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Durchgängige Kommunikation

Einbindung von Ethernet und Internet in industrielle Prozesse
Durchgängige Kommunikation

Wie sieht die Feldkommunikation der Zukunft aus? Verdrängt Ethernet den Feldbus? Dies sind Fragen, mit denen sich Hersteller und Anwender von Automatisierungskomponenten und -lösungen schon seit einiger Zeit beschäftigen. Interbus ist in den verschiedensten Branchen weltweit ein anerkannter Standard und erfüllt als Basis für zukünftige Automatisierungslösungen die Ansprüche an Geschwindigkeit, Sicherheit und Durchgängigkeit.

Dipl.-Ing. Jörg Wargowske

Unbeschadet dessen, dass die Leistungsfähigkeit heutiger Systeme bei der Prozessdatenkommunikation in den meisten Fällen ausreicht, werden die dynamischen Anforderungen an den Prozess- und vor allem an den Bedarfsdatenverkehr mit der Weiterentwicklung der Steuerungssysteme und Feldgeräte weiter steigen. Dies gilt insbesondere für die sich aus dieser Entwicklung ergebenden komplexeren Applikationen, zum Beispiel im Bereich vernetzter Antriebe. Bei der Frage nach den Reserven für mögliche Erhöhungen der Geschwindigkeit gelangen jedoch viele Bussysteme an ihre Grenzen. Für einige Systeme ist aufgrund des Arbitrierungsverfahrens bereits bei 1 Mbit/s eine sinnvolle Grenze erreicht, da die maximale Gesamtausdehnung des Netzwerks einen wirtschaftlichen Einsatz beschränkt. Für das Summenrahmenprotokoll von Interbus gibt es solche Einschränkungen grundsätzlich nicht. Ein weiteres Kriterium ist die zugrunde liegende Topologie. Unabhängige Studien haben gezeigt, dass Punkt-zu-Punkt-Verbindungen – wie bei Interbus der Fall – die optimale Basis für Hochgeschwindigkeitsnetze bilden. Bei Multi-Drop-Strukturen treten ab gewissen Datenraten Laufzeit- und Reflexionseffekte auf, die einen stabilen Betrieb beeinträchtigen. Die in der Office-Welt gängigen Highspeed-Systeme wie Fast-Ethernet, ATM oder FDDI sind heute alle als Punkt-zu-Punkt-Verbindung ausgeführt. Darüber hinaus ist diese Topologie in idealer Weise für den Einsatz von Lichtwellenleiter-Technologie geeignet, Zusatzgeräte oder weiterer Installationsaufwand sind nicht erforderlich.
Ideale Ergänzung
Die grenzenlose und transparente Kommunikation spielt eine wesentliche Rolle in zukünftigen Automatisierungslösungen. Aus diesem Grunde werden die aus dem Office-Bereich bekannten Ethernet- und Internet-Technologien vermehrt für industrielle Anwendungen nutzbar gemacht. Auf absehbare Zeit wird sich – allein aufgrund der großen installierten Basis und der damit verbundenen Investitionen – die Frage einer Substitution der Feldbusse durch Ethernet nicht stellen.
Ein Blick auf die Eigenschaften und Stärken der beiden Systeme belegt, dass ihre sinnvolle Ergänzung die Möglichkeiten der Feldkommunikation optimiert. Ethernet und TCP/IP schaffen nicht nur die Voraussetzungen für eine transparente und durchgängige Kommunikation zwischen Office und Produktion (Abb. 1). Sie sind darüber hinaus in idealer Weise geeignet, Bedarfsdaten in großen Mengen auch in der Fertigungswelt – insbesondere im steuerungsnahen Bereich – zu transportieren. Im prozessnahen Bereich sind jedoch andere Disziplinen gefragt, und hier zeigt Ethernet Lücken, so zum Beispiel in den Bereichen Echtzeitfähigkeit, feldgerechte Installationstechnik sowie bei den Diagnosemöglichkeiten. Wenn man Ethernet aus den genannten Gründen in Richtung Feldebene ergänzen will, ist es sinnvoll, auf ein System zurückzugreifen, das die komplementären Eigenschaften besitzt und somit das Gesamtsystem vervollständigt. Interbus bietet die Voraussetzungen für die schnelle und zyklische Übertragung kleiner Datenmengen im prozessnahen Bereich und stellt mit seinen Leistungseigenschaften, wie zyklische und zeitäquidistante Übertragung von Prozessdaten, optimale Diagnose zur Minimierung von Stillstandszeiten sowie einfache Installation eine ideale Ergänzung zu Ethernet im Feld dar.
Vom Feldgerät bis ins Internet
