Leistungsstark vernetzt
Die Datenmengen, die auf Maschinen-, Anlagen- und Fabrikebene zu übertragen und zu verarbeiten sind, nehmen in Zukunft massiv zu. Herkömmliche Feldbusse können dann oft nicht mehr mithalten. Entsprechend werden ethernetbasierte Lösungen die klassischen Bussysteme sukzessive ablösen.
Maschinenbauer können gestärkt aus dieser Umbruchsphase hervorgehen, wenn sie hochflexible und hochproduktive Maschinen herstellen. „Das ist jedoch nur möglich, wenn der Automatisierungsgrad von Maschinen und Anlagen und zugleich die Fertigungsdynamik und die Vernetzung weiter steigen“, sagt EPSG-Geschäftsführer Stefan Schönegger. Herkömmliche Feldbusse können das steigende Datenaufkommen irgendwann nicht mehr bewältigen. In einem ersten Schritt haben Maschinenbauer versucht, der Datenmengen mit mehreren Bussystemen Herr zu werden. Z.B. wurden jeweils eigene Netzwerke für Antriebe, Sicherheitstechnik und Sensoren eingesetzt. „Parallele Systeme sind jedoch teuer, schwierig zu synchronisieren, fehleranfällig und mit hohem Wartungsaufwand verbunden“, so Schönegger. „Industrial Ethernet ist hinsichtlich Geschwindigkeit und Bandbreite ein massiver Fortschritt gegenüber herkömmlichen Feldbussen.“ Auf dem Weg zu Industrie 4.0 tritt ein neues Problem auf: Die Zahl der Netzwerkknoten in Maschinen wird beträchtlich steigen. Ursache dafür sind u.a. intelligente Sensoren, zusätzliche Achsen und aufwendige Safety-Lösungen, damit Mensch und Maschine Hand in Hand arbeiten können. Wenn die Zahl der Knoten im Netzwerk steigt, werden die meisten Systeme jedoch langsamer. Anders bei Powerlink: Das Ethernet-Protokoll arbeitet mit dem Broadcast-Prinzip, daher stehen alle Daten jedem Teilnehmer im gesamten Netzwerk zur Verfügung. Es entsteht keine Zeitverzögerung dadurch, dass sämtlicher Datenverkehr über eine zentrale Stelle laufen muss. Der Jitter, also die Taktungenauigkeit, liegt bei unter 1µs.
Platz für Big Data
Industrial Ethernet muss nicht unbedingt für Industrie 4.0 geeignet sein. Bei der Entwicklung einiger Protokolle wurde der Fokus ausschließlich auf die Zykluszeit gelegt und die Datenmenge außer Acht gelassen. Ein Großteil des Datenaufkommens, welches über ein Echtzeitnetz verschickt wird, ist nicht zeitkritisch. Dazu gehören Servicedaten für Gerätekonfiguration und Diagnose, Prozessdaten zur Archivierung oder Videodaten einer Überwachungskamera – insgesamt unter dem Begriff Big Data zusammengefasst. Powerlink überträgt diese Informationen in der sogenannten asynchronen Phase. Diese Phase hat keinerlei Einfluss auf die zeitkritischen Daten. Bei Bedarf können in der asynchronen Phase Protokolle wie TCP/IP eingesetzt werden. In den meisten Fällen gibt es in einer Maschine oder Anlage nur wenige wirklich zeitkritische Prozesse, z.B. die Antriebssteuerung. Die zugehörigen Knoten können durch das sogenannte Multiplexing-Verfahren in jedem Zyklus abgefragt werden, wohingegen allgemeine Statusinformationen, z.B. von Temperatursensoren, weitaus seltener abgefragt werden müssen. Dadurch wird die Datenmenge reduziert und damit die Dauer eines Zyklus an die jeweilige Applikation angepasst. Als Beispiel für die Leistungsfähigkeit dieses Konzepts nennt Schönegger eine zweidimensionalen Folienstreckanlage des Unternehmens Brückner. „Dort haben wir mit Powerlink 728 Achsen mit einer Taktrate von 400µs synchronisiert“, so der EPSG-Chef weiter. „Das ist Weltrekord.“
Topologiefreiheit ohne Spezial-Hardware
Auch wenn Ethernet grundsätzlich eine freie Wahl der Topologie ermöglicht, muss bei den meisten Industrial-Ethernet-Systemen spezielle Hardware verwendet werden. Powerlink braucht das nicht. Die Netztopologie kann dem Maschinenaufbau angepasst werden. Bus-, Ring- und Baumstrukturen können beliebig kombiniert, abgeändert und ergänzt werden. „Sogar im laufenden Betrieb können Knoten vom Netzwerk getrennt und neue hinzugefügt werden“, sagt Schönegger. Die zunehmende Flexibilität und Modularität erfordern häufig dezentrale Steuerungskonzepte. Diese lassen sich mit Powerlink leicht umsetzen. Da der Datenverkehr nicht über eine zentrale Stelle geschleust werden muss, können einzelne Netzwerkknoten direkt und ohne Zeitverlust mitein ander kommunizieren. Zentrale Steuerungslösungen sind durch die hohe Netzwerk-Performance ebenso problemlos möglich. Ein Ausfall des Netzwerkes kann bei kritischen Applikationen hohe Sachschäden verursachen oder sogar Menschen gefährden. Daher werden entsprechende Maschinen und Anlagen häufig mit aufwändigen Redundanzlösungen vor Netzausfällen geschützt. Laut Schön- egger lässt sich mit Powerlink eine einfache Ringredundanz bereits für wenige Euro verwirklichen, denn es wird nur ein zusätzliches Kabel benötigt, um eine Linie zum Ring zu schließen. Das Erkennen eines Leitungsausfalls innerhalb des Rings und das Umschalten vom ausgefallenen auf den redundanten Kommunikationspfad erfolgen von einem Zyklus auf den nächsten. Weiterhin ist Powerlink sehr unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen, was zu einer hohen Maschinenverfügbarkeit beiträgt. Aufgrund der geringen EMV-Empfindlichkeit kann das Netzwerk problemlos mittels Schleifring oder über Funkverbindungen betrieben werden. Bei Schleifringen der Hersteller Cobham oder Schleifring wird sogar eine Datenübertragungsrate von 100Mbit/s erreicht, ohne dass die Netzstabilität durch die parallele Übertragung der 24V-Stromversorgung und des 750VDC-Zwischenkreises beeinträchtigen wird.
