Angenommen, Sie haben ein erstklassiges Gerät für den Markt der industriellen Automatisierung entwickelt und Sie erhalten Anfragen von Fabriken aus der ganzen Welt.
Das Problem ist, dass alle Fabriken verschiedene industrielle Steuerungen verwenden, die unterschiedliche Netzwerkprotokolle unterstützen. Wie schaffen Sie es, Ihr Gerät multi-netzwerkfähig zu machen, damit es in die verschiedenen industriellen Netzwerke eingebunden werden kann?
Sie können diesen Leitfaden lesen, in dem sechs Möglichkeiten zur Anbindung von Geräten an industrielle Netzwerke, ihre Vor- und Nachteile sowie die wichtigsten Punkte beschrieben werden, die es zu beachten gilt. Oder Sie springen zum Ende und kontaktieren uns. Gerne beraten wir Sie, welche Möglichkeit sich für Ihre Anwendung am besten eignen würde.
1. Verwenden Sie einen externen Protokollkonverter (Gateway)
Ein Gateway ist ein eigenständiges Gerät, das Netzwerkprotokolle konvertiert. Das ist die erste Wahl, wenn Sie keine Änderungen an der Soft- und Hardware Ihres Geräts vornehmen möchten. Sie verbinden einfach Ihr Gerät mit dem Gateway, um die Kommunikation mit dem industriellen Netzwerk zu ermöglichen.
Gateways sind mit Abstand die schnellste und einfachste Möglichkeit, ein Automatisierungsgerät mit einem industriellen Netzwerk zu verbinden. Die benutzerfreundlichen Gateways bieten eine webbasierte Konfigurationssoftware für die Einrichtung der Verbindung, sodass keine Programmierung erforderlich ist. Die Konfigurationen können gespeichert und wiederverwendet werden, was die Installation weiter vereinfacht. Sie können sogar ein unverwechselbares und personalisiertes Erscheinungsbild erstellen, indem Sie die Gateways mit Ihren eigenen Logos, Produktnamen, Artikelnummern oder Farben anpassen.
Allerdings haben Gateways im Vergleich zu den embedded Alternativen auch Nachteile. Da es sich um eigenständige Geräte handelt, sind sie nicht für Feldgeräte geeignet, die eine integrierte Kommunikationstechnologie erfordern. Sie bieten nur allgemeine Funktionalität, sind teurer und eignen sich daher nicht ideal für Automatisierungsgeräte, die in großen Stückzahlen produziert werden.
Zusammenfassung
Die Netzwerkanbindung ist mit Gateway am einfachsten. Gateways sind die beste Wahl, wenn Sie nur eine geringe Anzahl von Geräten vernetzen müssen und keine integrierte Lösung oder erweiterte Funktionen benötigen.
2. Verwenden Sie ein vollwertiges Kommunikationsmodul zum Einschieben
Ein embedded Kommunikationsmodul ist die beliebteste Wahl für Multi-Netzwerk-Konnektivität auf dem Industriemarkt. Warum? Es ist der einfachste Weg für Unternehmen, ein Gerät anzubieten, das sich mit Fabriknetzwerken verbinden lässt, ohne zu viel Zeit oder Mühe in die Entwicklung der erforderlichen Technologie zu investieren.
Damit Ihr Automatisierungsgerät mit dem Modul kommunizieren kann, fügen Sie in Ihrem Geräte einen mechanischen und elektrischen Host-Steckplatz mit Anschluss hinzu und nehmen die erforderlichen Softwareanpassungen vor. Die Softwareanpassungen ermöglichen es Ihrem Gerät, mit dem Modul zu kommunizieren, während das Modul die für die Kommunikation mit dem jeweiligen Netzwerk erforderlichen Netzwerkstacks verwaltet. Danach schieben Sie das Modul einfach in den Host-Steckplatz an und schon kann es losgehen. Und das Beste? Sie können Ihr Design für zukünftige Implementierungen für weitere Netzwerke wiederverwenden, indem Sie das Modul gegen ein Modul austauschen, das für das neue Netzwerk entwickelt wurde, selbst wenn die physische Schnittstelle und die Netzwerkanschlüsse völlig unterschiedlich sind. So sparen Sie Zeit und Geld.
Führende Hersteller von Kommunikationsmodulen bieten die Anbindung von über 20 Netzwerken durch einfaches Einschieben eines neuen Moduls an. Es ist sogar möglich, das Modul Ihrer Wahl erstbei Ihnen vor Ort einzusetzen, was die Logistik vereinfacht. Die besten Kommunikationsmodule sind für verschiedene Netzwerke vorzertifiziert, was den Zertifizierungsaufwand für Ihr Automatisierungsgerät bei Netzwerkorganisationen reduziert und die Chancen erhöht, beim ersten Versuch erfolgreich zu sein.
