Schon bald nach Einführung der Mikroprozessortechnik in der Automation hat sich die Verbindung von Systemen über serielle Schnittstellen etabliert. Einzelne Systeme wurden über RS232-Schnittstellen mit – nach heutigen Maßstäben – sehr langsamer Geschwindigkeit verbunden. Hima hat bereits 1987 sicherheitsgerichtete Steuerungssysteme über derartige Punkt-zu-Punkt-Verbindungen sicherheitsgerichtet miteinander gekoppelt. Frühzeitig wurde der Vorteil bidirektionaler Kommunikation erkannt, die ohne Verfälschung der Daten auch über größere Distanzen funktioniert. Um die Effizienz dieser Kommunikation weiter zu steigern, wurde eine Vielzahl an Punkt-zu-Mehr-punkt-Kommunikationen entwickelt. Diese Master-Slave-Konzepte beruhten zumeist auf der Übertragungsphysik RS485. Einige Bussysteme sind für ein bestimmtes Feld der Automatisierung spezialisiert, andere hingegen sind als Generalisten angetreten, um weite Bereiche der Automatisierung abzudecken. Diese generellen Lösungen erreichen jedoch nicht die Leistungen der spezialisierten Systeme. Hima führte bereits 1990 sicherheitsgerichtete Kommunikation auf Basis von RS485 ein. Mit der gesteigerten Leistungsfähigkeit von Steuerungssystemen ist der Trend zu erkennen, dass immer mehr Aufgaben der Datenverarbeitung in diesen Systemen bearbeitet werden. Wurden früher ausschließlich digitale Signale verarbeitet, so werden heute die Datenvorverarbeitung z.B. für die Visualisierung durchgeführt oder Datenbanken an Steuerungssysteme angebunden. Diese Möglichkeit, komplexere Daten in den Steuerungen zu bearbeiten, ebnete den Weg für moderne, modulare und flexible Anlagenkonzepte. Dadurch steigen auch die Anforderungen an die Kommunikation: – Sehr große Distanzen sind zu überbrücken. – Für schnelle Reaktionen werden hohe Anforderungen an das Echtzeitverhalten gestellt. – Bei der Synchronisation undschnellen Regelprozessen spielt Determinismus eine wichtige Rolle. In Visualisierungs- und Leitsystemen werden große Datenmengen gesammelt, bearbeitet und weiterverteilt. Auch die hohe Verfügbarkeit mit stoßfreier Übernahme der Kommunikation ist bei Ausfall einer Komponente ein wichtiger wirtschaftlicher Aspekt. Aufgrund der Entwicklung der unterschiedlichen Übertragungstechniken fällt es dem Anwender heute schwer, den richtigen Bus für seine Anwendung auszuwählen. Er benötigt hierzu die detaillierte Kenntnis der Eigenschaften unterschiedlicher Übertragungssysteme. Ist die Entscheidung einmal getroffen, muss der Betreiber mit den Eigenschaften dieses gewählten Systems leben. Dies schränkt die Flexibilität und Investitionssicherheit ein. Erfüllt eine Kommunikationsplattform nicht alle gewünschten Eigenschaften, ist der Einsatz mehrerer Bussysteme notwendig. Somit steigt der Aufwand für Planung, Inbetriebnahme und Betrieb der verschiedenen Systeme. Bussysteme geraten immer wieder an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit. Um den Verdrahtungs-, Inbetriebnahme- und Wartungsaufwand weiter zu reduzieren, ist auch die Anzahl der verwendeten Bussysteme zu reduzieren. Dazu müssen Programmierung, Visualisierung, Diagnose, nicht sicherer Datenaustausch und sichere Kommunikation gleichzeitig auf einer Kommunikationsplattform möglich sein. Grundvoraussetzung hierfür ist die entsprechende Bandbreite, Verfügbarkeit und Flexibilität des Bussystems. Lösungen mit gängigen Feldbussen bieten dafür nicht das