Bosch IT-Welten,

Bosch Rexroth verbindet mit ctrlX die OT- und IT-Welten miteinander. - (Bild: Bosch Rexroth)

Unter den deutschen Automatisierern herrscht Einigkeit, der jahrzehntelang andauernde ‚Feldbuskrieg‘ scheint beendet. Mit OPC UA haben sich die Anbieter von Komponenten und Systemen für die industrielle Automation auf einen Kommunikationsstandard für ihre Geräte geeinigt. Das ist etwas Besonderes. „Es ist das erste Mal in der Geschichte der Automatisierung, dass sich die Hersteller auf einen Standard einigen“, freut sich Carsten Bokholt, Geschäftsführer von Helmholz, einem Komponentenhersteller und Experten für industrielle Netze. Zahlen, die das belegen, kann Michaela Rothhöft liefern. Die wissenschaftliche Mitarbeiterin der FH Südwestfalen in Hagen führt seit 2003 alljährlich ihre Marktstudien unter Maschinenbauern freiberuflich durch – seit 2006 in Zusammenarbeit mit dem VDMA Elektrische Automation: „OPC UA scheint sich zu einem Kommunikationsstandard zu entwickeln: Über 40 Prozent der deutschen Maschinenbauer haben diese Technologie bereits im Einsatz, weitere 30 Prozent planen dies für die Zukunft.“

Der gemeinsame Standard bildet die Voraussetzung, um die Potenziale von Industrie 4.0, wie etwa die vorausschauende Wartung, flexiblere Anlagen oder den effizienteren Verbrauch von Ressourcen und Energie, besser nutzen zu können. Arne Jänicke, Produktmanager Drive bei Schneider Electric DACH dazu: „Die Nutzung dieser Vorteile ist nur dann möglich, wenn Daten durchgängig zwischen Feldgeräten, Steuerung und Software kommuniziert werden können.“ Doch auch auf Feldebene profitieren Fabrikbetreiber, so Jänicke, von schnelleren Umrüstzeiten und flexibel veränderbaren, zum Beispiel modularen Linien und Anlagen, die mithilfe von OPC UA einfacher verwirklicht werden können. „Beides wird durch die Existenz von nicht miteinander kompatiblen Feldbussystemen erschwert“, sagt Jänicke. „Aus diesem Grund setzen wir bei Schneider Electric auf OPC UA.“

Benjamin Nerger,
(Bild: Bosch Rexroth)

„ctrlX verbindet die OT- und IT-Welten miteinander. Es ist eine sichere Plattform, die eine 100-prozentige Performance, Konnektivität und Erreichbarkeit bietet.“

Benjamin Nerger, Leiter Produktmanagement Controls, Bosch Rexroth

Südliche und nördliche Welt

Genutzt wird OPC UA bisher primär für die Kommunikation in den Norden so Herbert Wegmann, Vorsitzender des Lenkungskreises Industrielle Kommunikation innerhalb des ZVEI und General Manager Digital Connectivity and Power bei Siemens. Er unterteilt die Welt in südlich und nördlich der Automatisierungssteuerung einer Maschine. Die Kommunikation von der Steuerung hin zu den übergeordneten Systemen wie ERP, MES oder Cloud findet im Norden statt, ebenso wie die Kommunikation von Maschinen/Steuerungen untereinander, dort nutzen die Anwender OPC UA. Maschinen mit unterschiedlichen Automatisierungssteuerungen können dank dieser Lösung nebeneinander und miteinander betrieben werden, was es für die Betreiber eines Maschinenparks einfach macht.

