IIoT

Andreas Mühlbauer,

Die Hardware hinter den Industrial-Ethernet-Kulissen

Industrieumgebungen sind zunehmend von Automatisierung sowie Vernetzung und Kommunikation diverser Geräte geprägt.

In modernen Produktionen sind praktisch alle Komponenten vernetzt. © Paessler

Noch vor ein paar Jahren lief diese Kommunikation über Feldbus, und die Komponenten wurden mittels serieller Kommunikation miteinander verbunden. Doch gerade in den letzten Jahren sind die Anforderungen an industrielle Umgebungen durch die Digitalisierung, die Konvergenz von IT und OT und das industrielle Internet der Dinge (Industrial IoT, IIoT) deutlich gestiegen. Um diesen neuen Anforderungen gerecht zu werden, entwickelte sich im letzten Jahrzehnt das Konzept des „Industrial Ethernet”.

Seit vielen Jahrzehnten bildet das Ethernet das Grundgerüst von IT-Netzwerken. Aufgrund seiner Geschwindigkeit und Flexibilität werden traditionelle Ethernet-Standards für die Datenkommunikation auch auf andere Bereiche und Sektoren angewendet – darunter ebenfalls die industrielle IT. Das Ethernet-Konzept musste jedoch dem industriellen Kontext angepasst werden.

Ein erster Schritt war die Entwicklung neuer Protokolle für die Datenkommunikation – allen voran EtherNet/IP, Profinet, EtherCAT, Powerlink oder Modbus TCP. Eine weitere Anpassung – auf der in diesem Artikel der Fokus liegt – ist die Entwicklung spezieller Hardware für industrielle Umgebungen.

IIoT-Geräte und ihre Funktionen

Bevor es zu den Details geht, wie die Hardware für Industriezwecke spezifiziert wurde, hier zunächst ein Überblick über die Gerätetypen, die in der Industrie zum Einsatz kommen:

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  • Industrie-Switches
    Diese sind vergleichbar mit Switches in einem traditionellen IT-Netzwerk, sind aber in robusteren Versionen verfügbar und können über die üblichen Industrial-Ethernet-Protokolle kommunizieren. Es gibt sie als Managed-, Lightly Managed- oder Unmanaged-Switches. 

  • Industrie-Router
    Wie ihre Pendants aus der IT ermöglichen Industrie-Router die Übertragung von Daten zwischen mehreren Netzwerken, insbesondere aber zwischen dem Industrial-Ethernet-Netzwerk und Unternehmensnetzwerken.

  • Industrie-Gateways
    Diese Geräte können mit verschiedenen Elementen im Produktionsbereich verbunden werden und sind für die Aggregation von Daten und deren Übermittlung an verschiedene Endpunkte verantwortlich. Darüber hinaus konvertieren sie Kommunikationsprotokolle zwischen verschiedenen Systemen und ermöglichen die Kommunikation mit Public-Cloud-Diensten wie AWS, Azure und Google Cloud.

Geht es in der Ethernet-Thematik um die Hardware, sind natürlich auch die Verkabelung und die physischen Verbindungen eine wichtige Grundlage.

Robuste und strapazierfähige Geräte gefordert

Industrielle Umgebungen stellen ganz andere physische Anforderungen an die Hardware als Büroumgebungen. Extreme Temperaturen, übermäßige Luftfeuchtigkeit, starke Vibrationen, hohes Staubaufkommen, chemische Substanzen und elektromagnetische Störfelder gehören in Fertigungsanlagen und Fabriken zum Alltag. Klassische IT-Hardware würde vielen dieser Bedingungen nicht standhalten.

Wie also wird die Hardware für das Industrial Ethernet an diese Herausforderungen angepasst? Dies hängt natürlich von der Umgebung und dem Zweck der Installation ab, aber grundsätzlich sind die beiden wichtigsten Hardwarekomponenten – Geräte und Verkabelungen – deutlich robuster.
Bei Industriegeräten gibt es Modelle, die zwischen -40 °C und 85 °C betrieben werden können, erhöhte Schwingungs- und Stoßbeständigkeit aufweisen oder hohe IP-Schutzklassen bieten. 

