Kommunikation für Industrie 4.0

Anforderungen von Industrie 4.0 und Stand der Technik

Kommunikation spielt für die Umsetzung von Industrie 4.0 eine entscheidende Rolle. Ein Schlüssel dazu sind Ethernet-basierte Bussysteme. In den letzten 15 Jahren haben sie einen wahren Siegeszug in der Automatisierungstechnik angetreten. Es gibt kaum einen Hersteller oder Anwender der nicht auf das Bussystem aus der IT-Welt setzt. Mit Industrie 4.0 ist der Zug noch schneller geworden.

Kommunikation in Industrie 4.0

Betrachtet man die Kommunikationsanforderungen an Industrie 4.0 dann spielen Echtzeit-Datenübertragung und Integration zur Informationstechnologie eine zentrale Rolle. Die Diskussion um BigData, Cloud Services und Machine Learning ist ohne eine leistungsfähige Kommunikationsinfrastruktur nicht möglich. Ergänzend um die vielfältigen Anforderungen rund um das Thema „Daten“ steht die Herausforderung „Echtzeit-Kommunikation“ im Mittelpunkt. Hier scheiden sich die Geister. Echtzeit in der Automatisierungstechnik und Echtzeit in der Servicewelt sind so Grund verschieden, dass es immer wieder zu Missverständnissen und Irritationen führt.

    Abb. 1.: Kommunikation und Cloud-Services sind zentraler Faktor für Industrie 4.0 [Quelle: Microsoft]

    Für die IT-ler ist die Welt noch in Ordnung. Das was für „Echtzeit“ Banktransaktionen reicht, sollte doch auch für Echtzeit in der OT (Operational Technologie) ausreichen. Doch weit gefehlt. Die Anforderungen liegen derart weit auseinander dass sich sogar die Kommunikationstechnologien auf Hardwareebene in andere Richtungen entwickeln. Dieses liegt an zwei wesentlichen Faktoren.

    1. Ethernet wird als Synonym für interoperable Kommunikation verwendet. Das ist auf der physischen Ebene richtig, aber zunehmend sind unsere Kommunikationsgeräte gar nicht mit Ethernet-Schnittstellen ausgerüstet, sondern mit WIFI, 3G, LTE oder in Zukunft mit 5G Kommunikationsstandards. Diese Schnittstellen werden zwar meistens im Backbone auf Ethernet zusammen gefasst, aber es sind eigene Technologien. Tatsächlich ist Ethernet aber eine Punkt-zu-Punkt Kommunikation zwischen zwei Endpunkten, die auf dem ISO-OSI-Layer 2 realisiert ist und in der Automatisierungstechnik für ein mehr oder weniger deterministisches Zeitverhalten sorgt.
    2. Durchgängigkeit wird hingegen durch das ISO-OSI-Layer 3 und 4 mit der TCP/IP Protokollfamilie realisiert. Hier geht es um das Finden von Rechnern in einem hierarchischen Netzwerk, was IP realisiert und um den Austausch von Diensten oder Services und der Bereitstellung genau definierter Anwendungsschnittstellen das ist die Aufgabe der Transportschicht mit der TCP-Protokollfamilie. Hier spielt der physikalische Transport keine Rolle mehr. Es geht ausschließlich um die Serviceschnittstellen und die bereit gestellten Dienste.

    Abb. 2.: Ethernet ist Basis von vielem – Durchgängigkeit in der Automation wird durch die TCP/IP Protokollfamilie realisiert

    Noch deutlicher wird die Herausforderung, wenn man die Industrie 4.0 Entwicklungen und Referenzarchitektur betrachtet. Hier wird klar differenziert zwischen der Service-orientierten I4.0-Kommunikation und deterministischer Echtzeit-Kommunikation. Den Arbeitsgruppen ist es völlig klar, dass Echtzeit und Durchgängigkeit zwei vollkommen unterschiedliche Aspekte sind, die es zu lösen gilt. Es ist also nicht trivial zu entscheiden, was die richtige Technologie ist. Offensichtlich ist, das zumindest die I4.0 konforme Kommunikation über TCP/IP abgewickelt wird. Naheliegend ist dann auch die Nutzung von Ethernet als Basiskommunikation. Oder jede andere Hardwaretechnologie die in der Lage ist TCP/IP Kommunikation zu transportieren. Das ist ein weiterer Grund warum WiFi und 4G und im Besonderen die neu aufkommenden 5G Standards für I4.0 Kommunikation eine große Rolle spielen werden. Unter Industrie 4.0-konformer Kommunikation versteht man in erster Linie ein Kommunikationsmedium, welches in der Lage ist Rechner zu finden und Services anzubieten und zu konsumieren. Und hierbei spielt der TCP/IP Protokollstapel eine entscheidende Rolle.

    Abb. 3.: Die Referenzarchitektur Industrie 4.0 macht es deutlich, deterministische Echtzeit-Kommunikation und Industrie 4.0 Service-Architektur sind was anderes  [Quelle: RAMI4.0]

    Das man auch für den Rest der Kommunikation Ethernet verwenden möchte ist naheliegend – doch so einfach ist das nicht. Ethernet „von der Stange“ hat spezifische Eigenschaften und die widersprechen den Anforderungen einer deterministischen Reaktion im µSec-Bereich. Auch das ist hinlänglich bekannt und der Grund für Hersteller-spezifische Lösungen. Ethercat, Powerlink, Profinet oder Sercos III basieren zwar in gewisser Weise auf Ethernet – aber sie sind nicht IT-kompatible Standards. Sie lösen alle Zusammen das Thema „Durchgängkeit“ und „Echtzeitfähigkeit“ – aber jede Technologie auf ihre Art.