Bei Industrial-Ethernet-Netzwerken können Sie bei einigen Modulen dieselbe Hardware für verschiedene Netzwerke wiederverwenden, indem Sie einfach die Firmware für das jeweilige Netzwerk herunterladen. Möchten Sie eine Verbindung zu einem anderen Netzwerk herstellen, dann laden Sie einfach ein anderes Firmware-Paket herunter.
Es gibt auch Optionen, die einen besseren Schutz vor Cyberangriffen bieten.
Embedded Kommunikationsschnittstellen (Optionen 2-5) bieten mehr Funktionalität als eigenständige Gateways, da sie Daten als Variablen mit unterschiedlichen Datentypen übertragen.
Einbaufertige Kommunikationsschnittstellen, wie z. B. das Modul zum Einschieben oder das Brick zum Aufstecken, ermöglichen es Herstellern, industrielle Netzwerkkonnektivität nur dann hinzuzufügen, wenn der Endkunde dies ausdrücklich benötigt. Bei Bedarf kann das Modul oder das Aufsteckbare Brick erst bei der Endmontage mit dem gewünschten Netzwerkprotokoll integriert oder auch später vom Endanwender selbst installiert werden.
Was sind also die Nachteile? Das Modul lässt sich schnell implementieren, da es Hardware, Software und Anschlüsse in einem vordefinierten Design enthält, was jedoch auch bedeutet, dass das Design möglicherweise nicht Ihren Anforderungen entspricht. Wenn Sie beispielsweise bestimmte Steckverbinder oder IP-Gehäuse benötigen, sind Brick- oder Chip-Schnittstellen für Ihre Anwendung möglicherweise besser geeignet. Ein Modul hat auch einen höheren Preis als die folgenden embedded Kommunikationsschnittstellen (Optionen 3-6).
Zusammenfassung
Das Kommunikationsmodul zum Einschieben ist eine Komplettlösung für die Integration von Multi-Netzwerk-Konnektivität in Ihr Gerät. Die beste Wahl, wenn Sie eine integrierte Kommunikationsschnittstelle mit einer schnellen Markteinführung benötigen.
3. Einbaufertige Kommunikationslösung - Brick zum Aufstecken
Die Brick-Lösung zum Aufstecken hat viele Ähnlichkeiten mit einem Kommunikationsmodul, da es Hardware, Software und erweiterte Funktionen umfasst sowie in verschiedene Ausführungen erhältlich ist, die jedes wichtige Netzwerk unterstützen und erstklassige Cybersecurity-Eigenschaften hat. Auch hier ist es möglich, dieselbe Hardware wiederzuverwenden und das Netzwerk bei Bedarf zu wechseln.
Es gibt jedoch einige wichtige Unterschiede, die zu beachten sind. Zunächst werden Bricks zum Aufstecken manuell auf der Trägerplatine Ihres Automatisierungsgeräts angebracht, wodurch sie vollständig in Ihr Gerät integriert werden. Dies ist von Vorteil, wenn Sie nur wenig Platz haben oder wenn Sie eine bestimmte IP-Schutzart bereitstellen müssen. Außerdem fügen Sie Ihre eigenen bevorzugten Anschlüsse hinzu, was Ihnen mehr Designfreiheit gibt, um die Schnittstelle an Ihre spezifischen Anforderungen anzupassen.
Ein Brick zum Aufstecken ist kostengünstiger als ein Modul zum Einschieben und wird häufig in Geräten verwendet, die in großen Stückzahlen hergestellt werden.
Nachteile? Die Implementierung des Brick dauert im Vergleich zu einem Modul länger, da Sie Steckverbinder und Peripheriekomponenten hinzufügen und das Brick dann auf die Trägerplatine in Ihrem Gerät montieren müssen. Wenn Sie Steckverbinder selbst hinzufügen, sind Sie auch dafür verantwortlich, dass die Kommunikationsschnittstelle die EMV-Anforderungen erfüllt, was schwierig sein kann. Das Brick zum Aufstecken bietet zwar eine größere Designfreiheit, bedeutet aber auch, dass Sie das Design möglicherweise anpassen müssen, um verschiedene physische Schnittstellen zu berücksichtigen, wenn Sie die Anbindung an zusätzliche Netzwerke realisieren möchten.
Zusammenfassung
Das Brick zum Aufstecken beinhaltet die notwendige Software und Hardware. Es ist ideal, wenn Sie hohe Stückzahlen, bestimmte Netzwerkanschlüsse oder eine bestimmte Schutzklasse benötigen. Es unterstützt die gängigen Netzwerke und verfügt über Cybersecurtiy-Eigenschaften.
