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Kommunikationstechnik für die Industrie 4.0

Intelligente Netzwerke in der Werkhalle

Industrie- und Produktionstechnik wird in Zukunft neuen Anforderungen an Dynamik und Vielseitigkeit genügen müssen. Zum einen steht zu erwarten, dass die Fertigungskette stärker über Unternehmensgrenzen hinweg vernetzt wird. Gleichzeitig steigt das Datenaufkommen aus Sensorik und Aktorik sowie der Integrationsbedarf von Prozessdaten in Unternehmenssysteme. Um dieser Entwicklung Rechnung tragen zu können, sind zwei grundlegende Technologiewechsel erforderlich: Die Virtualisierung der Steuerungstechnik – und der Einsatz von schnellem Ethernet auf der Feldebene.

Bild: Hirschmann Automation and Control GmbH

Industrie 4.0, die vierte industrielle Revolution, ist ein intensiv diskutiertes Konzept für die zukünftige Industrie- und Produktionstechnik. Die Fabrik der Zukunft soll intelligenter werden. Die Flexibilität in der Produktion muss dazu deutlich größer werden, und die Anforderungen an Dynamik und Vielseitigkeit werden massiv zunehmen. Fertigungsprozesse werden anders organisiert, die gesamte Fertigungskette von den Zulieferern über die Logistik bis hin zur gesamten Verwaltung des Lebenszyklus eines Produktes wird über Unternehmensgrenzen hinweg vernetzt. Die Smart Factory wird demnach ein hoch komplexes Gebilde werden, das es durchgehend zu steuern gilt, und dessen einzelne Produktionsschritte lückenlos ineinandergreifen müssen. Diese Entwicklung wird voraussichtlich Auswirkungen auf sämtliche Prozesse haben, von der Fabrikplanung über die Produktionsplanung, die Logistik, die Enterprise-Resource-Planning- (ERP) und Manufacturing Execution-Systeme (MES) bis zur Steuerungstechnik und den einzelnen Sensoren und Aktuatoren im Feld. Maschinen und Anlagen müssen die Fähigkeit erhalten, durch Selbstoptimierung die Prozesse zu verbessern und autonom Entscheidungen zu treffen, anstatt wie bisher nur fest vorgegebene Programmabläufe auszuführen. Infolgedessen wird die Struktur der intelligenten Fabrik eine andere sein als die heutiger Anlagen: Die bekannte Automatisierungspyramide mit Feld-, Steuerungs- und Leitebene wird aufgebrochen.

Die Steuerungstechnik findet den Weg auf den Server

Die Geräte in der Feldebene werden zahlreicher und intelligenter werden, um mehr Informationen aus dem Prozess zu erhalten und bereits lokal zu verarbeiten. Auf der anderen Seite werden viele Funktionen ‚virtualisiert‘, laufen dann auf Server-Pools, oder wandern ab in eine wie immer geartete Cloud, in der die Funktionen auf den jeweils aktuell am besten dafür geeigneten Ressourcen bearbeitet werden. Steuerungsfunktionen müssen eng mit den Sensoren und Aktuatoren im Feld interagieren und von der Leitebene regelmäßig ihre Anweisungen bekommen. Heute laufen Steuerungsfunktionen in Software auf einer SPS ab, die möglichst prozessnah positioniert ist und die dadurch in Echtzeit mit den Feldgeräten kommunizieren kann. Die SPS als eigenständiges Gerät wird deshalb eingesetzt, weil nur so die zeitkritischen Funktionen unbeeinflusst von anderen Aufgaben ablaufen können, und die Kommunikation mit den Endgeräten ungestört von anderem Datenverkehr ist. Ist jedoch gewährleistet, dass die Verarbeitungsleistung auf einem Server den Anforderungen der Anwendung entspricht, und die Kommunikation immer zeitgerecht erfolgen kann, dann kann die Steuerungsaufgabe prinzipiell auch an jeder anderen geeigneten Stelle ablaufen.

