Busse und Kommunikationssysteme in der Mess- und Automatisierungstechnik
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Podiumsdiskussion auf dem 5. Technologietag in Chemnitz: Prof. Erhard Stein von der Hochschule Chemnitz, Rahman Jamal von National Instruments, Dr. Frank Neubert von AMC – Analytik & Messtechnik GmbH, Michael Güttler von der Salzgitter AG und Sven Fischer von der Comsoft GmbH
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Die Zuhörer beteiligten sich aktiv an der von Ronald Heinze (links) geleiteten Diskussion
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Spezifische Fragen von den teilnehmenden Anwendern
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Die MXI-Express-Anbindung ermöglicht eine theoretische Bandbreite von 250 MByte/s beim Daten-Streaming zwischen PXI-Systemen und Compactrio-Plattformen
Kaum eine Applikation der Mess- und Automatisierungstechnik kommt noch ohne den Austausch von Daten aus. Daher sind Bussysteme ein wichtiger Bestandteil einer jeden technischen Lösung. Der Anwender muss dabei aus einer Vielzahl unterschiedlicher Kommunikationslösungen die optimale auswählen. Den gegenwärtigen Stand der Technik diskutierten Sven Fischer, Comsoft GmbH, Michael Güttler, Salzgitter AG, Dr. Frank Neubert, AMC – Analytik & Messtechnik GmbH, Rahman Jamal, National Instruments Germany GmbH, und Prof. Erhard Stein, Hochschule Lausitz, auf dem 5. Technologietag Prozessautomatisierung in Chemnitz.
Wie wichtig ist die Wahl des richtigen Bussystems in der Mess- und Automatisierungstechnik?
R. Jamal: Busse sind essenziell für die vielfältigen Anwendungen der Mess- und Automatisierungstechnik. Immer wieder erhitzen sich die Gemüter über dieses Thema, wobei man eher polemisch diskutiert, anstatt sachlich zu bleiben. Die Historie zeigt, dass es gerade bei diesem Thema ratsam ist, etwas differenzierter an die Sache heranzugehen, beispielsweise eine Unterscheidung zwischen der Mess- und Automatisierungstechnik zu machen. In der Messtechnik zum Beispiel wird oft über einen idealen Bus diskutiert, den es schlicht und einfach nicht gibt. Denn die Anforderungen im Hinblick auf Offenheit, Anbindung, Skalierbarkeit sind zu unterschiedlich. So müssen je nach Anwendungsfall verschiedene Bustechnologien integriert werden, deren Schlüsselmerkmale, wie Bandbreite, Latenz, Ausdehnung, Verfügbarkeit und Softwareunterstützung, erheblich voneinander abweichen.
Im Laborbereich etwa spielen die GPIB- und USB-Busse eine wichtige Rolle, in Prüfständen sind es eher die internen PC-Busse wie PCI oder PCI Express und für automatisierungsnahe Messtechnik kommen die Steuerbusse bzw. Ethernet-basierte Busse zum Einsatz. In der reinen Automatisierungstechnik dagegen gibt es eine Fülle von Feldbussen mit ihren jeweiligen Stärken und Schwächen. Als Hersteller müssen wir darauf achten, dass wir die gängigen Systeme unterstützen, ohne sich in politischen Debatten zu verlieren.
Dr. F. Neubert: Der Ansatz ist für uns Anwender ein wichtiger Punkt, weil eine der größten Barrieren beim Aufbau von Automatisierungslösungen darin besteht, dass bei manchen Herstellern die Einbindung von Bussystemen proprietär ausgerichtet ist. Man hat das Gefühl, dass nur die Technik des einen Anbieters zum Einsatz kommen soll. Das ist für den Anwender nicht akzeptabel, da wir von der technologischen Aufgabenstellung her kommen und diese auch in den Mittelpunkt stellen. Der Bus ist letztlich nur ein Transportmedium für die Daten und somit nur eine Komponente der Automatisierungslösung. Der Schwerpunkt des Automatisierers liegt nicht in IT-Kenntnissen. Er muss zwar ein guter Entwickler sein, entscheidend ist aber, die Technologie der Maschine oder der Anlage so zu verstehen, dass sie mit den Mitteln der Mess- und Automatisierungstechnik umgesetzt werden können. Dabei ist der Bus nur ein Mittel zum Zweck. Der Ansatz, möglichst offen zu sein und die Kompatibilität und Interoperabilität der Busse zu gewährleisten, ist sehr wichtig.
