Ethernet in der Automatisierung

Haben die Feldbusse ausgedient? Was muss bei der Wahl eines Systems beachtet werden? Welche Fallstricke birgt der Einsatz von Industrial Ethernet? Die Diskussion fand live auf der SPS/IPC/Drives statt. Es diskutierten: – Rüdiger Eikmeier, Geschäftsführer der Ethernet Powerlink Standardization Group, – Jörg Freitag, Vorstandsvorsitzender der Profibus Nutzerorganisation, – Peter Lutz, Geschäftsführer der Nutzerorganisation Sercos International, – Andreas Melkus für die Varan-Bus-Nutzerorganisation, – Martin Rostan, Leiter der Ethercat Technology Group und – Viktor Schiffer für die Open DeviceNet Vendor Association Auf die Frage, wie Ethernet die Automatisierungswelt verändert hat, stellt Martin Rostan zwei Dinge heraus: \“Ethernet hat heute zum Teil die Feldbusse verdrängt. Dieser Prozess hat erst begonnen. Man kann durch den Einsatz von Industrial Ethernet deutliche Performancegewinne realisieren, man kann Technologien wie Wireless einfach in die Systeme integrieren und hinsichtlich ihrer Flexibilität, ihrer Ausdehnung und in der Anzahl der Knoten sind sie klassischen Feldbussen deutlich überlegen.\“ Jörg Freitag hingegen sieht Ethernet mit Feldbussen nicht immer im Wettbewerb: \“Ethernet bringt völlig neue Möglichkeiten in der Automatisierung, nicht nur zur Ablösung, sondern gerade auch zur Integration existierender Feldbusse. Sie können heute traditionelle Feldbussysteme, wie Interbus, Profibus und auch proprietäre Feldbussysteme, sicherheitsgerichtete Anwendungen oder auch Ethernet-Anwendungen unter einen Hut bringen. Dies alles ermöglicht ein allumfassendes System wie beispielsweise Profinet.\“ Für Rüdiger Eikmeier ist der Universalbuscharakter sein größter Vorteil: \“Ich denke, der wichtigste Aspekt ist, dass wir mittlerweile wirklichnur noch ein System für alle Aufgaben haben, wenn man ein Echtzeitsystem wie Powerlink einsetzt. Das heißt, vom Antrieb und der Vernetzung der I/O-Systeme bis hin zur Visualisierung in der Leitebene alles über ein Netzwerk zu machen. Und das in gelb und in schwarz – also in sicher und in unsicher – und das alles so zu integrieren, dass ich auch mit einheitlichen Werkzeugen diese ganzen Systeme bearbeiten kann.\“ Aber ist es denn wirklich so, dass die Systeme so durchgängig sind, wie immer behauptet wird? Viktor Schiffer dazu: \“Für Ethernet/IP würde ich das ganz eindeutig bejahen. Wir haben ein durchgängiges System und auch wenn wir in unserer Feldbusebene in ein ControlNet, in ein DeviceNet oder in ein CompoNet hineingehen: Das Protokoll (CIP, Anm. d. Red.) ist und bleibt das gleiche.\“ Für Peter Lutz hingegen ist die Verwendung von Gateways und mehreren Bussystemen nur eine Frage der Zeit: \“Für eine gewisse Zeit wird es natürlich Gateways geben müssen, insbesondere für Produkte, die noch nicht mit Sercos III-Schnittstelle verfügbar sind. Wir haben Sercos III mit Ethernet auf einer Steuerungsebene in vielen Applikationen im Einsatz, trotzdem findet man nach wie vor den traditionellen Antriebsbus Sercos in der zweiten oder ersten Generation, weil bestimmte Produkte dort verwendet werden können, für die es noch keine Sercos III-Anbindung gibt. Das ist aber nur eine Frage der Zeit. Durchgängigkeit ist eine klare Anforderung der Anwender und die Hersteller arbeiten daran.\“ Jörg Freitag unterstreicht den einfachen Durchgriff aus der Büro- in die Feldebene mit Profinet: \“Sie erreichen durchgängig unternehmensweite Vernetzung. TCP/IP ist die entscheidende Größe an dieser Stelle. Profinet bietet Durchgriff von der MES-Ebene bis hinunter ins letzte Feldgerät.