Schaut man sich die Entwicklungen in den modernen großen Rechenzentren an, mit Virtualisierungskonzepten und Cloud Computing, verbunden mit hochleistungsfähiger Kommunikationsinfrastruktur, dann wird klar, dass dieses Konzept auch in der Fabrik der Zukunft eine fundamentale Rolle spielen kann. Heutige und zukünftige virtualisierte Server bieten enorme Leistungswerte und neueste Entwicklungen bei Rechenzentrums-Netzwerken, basierend auf Ethernet und IP-Technologien, gewährleisten bereits jetzt kumulierte Datendurchsätze von Hunderten von Gigabit pro Sekunde mit Verzögerungszeiten im Mikrosekunden Bereich. Der Vorteil der Konzentration von Verarbeitungsleistung in Clouds ist die zentrale Verwaltung und die bessere Ausnutzung der vorhandenen Ressourcen und damit ein kosteneffizienterer Betrieb. Der Schritt, auch Automatisierungsaufgaben in dieser Art und Weise durchzuführen, ist damit nur noch eine Frage der Zeit.

Steigende Anforderungen an industrielle Netzwerke

Dazu werden im industriellen Umfeld Anforderungen aufkommen, nicht nur Daten innerhalb der Fabrik in Echtzeit auszutauschen, auch über die Firmengrenzen hinaus wird kontinuierlich Kommunikation innerhalb der gesamten Wertschöpfungskette notwendig sein. Generell werden alle Stufen der Fertigung miteinander vernetzt sein, die Bereiche innerhalb der Fabrik über schnelle LANs, die Verbindung nach außen wird mittels Maschine-zu-Maschine-Kommunikation (M2M) erfolgen, die sich des Internets, oder drahtgebundenen oder drahtlosen Providernetzen bedient. Für die Kommunikation werden Service Level Agreements zu definiert sein, die von den LANs oder den WANs eingehalten werden müssen. Das industrielle Netzwerk wird allein durch die Größe, die Anzahl der Teilnehmer und die Anforderungen so komplex werden, dass ein manuelles Management kaum mehr möglich sein wird. Das bedeutet, dass auch das Netzwerk mehr Intelligenz beinhalten muss, sich selbst überwacht und gegebenenfalls optimiert, ohne dass für jede Aktion ein Operator eingreifen muss.

Hohes Datenaufkommen in der Feldebene bewältigen

Betrachtet man die Feldebene, so wird dort die Anzahl der kommunizierenden Geräte zunehmen. Auch die Datenmenge, die ein Endgerät produziert, wird deutlich steigen, während die Anforderungen an minimale Laufzeit, Echtzeitfähigkeit und Zuverlässigkeit zunehmen werden. Auf der Netzwerkebene wird daher langfristig fast ausschließlich Ethernet zum Einsatz kommen; in der kabelgebundenen Form wird Gigabit Ethernet zum allgemeinen Standard werden. Die heutigen Vorteile von Fast Ethernet, Daten preisgünstig und mit geringem Stromverbrauch mit einer Geschwindigkeit von 100 Megabit pro Sekunde zu übertragen, relativieren sich mehr und mehr, da die Fortschritte der Halbleitertechnik die Unterschiede längerfristig aufheben. In der kabellosen Variante wird WLAN gemäß 802.11 dominieren. Mit den neuen Verfahren 802.11ac und 802.11ad lassen sich zukünftig Datenraten bis zu einem Gigabit pro Sekunde und mehr übertragen und mit Low-Power WLAN werden zukünftig auch sehr energieeffiziente WLAN-Lösungen möglich. Der Vorteil beim Einsatz von WLAN gegenüber anderen Funksystemen ist die transparente und durchgängige Kommunikation, da keinerlei Umsetzungen notwendig sind. Mit dem Aufbau von möglichst kleinen Funkzellen, die untereinander über schnelle Ethernet Links verbunden sind, können somit effiziente Netze aufgebaut werden.

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