Bei der Weiterentwicklung von Interbus spielt die Connectivity in allen Ebenen eine entscheidende Rolle. Mit der Integration eines TCP/IP-Kanals in das hybride Interbus-Protokoll wurde die Basis für eine durchgängige Kommunikation vom Feldgerät bis in den Office-Bereich oder sogar bis ins Internet geschaffen. Als Anwendungsbeispiel sei das Webbased Management genannt: Sowohl einfache Feldgeräte als auch intelligente Teilnehmer wie Roboter oder Frequenzumrichter können per Standard-Web-Browser von einer beliebigen Stelle aus bedient und parametriert werden (Abb. 2). Für den Anwender stellt sich die Verbindung vollkommen transparent dar, da durchgängig das TCP/IP-Protokoll genutzt wird. Hierarchien in der Kommunikation existieren nicht mehr. Ein solcher Bedarfsdatentransfer – in ISDN-Qualität – ist darüber hinaus unabhängig und rückwirkungsfrei vom Prozessdatenverkehr. Determinismus und Echtzeitfähigkeit des Interbus-Systems werden hiervon unabhängig von der Busauslastung nicht beeinträchtigt.
Sicherheit im Protokoll
Ein weiteres wichtiges Entscheidungskriterium für industrielle Kommunikationssysteme ist ihre Einsetzbarkeit in sicherheitsrelevanten Bereichen. Hier werden sich durchgängige und offene Systeme durchsetzen. Aufwendige Spezialsysteme, die zusätzliche Technologiebrüche und damit Rückwirkungen auf die Prozessführung, die Zykluszeit und die Projektierung bedingen, werden vom Kunden mittelfristig nicht mehr akzeptiert. Interbus Safety (Abb. 3) setzt mit seinem Sicherheitsprofil auf die durchgängige Vernetzung der Gesamtanlage, indem nur ein Bussystem zur Übertragung der prozessrelevanten und der sicherheitsgerichteten Daten verwendet wird. Dabei übernimmt die Prozesssteuerung weiterhin die Regelung der Standard-Applikation; die Sicherheitstechnik wird über eine zusätzlich in den Bus eingefügte Überwachungseinheit realisiert.
Das Interbus-System besitzt die Eigenschaft, dass direkt nach der Prozesssteuerung alle ausgegebenen und vom Prozess eingelesenen E/A-Signale mitgehört werden können. An dieser Stelle befindet sich die Überwachungseinheit SafeControl. Der Datenverkehr zwischen der Steuerung und den dezentralen Einheiten erfolgt bei Interbus Safety in der bekannten Form: SPS oder PC senden Daten via Interbus an die Einheiten, die den Inhalt der Datenpakete zum Betrieb der Peripherie nutzen. In umgekehrter Form gelangen die Eingangsdaten von den dezentralen Einheiten zur Steuerung. Die Überwachungseinheit kontrolliert diesen Datenverkehr und fügt eine zusätzliche Schicht mit sicheren Daten hinzu (Safe Layer). In dieser Schicht quittiert SafeControl die Richtigkeit der übertragenen Daten und versieht sie mit einer separaten Kennung.
Sichere und schnelleDatenübertragung
Alle nicht-sicherheitsgerichteten Einheiten erhalten nur die nicht-sicheren Datenblöcke. Die Sicherheitsteilnehmer sind intern so aufgebaut, dass sie sowohl den üblichen Datenverkehr als auch den Safe Layer bearbeiten. Sie werten die zusätzlichen Protokolldaten aus und ersetzen sie durch aktualisierte sichere Daten. Das Sicherheitsprotokoll wird ausschließlich zwischen SafeControl und den angeschlossenen dezentralen, sicheren Einheiten verarbeitet. Jeder Übertragungs-, Software- oder Hardwarefehler wird auf diese Weise erkannt. Die Ausgabe des Prozessdatums kann nur erfolgen, wenn die Überwachungseinheit der Ausgabe zustimmt. Ist eine Sicherheitsbedingung erfüllt oder haben die Kommunikationspartner einen Fehler entdeckt, wird die Ausgabe wirkungsvoll verhindert. In jedem Fall haben die Sicherheitsteilnehmer höchste Priorität über ihre Daten, so dass, wenn in der EN 954-1 gefordert, Fehler in der Standardtechnik nicht zum Verlust der Sicherheitsfunktion führen können. Das beschriebene Sicherheitskonzept steht neben schnellen Reaktionszeiten für eine Prozessführung ohne Technologiebrüche sowie eine umfassende Fehlerdiagnose.
Halle 15, Stand F06
E cav 231
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