Low Complexity Ethernet löst Layer-2-Ethernet-Implementierung-Probleme

Low Complexity Ethernet für den Wandel zum vernetzten Industrie-Unternehmen

Analog Devices bietet Automatisierungs-Know-How

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Technologische Weiterentwicklungen und der Wunsch nach ständig effizienteren Produktionsabläufen und optimierten Fertigungsstätten bewirken einen beispiellosen Wandel bei Industrieanlagen. Durch damit verbundene Veränderungen steigen Automatisierungsgrad und Präzision sowie das Datenvolumen bei der Kommunikation. Analog Devices als Partner hilft bei der Umsetzung moderner Kommunikationskonzepte in der Automatisierung.

Brendan O’Dowd, General Manager Industrial Automation, Analog Devices Inc., Limerick/Irland

Inhaltsverzeichnis

1. Wandel zum vernetzten Unternehmen
2. Konvergentes Netzwerk
3. Gateways, um von einem Format in ein anderes umzusetzen
4 .Treiber für einfache Industriebauteile
5. Verdrillte Zweidrahtleitung
6. Netzsicherheit gewinnt an Bedeutung
7. Problematik des Nachweises
8. Partner mit Know-how

 

Fortschritte lassen Industrie 4.0 Realität werden und versprechen den Herstellern große Chancen, um sich mit Produktivität, Funktionssicherheit (Safety) und Zuverlässigkeit im globalen Wettbewerb zu behaupten und zugleich Emissionen zu senken sowie die Ressourceneffizienz zu steigern. Diese Gelegenheit erscheint zwar attraktiv, doch müssen erhebliche Hürden genommen werden. So kann der Einsatz neuer Technologien in dieser traditionell konservativen Branche recht schleppend erfolgen. Heutige Automatisierungsanlagen enthalten oft neuere und ältere Systeme mit der jeweils zugehörigen Komplexität bei der Kommunikation zwischen den Systemen. Daten sicher am Netzwerkrand zu erfassen und zu übertragen bleibt mit der vorhandenen Infrastruktur weitgehend außer Reichweite. Kurzum – Fabriken und verfahrenstechnische Anlagen werden sich nicht schlagartig verändern. Um den Wandel zu ermöglichen und zu beschleunigen, wenden sich Hersteller von Automatisierungsequipment an Technologiepartner und Zulieferer wie Analog Devices, die über die entsprechende Erfahrungen verfügen und geeignete Lösungen bereithalten.

Wandel zum vernetzten Unternehmen

Industrial Ethernet ist in Steuerungsanwendungen bereits weit verbreitet und expandiert weiterhin als bevorzugtes Kommunikationsmedium, während sich Organisationen und Märkte hin zu Lösungen gemäß Industrie 4.0 bewegen. Eine der Herausforderungen besteht darin, das Problem des Determinismus über Ethernet zu lösen. Viele Protokolle nutzen proprietäre Layer-2-Lösungen, die jedoch zu erheblichen Interoperabilitätsproblemen führen können. Dies ist der Fall, wenn versucht wird, relevante Daten zur Nutzung auf höheren Ebenen des Unternehmensnetzwerks zu extrahieren oder zwischen verschiedenen Fertigungsknoten zu koordinieren.

Die IEEE-802.1-TSN-Standards (Time Sensitive Networking) zielen auf dieselbe Art von Problemen ab, die in Industriesteuerungen anzutreffen sind und versprechen einen Übergang von proprietären Lösungen zugunsten eines auf Standards basierenden Konzepts. Ethernet ist traditionsgemäß ein Best-Effort-Netzwerk. Damit Ethernet in anwendungskritischen Systemen eingesetzt werden kann, muss es um spezifische Funktionen erweitert werden. Dazu gehören Zeit-Synchronisation, geplanter Datenverkehr (Scheduled Traffic), Ingress Policing, durchgängige Redundanz und andere. Diese Anforderungen sind mit TSN standardisiert worden.