notwendige Zukunftspotenzial. Auf der Suche nach Alternativen wurde das Ethernet genauer betrachtet. Mitte der 90er Jahre hat diese Technologie in der Bürowelt schon die Vorherrschaft gewonnen. Auch in der Automatisierungstechnik hat sie sich bereits auf der Leitebene verbreitet. So kam man Ende der 90er Jahre zur Schlussfolgerung, dass sich Ethernet weiter in die Feldebene hinein vorarbeiten könnte. Vorteile von Ethernet – Bandbreite: 100Mbit/s sind derzeit Standard. Dabei können in einem Telegramm bis zu 1.500Byte übertragen werden. Des Weiteren steht diese Übertragungsrate in beide Richtungen zur Verfügung (Vollduplex) und es sind mehrere Nachrichten gleichzeitig im Netzwerk unterwegs (geswitchtes Netzwerk). – Verfügbarkeit: Ethernetkomponenten sind weltweit leicht zu beschaffen. Es gibt z.B. die Möglichkeit, Ringe aufzubauen und bei Kabelbruch einen alternativen Kommunikationspfad aufzubauen. Umschaltzeiten im Bereich von 20 bis 500ms sind zurzeit realisierbar. – Flexibilität: Es können nicht nur unterschiedlichste Kommunikationsstrukturen aufgebaut werden, auch die An- oder Abkopplung von Kommunikationsteilnehmern im laufenden Betrieb ist problemlos möglich. Die genannten Vorteile sind Eigenschaften von Ethernet. Es handelt sich also nicht um spezielle Entwicklungen der Automatisierungstechnik. Daraus ergeben sich eine große Zukunftssicherheit, immense Einsparpotenziale und neue Lösungsmöglichkeiten. Während in der gesamten Automatisierungsbranche diskutiert wurde, ob Ethernet den Anforderungen der Automation genügt, hatte Hima bereits vor zehn Jahren (1998) die ersten sicherheitsgerichteten Steuerungen mit sicherheitsgerichteter Kommunikation auf Standard-Ethernet erfolgreich im Einsatz. Dabei wurde safeethernet von Anfang an für sichere industrielle Ethernet-Kommunikation entwickelt. Infrastruktur Ethernet TCP/IP zeigt sich flexibel. Die Infrastrukturkomponenten erreichen ein immer besseres Preis-/Leistungsverhältnis. Heute können Switches zu Preisen eingekauft werden, zu denen vor zehn Jahren nicht einmal Hubs erhältlich waren. Die Vorteile der sicheren Kommunikation auf Basis von Ethernet werden bereits in der Praxis unter Beweis gestellt. Die Erfahrung zeigt, dass Ethernet auch unter den schwierigen Bedingungen der industriellen Automatisierung hervorragende Übertragungsergebnisse erzielt. Auch bei speziellen Übertragungsbedingungen werden positive Erfahrungen beim Einsatz von Bussystemen zur sicherheitsgerichteten Kommunikation gemacht. Hierbei haben sich in verschiedenen Projekten die unterschiedlichsten Übertragungswege wie Unterseekabel, Satellitenverbindungen, ISDN, SHDSL, G.703, SDH und W-LAN in der Praxis bewährt. Die TÜV-zertifizierte, sichere Kommunikation bis SIL3 gemäß IEC 61508 ist Bestandteil der aktuellen Hima-Sicherheitssteuerungen. Der Betrieb ist über beliebige Infrastruktur möglich. Wird hochverfügbare Kommunikation benötigt, kann safeethernet vollständig redundant aufgebaut werden. Eine kontinuierliche Kommunikation ist sichergestellt, auch wenn die Übertragungswege unterschiedliche Eigenschaften aufweisen (z.B. unterschiedliche Geschwindigkeiten oder Verzögerungszeiten). Die erwarteten Übertragungszeiten können frei auf die Anwendung angepasst werden oder so parametriert werden, dass der Verlust eines Telegramms durch ein automatisches Wiederholen der Sendung ausgeglichen wird. Der Einsatz von