    Warum Ethernet?

    Jeder redet von Ethernet, aber „das“ Ethernet gibt es gar nicht. Ethernet beschreibt ein Bussystem welches eine phänomenale Evolution in den letzten 40 Jahren vollzogen hat. Es ist eng verbunden mit Robert Metcalfe und dem Xeroc Palo Alto Research Center (PARC). Metcalf entwickelte mit seinem Team über mehrere Jahre das „Ethernet“ als firmenspezifisches Protokoll. 1976 veröffentlichte er einen ersten grundlegenden Artikel zusammen mit David Boggs „Ethernet: Distributed Packet Switching For Local Computer Networks“ [1]. 1979 gründete Metcalfe die Firma 3COM und konnte DEC, Intel und Xerox überzeugen, Ethernet zu einem gemeinsamen Standard zu entwickeln. Dieser Backbone basierte Ansatz, häufig auch als DIX bezeichnet, führte 1980 zu einer entsprechenden Initiative und gipfelte 1985 in der Normung der IEEE 802.3. Mit der Standardisierung begann eine herausragende Entwicklung in den letzten 30 Jahren. Vergleichbar zum Moorschen Gesetz in der Halbleiterindustrie, der die Verdopplung der Rechenleistung alle 18 Monate beschreibt, kann nur Ethernet eine vergleichbare Performancesteigerung bei Kommunikationssystemen vorweisen. Mit etwa einer Verzehnfachung alle 5 Jahre ist der Anstieg an Kommunikationsleistung signifikant. Ein Ende dieser Entwicklung ist nicht abzusehen, ein Grund warum Ethernet als universelles Kommunikations–medium so interessant ist und sich stetig neu erfindet.

    Abb. 4.: Eine Verzehnfachung der Kommunikationsleistung in 5 Jahren – das schafft nur Ethernet.

    Automatisierungstechnik

    Gerade für automatisierungstechnische Anwendungen sollte man sehr genau wissen, welche Kommunikationsanforderungen tatsächlich vorliegen. Nur so kann man optimal eine zukunftssichere Strategie entwickeln und die richtige Technologie einsetzen. In der IEC 61784-2 werden ganz allgemein Echtzeitklassen (RTC Realtime Class) anhand der Reaktionszeit definiert. Die Echtzeitklasse RTC 1 ist quasi Ethernet mit TCP/IP von der Stange, wobei alleine die Anforderungen der begrenzten Netzwerke die notwendige Reaktionszeit von um die 100 msec ermöglicht. In vielen Anwendungen, gerade im Bereich Mensch-Maschine-Schnittstelle ist dieses hinreichend.

    Konventionelle Automatisierungslösungen mit Zykluszeiten unterhalb von 10 msec werden in der RTC 2 als „normale Automatisierungsfunktionen“ bezeichnet. Nach einer Studie von Siemens sind das knapp 80% aller Automatisierungsanforderungen. 

    Der Trend zu immer schnelleren Maschinen und Anlagen mit neuen Technologien  erfordert jedoch deutlich verschärfte Anforderungen. Diese werden durch die RTC 3 abgedeckt. Diese ermöglicht in erster Linie hoch synchrone Echtzeitanwendungen mit Zykluszeiten kleiner 1 msec und einen Jitter von kleiner 1µsec. Diese Performancewerte sind mit konventionellen Switched-Ethernet Technologien nicht realisierbar. Alleine durch die Latenz- und Forewardingzeiten sind die geforderten Zeiten nicht einzuhalten.

    Abb. 5.: Eine Verzehnfachung der Kommunikationsleistung in 5 Jahren – das schafft nur Ethernet.

    Fazit

    Echtzeitverhalten in Ethernet-Netzwerken bekommt man nicht geschenkt. Die aus dem Officebereich bekannten Techniken reichen bestenfalls die Echtzeitklasse 1. Selbst für Anwendungen der Klasse 2 müssen zusätzliche Randbedingungen eingehalten werden um die notwendigen Randbedingungen einzuhalten:

    • Die Netzlast ist soweit zu reduzieren, dass eine Bildung von Warteschlangen möglichst unwahrscheinlich wird.
    • Alternativ kann eine zentrale Koordination bei der Verwaltung der Netzlast helfen, die eine dedizierte Planung der Bandbreite zulässt.
    • Kollisionen treten bei der Fullduplex-Kommunikation nicht auf. Hierbei spielt nur die zeitliche Verzögerung eine Rolle. Eine deutlich verbesserte  Vorhersagegenauigkeit schaffen hier gemanagte Switches, die eine definierte Datenrate für einen oder mehre Ports reservieren können, oder eine Priorisierung der Nachrichten ermöglichen.

    Es ist offensichtlich, dass Ethernet aus der IT-Welt kein Allheilmittel für die Automatisierungstechnik darstellt. Ganz im Gegenteil. Man löst das Problem „Durchgängigkeit“ durch eine Service-orientierte TCP/IP Kommunikation und gleichzeitig schafft man sich neue Herausforderungen bei der deterministischen Kommunikation – der Automatisierungs-Echtzeit.

    Autor

    Prof. Dr. Jörg Wollert
    FH Aachen - University of Applied Sciences

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