Warum es Industrieprotokolle wie PROFINET gibt

Eine Maschine könnte mit gewöhnlichem Büro-Ethernet laufen — bis zu dem Moment, in dem sie rechtzeitig anhalten muss. Feldbusse und Industrial-Ethernet-Protokolle gibt es, weil eine Fertigungslinie Garantien braucht, die ein Netzwerk für E-Mails nie geben musste.

Alle paar Monate stellt uns ein Einkäufer eine berechtigte Frage: Warum braucht eine Maschine überhaupt PROFINET, EtherNet/IP oder EtherCAT, wenn das Werk bereits ein gutes Ethernet-Netz hat und jedes Gerät auf dem Markt eine RJ45-Buchse besitzt? Die Kabel sehen gleich aus, die Stecker oft auch, und der Preis eines Industrie-Switches im Vergleich zu einem Büro-Switch weckt den Verdacht, dass hier jemand für ein Etikett bezahlt. Die ehrliche Antwort lautet: Das Kabel ist der unwichtigste Teil der Geschichte. Ein Industrieprotokoll verkauft weder Geschwindigkeit noch Bandbreite. Es verkauft ein Versprechen über Zeit — und ein Regelwerk dafür, was passiert, wenn etwas schiefgeht.

Vor den Netzwerken: ein Adernpaar pro Signal

Um zu verstehen, warum es diese Protokolle gibt, lohnt der Blick auf das, was sie ersetzt haben. Bis Ende der 1980er-Jahre wurde eine Maschine parallel verdrahtet: Jeder Endschalter, jede Ventilspule und jeder analoge Sensor hatte ein eigenes Adernpaar bis zur Steuerung — ein 24-V-Signal für Ein und Aus, eine 4–20-mA-Schleife für einen Messwert. Das war einfach und vollkommen deterministisch, denn ein Signal lag in dem Moment an, in dem der Schalter schloss. Aber es skalierte nicht. Eine mittelgroße Linie konnte Tausende Adern führen, jede davon eine Klemmstelle, eine zu pflegende Beschriftung und ein Fehler, den jemand suchen musste, wenn eine Ader in der Energiekette brach. Die Verdrahtung kostete mehr als die Steuerung, und die Dokumentation lag immer eine Änderung zurück.

Feldbusse wie PROFIBUS, der aus den späten 1980er-Jahren stammt, DeviceNet und das noch ältere Modbus fassten diese Bündel in einem einzigen Kabel zusammen. Dezentrale Peripheriestationen saßen direkt bei den Sensoren, und die Steuerung tauschte alle ihre Daten über ein verdrilltes Adernpaar in einem festen Zyklus aus. Das war das erste Versprechen eines Industrienetzes: Jedes Gerät wird innerhalb einer bekannten, wiederholbaren Zeit gelesen und beschrieben. Büronetze mussten dieses Versprechen nie geben, denn eine Webseite, die vierzig Millisekunden zu spät lädt, quetscht niemandem die Hand.

Warum gewöhnliches Ethernet nicht reicht

Ethernet hat sich in der Fertigung aus denselben Gründen durchgesetzt wie überall sonst: Es ist schnell, günstig, universell, und jeder Ingenieur versteht es bereits. Standard-Ethernet mit TCP/IP arbeitet jedoch nach dem Best-Effort-Prinzip. Ein Frame wird zugestellt, wenn die Switches Platz dafür haben, ein verlorenes Paket wird erneut gesendet, wenn der Protokollstapel es bemerkt, und das Betriebssystem an beiden Enden erledigt die Arbeit, wenn es dazu kommt. Im Mittel ist das schnell. Im ungünstigsten Moment ist es unvorhersehbar — und eine Bewegungsachse oder eine Sicherheitsfunktion wird nach ihrem ungünstigsten Moment beurteilt, nicht nach dem Mittelwert. Ein Antrieb, der seinen Sollwert in einem von zehntausend Zyklen zwei Millisekunden zu spät erhält, hinterlässt eine Spur am Werkstück, und niemand wird sie reproduzieren können.

