Der neue Standard in der industriellen Kommunikation: Durchgängig bis ins Feld

Industrielle Kommunikationsstandards

Einer für alle, alle für einen

Ein neuer, herstellerübergreifender Kommunikationsstandard für die Automatisierung.

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  • Single Pair Ethernet
    Single Pair Ethernet

    Phoenix Contact ist Ihr Schlüsselpartner für die Integration von Single Pair Ethernet von der Geräteschnittstelle über die Verkabelung bis zur aktiven Netzwerkkomponente, von der Sensorik im Feld bis zum PC im Büro.

In vielen Gremien und Standardisierungsprojekten entsteht im Moment das Grundgerüst für die Zukunft der industriellen Kommunikationstechnik. Neue Kommunikationsstandards wie OPC UA, TSN, SPE und 5G werden bisherigen Systemen in Bezug auf Kosten, Datendurchsatz, Latenz und Deterministik überlegen sein. Als Technologieführer mit mehr als 30 Jahren Erfahrung im Bereich der industriellen Kommunikationstechnik engagiert sich Phoenix Contact in allen wichtigen Standardisierungsgremien. Dort gestalten wir für Sie einen neuen, herstellerübergreifenden Kommunikationsstandard für die Automatisierung mit.

Ein Überblick über die Kommunikation der Zukunft

Wo früher nur wenige Geräte über Ethernet vernetzt waren, sind schon heute große Netzwerke gewachsen. Im Zuge der Digitalisierung und Industrie 4.0 bzw. IIoT werden in Zukunft noch viel mehr Feldgeräte eingebunden. Neben den Steuerungsdaten werden sie auch bedarfsorientierte Daten an verschiedene Ziele im Netzwerk und in die Cloud übertragen. Um diese Datenmengen zu steuern und echtzeitkritische Applikationen weiterhin betreiben zu können, sind neue Technologien notwendig:

Einsatzorte der neuen Kommunikationsstandards im Netzwerk  

Die neuen Technologien TSN, SPE/APL, 5G und auch OPC UA sind nicht unabhängig von einander zu sehen sondern bilden gemeinsam die Kommunikation der Zukunft

Der Kommunikationsstandard OPC UA ist auf überlagerten Kommunikationsschichten bereits etabliert. Nun wird dieser Standard weiterentwickelt für die direkte Feldkommunikation, sodass auch dort eine durchgängige, herstellerübergreifende Kommunikation ermöglicht wird. In Verbindung mit Time Sensitive Networking (TSN) erlaubt OPC UA eine echtzeitfähige und konvergente Kommunikation bis ins Feld oder zwischen Steuerungen.

Gleichzeitig wird auch an der Übertragungsphysik gearbeitet. Single Pair Ethernet (SPE) ermöglicht zukünftig eine Ethernet-Übertragung über nur zwei Drähte für die Ethernet-Anbindung bis zum Sensor. Mit 5G wird einer neuer Mobilfunkstandard spezifiziert, der deutlich zuverlässiger und performanter ist – für eine zuverlässige Anbindung der wachsenden mobilen Anwendungen. Bei all diesen Projekten ist dabei immer das Thema der Cyber Security zu betrachten, die kontinuierlich auf die neuen Systeme und Gefahren hin angepasst werden muss. Alle gerade entstehenden Standards zusammengenommen bilden das Grundgerüst für die Zukunft der industriellen Kommunikationstechnik.

Unsere Chance: Ein gemeinsamer Standard für die Automatisierung

Um die Visionen der Industrie 4.0 und des IIoT umzusetzen, ist eine ganzheitliche Vernetzung vom Sensor über die Maschine und übergeordnete Systeme bis in die Cloud notwendig. Diese durchgängige Vernetzung ist bisher jedoch nur schwer möglich, da in unterschiedliche Feldbusorganisationen inkompatible Feldbussysteme und -Profile für Automatisierungsgeräte wie z. B. Safety und Motion-Control entstanden sind. Oft werden aktuell also Gateways als Schnittstelle benötigt.

Um dies zu ändern, setzt sich Phoenix Contact mit viel Engagement in allen prägenden Arbeitskreisen dafür ein, einen einheitlichen, herstellerübergreifenden Kommunikationsstandard der Zukunft zu definieren. Mit Freude können wir hier in verschiedenen Projekten schon große Fortschritte feststellen.

OPC UA – der einheitliche Kommunikationsstandard auch im Feld

OPC UA wird zur bevorzugten Wahl  

Mit der Weiterentwicklung für die Feldebene wird OPC UA der Kommunikationsstandard der Industrie

OPC UA dient heute bereits als überlagerter Kommunikationsstandard in Anlagen. Nun wird OPC UA erweitert um standardisierte Anwendungsprofile im Feld, z. B. für I/O, Safety oder Motion.

Darüber hinaus werden standardisierte Gerätemodelle für eine einheitliche Konfiguration und eine einheitliche Diagnose der Geräte im Netzwerk definiert. Auch die notwendigen Konformitätstests für eine hohe Kompatibilität werden beschrieben. Zusammengenommen ist somit zukünftig eine flächendeckende Anbindung der Feldgeräte in die Cloud und dadurch eine durchgängige Verbindung der IT und OT möglich.

OPC UA und TSN – konvergente Netzwerke

Konvergenz als Notwendigkeit für eine zuverlässige Kommunikation zwischen IT und OT 00000985  

TSN ermöglicht konvergente Netzwerke

Für Netzwerke mit verteilten, zeitkritischen Anwendungen ermöglichen zusätzliche TSN-Mechanismen eine Zeitsynchronisierung und Priorisierung der Datenströme. TSN bezeichnet dabei eine Vielzahl an Standards in der IEEE 802.1, die das Standard-Ethernet echtzeitfähig machen soll. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn mehrere Verantwortliche mit mehreren Engineering-Tools in einem konvergenten Netzwerk Datenströme definieren. So kann sich jeder sicher sein, dass seine jeweilige Teillösung weder andere Kommunikation stört, noch von ihr gestört wird. Dies erhöht dies die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit Ihres Netzwerks.