Echtzeit und Determinismus

Will der Betreiber des Maschinenparks jedoch über die Standardbedienung hinaus in die Maschinen eingreifen, so findet er sich in der Feldebene wieder. Sie liegt im Süden der Steuerung und ist bekanntermaßen durch harte Echtzeit und Determinismus gekennzeichnet. Hierfür sind spezielle Kommunikationsprofile wie zum Beispiel für Safety-, Drive- und I/O-Anwendungen notwendig. „Den Schritt zu Ethernet haben die Hersteller inzwischen auch auf der Feldebene gemacht“, meint Wegmann – eine unstrittige Tatsache, so Gunter Sälzler, Manager Software & Control bei Rockwell Automation: „Ethernet ist der klare Gewinner der vergangenen Herausforderungen rund um die Kommunikation auf Ebene der Bussysteme.“

ASi Master,
Bihl+Wiedemann ist spezialisiert auf die Entwicklung von ASi Mastern und ASi Gateways zu den gängigsten Bussystemen. - (Bild: Bihl+Wiedemann)

Auch Bosch Rexroth nutzt für die Kommunikation ein ethernetbasiertes Protokoll: „Die Anbindung der Feldebene erfolgt über EtherCAT. EtherCAT hat eine riesige Community und seine Verbreitung wächst,“ begründet Benjamin Nerger, Leiter Produktmanagment Controls bei Bosch Rexroth dies. Doch laut Nerger geht es inzwischen nicht mehr allein um die Kommunikation auf der Feldebene. „Das Thema Feldbus fassen wir bei Bosch Rexroth weiter. Jahrelang existierten auf der untersten Ebene der Automatisierungspyramide verschiedenste Bussysteme parallel nebeneinander und abgeschirmt nach oben. Doch die Anforderungen haben sich geändert. Die Kriterien einer VUCA-Welt (Anm. d. R.: Volatility, Uncertainity, Complexity, Ambiguity – auf deutsch: Volatilität, Unsicherheit, Komplexität, Mehrdeutigkeit) treffen die Industrie genauso wie die ganze Gesellschaft. Der Feldbus muss als Teil einer weitergefassten Vernetzung betrachtet werden“, meint Nerger. „Für diese Anforderungen hat Bosch Rexroth ctrlX Automation entwickelt, eine Automatisierungsplattform, die Maschinensteuerung, IT und IoT miteinander vernetzt.

Andre Hartmann,
(Bild: Bihl+Wiedemann)

„Allein Bihl+Wiedemann bietet bereits mehr als 80 ASi-5 Produkte an – von ASi-5/ASi-3 Gateways für eine Vielzahl von Feldbusumgebungen über selbstkonfigurierende digitale E/A-Module und Module für die Antriebstechnik bis hin zu diversen ASi-5-Modulen mit integriertem IO-Link Master.“

Andre Hartmann, Vertriebsleiter für Deutschland, Bihl+Wiedemann

Das System, bestehend aus Hardware- und Software-Lösungen, verfügt über ein Linux-Echtzeit-Betriebssystem, offene Standards, App-Programmiertechnologie, webbasiertes Engineering und eine umfassende IoT-Anbindung. Die sichere Plattform bietet höchste Performance, Konnektivität und Erreichbarkeit“, so der Produktmanager. Auch Rockwell fokussiert die ethernetbasierte Vernetzung. Gemeinsam mit Cisco entwickelte das Unternehmen die Referenzarchitektur Converged Plantwide Ethernet. „Es gilt auch die zunehmende Konvergenz zwischen IT und OT zu berücksichtigen, wenn man über Bussysteme und Netzwerkarchitekturen spricht“, sagt Sälzler. Daher bietet Rockwell Automation unter dem Namen Stratix eine Reihe industrieller Netzwerk-Switches an, die entwickelt wurden, um die entsprechenden Anforderungen des Zusammenwachsens der IT mit dem Shop­floor zu befördern und zugleich relevante Aspekte der Kommunikation zu erleichtern. Mit EcoStruxure von Schneider Electric können Betriebe, Fertigungslinien und Maschinen miteinander vernetzt werden. „Mit unserer offenen IoT-Architektur bieten wir einen ganzheitlichen Ansatz für die digitale Vernetzung. Dabei kommen elektrotechnische Komponenten, Steuerungen, Softwareanwendungen und Serviceleistungen zum Einsatz, die an allen Stationen im Anlagenlebenszyklus für mehr betriebliche Effizienz, Flexibilität und Resilienz sorgen“, sagt der Produktmanager Jänicke.