Industrial-Ethernet-Protokolle behalten die physikalische Schicht bei und ersetzen den Teil, der für diese Aufgabe nie gedacht war. PROFINET, gepflegt von PROFIBUS & PROFINET International und genormt in IEC 61158 und IEC 61784, ist ein gutes Beispiel, weil es die Schichtung offen zeigt. Konfiguration, Parameterzugriff und Diagnose laufen über gewöhnliches TCP/IP, wo einige Millisekunden Unsicherheit keine Rolle spielen. Zyklische Prozessdaten laufen als PROFINET RT: Frames mit eigenem EtherType, die den TCP/IP-Stapel vollständig umgehen, in den Switches priorisiert werden und mit Aktualisierungszeiten von wenigen Millisekunden ankommen. Für die Bewegungssteuerung gibt es IRT, Isochronous Real-Time: Die Netzwerkhardware reserviert in jedem Zyklus ein Zeitfenster, sodass Zykluszeiten deutlich unter einer Millisekunde mit einem Jitter im Mikrosekundenbereich eingehalten werden — unabhängig davon, welcher andere Verkehr die Leitung mitbenutzt.

Was ein Protokoll tatsächlich festlegt

Das Zeitverhalten ist nur die halbe Wahrheit. Der größere Wert eines Protokolls wie PROFINET liegt darin, dass es festlegt, wie Geräte sich beschreiben, wie sie gefunden werden und wie sie Störungen melden. Jedes Gerät wird mit einer GSDML-Datei ausgeliefert, einer XML-Beschreibung seiner Module, Parameter und Diagnosemeldungen, die das Engineering-Werkzeug importiert, damit die Steuerung genau weiß, mit wem sie spricht. Geräte werden über einen Namen adressiert statt über eine Nummer, die jemand an einer Frontplatte eingestellt hat, und die Steuerung weist diesem Namen beim Hochlauf die IP-Adresse zu. Ab Conformance Class B kennt jedes Gerät außerdem seine Nachbarn, sodass die Steuerung ein Abbild der realen Topologie besitzt. Das praktische Ergebnis ist eine der am meisten unterschätzten Funktionen der Automatisierung: Ein Elektriker kann ein ausgefallenes Peripheriemodul durch ein neues direkt aus der Verpackung ersetzen, und die Steuerung erkennt den Port, an dem es steckt, und konfiguriert es — ohne Laptop und ohne Programmierer in der Nachtschicht.

Die Diagnose folgt derselben Logik. Ein Drahtbruch, ein Kurzschluss an einem Ausgang, ein unter Spannung gezogenes Modul oder ein Kabel mit zu vielen Übertragungsfehlern wird als strukturierter Alarm gemeldet, der einem Gerät, einem Steckplatz und einem Kanal zugeordnet ist. Das Bediengerät kann anzeigen, welcher Sensor an welcher Station ausgefallen ist, statt dass die Maschine einfach stehen bleibt und jemand mit einem Multimeter die Linie ablaufen muss. Für einen Werksleiter ist das der eigentliche Nutzen des Protokolls. PROFINET hat Maschinen nicht dramatisch schneller gemacht als die Feldbusse davor. Es hat sie auskunftsfähig gemacht.

Dieselbe Schichtung trägt auch die Sicherheit. PROFIsafe läuft auf dem normalen PROFINET-Kanal und behandelt diesen Kanal als nicht vertrauenswürdig: Jedes Sicherheitstelegramm trägt eine eigene Laufnummer, eine Überwachungszeit und eine Prüfsumme, sodass eine verzögerte, wiederholte, verfälschte oder fehlgeleitete Nachricht vom Empfänger erkannt wird und die Maschine in einen sicheren Zustand übergeht. Dieses Black-Channel-Prinzip erlaubt es, dass ein Not-Halt, ein Lichtgitter und ein Schutztürschalter ein Kabel mit gewöhnlicher Peripherie teilen und dennoch SIL 3 nach IEC 61508 und PL e nach ISO 13849 erreichen. Die Alternative — ein separater, fest verdrahteter Sicherheitskreis, der durch jede Station geführt wird — ist genau die Art Verdrahtung, deren Beseitigung der Grund für diese Protokolle war.

