Automatisierung im Wandel

Andreas Mühlbauer,

Veränderung im Netzwerk braucht Struktur

Viele gewohnte, althergebrachte Strukturen in der industriellen Automatisierung befinden sich derzeit in einem Wandel. Informationstechnologie (IT) und Automatisierung (Operational Technology, OT) sind keine voneinander abgeschotteten Bereiche mehr, sondern wachsen sukzessive zusammen. Plötzlich kommunizieren Drucker, Überwachungskameras oder Energiemanagementsysteme über das gleiche Netzwerk wie Maschinen und Anlagen. Durch die damit einhergehende zunehmende Belastung ist ein strukturelles Umdenken erforderlich.

Um den neuen Anforderungen der Automatisierung gerecht zu werden, ist bei der Auslegung von Netzwerken ein Umdenken erforderlich. © fotolia.com/Norman01

Aktuell zeichnen sich zwei Verfahrensweisen ab, mit welchen man einer Netzwerküberlastung entgegenwirken will: Ein Ansatz sieht vor, innerhalb der Maschine oder Anlage TCP/IP-Kommunikation und Profinet zu trennen. Der andere strebt eine Vergrößerung der Bandbreite im Maschinennetzwerk durch den Einbau von Gigabit-Infrastrukturkomponenten an.

Beide Ansätze erscheinen zunächst zielführend, weil sie die momentanen Performance-Anforderungen erfüllen. Es ist jedoch bereits jetzt schon absehbar, dass diese Lösungsansätze dem rasant steigenden Datenverkehr und auch dem zunehmenden Vernetzungsgrad in der OT-Ebene langfristig nicht standhalten werden. Nur ein generelles Umdenken in Bezug auf die Netzwerkstruktur inklusive eines proaktiven Netzwerkmanagements bietet Ansätze für eine langfristig stabile Kommunikation trotz steigenden Datenaufkommens.    

Im Ergebnis mehrerer Diskussionen mit Anwendern aus unterschiedlichen Produktionsbereichen zeichnet sich ab, dass zwischen OT und IT eine High-Performance-Gigabit-Kommunikationsebene eingeführt wird. Über diese industrielle Informations-Technologie (IIT) lassen sich sowohl der hauptsächliche Anteil des TCP/IP-Datenverkehrs sowie die Maschine-Maschine-Kommunikation abwickeln. Das eigentliche Maschinennetzwerk (OT-Ebene) erfährt dadurch eine erhebliche Entlastung und erhält somit Reserven, um den weiterhin steigenden Anforderungen an die Maschinensteuerung im 100 Mbit-Bereich gerecht werden.        

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Beispielhafte Struktur eines durchgängigen Verbindungskonzeptes von der Automatisierung (OT) bis hin zur Büro-Ebene (IT) mit zentraler Management-Ebene dazwischen (IIT). In jeder Ebene werden die Switches eingesetzt, die den jeweiligen Kommunikationsanforderungen entsprechen. © Indu-Sol

Infrastruktur nach Leistungsklassen auswählen

Neben der Planung der Netzwerkstruktur und der Festlegung der Kommunikationsebenen ist ein weiterer wichtiger Aspekt die Auswahl der richtigen, der Applikation entsprechenden Netzwerkinfrastrukturkomponenten. Nicht selten erfolgt die Auswahl, beispielsweise bei Switches, ausschließlich nach dem Preis. Somit finden sich in den Maschinen- und Anlagennetzen noch eine große Anzahl von unmanaged Switches. Natürlich ist dagegen aus dem funktionalen Blickwinkel nichts einzuwenden – für eine portbezogene Diagnoseauskunft oder einen Topologiescan im Servicefall sind sie jedoch völlig ungeeignet.

Zusätzlich ist bei der Auswahl von managed Switches darauf zu achten, welche Parameter für die Kommunikation zwischen Anwender und Ziel im Sinne von „Quality of Service“ (QoS, Dienstgüte) wie ausgeführt werden beziwhungsweise verfügbar sind. Typische Beispiele dafür sind Latenzzeit, Jitter, Paketverluste, Fehlertelegramme sowie Angaben zum Datendurchsatz.

Ein Blick in die IT zeigt, dass hier die Komponenten schon seit Längerem nach Leistungsklassifikationen gemäß der jeweiligen Anwendung beziehungsweise der Kommunikationsbeziehung ausgewählt werden (s. Tabelle).

Layer

Merkmale/Funktion

Core Layer

Hohe Datenübertragungsraten, hochredundante Weiterleitung

Distribution Layer

Routing, Filterung, QoS-Richtlinien

Access Layer

Verbindung von Endgeräten und Servern

Leistungsklassifikationen von Infrastrukturkomponenten der IT-Ebene   

Transferiert man die vorgenannte IT-Klassifizierung von Switches in die OT-Ebene, so ist festzustellen, dass der heute verwendete Switch in der Maschine eher dem Access-Layer zuzuordnen ist, obwohl die Kommunikationsbeziehungen durchaus an manchen Stellen bereits einen Switch aus dem Bereich des Distribution Layer erfordern würden. Mit Access-Layer-Infrastrukturkomponenten lassen sich die QoS-Parameter jedoch nicht erfüllen. Auch deshalb sind in einer High-Performance-Umgebung mindestens Distribution-Layer-Infrastrukturkomponenten nötig.       