Bei Kabeln liegt auf der Hand, dass der sonst übliche 8P8C-Anschluss in fast allen der rauen Bedingungen, die in Fabriken und Anlagen häufig anzutreffen sind, unzureichend wäre. Kabel für den industriellen Einsatz sind daher robuster ausgeführt – mit hochwertigeren Ummantelungen und Metallen – und verfügen über Steckverbindungen, die eine zusätzliche Abschirmung haben oder wasserfest sind.

Spezifikationen der Industriegeräte

Die Widerstandsfähigkeit gegenüber extremen Bedingungen ist nicht die einzige Herausforderung für industrielle Geräte. Da auch andere Faktoren berücksichtigt werden müssen, haben diese Geräte weitere Eigenschaften wie:

  • Kompaktes Design
    Da der Platz in Fertigungsanlagen oft begrenzt ist, stehen viele Ethernet-Geräte in kompakten Varianten zur Verfügung, die in beengten Bereichen wie kleinen Industrieschränken installiert werden können.

  • Netzwerkredundanz
    Viele Industriegeräte unterstützen Funktionen, um Netzwerkredundanz zu schaffen. Bei dieser werden zusätzliche Instanzen von Netzwerkgeräten und Kommunikationsleitungen erstellt, um Ausfallzeiten oder Datenverlust zu vermeiden. Dazu gehören beispielsweise Funktionen zum Aufbau von Ringnetzen oder die Verwendung des Spanning Tree Protocol.
     
  • Sicherheit
    Sicherheitsstandards, die für das IT-Ethernet gelten, funktionieren nicht unbedingt auch für die OT, weshalb spezialisierte Sicherheitsfunktionen erforderlich sind. Industriegeräte bieten in der Regel Funktionen auf Grundlage von IEC 62443, einer Sammlung von Sicherheitsstandards für industrielle Umgebungen.
     
  • Modularität
    Die Modularität der Geräte ist eine weitere nützliche Eigenschaft. So erleichtert beispielsweise ein modularer Switch mit verschiedenen Linien- und Leistungsmodulen die Erweiterung oder Wartung eines Netzes ohne lange Ausfallzeiten. 

Das Industrial Ethernet ins Blickfeld rücken

Die Einführung des Industrial Ethernet bringt eigene Herausforderungen für Ingenieure und Techniker in der Industrial-IT mit sich. Legacy-Geräte, die Seriell-zu-Ethernet-Konverter benötigen, Systeme, die auf neue Protokolle migriert werden müssen, und die zusätzliche Netzwerkkomplexität sind nur einige dieser Herausforderungen. Und natürlich ist es entscheidend, dass diese Geräte dauerhaft aktiv sind und ordnungsgemäß funktionieren.

Die Verfügbarkeit und Leistung der mit dem Industrial Ethernet eingeführten Geräte und Systeme kann auf verschiedene Weise überwacht werden. Genau wie herkömmliche Ethernet-Geräte bieten Industriegeräte meist SNMP als Kommunikationsoption an. Dieses Protokoll kann verwendet werden, um wichtige Informationen über den Betrieb der Geräte zu erhalten. 

Zudem stehen die für die Überwachung benötigten Daten häufig über OPC UA, einen verbreiteten Standard in der industriellen IT-Kommunikation, zur Verfügung. Weitere Mechanismen, die für das Monitoring genutzt werden können, sind zum Beispiel APIs und MQTT. Idealerweise sollte die Überwachung der Industriegeräte Teil eines ganzheitlichen Industrial-IT-Monitoring-Konzepts sein.

Christian Gügel, Business Development Manager New Markets bei Paessler

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