\“ Andreas Melkus sieht das Hauptproblem in heterogenen Fertigungsnetzwerken ganz woanders: \“Grundsätzlich glaube ich, dass alle hier vertretenen Ethernet-Systeme das Thema, TCP/IP irgendwie durch einen Echtzeitverkehr durchzuschleusen, beherrschen. Das Hauptproblem ist nicht, was wir alles wollen, sondern was die Geräte unter dem Strich kosten. Die Anwender wollen gar nicht so hochtrabende Sachen machen, sie wollen mit möglichst wenig Investitionen ihre Anwendung realisieren. Wenn man alles in die Geräte packt, was so möglich ist, dann holt einen die Praxis schnell ein, denn die Geräte werden dadurch unbezahlbar teuer und der Entwicklungsaufwand gigantisch.\“ Eikmeier warnt vor zuviel Durchgriff: \“Wer möchte denn bitte schön seinen Antrieb direkt im Web sehen? Das heißt, wer möchte diese Möglichkeit haben ohne eine Sicherheitsfunktion? Deshalb wird ja typischerweise bei den Systemen ab Masterebene getrennt. Wir haben also eine Echtzeitebene, das ist typischerweise unser Powerlink, und wir haben eine Masterebene, Powerlink Master, an den von oben typischerweise ein Firmennetzwerk angeschlossen wird. Das heißt, wir trennen die Domänen in eine Echtzeitdomäne und eine Nicht-Echtzeitdomäne. Selbstverständlich kann man in diesen Master sozusagen direkt durchgreifen per TCP/IP, aber da oben gibt es eben eine Firewall und all die Mechanismen, die man für die Sicherheit braucht.\“ Martin Rostan pflichtet Melkus bei, die Kostenseite nicht zu ignorieren: #Wir haben mit unseren Mitgliedern und Anwendern gefragt: \’Wollt ihr in jedem Feldgerät einen TCP/IP-Stack?\‘. Natürlich würden die Kunden das ganz gerne haben, aber sie sind in der Regel nicht bereit, dafür extra zu bezahlen. Deshalb haben wir bei Ethercat die Möglichkeit, Geräte mit oder ohne TCP/IP-Stack auszurüsten. Beides wird gemacht und die Wahlmöglichkeit wird dankbar angenommen.# Inwieweit unterscheiden sich die am Markt vorhandenen Systeme hinsichtlich der Geschwindigkeit und welche Rolle spielt die hohe Performance von Industrial Ethernet? Andreas Melkus dazu: \“Für einen Kunden ist wichtig, ob diese Maschine seine Anforderungen erfüllt und nicht, ob er auch noch 300 weitere Achsen bewegen könnte. Es sind sicher neue Probleme dazugekommen, auf die die Leute nicht vorbereitet waren: Zum Beispiel muss man schon sehr genau schauen, ob die vielen \’tollen\‘ RJ45-Stecker überhaupt vibrationsfest sind, wenn ich die mit meinem Roboter spazieren fahre. Dort holt einen die Wahrheit ein. Die Geschwindigkeit ist wirklich nicht das Thema.\“ Rüdiger Eikmeier ist die Vielseitigkeit eines Ethernet-Systems wichtig. \“Man muss die volle Bandbreite erfüllen. Wenn ich das mal am Beispiel Powerlink erläutern darf: Wir steuern die weltschnellste Druckmaschine. Da kommt es auf Geschwindigkeit an, Achsen zu synchroniseren. Das ist der eine Teil. Es werden damit aber auch Großturbinen im Kraftwerksbau gemacht, wo über 30.000 I/O-Systeme eingesetzt werden. Und es werden kompakte Roboter gemacht, in denen sie sechs Achsen haben. Man muss einfach diese ganze Bandbreite erfüllen.\“ Für Martin Rostan ist Geschwindigkeit ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal: \“Als Vertreter von Ethercat können Sie sich vorstellen, dass Geschwindigkeit durchaus ein sehr wichtiges Thema ist. Ich glaube, ich brauche hier nicht betonen, dass Ethercat bei der Geschwindigkeit keine Defizite hat. Ich bin allerdings nur in Teilen mit der Aussage von Herrn Melkus einverstanden, wenn er sagt, dass alle Industrial Ethernet Technologien, die heute in der Diskussion sind, tatsächlich Geschwindigkeitsvorteile gegenüber den vorhandenen, vorhergehenden Feldbussystemen bieten. Das ist nicht unbedingt der Fall.