Infrastrukturkomponenten der neuesten Generation

Netzlast oder EMV? Die Switches PROmesh P9 und PROmesh P20 von Indu-Sol zeigen dem Anwender Diagnosedaten zu beiden möglichen Ereignis-Ursachen auf einen Blick und ermöglichen so eine zielgerichtete Ursachenforschung. © Indu-Sol

Die Switch-Familie PROmesh von Indu-Sol reiht sich mit dem PROmesh P9 in den Acces-Layer und mit dem PROmesh P20 in den Distribution Layer ein. Gemäß der Zertifizierung für Profinet erfüllen diese Geräte die Anforderungen der „Conformance Class B“ sowie der höchsten Netzwerklastklasse „Netload Class III“.      

Beide Switches verfügen zudem über das Feature der integrierten Ableitstromüberwachung. Im industriellen Maschinenumfeld können Störungen durch höherfrequente Leistungselektronik mitunter ungewollte Ströme auf den Schirmen von Datenleitungen provozieren, weshalb es die Belastung des Potenzialausgleichs permanent zu überwachen gilt. Zusammen mit den ermittelten Diagnosedaten (Portstatistiken) aus dem Netzwerk – Netzlast, Discards und Errors – leisten beide Switches eine automatisierte, lückenlose Überwachung der OT-Netzwerke, sodass kein relevantes Ereignis verpasst wird und umgehend eine Benachrichtigung erfolgt. Der PROmesh P20 verfügt zudem über eine integrierte Routingfunktion, mittels derer sich einzelne Kommunikationsverbindungen zwischen verschiedenen Netzwerken zulassen oder verbieten lassen.                        

Zentrales Monitoring als Basis für gezieltes Netzwerkmanagement   

Schematische Darstellung des PROmesh P20 als Schnittstelle der netzwerkübergreifenden Kommunikation zwischen mehreren OT-Netzwerken und zwischen IT und OT. © Indu-Sol

Unabhängig davon, welche Netzwerkstruktur in der Industrie-Automation heute gewählt wird, ist festzustellen, dass das Thema Netzwerk-Monitoring im OT-Bereich bestenfalls beiläufig angegangen wird. Während in der IT heute kein Netz ohne Überwachung und verantwortlichen Administrator mehr in Betrieb genommen würde, endet diese Grundhaltung oft am Hallenswitch. Dabei bilden aktuelle und historische Zustandsdaten zum Netzwerk die unverzichtbare Basis jeglichen Netzwerkmanagements. Das Netzwerk-Monitoring hat hier grundsätzlich die Aufgabe, sämtliche Abweichungen bei der Überwachung von Vorgängen zu visualisieren und damit beispielsweise Netzwerkabnormalitäten in Form von Anomalien oder Netzwerküberlastungen in Form von Discards und Jittern zu erkennen.

Die zentrale Netzwerkmanagement- und Monitoring-Software PROmanage NT liest in ethernetbasierten Netzwerken automatisiert und zyklisch die Portstatistiken der managebaren Switches aus und bündelt diese zu einem Gesamtzustand. © Indu-Sol

Egal, welche managed Switches verwendet werden: Die Monitoring-Software PROmanage NT von Indu-Sol liest automatisiert und zyklisch die Portstatistiken der managebaren Switches per SNMP-Abfrage aus und bündelt diese an einem zentralen Punkt – etwa der IIT-Ebene – zu einem Gesamtzustand. Ereignisse, die die Verfügbarkeit und Sicherheit des Netzwerkes beeinflussen, werden mit Zeitstempel protokolliert und in der so erstellten Datenbank minutengenau bis zu einem Jahr verfügbar gehalten. Beim Auftreten von Ereignissen im Netzwerk erfolgt dann etwa per SNMP-Trap, E-Mail oder über eine OPC-Schnittstelle eine entsprechende Warnung an das übergeordnete Leitsystem. Bei Bedarf ist zudem eine Tiefenanalyse bis auf das einzelne Gerät möglich.

Dem Technologiewandel aktiv begegnen

Der Bedarf an Daten aus Industrie-Netzwerken wächst kontinuierlich und mit ihm die Anforderungen an die Technologie. Deshalb macht sich Indu-Sol bereits heute Gedanken über eine zukunftsfähige Netzwerkstruktur. Es gibt dabei natürlich keine Pauschallösung oder gar Schablone, da es stets individuelle Bedürfnisse zu berücksichtigen gilt. Indu-Sol steht dem Kunden als herstellerunabhängiger Praxispartner während des gesamten Lebenszyklusses der Netzwerke mit Know-how und Dienstleistungen zur Seite. Das  Unternehmen sieht sich zusätzlich als Schlüssellieferant für eine Kommunikationsinfrastruktur, die an die veränderten Bedürfnisse zukunftsgerichteter Automatisierung angepasst ist.

Erste Lösungen, die vor diesem Hintergrund konzipiert wurden, stehen  bereits heute bereit. Intelligente, diagnosefähige Komponenten wie die PROmesh-Switches können jedoch nur der Anfang sein und gehen Hand in Hand mit entsprechender vorangeschalteter Netzwerkplanung und qualifiziertem Personal oder Dienstleistungsgemeinschaften, die einen reibungslosen Betrieb der Netzwerke vom ersten Telegramm an sicherstellen.

Von Karl-Heinz Richter, Geschäftsführer Marketing & Vertrieb und Christian Wiesel, Marketing, beide Indu-Sol GmbH.

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