Die Lösungsmöglichkeiten hinsichtlich der Industriellen

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1 Industrielle Kommunikation im Einsatz ANWENDUNGSSPEZIFISCH Die industrielle Kommunikation verläuft mittlerweile über zahlreiche unterschiedliche Lösungen, die großteils ursprünglich von herstellenden Industriebetrieben entwickelt wurden und heute über Nutzergruppen oder Organisationen weiterentwickelt werden. Um einen kleinen Überblick zu den aktuell im europäischen Raum eingesetzten Protokolle zu gewähren, haben wir uns bei einigen Automatisierungsspezialisten auf dem Markt umgehört und die jeweiligen Verantwortlichen über die»hauseigenen«kommunikationssysteme befragt. Die Lösungsmöglichkeiten hinsichtlich der Industriellen Kommunikationstechnik sind sehr vielfältig. In den meisten Fällen entscheidet sich je nach Anwendung, welches Sys - tem am Sinnvollsten einzusetzen ist. Ein Großteil der Systemlieferanten bietet neben den im Anschluss vorgestellten Protokollen auch andere Systeme und Lösungen an. Selbstverständlich können wir mit der folgenden Auflistung nicht den Anspruch der Vollständigkeit erfüllen; wir versuchen aber hier, die gängigsten Protokolle vorzustellen. Je nach Anwendung hat einmal das eine, mal das andere System die Nase vorn... B&R Stefan Schönegger Business Manager Open Automation Technologies POWERLINK opensafety Verfahren: Einzeltelegramm Software Software Offenheit: Yaskawa, Schneider, ABB, KEB, Baumer, Sick, Advantech Sicherheitsdaten: JA, mit opensafety Haupteinsatzgebiet: Maschinenbau/Fabrikautomation/Transporttechnik/Antriebstechnik/Erneuerbare Energien etc. Schönegger: POWERLINK verwendet Standard Ethernet nach IEEE802.3 als Übertragungsmedium. Ein Master, der sogenannte Managing Node, sorgt für einen geordneten Ablauf der Kommunikation und teilt jedem Slave einen fixen Timeslot pro Zyklus zu. Damit wird die Echtzeitfähigkeit erreicht. Eine asynchrone Phase ermöglicht die Integration von TCP/IP-Daten oder der Inbetriebnahme von modularen Maschinenteilen zur Laufzeit. Schönegger: POWERLINK bietet harte Echtzeit für hochdynamische Servo-Applikationen bei uneingeschränkt freier Wahl der Topologie durch den Kunden. Hot-Plug, Multi-Master-Lösungen, modulare Maschinenkonzepte und kostengünstige Redundanz sind ebenso ein integraler Bestandteil von POWERLINK. Schönegger: Wir sehen diesen Trend sehr positiv, da Wirelesstechnologien einige offensichtliche Vorteile mit sich bringen. Allerdings darf man auch nicht vergessen, dass alle aktuell verfügbaren Technologien nicht für zeitkritische Anwendungsgebiete eingesetzt werden können, da dies Auswirkungen auf die Verfügbarkeit der Anlage haben kann. Generell benötigt der Einsatz von Wireless sehr viel Know-how beim Anwender, um die Technologie auch zufriedenstellend nutzen zu können. Beckhoff Armin Pehlivan Geschäftsführer Beckhoff Automation GmbH, Österreich EtherCAT (zudem bietet Beckhoff mehr als 20 weitere etablierte Feldbusanschaltungen an) Verfahren: Summenrahmen, On-the-fly-Verarbeitung Software mit Standard-MAC-Controller (EtherCAT Slave Controller) Offenheit: EtherCAT ist offen für alle. EtherCAT ist internationaler Standard IEC Type 12. In der EtherCAT Technology Group sind etwa Unternehmen aus nahezu allen Branchen vertreten, denn die Technologievorteile von EtherCAT sind in allen Industriezweigen gefragt, und der Bedarf daran steigt ständig. - Mehr als 80 Antriebshersteller - Mehr als 100 Masteranbieter (auf 26 Betriebssytemen) - Mehr als 50 I/O-Hersteller Sicherheitsdaten: JA, Safety-over EtherCAT-Protokoll Haupteinsatzgebiet: Maschinenbau/Fabrikautomation/Prozessautomation/Transporttechnik/Antriebstechnik/Erneuerbare Energien/Logistik Pehlivan: Der EtherCAT-Master versendet über eine Standard-Ethernet Schnittstelle einen EtherCAT-Frame (IEEE 802.3) mit den Ausgangsdaten für alle Teilnehmer. 45

