Optische Netzwerke für den Industrieeinsatz
Datenautobahn in die Feldebene
In der Ära von Industrie 4.0 reicht es nicht mehr aus, dass die Maschinen nur mit den Steuerungen kommunizieren, sondern sie müssen dies auch untereinander tun. Ergo: Die Kommunikation und die Datenraten nehmen zu. Mit Lichtwellenleitern (LWL) lassen sich in nahezu allen Automatisierungsanwendungen große Datenmengen mit geringer Latenz schnell übertragen.
Bild: EKS Engel CS GmbH & Co. KGWenn etwa eine Bearbeitungsmaschine erkennt, dass ein Produkt fehlerhaft ist, soll sie künftig nicht nur den Herstellungsprozess kurz unterbrechen, sondern auch andere daran beteiligte Maschinen darüber informieren. Sortiert man Produkte dagegen erst zum Schluss aus, werden unnötig Ressourcen verschwendet. Zudem lassen sich durch eine umfassende Vernetzung von Maschinen deren Daten in IT-Systemen analysieren. Dadurch kann beispielsweise der Verschleiß von Komponenten in Echtzeit ermittelt und bei Problemen sofort eingegriffen werden, um einen Anlagenstillstand zu vermeiden.
Bild: EKS Engel CS GmbH & Co. KGKupfer stößt an Grenzen
Kupferbasierte Infrastrukturen stoßen in solchen Szenarien schnell an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit. Dagegen können mit Lichtwellenleitern, die sich heute in nahezu allen Automatisierungsanwendungen einsetzen lassen, große Datenmengen mit geringer Latenz schnell übertragen werden. Denn aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften spielen etwa Bandbreiten, Entfernungen und elektromagnetische Störfelder so gut wie keine Rolle. Zudem sind LWL leichter als Kupferkabel und lassen sich mit neuer Technik deutlich einfacher im Feld anschließen als früher.
Offene Standards
Um eine durchgängige Datenkommunikation von der Maschine bis in die Cloud zu gewährleisten, werden künftig IP-basierte Protokolle eingesetzt, vor allem Ethernet und verwandte proprietäre Technologien wie Profinet, Ethernet/IP und Ethercat. Damit die Geräte verschiedener Hersteller miteinander kompatibel sind, bedarf es allerdings offener Standards, die alle heutigen Anforderungen der Automatisierung erfüllen. Ein vielversprechender Ansatz ist OPC UA, das in Verbindung mit Time-Sensitive Networking (TSN) auch Anwendungen mit harter Echtzeit ermöglichen soll. Ein anderer Ansatz ist die 5G-Technologie, mit der zahlreiche maßgeschneiderte Lösungen umgesetzt werden sollen, die sich reibungslos in Insellösungen integrieren lassen. Jedoch werden bewährte Feldbussysteme wie Profibus und Modbus nicht völlig vom Markt verschwinden, sondern unter dem Gesichtspunkt des Investitionsschutzes nach wie vor in älteren Anlagen eingesetzt werden.
Bild: EKS Engel CS GmbH & Co. KGRaue Umgebungsbedingungen
Für die Übertragung der Daten sind Ethernet-Switches erforderlich, die die elektrischen Signale in optische wandeln und umgekehrt. Damit diese Geräte, die sozusagen das Herzstück optischer Netzwerke bilden, den rauen Umgebungsbedingungen der Industrieautomatisierung standhalten, sind sie robust konstruiert. Die meisten Fehler beruhen jedoch nicht auf technischem Versagen, sondern einer schleichenden Zunahme der Dämpfung von LWL-Strecken, etwa durch Staub und Schmutz, lockere Steckverbindungen oder mechanische Beanspruchung. Irgendwann reicht das Budget (Differenz aus Sendeleistung und Empfangsempfindlichkeit) der Switches nicht mehr aus, um die Dämpfung zu überbrücken. Das ließ sich bisher nur durch aufwändige Messungen herausfinden. Mit FiberView gibt es jetzt jedoch ein Monitoring-System, das in die Switches integriert wird und über eine webbasierte Bedienoberfläche anzeigt, ob das Budget im grünen, gelben oder roten Bereich liegt. Mit anderen Worten: Das Ampelprinzip ermöglicht es zu handeln, bevor eine LWL-Strecke ausfällt.
Hochverfügbare Prozesse
Darüber hinaus sollten die Switches Redundanzverfahren unterstützen, die durch schnelle Umschaltzeiten eine hohe Netzverfügbarkeit gewährleisten. Wenn jedoch mehrere Fehler gleichzeitig auftreten (Multiple Points of Failure), ist eine Unterbrechung der Datenübertragung vorprogrammiert. Davor kann letztlich nur die optische Bypass-Technologie schützen, die direkt bei den Netzteilnehmern ansetzt. Fällt einer aus, sorgt der Bypass dafür, dass die Datenkommunikation zwischen benachbarten Teilnehmern aufrechterhalten wird. Deshalb ist nur die Anwendung betroffen, die über den ausgefallenen Teilnehmer gesteuert wird. Das übrige Netzwerk bleibt dagegen physikalisch bestehen und damit funktionstüchtig, und zwar auch dann, wenn der Bypass selbst keinen Strom mehr bekommt.
LWL-Anbindung der Feldebene
Im Backbone werden heute bereits vorwiegend LWL eingesetzt. Angesichts der Flut von Informationen, die künftig übertragen werden müssen, spricht alles dafür, diese Datenautobahnen bis in die Feldebene der Netzwerke zu verlängern und nicht allerlei Kunstgriffe anzuwenden, um auch den letzten Rest an Performance aus kupferbasierten Infrastrukturen herauszuholen.
In der Ära von Industrie 4.0 reicht es nicht mehr aus, dass die Maschinen nur mit den Steuerungen kommunizieren, sondern sie müssen dies auch untereinander tun. Ergo: Die Kommunikation und die Datenraten nehmen zu. Mit Lichtwellenleitern (LWL) lassen sich in nahezu allen Automatisierungsanwendungen große Datenmengen mit geringer Latenz schnell übertragen.
Bild: EKS Engel CS GmbH & Co. KGWenn etwa eine Bearbeitungsmaschine erkennt, dass ein Produkt fehlerhaft ist, soll sie künftig nicht nur den Herstellungsprozess kurz unterbrechen, sondern auch andere daran beteiligte Maschinen darüber informieren. Sortiert man Produkte dagegen erst zum Schluss aus, werden unnötig Ressourcen verschwendet. Zudem lassen sich durch eine umfassende Vernetzung von Maschinen deren Daten in IT-Systemen analysieren. Dadurch kann beispielsweise der Verschleiß von Komponenten in Echtzeit ermittelt und bei Problemen sofort eingegriffen werden, um einen Anlagenstillstand zu vermeiden.
eks Engel FOS GmbH & Co. KG
Dieser Artikel erschien in INDUSTRIAL COMMUNICATION JOURNAL 2 2019 - 15.05.19.Für weitere Artikel besuchen Sie www.sps-magazin.de
