Die Ethernet-Technologie hat sich seit ihrer Einführung 1973 schnell verbreitet und dominiert schon seit langem unangefochten die Büro-IT. In Industrieanwendungen hingegen lösten erst in den vergangenen zwanzig Jahren modernere Kommunikationslösungen schrittweise die klassische 4...20mA-Signalisierung ab. Der Trend schritt in der Fabrikautomation zügig, in der Prozesstechnik verhaltener voran. Nach Hart und Feldbussen wie Profibus oder Foundation Fieldbus wurden in der jüngsten Vergangenheit schließlich erste Ethernet-Lösungen verfügbar. Einer der größten Vorzüge durchgängiger Ethernet-Netze liegt in der vertikalen Integration: Aus dem gesamten Netz heraus, bis hin zu Planungs- und Management-Systemen in der obersten Ebene der Unternehmens-IT, kann mit Sensoren und Aktoren im Feld kommuniziert werden. Für Anwender bringt dies neben hohem Komfort auch funktional neue Optionen. Der transparente Zugriff über alle Ebenen ist im Ethernet dank der Standardisierung der Technologie ohne besonderen Aufwand möglich. Zudem bietet Ethernet hohe Datenraten, auch bei einer großen Anzahl von Teilnehmern im Netz. Solchen Leistungsmerkmalen stehen erfreulich moderate Hardwarekosten entgegen, weil zu einem Großteil auf Standard-Industriekomponenten gesetzt werden kann. Dank der langjährigen und umfassenden Verbreitung der Technologie sind diese schnell und sehr günstig erhältlich.
Determinismus und Redundanz
Dass sich Ethernet für die Datenkommunikation in Maschinen und Industrieanlagen sehr viel langsamer durchsetzt als in der übrigen IT, hat allerdings gute Gründe. Vor allem drei Hemmnisse standen lange der Technologie entgegen und sprechen zum Teil noch immer gegen ihren Einsatz. Erstens muss das Netzwerk oft funktional bedingt deterministische Performance, das heißt hartes Echtzeitverhalten bieten. Ethernet ist dazu auf eine geeignete Echtzeit-Erweiterung angewiesen, die die zu langsamen und unzuverlässigen Protokolle TCP und UDP ergänzt oder an ihre Stelle tritt. Ein einheitlicher Standard fehlt hierfür. Zweitens sind viele Anwendungen aus Sicherheitsgründen auf eine redundante Netz- und Hardwareauslegung angewiesen: Bei Störungen muss extrem schnell auf alternative Leitungswege und Ersatzgeräte umgeschaltet werden können. Auch diese Anforderung wird mit Standard-Ethernet – einschließlich seiner neueren Ergänzungen wie „Spanning Tree Protocol“ und „Rapid Spanning Tree Protocol“ – nicht erfüllt oder zumindest nicht hinreichend schnell bewältigt. Viele Anwendungen in der Öl- und Gas-Industrie zum Beispiel erfordern redundante Strukturen mit Reaktions- und Umschaltzeiten zwischen 100 und 500 ms. Bei „Spanning Tree“ und „Rapid Spanning Tree“ liegen sie im Sekundenbereich.
Schutz vor Explosionen
Schließlich kommt in der Prozesstechnik häufig nur ein Kommunikationsnetzwerk in Frage, bei dem für Leitungen, Netzwerkkomponenten und Endgeräte in explosionsgefährdeten Bereichen sichere Zündschutzvorkehrungen zur Verfügung stehen. Die möglichen Lösungen hängen vom verwendeten Kabel bzw. von deren Übertragungsmedien ab und müssen eventuell außerdem auch im explosionsgefährdeten Bereich eine bestimmte Handhabung gewährleisten – insbesondere zum Beispiel das Stecken und Ziehen von Anlagekomponenten im Betrieb, Wartungsarbeiten und Austausch oder Ergänzung von Komponenten bei laufenden Systemen.
Einige dabei in Frage kommende Zündschutzarten sind recht gut bekannt, so etwa die „Eigensicherheit“ oder die „Druckfeste Kapselung“. Andere, wie inhärent sichere optische Strahlung „op is“ (IFC 60079-28) oder der Explosionsschutz für Funkwellen, sind für viele Anwender nach wie vor noch eher Neuland. Alle drei Merkmale – Determinismus, Redundanz und Explosionsschutz – erfüllt die klassische Ethernet-Technologie nicht, weil diese im ursprünglichen Einsatzgebiet, also am Büro-Arbeitsplatz, nicht erforderlich waren und daher nicht im Standard berücksichtigt wurden.
Effiziente Signalanbindung
Selbst in neu errichteten Anlagen, die als Paradebeispiele für moderne Bussysteme projektiert wurden, finden sich fast immer Kommunikationstechnologien mehrerer Generationen und Leistungsniveaus. Ein erheblicher Teil der Signale wird oft weiterhin auf konventionellem Wege angebunden. Remote-I/O-Systeme sind in zahlreichen Fällen die nach wie vor effizienteste Lösung – insbesondere bei einfachen digitalen Signalen oder der Einbindung bestehender Feldgeräte. Die bewährten Vorteile gegenüber Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit konventionellen Trennstufen bleiben schließlich bestehen: Anwender haben mit Remote I/O weniger Verkabelungsaufwand, bessere und umfangreichere Diagnose-Möglichkeiten und sparen Platz. Ein zeitgemäßes Remote-I/O-Paket muss allerdings darauf ausgelegt sein, sich in moderne Kommunikationsumgebungen möglichst nahtlos zu integrieren.