Konvergentes Netzwerk

Das Ziel dahinter ist ein konvergentes Netzwerk, in dem alle Arten von Datenverkehr problemlos nebeneinander existieren können. Dies würde erlauben, dass anwendungskritischer Echtzeit-Traffic auf dem gleichen Netzwerk verkehrt wie Streaming- und Best-Effort-Traffic. Netzwerkentwickler können mit diesen Leistungsmerkmalen sicherstellen, dass bestimmte Klassen von Traffic in der gesamten Netzwerktopologie jedes Mal rechtzeitig geliefert werden. Gegenüber proprietären Layer-2-Lösungen wurden diese Leistungsmerkmale im Hinblick auf die Skalierbarkeit auf Gigabit-Line-Rates und darüber hinaus entwickelt.

Analog Devices hat vor kurzem Innovasic, Mitglied und Mitwirkender im Industrial Internet Consortium, übernommen und beschäftigt sich intensiv mit dem Thema. Die Anbindung von Edge Devices an konvergente, vertrauenswürdige Industrie-4.0-Unternehmensnetzwerke ermöglicht durch TSN, birgt viele Herausforderungen. Aktuelle Kommunikationstechnologien in Edge Devices (zum Beispiel Feldbus und 4-bis-20-mA-Stromschleifen) arbeiten und funktionieren zuverlässig. Ihre Daten in die Cloud zu bringen (lokal oder remote), wird jedoch oft erschwert durch die vielen Kommunikations-Layer auf dem Pfad vom Werk zum Front Office.

Gateways, um von einem Format in ein anderes umzusetzen

Gateways sind oft erforderlich, um von einem Format oder Protokoll in ein anderes umzusetzen, und die Daten können möglicherweise während ihrer Reise zur Analyse auf mehreren Servern gespeichert werden. Die Gesamtbetriebskosten (TCO), um Daten von einem einfachen Sensor in die Cloud zu kommunizieren, umfassen nicht nur die Kosten für das notwendige Equipment sondern auch die Kosten für Software, Verarbeitung und Arbeitskraft, die die Integrität der Daten auf ihrem Weg gewährleisten.

Es mag zwar widersprüchlich erscheinen, Ethernet in ein einfaches Gerät wie einen Temperaturtransmitter zu integrieren, doch geht es hier nicht um die Einfachheit des Bauteils oder die relativ kleine Datenmenge, die es produziert oder verbraucht. Vielmehr geht es um die Fähigkeit, die Daten des Gerätes in einem konvergenten Netzwerk kosteneffizient zu extrahieren und sie anschließend für umsetzbare Resultate zu nutzen.

So kann zum Beispiel ein verteiltes Steuerungssystem (DCS) Daten des Temperaturtransmitters nutzen um sicherzustellen, dass sein Teil des Prozesses kontrolliert in Echtzeit läuft. Allerdings könnte sich die bestimmte Temperatur auf den Gesamtprozess auswirken. Mit einem nahtlos an die Cloud angebundenen Temperaturtransmitter können unter Berücksichtigung aller Prozessparameter Analysen quasi in Echtzeit durchgeführt und der reibungslose Prozessablauf sichergestellt werden. Anpassungen sind jederzeit möglich und können zur Optimierung der Produktion oder zur Steigerung der Energieeffizienz beitragen.

Treiber für einfache Industriebauteile

Low Complexity Ethernet löst die herkömmlichen Probleme bezüglich Abmessungen, Leistungsaufnahme und Kosten heutiger Standard-Layer-2-Ethernet-Implementierungen und senkt die TCO, die sich aus dem Aufwand ergibt, Daten in die Cloud zu bringen. Für den Übergang auf ein konvergentes Industrial-Ethernet-Netzwerk ist auch Innovation auf dem Physical Layer erforderlich, um so eine Lösung zu erhalten, die kompatibel zu den etablierten Systemen ist. Viele der verbreiteten Ethernet-Physical-Layer-Standards sind auf eine Kabellänge von 100 m begrenzt und benötigen mehrere verdrillte Zweidrahtleitungen zur Implementierung.

Demgegenüber basiert ein Großteil der heute existierenden Netzwerk-Infrastruktur für die Fertigungs- sowie die Prozessautomatisierung auf einer verdrillten Zweidrahtleitung, die sich über 1000 m erstreckt und Daten mit 31,25 kbit/s übertragen kann. Um dies zu adressieren, arbeitet Analog Devices mit wichtigen Industriepartnern unter der Schirmherrschaft des IEEE an der Entwicklung eines neuen Ethernet-Standards zusammen.