\“ Peter Lutz zum Thema Performance: \“Ich schließe mich meinem Kollegen Rostan hier an, dass ein paar Vertreter mit Ethernet eine Performance erreichen, die unter der traditioneller Feldbusse liegt. Wenn man diese Durchgängigkeit haben möchte, die auch Bandbreite kostet, dann kommt sehr schnell der Ruf nach Gigabit-Ethernet. Ich bezweifle allerdings, dass das die Lösung ist. Die Effizienz wird dadurch nicht besser und neue Nachteile, z.B. hinsichtlich Kosten und EMV, kommen dazu.\“ Jörg Freitag stellt langfristige Kriterien in den Mittelpunkt der Debatte: \“Die Performance ist nur ein Thema unter vielen. Die führende Größe ist immer noch die Applikation selbst. Viele Applikationen stoßen heute schon an mechanische Grenzen, d.h., die Geschwindigkeiten, welche die Kommunikationssysteme heute bieten, können teilweise gar nicht mehr verarbeitet werden. Sind nicht die wichtigeren Fragen, die uns heute bewegen, beispielsweise solche nach der \’Total cost of ownership\‘? Damit werden Themen wichtig, die oft vernachlässigt werden, wie Diagnose, Sicherheitstechnik, sowie die Integration bestehender Feldbusse.\“ Von den Ethernet-Systemen wird mehr erwartet als nur Geschwindigkeit. Doch werden sie diesen Anforderungen auch gerecht? Wie sieht es beispielsweise mit Themen wie Safety, Redundanz und Eigensicherheit aus? Jörg Freitag dazu: \“Safety ist in unserem System seit vielen Jahren im Markt bewährt, mit der Sicherheitslösung Profisafe auf Profibus. Die gleichen Lösungen sind heute auch für Profinet eins zu eins verfügbar und übertragbar.\“ Andreas Melkus stört sich daran, dass es kein einheitliches Safety-Protokoll auf den Ethernet-Systemen gibt: \“Es gibt zahlreiche Anbieter von Peripheriegeräten, die Safety-Funktionen implementieren müssen: Das sind Drives, das sind Hydraulikventile, zahlreiche Aktoren und Sensoren. All diese Komponenten werden früher oder später sicherheitsrelevante Daten verarbeiten müssen. Nachdem hier kein gemeinsamer Nenner für den Black Channel, mit dem alle arbeiten, gefunden wurde, heißt das, dass alle Hersteller von Peripheriegeräten alle Bussysteme implementieren müssen. Aber allein die Zertifizierungskosten sind so exorbitant hoch, dass ich fürchte, dass der Markt es nicht verkraften wird. Reinrassige Systeme, die hier immer vorausgesetzt werden, wird es im großen Umfang nicht geben. Man wird das Problem lösen müssen, dass verschiedene Netzwerke miteinander reden und sicherheitsrelevante Daten austauschen können. Sonst trägt man den Kampf auf dem Rücken der Kunden aus.\“ Martin Rostan lädt die Nutzerorganisationen zur Mitarbeit ein: \“Eine durchgängige funktionale Sicherheitslösung ist sicher ein ganz entscheidendes Kriterium für die Auswahl einer Industrial Ethernet-Technologie. Bei Ethercat haben wir seit Ende 2005 eine Lösung mit verfügbaren Geräten im Markt. Heute morgen haben wir auf unserer Pressekonferenz ein Safety drive profile angekündigt, das wir in der ETG zurzeit erarbeiten, das zwar nicht die sicheren Protokolle standardisieren soll – den Anspruch haben wir nicht – aber das die Anwendungsschnittstelle für die Sicherheitsfunktion in Antrieben vereinheitlichen soll. Und ich lade auch die anderen Organisationen ein, diese Arbeiten mit uns zu teilen und vielleicht kann sich dann wenigstens auf Anwendungsebene ein einheitliches Status- und Steuerwort für das Ansprechen der Sicherheitsfunktionen aus der IEC ergeben.\“ Peter Lutz: \“Ich teile die Ansicht des Herrn Melkus komplett. Das war mit ein wesentlicher Grund, warum wir gesagt haben: Wir kochen keine eigene Suppe bei Safety, sondern wir gehen auf das etabliertes Safetyprotokoll CIP Safety, das von der ODVA bereits für verschiedene Busse eingesetzt wird, um eben dort genau diese Kompatibilität zu haben.