2 AUTlook 3-4/11 TECHNOLOGY Industrielle Kommunikation KOLUMNE OPC UA IM ANMARSCH Dipl.-Ing. Andreas Pfeiffer Buxbaum Automation GmbH Büro Mitte Tel.: / Fax: / Wenn es darum geht, Steuerungen und Produktionsanlagen mit der IT zu verbinden, wird gerne OPC als Middleware verwendet. Ganz unabhängig vom Netzwerk, Feldbus oder Steuerungshersteller erlaubt OPC den Datenaustausch zwischen dem Automatisierungssystem und Geschäftsanwendungen oder Leitsystemen. Nachteile der klassischen OPC-Technik, so wie sie heute in tausenden Anlagen rund um den Globus im Einsatz ist, sind die enge Verknüpfung mit dem Windows-Betriebsystem, ein erheblicher Konfigurationsaufwand bei OPC-Verbindungen über Netzwerke und potenzielle Sicherheitslücken, bei mangelhafter Konfiguration. Um komplexere OPC-Installationen reibungsfrei zu realisieren sind sowohl IT als auch Automatisierungs-Know-how notwendig. Die neue OPC-Generation OPC UA (Unified Architecture) verspricht diese Nachteile zu beseitigen und bietet noch mehr Vorteile: OPC UA läuft auf beliebigen Betriebssystemen, auch direkt auf der SPS. Es gibt nur mehr einen OPC-Standard für jede Art von Datenaustausch (Prozessdaten, Alarme, historische Daten). Moderne Sicherheitsmechanismen sind ein integraler Bestandteil von OPC UA. Flexible Datenübertragung ist mit oder ohne Web- Technik möglich. Viele Gerätehersteller arbeiten heute bereits fleißig an ihren OPC-UA-Implementierungen. Erste Softwareund komponenten wurden auch schon auf Messen gesichtet. Roadmaps und Tipps zur Migration aktueller OPC-Installationen auf OPC UA sind vorhanden. Man darf davon ausgehen, dass OPC UA mittelfristig das klassiche OPC ergänzen und ersetzen wird, und dass OPC UA auch in ganz neue Anwendungsbereiche eindringen wird. Um für den großen Roll-out gerüstet zu sein, sollten Sie sich daher schon heute mit OPC UA intensiver auseinandersetzen. Damit Sie einen raschen und kompletten Überblick über die neuen Möglichkeiten von OPC UA bekommen, planen wir im Mai und Juni eine OPC UA Roadshow durch Österreich. Wenn Sie Interesse haben und wissen wollen, wann wir in Ihrer Nähe sind, schreiben Sie mir einfach unter Der EtherCAT Slave Controller in jedem Teilnehmer bis hinunter zur I/O-Klemme entnimmt die für das Gerät bestimmten Daten, während das Telegramm durchläuft. Ebenso werden Eingangsdaten im Durchlauf in den Datenstrom eingefügt. Die Telegramme werden, bei einer Verzögerung um nur wenige Nanosekunden, bereits weitergeschickt. Der Slave erkennt für sich bestimmte Kommandos und führt sie entsprechend aus. Der Vorgang findet hardwareimplementiert im Slave Controller statt und ist daher unabhängig von den Softwarelaufzeiten der Protokollstacks oder der Prozessorleistung. Der letzte EtherCAT-Slave im Segment schickt das bereits vollständig verarbeitete Telegramm zurück, sodass es vom ersten Slave quasi als Antworttelegramm zur Steuerung gesendet wird. Dieses Telegramm enthält alle Eingangsdaten der Teilnehmer. Ein neues Prozessabbild aller Teilnehmer kann also mit einem einzigen EtherCAT-Telegramm zyklisch durchgeführt werden. Pehlivan: Die Vorteile ergeben sich aus den Technologieeigenschaften: Mit EtherCAT lassen sich bei der Datenübertragung Zykluszeiten bis 100 Mikrosekunden und darunter erreichen. Der Topologie von Datennetzwerken sind praktisch keine Grenzen gesetzt, so dass man auch sehr ausgedehnte und komplexe Anlagen betreiben kann. Die EtherCAT-Slave-Anschaltkosten erreichen Feldbusniveau und liegen teilweise darunter. Außerdem zwingen wirtschaftliche Gründe nicht zum Einsatz von Proxies oder Gateways, so dass auch die Infrastrukturkosten und das ist für die Anwender