Warum es mehr als eines gibt

Wenn das Problem dasselbe ist, liegt die nächste Frage nahe: Warum hat sich die Branche nie auf eine einzige Antwort geeinigt? Ein Teil davon ist Technik. EtherCAT, von Beckhoff entwickelt und heute von der EtherCAT Technology Group verwaltet, verarbeitet einen einzigen Frame im Durchlauf, während er jedes Gerät passiert, und ist dadurch außergewöhnlich schnell für eng synchronisierte Bewegungen. EtherNet/IP, getragen von der ODVA, transportiert das CIP-Objektmodell über Standard-TCP und -UDP und fügt sich natürlich in Netze ein, die ohnehin von der IT verwaltet werden. CC-Link IE, POWERLINK und Modbus TCP haben jeweils andere Kompromisse zwischen Geschwindigkeit, Kosten und Einfachheit gewählt. Der größere Teil ist jedoch Geschichte und Geografie. Ein Protokoll reist mit seiner Steuerungsplattform: PROFINET dominiert dort, wo Siemens-Steuerungen dominieren, also in weiten Teilen Europas und in der Türkei; EtherNet/IP ist der Standard in Werken, die in Nordamerika um Rockwell-Technik herum gebaut wurden; CC-Link ist in Lieferketten verbreitet, die von Japan aus geführt werden.

Für einen Maschinenbauer heißt das: Das Protokoll ist selten eine freie Wahl. Es folgt dem Werksstandard des Endkunden, und eine Maschine für ein deutsches Automobilwerk und ihre Schwestermaschine für ein nordamerikanisches Werk brauchen um eine identische Mechanik herum womöglich unterschiedliche Netze. Aus demselben Grund versteht man OPC UA, das oft als Ersatz beschrieben wird, besser als eine andere Ebene. OPC UA ist hervorragend darin, strukturierte Informationen von der Maschine zu MES- und Cloud-Systemen zu transportieren, und die Arbeiten unter dem Namen OPC UA FX zielen zusammen mit Time-Sensitive Networking darauf, es bis in die Feldebene zu bringen. Heute wird der schnelle zyklische Kreis in einer Maschine noch von einem Feldbusprotokoll gefahren, und OPC UA sitzt darüber.

Was das für den Schaltschrankbau bedeutet

Ein Netzwerkprotokoll steht und fällt im Schaltschrank — dort beginnen die meisten Probleme, die wir später suchen sollen. PROFINET arbeitet mit 100 Mbit/s über eine vieradrige geschirmte Leitung, mit RJ45-Steckern im Schrank und D-kodierten M12-Steckern im Feld, und Kupfersegmente sind auf 100 Meter begrenzt. Die Regeln sind unspektakulär und entscheidend: Schirme beidseitig aufgelegt und mit einer sauberen Potenzialausgleichsschiene verbunden, Netzwerkleitungen getrennt von Motorleitungen verlegt, Linientopologien so kurz gehalten, dass ein ausgefallenes Gerät nicht die halbe Maschine abtrennt, und ein Ring mit Media Redundancy Protocol überall dort, wo sich die Maschine keinen Stillstand wegen eines einzigen gebrochenen Kabels leisten kann.

Wir behandeln das Netzwerk als gezeichneten Teil der Maschine und nicht als Nachgedanken. Gerätenamen, IP-Bereiche, Port-zu-Port-Verbindungen und Switch-Positionen gehören ins EPLAN-Modell, direkt neben die Energieverteilung, und die Prüfung am Ende eines Schaltschrankbaus schließt das Netzwerk ein: Jedes Gerät wird unter seinem geplanten Namen gefunden, die Topologie entspricht der Zeichnung, und unter Last treten keine Übertragungsfehler auf. Bei der Inbetriebnahme vor Ort ist es genau dieses Protokoll, das aus einer vagen Kommunikationsstörung einen bestimmten Port an einem bestimmten Switch macht.

Die kurze Antwort auf die Frage des Einkäufers lautet also: Gewöhnliches Ethernet transportiert Daten. Ein Industrieprotokoll transportiert Daten rechtzeitig, weiß, was jedes Gerät im Netz ist, sagt genau, was ausgefallen ist, und führt Sicherheit über dasselbe Kabel, ohne ihm zu vertrauen. Dafür bezahlt man den Aufpreis eines Industrie-Switches und eines grünen Kabels — und an einer Linie, die jede Minute Stillstand Geld kostet, ist das meist der günstigste Teil der ganzen Maschine.

— Engineering-Team GANI Engineering