Prof. E. Stein: Dem kann ich mich nur anschließen. Ein Bus muss offen und einfach anzusteuern sein. Wenn unsere Studenten für ihre Abschlussarbeit in Forschungsinstitute oder in die Industrie gehen, haben sie auch häufig nicht die Möglichkeit etwas auszuwählen. Sie müssen mit den dort üblichen Protokollen arbeiten und hoffen, dass diese möglichst einfach handhabbar sind.
Welche generellen Unterschiede gibt es zwischen den Bussystemen der Messtechnik und der Automatisierungstechnik?
R. Jamal: Auch wenn es schwierig ist, hier allgemeine Aussagen zu treffen, lässt sich Folgendes feststellen: In der Labormesstechnik spielt die Geschwindigkeit eine nicht so entscheidende Rolle. Denn hier geht es darum, Messdaten zu erfassen und an den PC zu übertragen und zu analysieren. In der Prüfstandsautomatisierung beispielsweise im Bereich der Fertigung ist die Zeit ein entscheidendes Kriterium. Hier geht es um Durchsatz bzw. Bandbreite, deterministische Reaktionen usw.
Welche Rolle gestehen Sie den Ethernet-basierten Bussen in der Mess- und in der Automatisierungstechnik zu?
Dr. F. Neubert: In unseren Projekten stellen die Ethernetbusse die dominierende Anzahl dar, unabhängig davon, ob die Aufgabenstellung aus der Maschinen- und Anlagenautomatisierung oder Messtechnik stammt.
S. Fischer: Wir sehen Profinet IO als Ablösung für den derzeitig vorhandenen Profibus. Dass die Ethernet-basierenden Kommunikationssysteme bereits eine so große Akzeptanz erreicht haben, konnten wir bisher nicht feststellen. Grundsätzlich sehen wir die Entwicklung Ethernet-basierter Lösungen positiv: Für alle Anforderungen ist etwas dabei.
Prof. E. Stein: Es wird noch eine ganze Weile dauern, bis sich Ethernet in der Messtechnik durchsetzt. Ich mache mir immer ein Bild, wenn ich meine Absolventen bei ihrer Abschlussarbeit in den Betrieben besuche. Bei den meisten habe ich noch kein Gerät gesehen, welches auf Ethernet basiert. In der normalen Labormesstechnik ist Ethernet noch nicht weitverbreitet.
R. Jamal: Nicht zufällig führen wir die neue MXI-Express-Anbindung im Markt ein, die eine theoretische Bandbreite von 250 MByte/s beim Daten-Streaming zwischen PXI-Systemen und Compactrio-Plattformen ermöglicht. Konkret handelt es sich bei dieser Neuerung um ein 14-Slot-Compactrio-Chassis, genannt NI MXI-Express RIO, das über eine MXI-Anbindung an Industrie-Controller und PXI-Systeme angeschlossen werden kann. Hiermit ist es prädestiniert für Hochgeschwindigkeitsanwendungen im Bereich Hardware-in-the-Loop-Tests (HIL), Zustandsüberwachung industrieller Maschinen und komplexer Forschungsapplikationen. Die x1-MXI-Express-Verbindung stellt eine hohe Bandbreite für das Daten-Streaming zwischen vier in Reihe schaltbaren Chassis und einem einzigen Controller bereit. Damit stehen bis zu 56 Steckplätze für Module der C-Serie und maximal 1 792 IO-Kanäle für Analog-, Digital- und Kommunikations-IO zur Verfügung, einschließlich Dehnung, Beschleunigung, kanalweise isolierte Spannungseingänge, simultane Spannungsausgänge u. v. m. Allein dieser kurze Ausflug zeigt, dass die messtechnischen Anforderungen ganz anders sind als bei der Automatisierung, sonst würden wir nicht solche Hochgeschwindigkeitsbusse auf den Markt bringen.
Wann wird sich die Anzahl der Bussysteme reduzieren, damit dem Anwender die Auswahl leichter fällt.