wichtig ebenfalls sehr gering sind. Der Anwender der Technologie eröffnet sich dadurch für seine Maschine eine Effizienzsteigerungen zu zum Teil niedrigeren Kosten und damit konkrete Wettbewerbsvorteile. Neben den Technologievorteilen sind die Offenheit des Systems und die Wahrung der Kompatibilität bis heute gibt es nur eine Version V1.0 entscheidend für den Erfolg das Ergebnis der ETG-Aktivitäten. Pehlivan: Für die Vernetzung von Steuerungen und Teilnehmern ohne harte Echtzeiteigenschaften sind Wireless-Verbindungen über Bluetooth oder WLAN geeignet. EtherCAT hat hierfür eine Lösung, die auf Standard-Ethernet basiert: das EtherCAT Automation Protocol. Damit können Anlagenteile untereinander und mit übergeordneten Steuerungen auf Basis der bekannten Mechanismen zur Konfiguration der Geräte und zur zyklischen Kommunikation im Millisekundentakt untereinander vernetzt werden. Für den kurzzyklischen, deterministischen Transfer von Daten, wie er auf der I/O- Ebene benötigt wird, reicht aber die Performance von Bluetooth oder WLAN häufig nicht aus. Zudem kann durch die Nutzung des Mediums Luft durch viele (nicht bekannte) Teilnehmer die Zuverlässigkeit der Verbindung über die Laufzeit der Maschine nicht immer gewährleistet werden. Bosch Rexroth Karl-Friedrich Rauterberg Bereichsleiter Entwicklung Automationssysteme SERCOS III (zudem bietet Bosch Rexroth auch SERCOS 2, Profibus, Profinet, EtherNet/IP an) Verfahren: Summenrahmentelegramm Hinweise: Softmasterlösungen sind generell am Markt verfügbar Für Masteranschaltungen gibt es auch Unterstützung auf Basis von Open Source Komponenten 46

3 Offenheit: SERCOS wird international aktiv unterstützt von über 50 Steuerungs- und über 30 Antriebsherstellern. Wichtiger Hinweis: Bei der SERCOS Technologie ist eine Nutzung/Implementierung nicht mit einer Mitgliedschaft bei SERCOS International verbunden. Sicherheitsdaten: JA: CIP Safety on SERCOS Haupteinsatzgebiet:Maschinenbau/Fabrikautomation/Antriebstechnik Rauterberg: SERCOS III ist die dritte Generation der SERCOS-Interface- Reihe nach IEC/EN auf der Basis von Standard-Ethernet IEEE SERCOS III verbindet die bewährten Mechanismen mit der Physik und dem Protokoll von Ethernet. Ein kollisionsfreier Echtzeit-Kanal überträgt mit hoher Protokolleffizienz die von SERCOS definierten Telegramme. Unabhängig von diesem Echtzeit-Kanal können in einem abgetrennten Kanal (Zeitschlitz) beliebige andere Ethernet-Telegramme und IP-basierte Protokolle wie z. B. TCP/IP und UDP/IP übertragen werden. Die Zykluszeiten und die Aufteilung in den Echtzeit- und Nicht-Echtzeit-Kommunikationskanal lassen sich an den jeweiligen Anwendungsfall anpassen. Die SERCOS III-Kommunikation basiert auf standardisierten Parametersätzen zur Steuerung von Gerätefunktionen unabhängig von und Hersteller. Bei der Initialisierung des Netzwerks wird in der Konfiguration festgelegt, aus welchen Parametern sich die Echtzeitdaten eines Gerätekanals zusammensetzen. Als Universalbus verfügt SERCOS III über Kommunikationskanäle und Geräteprofile für alle gängigen Automatisierungsanwendungen. höchste Produktivität durch optimale Performance und Funktionalität höherer Durchsatz maximale Verfügbarkeit einfache Inbetriebnahme Flexibilität durch die Wahl zentraler oder dezentraler Architekturen Investitionssicherheit für OEM und Endkunden durch offene und unabhängige Technologie sowie offener Struktur von SERCOS International Herstellerunabhängiger Standard Reife der Technik (>25 Jahre am Markt) frei zugängliche Technologie (Namens- und Schutzrechte liegen bei der Organisation) gleichberechtigte Mitbestimmungsmöglichkeit Resultierende Alleinstellungsmerkmale Nur SERCOS III bietet standardisierte Funktionalität bei höchster Performance SERCOS III ist