Presseberichte

02/2007 | elektro Automation

Antworten auf drängende Praxis-Fragen

Die treibenden Fragen im Produktions- und Automatisierungsumfeld

Gleich mehrere Themen bewegen derzeit den Entscheider im Automatisierungsumfeld. Zum einen die Qual der Wahl der richtigen Komponenten im Industrial-Ethernet-Umfeld und zum anderen der Zwang zu einheitlichen, ganzheitlichen Strukturen im gesamten Unternehmen. Gerade hier ist eine Zusammenarbeit mit allen Bereichen und Gewinnung von Synergien durch eine Verschmelzung der unterschiedlichen Prozesse und damit letztendlich der verbundenen Technik gefragt. Hartwig Bazzanella betrachtet nachfolgend den ersten Teil dieser Aufgabe und beantwortet die Frage nach den richtigen Komponenten im Industrial-Ethernet-Umfeld.

Grundsätzlich stellt sich die Frage nach dem Einsatzzweck. Ist hier lediglich eine Ablösung der bisherigen Technik wie LON, Profibus usw. angedacht oder sollen gänzlich neue Aufgabenbereiche durch eine Technik wie Real Time Ethernet überhaupt erst ermöglicht werden, wie es z.B. in der Druckerei-Industrie und bei Robotern durchaus vorkommen kann? Im zweiten Fall ist die Frage der Kategorisierung nach den folgenden drei Kriterien unerlässlich:

  • Open Ethernet
  • Real Time Ethernet
  • Isochronous Ethernet

Speziell im Fertigungsbereich, der die Echtzeitfähigkeit im Prozess durch entsprechende Qualität of Service(QoS)-Funktionalitäten unterstützt, wird Wert auf „Real Time Ethernet" gelegt. Legt man hierzu die QoS-Definitionen der ITU zu Grunde, so sind zwei Bereiche interessant:

  • Timeless QoS mit Beschreibung der Dienstgüte in Abhängigkeit zeitlicher Aspekte der Übertragung. Hier sind die Parameter Höhe des Datendurchsatzes, Latenzzeit und Jitter gemeint.
  • Connectivity QoS für die Dienstgüte im Hinblick auf den Kopplungsgrad an das dienstanbietende Netz

Der wie erwähnt in der Fertigungsindustrie sehr wichtige Bereich „Echtzeitfähigkeit" lässt sich über folgende Begriffe definieren:

  • Latenzzeit ist die absolute Verzögerungszeit bei der Übertragung.
  • Jitter definiert die zeitliche Schwankung und Abweichung vom Sollwert bzw. von der Verzögerungszeit.
  • Der Durchsatz beschreibt die zu übertragende Datenmenge innerhalb einer festgelegten Zeiteinheit.
  • Synchronität ist verantwortlich für die Gleichzeitigkeit von Aktionen.
  • Laufzeit, Zykluszeit, Reaktionszeit definieren die zeitliche Obergrenze, die in keinem Fall überschritten werden darf.

Damit ist das Thema „Real Time" definitiv ein QoS-Thema. In diesem Zusammenhang wurden auf Basis der genannten Begriffe entsprechende Klassifizierungen festgelegt.

Echtzeit ist nicht alles
Das Thema „ Real Time" darf aber nicht überbewertet werden, wie derzeit teilweise festzustellen ist. QoS ist lediglich ein spezielles Thema und natürlich entsprechend zu behandeln, aber es darf nicht der vorherrschende Gedanke für ein komplettes Netzwerkdesign sein. Lediglich die Klasse 1 ist problematisch und mit konventioneller Technik nicht umsetzbar. Hier gibt es z.B. Lösungen wie der Einsatz von Ertec 200 oder 400, der als Asic diese Problematik im Isochronous Ethernet im Profinet löst. Das Einsatzpotenzial liegt allerdings als Spezialbereich in einer geschätzten Größenordnung von 5%. Die Klassen 2 und 3 lassen sich ohne diese Speziallösung über standardisierte QoS/CoS-Methoden (CoS = Class of Service) im Traffic Engineering (TE) lösen. Hier ist darauf zu achten, ob die Hersteller dazu entsprechende Lösungen anbieten. Dieser Aspekt wird derzeit noch recht wenig berücksichtigt und sollte schnell nachgeholt werden. Aktuell liegt dieser Bereich begründet durch die fehlenden Komponenten bei ca. 10%, Die Klasse 4 stellt die Allerweltsklasse dar, die mit ganz normalen Ethemet-Produkten umgesetzt werden kann. Derzeit liegen sicherlich 70 bis 80 % der laufenden Anwendungen in diesem Bereich, was die eher zögerliche Umsetzung von TE-Methoden erklärt. Hier ist der Markt eher konservativ und setzt die neuen Möglichkeiten nur langsam um.

Insgesamt bedeutet dies, dass sich der Markt vom Bereich Open Ethernet in den Real-Time-und Isochronous-Ethernet-Markt verschieben wird. Der Schwerpunkt liegt aber im Bereich Real Time mit den TE-Methoden für QoS und CoS. Ob aus diesem Grund Komponenten aus dem Bereich Isochronous Ethernet beschafft werden müssen, um die Anforderungen im Real Time Ethernet zu befriedigen, bleibt jedem selbst überlassen.