\“ Jörg Freitag: \“Offenheit bietet irgendwann jeder, Sicherheit bietet irgendwann auch jeder. Das heißt, am Ende wird die Zahl der Anwendungen das Ethernetsystem voranbringen. Und da kann ich guten Gewissens für Profinet behaupten, mit über 1 Million installierter Geräte im Markt sind wir auf dem besten Wege, uns unter den vielleicht drei Ethernetsystemen, die im Markt überleben werden, bestens zu etablieren.\“ Das Thema Patente hat in der industriellen Automatisierungstechnik gerade Hochkonjunktur. Welche Rolle spielt Open Source im Bereich der industriellen Echtzeit-Ethernet-Systeme? Rüdiger Eikmeier: \“Wir haben auf der Hannover Messe unser Protokoll für Master und Slave als Open Source ins Netz gestellt unter der BSD-Lizenz, das heißt, dass jeder es verwenden darf. Das gibt Investitionssicherheit, es gibt aber auch Rechtssicherheit. Es kann später niemand kommen und sagen, jetzt musst du aber Lizenzen zahlen. Das war für uns auch ein Grund, ganz klar darzustellen, dass es patentfrei ist.\“ Andreas Melkus wundert sich über die Diskussion: \“Eines der erfolgreichsten und offensten Bussysteme, die es je gegeben hat, war und ist CAN-Bus. Der ist weder Open Source, noch lizenzfrei, noch frei von Patentrechten und das war nie ein Thema. Warum wird das jetzt thematisiert? Und ich wünsche jedem viel Glück, der mit Open Source ein Echtzeit-Bussystem programmiert.\“ Viktor Schiffer: \“Ich sehe in der Frage der Patente oder Lizenzen aus Sicht der ODVA auch keine Probleme: Alles, was an Spezifikationen existiert, ist grundsätzlich so frei von Patenten, dass es jeder nutzen kann. Wir haben in gewisser Weise einen Open Source Code zur Verfügung, der Example Code, der für die meisten Anwendungen als Beispiel dienen kann. Jeder darf ihn verwenden, es gibt keine Lizenzgebühren. Grundsätzlich ist alles, was in der Technologie existiert, lizenzfrei verfügbar, es gibt gar keine Lizenzen. Die Patente, die existieren, hat man zur Nutzung an die ODVA komplett abgetreten, deswegen sehe ich überhaupt keinen Sinn in der Patentdiskussion.\“ Peter Lutz hält Open Source für eine wichtige Option: \“Wir spüren in letzter Zeit ein zunehmendes Interesse an Open Source. Die Gründe sind ganz unterschiedlich, es hat sicher einerseites mit Ethernet generell zu tun, wo viele Stacks ja als Open Source vorliegen. Es hat sicher auch mit dem Erfolg der Echtzeit-Linux-Systeme zu tun. Wir sind momentan in Überlegungen, in Richtung Open Source aktiv zu werden, da dies aus unserer Sicht eine wichtige Ergänzung darstellt. Die Sercos-Technoloie gehört der Sercos Nutzerorganisation, es gibt dort zwar Patente, die im Wesentlichen dazu dienen, die Technologie zu schützen. Es gibt ein Warenzeichen, um sicher zu stellen, dass die Entwicklungen trotzdem konform ablaufen. Aber ob eine Software aus einem Open Source Zweig entnommen wird oder ob sie proprietär entwickelt wird, spielt aus unserer Sicht keine Rolle. Open Source ist sicher ein wichtiger Punkt in der Zukunft, um gewisse Entwicklungen zu beschleunigen und die Investitionen zu reduzieren.\“ Jörg Freitag: \“Die Patentdiskussion als Begründung für Open Source verstehe ich nicht. Die Profibus Nutzerorganisation hat kein Problem mit Patenten, alles ist gelöst, alles ist frei verfügbar bezüglich der Technologien. Ich denke vielmehr, dass die Open Source Problematik bei anderen Organisationen erst in einigen Monaten und Jahren so richtig zum Tragen kommen wird, denn Sie müssen berücksichtigen: Die Community in der Automatisierung ist um Dimensionen kleiner als im Consumer-Bereich. Viel wichtiger ist die Wertschöpfungskette für den Hersteller und den Anwender, der Fragen hat. Wo wenden Sie sich hin, wenn Sie etwas per Open Source bezogen haben? An den, der es gemacht hat. Den kennen Sie vielleicht gerade noch per E-Mail-Adresse.\“