offen und herstellerunabhängig und garantiert dadurch standardisierte Funktionalität. Rauterberg: Wireless-Technologien werden zunehmend eine Rolle in der industriellen Kommunikation spielen, insbesondere bei Anwendungen, die keine hohen Anforderungen an Echtzeitfähigkeit stellen. Ob, wann und wie sich Wireless-Technologien für Anwendungen mit hohen Echtzeitanforderungen durchsetzen, wird sich erst in den nächsten Jahren zeigen. Hierfür fehlen noch einige technische Voraussetzungen sowie eine breite Akzeptanz im Markt. Pilz Ing. Stefan Marban Technischer Support SafetyBUS p / SafetyNET p Verfahren: Einzeltelegramm/Summenrahmen Topologiefreiheit: NEIN Querverkehr: NEIN Offenheit: JA Sicherheitsdaten: JA Haupteinsatzgebiet: Maschinenbau/Fabrikautomation/Transporttechnik/Antriebstechnik/Erneuerbare Energien etc. Sicherheitsgerichtete Kommunikation via SafetyBUS p auf CAN basierend mit den physikalischen Eigenschaften bis zu Kat. 4 EN954-1 / Pl e EN ISO / SIL 3 EN / IEC 62061, Sicherheitsgerichtete Kommunikation via SafetyNET p auf Ethernet basierend mit den physikalischen Eigenschaften bis zu Kat. 4 EN954-1 / Pl e EN ISO / SIL 3 EN / IEC 62061, Beide Systeme dienen zum sicheren Datenaustausch zwischen Steuerung und dez. I/O Modulen bzw. zum Datenaustausch zwischen Steuerungen. Sicherheitsgerichtetes Kommunikationssystem optimiert für die schnelle und sichere Abschaltung nach den höchsten Sicherheits - niveaus Grundsätzlich sinnvoll, es bestehen allerdings Bedenken wegen der Verfügbarkeit der Funkkommunikation.

4 AUTlook 3-4/11 TECHNOLOGY Industrielle Kommunikation Rockwell Automation Karl Fraccaroli Field Business Leader Integrated Architecture Ethernet/IP Verfahren: Summenrahmen/Einzeltelegramm Master/ Producer/Consumer-Datenmodell Offenheit: JA über 250 Hersteller Sicherheitsdaten: JA Haupteinsatzgebiet: Industrielle Automation jeglicher Art inkl. Servotechnik und Sicherheitstechnik Fraccaroli: EtherNet/IP basiert auf dem Producer/Consumer-Datenmodell, das gegenüber einer traditionellen Client/Server- oder Master/Slave-Architektur wichtige Vorzüge aufweist: Mehrere Geräte können die gleichen Daten von einem einzigen Absender»konsumieren«und zeitgleich empfangen (multicast). Teilnehmer können leicht synchronisiert werden. Optimierte Ressourcennutzung, Datenerfassung, Konfiguration und Steuerungsanwendungen über das gleiche Netzwerk. Kein System-Master erforderlich zum Netzwerkmanagement. Flexible Übertragungsarten: Polling, zeitgesteuert, ereignisgesteuert, Multicastzugriff auf E/A-Daten. Vielseitige Beziehungen: Peer-to-Peer, Multi-Master, vermaschte Strukturen. Implizite E/A-Nachrichten und explizite Datentelegramme laufen simultan über die gleiche Leitung. Offen, plug & play, einfache Handhabung, etablierter Standard (IEEE802.3). Fraccaroli: Bluetooth hat meiner Meinung nach keine Berechtigung in der Industriellen Automatisierung. WLAN hingegen ist sehr gut und sinnvoll einsetzbar. Schneider Electric DI (FH) Harald Schütz, MSc Produktmanager Geschäftsbereich Industrie Modbus (zudem bietet Schneider Electric auch Modbus TCP/IP, Modbus+, Ethernet IP, CANopen, Sercos III, etc. an) Verfahren: Master/Slave JA JA Echtzeitfähig: NEIN Topologiefreiheit: NEIN Offenheit: Nahezu alle Hersteller verfügen über Produkte mit Modbus-Schnittstellen, Modbus ist das weltweit verbreiteste Protokoll! Sicherheitsdaten: NEIN Haupteinsatzgebiet: Fabrikautomation, Transporttechnik, Infrastruktur, Tunnelbau, erneuerbare Energien etc. Schütz: Das Modbusprotokoll ist ein Kommunikationsprotokoll, das auf einer Master/Slave- bzw. Client/Server-Architektur basiert und für die Kommunikation für speicherprogrammierbare Steuerungen und Feldgeräte entwickelt wurde. In der Industrie hat sich der Modbus zu einem