Im Augenblick erweist sich das Thema der massiven Ausweitung der benötigten Ports unter Berücksichtigung von Aktoren und Sensoren in Industrial-Ethernet-Technik als wichtiger Aspekt. Es ist mittlerweile jedem bewusst, dass die Verbreitung von Ethernet im industriellen Umfeld ganz anders zu bewerten ist als im Office-Bereich. Neben der Verfügbarkeit und den Umgebungsbedingungen ist die Anzahl der zu berücksichtigenden Komponenten um den Faktor 10 bis 100 höher. Sollte es zukünftig ein Faktor 1000 werden, so bitte ich bereits heute um Nachsicht. Das heißt, hier sind neben der hohen Anzahl der benötigten Ports weitere Punkte wie die Verwaltung der IP-Adressen bei zigtausend Endgeräten zu berücksichtigen. Dies ist bereits heute ein wichtiges Thema und wird in den nächsten Jahren dramatisch wichtiger werden. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass derzeit ein sehr hoher Anteil der industriellen Anwender IP-Adressen per Hand konfigurieren und eine automatische Verwaltung aus betrieblichen Gründen abgelehnt wird. Hier ist nicht nur eine technische Fragestellung zu beantworten, sondern auch eine betriebliche Anforderung, die in manchen Unternehmen durchaus ein KO-Kriterium darstellt. .

Neue Techniken - lO-Link
Um das Thema der hohen Port-Anzahl ein wenig zu entschärfen, sollte der auf der Hannovermesse 2006 vorgestellte IO-Link in der Auswahl von lE-Switches durchaus berück-sichtigt werden. IO-Link wurde geschaffen, um eine sehr hohe Anzahl von Sensoren und Aktoren mit einfachsten Mitteln kostengünstig anzubinden. Ein Auszug aus den Key-Features zeigt sehr schnell die Vorteile beim Einsatz in diesem Umfeld, u.a.:

  • Vereinheitlichung der Schnittstellen
  • serielle Kommunikation
  • Punkt-zu-Punkt-Verkabelung
  • keine geschirmten Kabel, sondern Verwendung von Standard-Sensor/Aktorkabeln, d.h. es wird lediglich ein einfaches ungeschirmtes 3-adriges Standardkabel verwendet
  • keine mehrpoligen (z.B. 8-polige) Steckverbinder
  • keine zusätzlichen Eingänge z.B. für Diagnose
  • direkter Dialog mit dem Sensor z.B. zur Parametrierung

IO-Link schließt die Kommunikationslücke zwischen der I/O-Ebene und den Aktoren/Sensoren. Somit werden kostengünstigere Anbindungen mechatronischer Geräte sowie Zusatzfunktionalität wie Diagnose oder Plug&Work ermöglicht, ohne dabei die Geräte im Feld mit zusätzlichen Aufwänden zu verteuern. Der IO-Link-Vorteil „Reduzierung von Verdrahtungsaufwand und Installationskosten" - möglichst bei gleichzeitiger Erweiterung von Diagnose-Funktionen - ist z.B. speziell in der Sicherheitstechnik hoch aktuell. Wenn ein PNO-Arbeitskreis ein solches Projekt in Angriff nimmt, wird wie bei Profinet eine hohe Zahl von Anwendungen erwartet. Die vielen bereits heute beteiligten Firmen zeigen deutlich, welch starkes Interesse hier besteht. Das wiederum bedeutet, dass eine Entscheidung für lndustrial-Ethernet(IE)-Switches stark vom Einsatz solch einer neuen Technik abhängt. Fällt die Entscheidung klar auf ja und nicht auf Ethernet basierende Sensoren und Aktoren, können IE-Switches mit einer „normalen" Anzahl von Ports beschafft werden, da dieser Aspekt im Bereich der Aktoren und Sensoren keine so dominante Rolle mehr spielt.

Fazit
Es lassen sich einige wesentliche Punkte bei der Entscheidung für den lE-Switch zusammenfassen. Erstens ist die Kategorisierung in die Einsatzgebiete Open Ethernet, Real Time Ethernet bzw. Isochronous Ethernet wesentlich. Hierbei sollte bedacht werden, dass eine homogene Gerätestruktur im Unternehmen für einen wirtschaftlichen Betrieb sehr sinnvoll ist. Damit wäre eine Gerätefamilie wünschenswert, bei der die unterschiedlichen Anforderungen durch den Einsatz verschiedener Module gewährleistet ist. Muss z.B. ein Spezialbereich für Iso-chronous Ethernet ausgestattet werden, sollte deshalb nicht gleich das ganze Pro-duktionsumfeld damit ausgerüstet werden, nur um eine homogene Struktur zu schaffen. Zweitens ist Wert auf die Möglichkeit der QoS- und CoS-Methoden zu legen, damit die Real-Time-Anwendungen der Klasse 2 und 3 umgesetzt werden können. Wie das Beispiel von IO-Link zeigt, können solche neuen Techniken durchaus als Ergänzung zum homogenen lE-Einsatz gesehen werden. Es muss nicht jeder Aktor und Sensor IP-fähig sein, es geht durchaus auch anders und ggf. auch wirtschaftlicher. Damit wird das Problem der hohen Anzahl von IE-Anschlüssen mit dem damit zusammenhängenden IP-Adress-Management etwas reduziert.

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