Arne Jänicke,
(Bild: Schneider Electric)

„Offene Standards und eine Abkehr von proprietären Systemen spielen für uns auch im Bereich industrielle Automatisierung eine wichtige Rolle. Mit unserem EcoStruxure Automation Expert ist es auf Basis von Norm IEC 61499 möglich, Anwendungen hardwareunabhängig zu automatisieren.“

Arne Jänicke, Produktmanager Drive, Schneider Electric DACH

Kostengünstige Alternativlösungen

Laut Bokholt werden nicht auf Ethernet basierende Busse wie zum Beispiel Profibus über kurz oder lang verschwinden. „Bis auf wenige Ausnahmen: Modbus ist ein unabhängiges Nischenprodukt und CAN-Bus ist extrem günstig auf der Hardware-Seite“, sagt Bokholt. Das trifft auf ein weiteres Nischenprodukt zu: „ASi-5 stellt immer dort eine Alternative zu Ethernetlösungen dar, wo diese zu aufwendig und zu teuer sind“, sagt Andre Hartmann von Bihl+Wiedemann. Die Verdrahtung dieses Feldbusses ist denkbar einfach, da keine Stecker montiert, keine Kabel vorkonfektioniert werden müssen. „Das ASi-Kabel kommt von der Rolle und kann passend abgelängt werden. Die Module werden genau dort, wo sie gebraucht werden, mit Durchdringungstechnik angeschlossen. Die Topologie ist dabei frei wählbar“, erklärt Hartmann. Die Geräte, die die einzige Schnittstelle der ASi-Applikation zur übergeordneten Ebene darstellen, haben neben einem Webserver auch OPC UA als direkte MES-ERP-Schnittstelle standardmäßig mit an Bord.

Michaela Rothhöft,
(Bild: FH Südwestfalen)

„Über 40 Prozent der deutschen Maschinenbauer haben OPC UA bereits im Einsatz, weitere 30 Prozent planen dies für die Zukunft.“

Michaela Rothhöft, wissenschaftliche Mitarbeiterin, FH Südwestfalen

Neben der Sicherstellung einer durchgängigen Kommunikation gilt es, die Fertigungsumgebung umfassend abzusichern: „Eine vernetzte Produktion muss zur Schadensabwehr gegen Angriffe von außen geschützt sein – und dieser Aspekt hat einen großen Einfluss auf die Netzwerkauslegung“, sagt Sälzler. Rockwell bietet neben den Referenzarchitekturen entsprechende Network- und Security-Services an. OPC UA hat die entsprechenden Security-Mechanismen bereits integriert: „Dort gibt es einen Security-Modus, der die Authentizität der Kommunikationspartner und die Integrität der Datenübertragung garantiert. Es gibt außerdem Verschlüsselungsmechanismen entsprechend der IEC-Norm 63443. Die beschreibt, welche Anforderungen die Automatisierungskomponenten und Bussysteme erfüllen müssen. Das sind etwa Security-Funktionen wie Benutzerverwaltung, Integritätsschutz, sichere Speicherung von elektronischen Schlüsseln und Loggings“, zählt er auf. Doch der Aufwand Security-Funktionen in die Geräte zu implementieren, die Software zu schreiben und zu pflegen, ist groß.