safeethernet löst gleichzeitig die Probleme der fehlenden Integrationsfähigkeit und der Performance aktueller Sicherheitsfeldbusse. Independent Open Integration Auf der Feldebene besitzt Ethernet TCP/IP die Leistungsfähigkeit, mehrere unterschiedliche Protokolle zu übertragen. Die unterschiedlichen Protokolle können gleichzeitig auf dem gleichen Netzwerk existieren. Da sie die gleiche Physik verwenden, sind die Geräte mit Softwarepaketen aufrüstbar. Zukunftssicherheit und die dazu nötige Migration sind dadurch gewährleistet. Der Anwender kann die für seine Anlage am besten geeigneten Automatisierungsgeräte auswählen und somit die wirtschaftlichste Gesamtlösung schaffen. Der Wegfall der Systemgrenzen ermöglicht dem Planer die Konzentration auf den zu steuernden Prozess. Gleichzeitig können die Kosten für die Verdrahtung und das Schaltschrankvolumen durch dezentrale Remote-I/Os reduziert werden. Optimierte Automatisierungslösungen sind das Ergebnis. Security Wird die Automation als Insellösung betrieben, ist die Ethernet-Physik als schnelles Übertragungsmedium ausreichend; Sicherheitsrisiken in Bezug auf externe Angreifer bestehen nicht. Bei der Planung dieser Inselnetze müssen lediglich \’traditionelle\‘ Faktoren wie Ausfallsicherheit, Bandbreite, Verzögerungszeiten usw. berücksichtigt werden. Spielen jedoch z.B. die effiziente Wartung und das direkte Auslesen von Betriebsdaten durch die Managementebene eine wichtige Rolle, ist eine zukunftssichere und bedienbare Integration in die bestehende IT-Landschaft von Bedeutung. Es geht also nicht um die Nutzung einer Ethernet-Funktionalität, sondern um die Summe aller Möglichkeiten aus den Anforderungen durch moderne Geschäftsprozesse und den technischen Möglichkeiten von Ethernet und Protokollen wie TCP/IP. Die Vorteile des Zusammenwachsens der Netze (Konvergenz) aus Enterprise-IT und Automation werden bereits heute im großen Umfang genutzt – Tendenz steigend. Eine wesentliche Voraussetzung für den sicheren Betrieb von konvergenten Netzen ist die Bereitschaft aller Beteiligten diese neuen Chancen zu ergreifen. Hierbei müssen die Herausforderungen und Möglichkeiten der jeweils anderen Sparte verstanden werden, um gemeinsam Lösungen zu erarbeiten. Zum einen spielen die verwendeten Protokolle der Automation eine wesentliche Rolle (technische Ebene), zum anderen bei höherem Integrationsgrad die IT-Sicherheit (Geschäftsprozess-Ebene). Ethernet TCP/IP bietet somit die optimalen Voraussetzungen, um die gesamte Automation von der Feldebene bis in den Bereich Enterprise-IT zu verschmelzen und die Effizienz des Gesamtsystems (z.B. einer kompletten Fertigung oder eines Gebäudemanagements inklusive Brandschutz) zu erhöhen. Zukunft der industriellen Kommunikation Auch zukünftig steht die steigende Wirtschaftlichkeit und damit auch die Erhöhung der Verfügbarkeit von Automatisierungssystemen im Vordergrund. Mit Ethernet, safeethernet und integrierbarer Sicherheitstechnik stehen bewährte, offene, leistungs- und kommunikationsstarke Sicherheitslösungen zur Verfügung. Da safeethernet auf UDP basiert und ausschließlich Standardmechanismen von Ethernet verwendet, können alle Weiterentwicklungen des Standards verwendet werden. Durch die bestehende Flexibilität und die stetige Weiterentwicklung von Ethernet sind damit moderne zukunftsorientierte Steuerungskonzepte bereits heute realisierbar.
HIMA Americas Inc.