R. Jamal: Eine Reduzierung wäre zwar wünschenswert – aber ich denke, dies wird nicht passieren. Wir haben einfach zu viele Unternehmen, die auf ihre Busse setzen und mit allen Mitteln versuchen, diese im Markt zu platzieren. Denn wem es gelingt, seinen Bus in einer Applika¬tion durchzusetzen, gewinnt auch die damit verbundene Plattform. Wir können versuchen, durch Standardisierung und durch Gremienarbeit die Fähigkeiten der Busse so transparent wie möglich zu machen, aber die Vielfalt – das zeigen auch die klassische und die ethernetbasierende Feldbusdiskussion – wird bestehen bleiben und sich sogar noch vergrößern.
Dr. F. Neubert: Die Laufzeit der Anlagen spielt eine entscheidende Rolle. In der Automatisierung macht niemand eine Modernisierung, nur weil es eine neue Technik gibt. Die Sicht des Anwenders ist: Ich habe ein System, das läuft und wieso sollte ich Geld investieren, um alle Hardware-Komponenten auszuwechseln, eine neue Software zu installieren und mein Personal neu zu schulen. Das erfolgt nur bei einem Generationswechsel der Anlage selbst und das sind Zeiträume von zehn bis 20 Jahren.
Fragen wir doch mal den Anwender. Herr Güttler, welchen Bus nutzen sie bei der Salzgitter AG? Ist ein Wechsel in Aussicht?
M. Güttler: Unser Werksstandard ist Profibus und der wird auch konsequent umgesetzt. Die einzige Chance, über ein anderes Bussystem nachzudenken, besteht bei Neubauprojekten.
S. Fischer: Bei uns gibt es das Produkt FNL Proxy PN/PB, mit dem man vorhandene Profibus-Slave-Stränge in Profinet als Device abbilden kann. Das hat den Vorteil, dass man die Altsysteme nicht komplett austauschen muss, sondern diese weiterhin verwenden kann. So ist eine schrittweise Modernisierung der Anlage möglich. Alle Produkte aus unserem Portfolio stellen wir auch als Leihbaugruppen zur Verfügung. So hat der Kunde die Möglichkeit, die Funktion in der Anlage zu testen: Harmonieren die Treiber mit den vorhandenen Systemen, kann anhand der Applikationsbeispiele eine Umsetzung vorgenommen werden.
Gibt es in Zukunft die Möglichkeit, auf einer Hardware-Schnittstelle verschiedene Protokolle zur Verfügung zu stellen?
S. Fischer: Bei Ethercat ist die Funktionalität in einem Chip integriert. Vielleicht ist es in Zukunft möglich, mehrere Chips für verschiedene Protokolle in einem Gerät zu integrieren, die mit einer einzigen Schnittstelle arbeiten. Ob das Produkt am Markt dann Erfolg haben wird, kann ich nicht sagen. Die meisten Kunden legen sich auf einen Standard fest und wechseln nicht bei jeder Applikation.
F. Neubert: Hier gibt es bereits entsprechende Chips, zum Beispiel von Hilscher. Der Ansatz ist nicht so ungewöhnlich und wird häufig schon verlangt. Wir haben damit allerdings noch keine Erfahrungen in der Praxis.
Welche Chancen haben Wireless-Protokolle in der Zukunft. Werden sie andere Lösungen verdrängen?
R. Jamal: Außerhalb der industriellen Anwendung, zum Beispiel bei der Umweltmesstechnik und Überwachung von Brücken, spielt Wireless eine große Rolle.
F. Neubert: Schon aus technischen Gründen kann die Wireless-Technologie nicht alle anderen Systeme verdrängen. Auch im Bereich Wireless ist die Situation ähnlich wie bei den Ethernet-basierten Kommunikationssystemen: Es gibt unterschiedliche Standards und unterschiedliche Anwendungsfälle. In der Umweltmesstechnik ist zum Beispiel der Zigbee-Standard etabliert. In der industriellen Automatisierungstechnik stellt Wireless-LAN eine Alternative dar. Die Zuverlässigkeit von Wireless-Lösungen kann jedoch durch verschiedene Störfaktoren beeinträchtigt werden. Veränderliche Empfangsbedingungen entstehen auch durch bewegte Objekte. Wir haben mit Wireless-Lösungen im Industriebereich bisher keine allzu guten Erfahrungen gemacht und versuchen die Probleme weitgehend mit Festinstallationen zu umgehen.