Standard entwickelt, da es sich um ein offenes Protokoll handelt. Über das Modbusprotokoll können ein Master (SPS, PC etc.) und mehrere Slaves (z. B. Mess- und Regelsysteme, EA-Erweiterungen) verbunden werden. Es gibt zwei Versionen: Eine für die serielle Schnittstelle (RS232 und RS485) und eine für Ethernet. Bei der Datenübertragung werden drei verschiedene Betriebsarten unterschieden: Modbus ASCII Modbus RTU Modbus TCP. Jeder Busteilnehmer muss eine eindeutige Adresse haben, wobei die Adresse»0«für einen Broadcast reserviert ist. Jeder Teilnehmer darf Nachrichten über den Bus senden. In der Regel wird dies jedoch durch den Master initiiert und ein adressierter Slave antwortet. Schütz: Bei Schneider Electric sprechen nicht nur sämtliche Automatisierungskomponenten, sondern auch nahezu alle Produkte für die Energieverteilung die Sprache Modbus. Dies macht es sehr einfach eine einheitliche Topologie für das gesamte Projekt aufzubauen. Auch gibt es eine Unzahl von Herstellern für Feldgeräte die Modbus unterstützen. Schütz: Schneider Electric fördert und vermarktet sowohl Bluetooth als auch WLAN in industrieller Umgebung. Daneben wird auch Zig- Bee mehr und mehr bedeutend. Bluetooth wird im Feldgerätebereich insbesondere zu Diagnose und Einstellzwecken eingesetzt. Im WLAN- Bereich befindet sich ein breites Feld von Applikationen, die sich grundsätzlich in 5 Bereiche aufteilen: 1. Bedienermobilität und Gerätemobilität 2. Erweiterte Anschlussfähigkeit 3. Anschlüsse zu entfernten (sonst schwer erreichbaren) Geräten 4. Vereinfachung, oder Reduzierung von Verkabelungen 5. Kostenreduzierung bei Anlageninstallationskosten. Schneider Electric hat hier sowohl die entsprechenden Access-Points und Clients wie auch die dazu gehörende Antennentechnik im Portfolio. 48

5 Sigmatek Dipl.-Ing. Robert Diosi Produktmanager VARAN VARAN Verfahren: Einzeltelegramm mit garantierter Datensicherheit (FPGA) (FPGA) Offenheit: Servoverstärker, Hydraulikventile, Längenmesssysteme Sicherheitsdaten: JA, Black-Channel-Prinzip Haupteinsatzgebiet: Serienmaschinenbau/ Allgemeiner Maschinenbau / Fabrikautomation Antriebstechnik/Erneuerbare Energien /Messtechnik in der Luftund Raumfahrt Diosi: Im Gegensatz zu herkömmlichen Echtzeit-Ethernet- Lösungen arbeitet VARAN mit kleinen Paketen bis 128 Byte Nutzdaten, wodurch höchste Fehlertoleranz gegeben ist. Jede Nachricht an einen Busteilnehmer wird durch diesen rückbestätigt. Sollten Fehler auftreten, werden unquittierte Nachrichten noch im selben Buszyklus wiederholt. Somit sind am Ende des Bustaktes alle Prozessdaten garantiert konsistent. Bereits durch die Basisfunktionalität von VARAN ist die Security fester Bestandteil der Bustechnologie. Viren und Internet-Attacken haben bei VARAN keine Chance. Firewalls oder ähnliche Mechanismen werden nicht benötigt. Das komplette Bussystem wird wie ein großer Speicher behandelt, wodurch sich der Befehlsumfang auf einfache Kommandos reduziert und gegenüber anderen Echtzeit- Systemen viele Bauteile eingespart werden. Durch die sehr hohe Performance von VARAN sind auch keine verteilten Uhren nötig. Stattdessen wird für die Synchronisierung ein einfacher PLL-Mechanismus verwendet. garantierte Datensicherheit im industriellen Umfeld (Alleinstellungsmerkmal) einfache Funktionsweise höchste Performance Hot-Plug-Fähigkeit kostengünstig Diosi: Bei Bus-Zykluszeiten unter 100 µs (z. B. bei schnellen Achsregelungen) sind funkbasierte Übertragungsmedien nicht zweckmäßig. Mit Blutooth oder WLAN lässt sich hier kein Determinismus erreichen, und auch die Performance ist wesentlich geringer. Funkverbindungen sollten nur dort eingesetzt werden, wo Reaktionszeiten von untergeordneter Bedeutung sind.

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