Der nächste Schritt: TSN

Um Technologiesprünge und Schnittstellenprobleme, Gateways und Switches der verschiedenen nebeneinander existierenden Lösungen zu verringern, wäre laut Wegmann der nächste Schritt im Süden mit TSN fällig. „Mit der Einigung auf TSN wäre die technische Voraussetzung für den Regelkreis der Automatisierung endlich geschlossen.“, so der ZVEI-Mann. TSN (Time Sensitive Network) ist ein erprobter Standard, der auch in der Automobilindustrie zum Einsatz kommt. Als ideal für die Kommunikation auf Feldebene betrachtet der ZVEI ihn, weil er auf Ethernet basiert und – auf Layer 2 des OSI-Schichtenmodells – Daten in harter Echtzeit übertragen kann. „Stellen Sie sich TSN als eine Röhre vor, durch welche die jeweiligen Kommunikationsprofile wie in einem separaten Schlauch ungehindert hindurchgeführt werden können – direkt bis zum Feldgerät,“ verbildlicht Wegmann das Prinzip dieser Lösung. Die Situation im Felde würde sich vereinfachen, da es keine Rolle spielt, welche und wie viele unterschiedliche Feldbus-Protokolle vorhanden sind. Dafür gibt es viele Befürworter, so zum Beispiel Jänicke: „Was OPC UA gerade für die industrielle Automatisierung so attraktiv macht, ist, dass parallel dazu auch ein passendes Bussystem für echtzeitbasierte Anwendungen eingeführt wird. Auf Basis von TSN können zeitsensitive Anwendungen ohne zusätzlichen Einsatz separater Feldbussysteme oder sonstige Technologiebrüche umgesetzt werden. Damit bleibt eine hohe Durchgängigkeit von Daten erhalten.“

Gunther Sälzler,
(Bild: Rockwell Automation)

„Über all diesen aktuellen Fragestellungen steht das Thema Cybersecurity. Durch die immer stärkere Vernetzung der Produktion im Sinne des Connected Enterprise und der Industrie 4.0 müssen alle Netzwerkarchitekturen auch immer anhand ihrer Cybersecurity gemessen werden.“

Gunther Sälzler, Manager Software & Control, Rockwell Automation

Nicht nur der ZVEI, auch die Namur engagiert sich für TSN: Die gemeinsame Initiative NOA – die Namur Open Architecture – sieht vor, Daten aus dem Feld auf einem getrennten Kommunikationspfad in der Cloud zur Verfügung zu stellen, um Wartungskosten zu reduzieren, ungeplanten Anlagenstillstand zu verhindern, Anlagen-Output zu erhöhen, Prozess- und Produktqualität zu verbessern und Energiekonsum zu verringern. Noch sind die erforderlichen TSN ASICs zu teuer, um in jedem Sensor/Aktor zur Anwendung zu kommen, doch mit zunehmender Verbreitung rechnet Wegmann mit deutlichen Preissenkungen für diese Elektronikbausteine. „Der nächste Schritt ist es, die TSN Technology dann auch auf drahtlose Übertragungsmedien wie 5G oder WLAN zu adaptieren“, so Wegmann. Bosch übernimmt bei 5G eine Vorreiterrolle und hat 2020 sein erstes Campusnetz im Industrie-4.0-Leitwerk in Stuttgart-Feuerbach in Betrieb genommen. Derzeit testet Bosch 5G weltweit an 15 Standorten. Bis auf wenige Vorreiter setzen diese Technologien allerdings wenige ein, berichtet die Marktforscherin Rotthöft: „TSN spielte 2020 im Maschinenbau noch keine Rolle. Nicht einmal 2 Prozent setzen es ein. Jedem Zweiten ist dieser Begriff nicht einmal bekannt.“ Sie tippt eher auf die weitere Verbreitung von IO-Link. Bei Helmholz wird die Entwicklung zwar gespannt verfolgt, doch auf Geräteebene noch nicht umgesetzt: „Wir haben für TSN noch keine Produkte. Solange das beim Marktführer nicht in den eigenen Steuerungen integriert ist, macht das noch keinen Sinn,“ meint Geschäftsführer Carsten Bokholt.

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