Um eine Interoperabilität sicherzustellen, werden in verschiedenen Arbeitsgruppen alle Schichten der Kommunikation auf Basis von TSN und OPC festgeschrieben. Alle Definitionen der Arbeitsgruppen basieren dabei auf dem TSN-Profil für industrielle Kommunikation (TSN-IA-Profile), das in dem Standardisierungsgremium IEC/IEEE 60802 geführt wird. Phoenix Contact beteiligt sich in den von der OPC Foundation initiierten Arbeitsgruppen mit finanziellen und personellen Ressourcen und definiert somit nicht weniger als den industriellen Kommunikationsstandard der Zukunft mit.

SPE und APL – Ethernet-Anbindung bis zum Sensor

DNA-Strang  

Die Zweidrahttechnologie SPE zieht sich zukünftig wie eine DNA durch das Netzwerk

Eine weitere Bedingung für die durchgängige Vernetzung vom Sensor bis in die Cloud ist die einfache Anbindung intelligenter Sensoren und Aktoren in das Netzwerk. Mit Single Pair Ethernet (SPE) wird dies nicht nur einfacher, sondern auch deutlich kompakter und kostengünstiger möglich. Statt wie bisher über vier Adernpaare ist mit SPE nur noch ein Adernpaar für die Datenübertragung notwendig. Innerhalb der IEEE wird in verschiedenen Arbeitsgruppen an Übertragungsstandards von 10 MBit/s bis 10 GBit/s und Übertragungslängen bis zu 1000 m gearbeitet. Die Zweidrahttechnologie soll außerdem eine leistungsfähige Versorgung von Endgeräten mit Daten und Energie über nur ein Adernpaar ermöglichen.

Die Advanced Physical Layer-Technologie (APL) basiert auf der SPE-Technologie. Sie wurde speziell für den Einsatz in eigensicheren Bereichen der Prozesstechnik entwickelt. Dies ermöglicht eine IP-basierte Kommunikation bis zum Sensor ohne Systembrüche und Gateways. Die notwendigen Standards dieser Technologie entstehen in einem gemeinschaftlichen Projekt von drei Feldbusorganisationen (Fieldcom Group, ODVA und PI) und elf Industriepartnern. Als einer der Initiatoren dieses Projekts und als Industriepartner ist Phoenix Contact hierbei mit finanziellen und personellen Ressourcen beteiligt.

5G – zuverlässiger Mobilfunk für mobile Anwendungen

Neben der kabelgebundenen Kommunikation wird auch die drahtlose Kommunikation für eine moderne und flexible Produktion immer wichtiger. Entwicklungen im Bereich der fahrerlosen Transportsysteme (FTS), der mobilen Endgeräte (Smart Devices) und der Zusammenarbeit von Mensch und Roboter erfordern eine zuverlässige Wireless-Kommunikation. Bisherige Mobilfunkstandards bieten keine garantierte Zuverlässigkeit, keine Diagnose der Verbindungsqualität und sind länderspezifisch unterschiedlich.

Das 3GPP (3rd Generation Partnership Project) erarbeitet daher in verschiedenen Arbeitsgruppen die Systemspezifikationen für die nächste Generation Mobilfunk, allgemein als 5G bezeichnet. Mit dem Ziel 5G von vornherein industriefähig zu gestalten und in der Produktion zu etablieren, wurde Anfang 2018 im ZVEI die globale Initiative 5G-ACIA (5G Alliance for Connected Industries and Automation) gegründet. Als einer der Pioniere für den Einsatz von Wireless-Technologien in der Automatisierungstechnik hat Phoenix Contact dieses Projekt mit initiiert und stellt entsprechende Ressourcen in den Arbeitsgruppen zur Verfügung.

Cyber Security – die Grundlage aller Kommunikation

Schloss verbindet Netzwerksegmente mit einander  

Wo jeder mit jedem kommunizieren kann, müssen Daten besonders gut geschützt werden

Eine durchgängige Kommunikation ist ohne entsprechende Sicherheitsmaßnahmen nicht möglich. Denn Ihre Daten müssen insbesondere in großen, offenen Systemen vor ungewollten Veränderungen und Diebstahl geschützt werden. Obwohl also theoretisch jeder mit jedem reden kann, sollte nur gewollte Kommunikation zugelassen werden.

Neben der Mitarbeit in zahlreichen anderen Arbeitsgruppen hat Phoenix Contact das Forschungsprojekt IUNO als das nationale Referenzprojekt zur IT-Sicherheit in Industrie 4.0 unterstützt. Ziel war es, Bedrohungen und Risiken für die intelligente Fabrik der Zukunft zu identifizieren und dazu geeignete Schutzmaßnahmen zu entwickeln. Zusammen wurden allgemein verwendbare Lösungen für die Herausforderungen der IT-Sicherheit im industriellen Umfeld entwickelt und getestet. Diese können nun als Blaupause für IT-Sicherheit in Industrie 4.0 herangezogen werden. Das Projekt wurde im September 2018 erfolgreich abgeschlossen und der Abschlussbericht an das Ministerium für Bildung und Forschung übergeben.

PHOENIX CONTACT s.à r.l.

10a, op Bourmicht
L-8070 Bertrange
(+352) 45 02 35-1

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