In den 1990er Jahren war insbesondere der Profibus DP einer der wenigen Feldbusse, der die für ein Remote-I/O-System anfallenden Datenmengen in akzeptabler Zeit übertragen konnte und mit dem auch größere Systemstrukturen kosteneffektiv konzipiert werden konnten. Zudem war er in explosionsgeschützter Ausführung sowohl für Kupfer- als auch für Lichtwellenleiter-Kabel verfügbar. Öfter wurde daher in der Prozessautomatisierung eine Profibus-DP-Schnittstelle gefordert, die R.Stahl schließlich für Ex-geschützte Remote I/O erstmals einführte und die im Jahr 2003 von der Profibus-Nutzerorganisation in den allgemeinen Standard überführt wurde.
Dem Trend zur vertikalen Integration folgend steht neuerdings ein Fast-Ethernet-Interface auch für Remote-I/O-Systeme immer häufiger auf der Liste erforderlicher Features.
Remote I/O in Ethernet-Netzen
Einzelnen Herstellern sind inzwischen entsprechende Entwicklungen gelungen. Mit dem System IS1 ist nun sogar bereits eine Ethernet-fähige Remote-I/O-Lösung mit vollständiger Hot-Swapping-Unterstützung für die Zone 1 erhältlich. Die zur Ethernet-Variante dieses Systems gehörigen I/O-Module sind dieselben wie die für bisherige Ausführungen. Sie können also beispielsweise bei einem Umstieg von der Profibus DP-Version weiter mit der neuen Steuereinheit verwendet werden. Redundante Installationen lassen sich durch ein intern vermaschtes Netzwerk realisieren.
Dieses Remote I/O-System sorgt im Fehlerfall für eine Umschaltung mit nur minimaler Verzögerung – je nach Gegebenheiten häufig innerhalb von rund 200ms. Es arbeitet mit Übertragungsraten bis zu 100 Mbit/s und nutzt zur deterministischen Kommunikation derzeit die Echtzeit-Ethernet-Protokollerweiterung Modbus TCP, die etwa von Yokogawa Centum CS oder Emerson Delta V direkt unterstützt wird. Komfortable Konfigurations- und Diagnosemöglichkeiten werden über eine DTM-Lösung geschaffen, da für Modbus TCP keine Standard-Tools zur Verfügung stehen. Zudem eröffnet sich durch den Zusammenschluss der Modbus-IDA mit der ODVA auch die Tür zur Ethernet/OP Welt. Kommende Varianten Ethernet-fähiger Systeme werden auch mittels der wesentlich leistungsfähigeren Protokollerweiterungen FF HSE oder ProfiNet kommunizieren können, die integrierte Diagnose- und Parametrierfunktionen mitbringen. Um Ethernet-fähige Remote-I/O-Lösungen in Glasfasernetze mit mehreren Kilometern Ausdehnung integrieren zu können, werden geeignete Trennstufen oder in einen Switch integrierte Entsprechungen benötigt. Dafür bieten sich optisch eigensichere Komponenten an, da die Zündschutzart „Ex op is“ die optische Strahlstärke auf ein sicheres Niveau limitiert und so gewährleistet, dass auch bei austretendem Licht durch die Begrenzung der optischen Energie pro Flächeneinheit eine Zündung explosiver Atmosphären ausgeschlossen ist. Das heißt, dass optisch eigensicher angeschlossene Geräte im Industrial Ethernet problemlos während des Betriebs vom Bus getrennt oder hinzugefügt werden können. Insbesondere bei mobilen Anwendungen und ständig wechselnden Einsatzorten bringt dies natürlich große Vorteile.
Ausblick: Protokollunterstützung für offene Systemlösungen
Neben den klassischen Feldbussen eröffnen sich mit Industrial Ethernet neue und ergänzende Möglichkeiten, mit denen sich die Signalübertragung noch schneller und effektiver gestalten lässt. Zudem ermöglicht Ethernet vertikale integrierte Anlagenstrukturen von der Leitebene bis ins Feld. Absehbar werden sich auch im Ethernet-Zeitalter mit Remote-I/O-Systemen besonders effiziente Lösungen zur Signalanbindung implementieren lassen. Aus diesem Grund beschäftigen sich die großen Feldbus-Organisationen Profibus International und Fieldbus Foundation unter Beteiligung der Hersteller mit der Integration der Remote-I/O-Technik in ihre System-Architekturen.
Konkret führte zum Beispiel die neu gegründete Arbeitsgruppe FF HSE-RIO Anfang 2007 ihr erstes Arbeitstreffen im Stammhaus von R. Stahl in Waldenburg durch. Mit Verfügbarkeit der vollen Spezifikationen werden ab 2009 voraussichtlich entsprechende Geräte auf dem Markt präsentiert werden und die ersten Anwendungen in Betrieb gehen können. Einer der offenen Punkte ist jedoch leider die noch immer mangelhafte Unterstützung durch die Protokolle der einschlägigen Prozessleitsysteme. Nur ganz wenige unterstützen die Protokolle ProfiNet oder gar FF HSE. Im Sinne der offenen Systemlösungen ist zu hoffen, dass sich dies in der nächsten Zeit noch ändert.
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