Verdrillte Zweidrahtleitung

Der Standard, bekannt als 10SPE, arbeitet über eine einzige verdrillte Zweidrahtleitung mit einer Länge von bis zu 1000 m und mit einer Datenrate von 10 Mbit/s. Im Rahmen eines partnerschaftlichen, auf Standards basierendem Ansatz zum Lösen dieses Problems, hilft das Unternehmen dabei, die Einsatzhürden herabzusetzen und die Zeitrahmen zu verkürzen, in denen ein konvergenten, werksübergreifenden Netzwerk eingerichtet werden kann.

Um Ethernet-Konvergenz zu ermöglichen, erweitern andere Applikationen, die bereits deterministisches Ethernet mit 100 Mbit/s nutzen, die Bandbreiten- und Leistungsgrenzen. Applikationen wie die Robotik benötigen eine ständig zunehmende Zahl an koordinierten Achsen, die mit höherer Genauigkeit gesteuert werden müssen. Die Umstellung des Steuerungsnetzwerks auf Gigabit-Geschwindigkeiten hilft diesen Anforderungen gerecht zu werden und repräsentiert einen weiteren wichtigen Trend auf dem Markt für Industrial Ethernet.

Netzsicherheit gewinnt an Bedeutung

Der kometenhafte Erfolg von Ethernet hat es Anwendern oft erschwert, Sicherheitsbedenken in Verbindung mit ihrer Anwendung zu adressieren. Der erwartete Anstieg bei der Nachfrage nach Daten und ihrer Erfassung am Rand des Industrial-Netzwerks kann durch die wahrgenommenen Sicherheitsrisiken beeinträchtigt werden. Zusätzlich können die Anforderungen nach geringer Latenz und Jitter in Industriesteuerungen direkt im Widerspruch zu den Sicherheitsanforderungen stehen. Es obliegt jedem einzelnen Anwender, Bedenken bezüglich Leistungsfähigkeit und Security in diesen Applikationen zu adressieren.

Analog Devices hat vor kurzem außerdem die Security Division von Sypris Electronics übernommen, um so der wachsenden Bedeutung der Netzsicherheit Rechnung zu tragen. Industrie 4.0 und IIoT machen es erforderlich, auch über weit verteilte Umgebungen hinweg dynamische Informationsflüsse und Connectivity zu gewährleisten. Es überrascht dabei nicht, dass neben der Realisierung zusätzlicher Funktionalitäten auch weitere Sicherheitsbedrohungen entstehen.

Problematik des Nachweises

Bei der weiter wachsenden Anzahl von Geräten, die sicher an das Netzwerk angebunden werden müssen, wird die Problematik des Nachweises ihrer Identität deutlich. Physikalisch verteilte und geteilte Verschlüsselungsinformationen werden den Anforderungen nicht mehr gerecht und die Verwaltung von Zertifikaten erfordert eine enorme logistische Leistung.

Ein schlüsselloser Nachweis der Identität ist entscheidend, wenn die Vision des vertrauenswürdigen Industrie-4.0-Unternehmens umgesetzt werden soll. Außerdem werden einfache Verschlüsselungsverfahren mit geringer, fester Latenz und kleinem Hardware und/oder Software-Footprint benötigt, um die Geräte am Netzwerkrand sicher anzubinden. Analog Devices hat in Technologien wie Identitätsauthentifizierung und Sicherheitslösungen für Geräte mit begrenzten Ressourcen sowie geeignete Block-Kryptografie investiert, um diese wichtigen Herausforderungen anzugehen.

Partner mit Know-how

Die Industrial Automation Group von Analog Devices bietet führende Lösungen in den Bereichen Messen, Steuern, Überwachen sowie robuste Echtzeit-Kommunikationssysteme für den Rand von Industrienetzwerken. ADI hat Erfahrungen in Bereichen wie Security und Authentifizierung, funktionale und Eigensicherheit sowie Multiprotokoll-Unterstützung entwickelt oder durch Zukäufe erworben. Durch intensive Zusammenarbeit wird das Unternehmen den Übergang auf ein vertrauenswürdiges IIoT-vernetztes Unternehmen vom Sensor zur Cloud ermöglichen und beschleunigen.

www.analog.com

Weitere Informationen zu Industrie 4.0

http://hier.pro/s4SDU

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