze oder Feuchtigkeit höhere Schutzklassen erforderlich sind.

Klassische IT-Produkte sind aber auch aus einem anderen Grund für das Industrieumfeld kaum geeignet: Hier werden die Geräte nicht als Rack in einem 19-Zoll-Schaltschrank montiert, sondern sitzen auf der so genannten 35-Millimeter-DIN-Hutschiene, die als Tragschiene dient. Ferner werden zur Energieversorgung der Komponenten meist 24 Volt verwendet, während LAN-Equipment einen 220-Volt-Anschluss hat.

Erschwerend kommt hinzu, dass Ethernet durch seine Grundkonzeption nicht echtzeitfähig ist. Während beispielsweise in der Prozesssteuerung von Aktoren - etwa bei der Ansteuerung eines Elektromotors - mit Reaktionszeiten im Mikrosekundenbereich gearbeitet wird, waren die Netzwerker lange Zeit froh, wenn sie sich im Bereich von mehreren 100 Millisekunden bewegten. Der Grund hierfür liegt im undeterministischen Charakter von Ethernet. Aufgrund des verwendeten Verfahrens zur Kollisionsvermeidung (CSMA/CD) lässt sich der Transport eines Datenpakets zeitlich nicht exakt vorhersagen. Dieses Problem relativiert sich mit dem Einsatz von Switches, doch selbst Ethernet-Verfechter raten zur Vorsicht, wenn es um die Verwendung im Motion-Control-Bereich geht. Cisco-Manager Roschek würde beispielsweise in der Papierproduktion zur Steuerung der Walzen einer Strasse, die per Königswelle synchronisiert werden, nur bedingt zu Ethernet raten: "Es gibt noch Grenzen." Allerdings verschieben sich diese zugunsten von Ethernet.

Laufzeitprobleme für WLANs

Laufzeitprobleme drohen, wie Lancom-Manager Traber ausführt auch beim Einsatz von WLANs in der Produktion, wenn etwa größere Strecken zu überbrücken sind. Hier besteht die Gefahr, dass der Sender Datenpakete wiederholt ausstrahlt, weil er vergeblich auf eine Empfangsbestätigung innerhalb des definierten Timeouts wartet. Deshalb sollte sich in den Access Points die Entfernung zur nächsten Funkstation einstellen lassen. Ferner gilt es zu berücksichtigen, dass im industriellen Umfeld aufgrund des vorhandenen Metalls mit einem anderen Reflexionsverhalten der Funkwellen zu rechnen ist. Dabei wechseln die Wellen etwa von der horizontalen zur vertikalen Polarisation. Um Empfangsbeeinträchtigungen zu vermeiden, raten die Hersteller zu Diversity-Antennen. Noch stärker als klassische Ethernet-Komponenten haben WLAN-Access-Points zudem mit Temperaturproblemen zu kämpfen. Denn mit den Schwankungen verändert sich die Frequenz der Funkmodule. Um diese in einem definierten Bereich zu halten, baut Lancom in einem Access Point eine Heizung und Kühlung ein.

Werden diese Feinheiten bedacht, so spricht auch nichts gegen WLAN als ergänzendes Overlay-Netz. So kann es etwa zur Steuerung von Transportwagen dienen oder aber die Umrüstung von Produktionszellen für neue Produkte erleichtern, da die Verlegung von Kabeln zur Steuerung der Maschinen entfällt. Gerade in der Flexibilität, egal ob im kabelgebundenen Netz oder im WLAN, sieht Roschek einen weiteren Vorteil: "Während der Feldbus statisch ist und eine Anlage abgeschaltet werden muss, um etwa einen Sensor hinzuzufügen, kann dies bei Ethernet im laufenden Betrieb erfolgen."

Fazit

In der Diskussion um Sinn oder Unsinn von Ethernet in der Produktion führen Kritiker häufig das Kostenargument ins Feld. Aus ihrer Sicht ist eine Ethernet-Einführung schlicht zu teuer. Das sticht allerdings nur dann, wenn Insellösungen zum Einsatz kommen oder die traditionellen Feldbussysteme langfristig weiter betrieben werden. Verfolgt ein Unternehmen dagegen ein ganzheitliches Konzept, überwiegen Synergieeffekte wie ein einheitliches Management per SNMP oder eine durchgängige Sicherheitspolitik. Zudem eröffnen sich mit der Verfügbarkeit von Produktionsdaten in Echtzeit auf den Applikationsebenen (etwa SAP-Software) neue Möglichkeiten wie die Just-in-Sequence-Produktion oder die Verknüpfung von global verteilten Fertigungsstätten zu einem Produktionsverbund.