4.Einbaufertige Kommunikationslösung - Brick zum Auflöten
Es ist auch möglich, die Kommunikationsschnittstelle als separate Komponente in Ihrem Gerät aufzulöten. Ähnlich wie das Brick zum Aufstecken enthält das Brick zum Auflöten Hardware, Software sowie erweiterte Funktionen. Da es vollständig in Ihr Gerät integriert ist, fügen Sie Ihre eigenen Netzwerkanschlüsse hinzu.
Das Brick zum Auflöten hat auch Vorteile gegenüber dem Brick zum Aufstecken. Es ist 30 % kleiner, spart Platz ein und hat eine rechteckige Form, die viele Gerätehersteller bevorzugen. Es kostet weniger und ist daher für kostengünstige Automatisierungsgeräte eine gute Alternative. Durch das Auflöten werden Steckverbinder zwischen der Kommunikationsschnittstelle und der Trägerplatine überflüssig, was die Kosten weiter senkt und den Fertigungsprozess vereinfacht. Es kann auch mit allen Ethernet-basierten Netzwerken ausgeliefert werden, die wahlweise im Dateisystem gespeichert oder mit einem bestimmten Netzwerk voreingestellt sind. Zu guter Letzt wird es im Tape-and-Reel-Format geliefert, sodass es in der automatisierten Produktion verwendet werden kann.
Nachteile? Aufgrund des reduzierten Platzbedarfs fehlt ihm die schnelle Memory-Mapped-Kommunikationsschnittstelle, die in den Modulen und den Bricks zum Aufstecken enthalten ist. Das bedeutet, die Leistung von SPI (Serial Peripheral Interface) muss ausreichen. Das aufgelötete Design bringt zwar viele Vorteile mit sich, bedeutet aber auch, dass es nicht so einfach ausgetauscht oder erst spät im Herstellungsprozess installiert werden kann. Derzeit werden nur Industrial-Ethernet-Netzwerke unterstützt, sodass eine Anbindung an Feldbus- oder IIoT-Netzwerke nicht möglich ist. Darüber hinaus fehlen die modernen Cybersecurity-Funktionen, die in einigen der Modul- und steckbaren Brick-Varianten verfügbar sind.
Zusammenfassung
Da Brick zum Auflöten ist eine einbaufertigte Kommunikationsschnittstelle inklusive Soft- und Hardware. Es ist die beste Wahl, wenn Sie die Produktion automatisieren möchten oder wenn Sie nur sehr wenig Platz haben.
5. Passen Sie Ihre Lösung um einen Kommunikations-Chip herum an
Ein Chip für die industrielle Kommunikation besteht aus einem Netzwerkprozessor, der Ihren Prozessor von Kommunikationsaufgaben entlastet, und der Software, die Sie für die Verbindung mit verschiedenen Netzwerken benötigen. Mit einem Chip können Sie die Hardware so gestalten, wie Sie möchten.
Es gibt verschiedene Arten von Kommunikations-Chips. Einige sind mehr oder weniger leere Hüllen, in denen Sie Ihre Software-Stacks hinzufügen und alles von Grund auf selbst entwickeln. Dieser Ansatz ähnelt sehr der Eigenentwicklung von Kommunikationslösungen (Option sechs unten).
Auf der anderen Seite des Spektrums gibt es Chips, die mit Software für Multi-Netzwerk-Konnektivität ausgestattet sind, bei denen Sie sich nicht um Netzwerk-Upgrades und Wartung kümmern müssen, sobald der Chip installiert ist. Mit solchen Chips sparen Sie Zeit, da Sie Software-Updates erhalten, wenn Netzwerkorganisationen ihre Netzwerke aktualisieren oder neue Funktionen verfügbar sind.
Für Industrial-Ethernet-Netzwerke können Sie denselben Chip verwenden und verschiedene Software herunterladen, um sie mit dem Netzwerk Ihrer Wahl zu verbinden (wie bei Optionen 1 bis 4).
Ein Chip ist eine gute Option, wenn Sie Ihre Geräte in sehr hohen Stückzahlen produzieren und die Kosten minimieren möchten. Er bietet max. Flexibilität bei der Wahl Ihrer Komponenten und Ihrem Design. Dafür ist der Entwicklungsprozess insgesamt aufwändiger. Um das Design erfolgreich abzuschließen, müssen Sie sich Kenntnisse in den Bereichen Netzwerkkommunikation, Hardware und Steckverbinder aneignen. Sie müssen alle erforderlichen Komponenten beschaffen und die Logistik übernehmen. Sie müssen mehr interne Tests durchführen, als Sie es mit einer einbaufertigen Option tun würden. Schließlich müssen Sie alle Komponenten selbst pflegen, um sicherzustellen, dass die industrielle Kommunikation weiterhin wie geplant funktioniert. Wenn Komponenten das Ende ihrer Lebensdauer erreichen, müssen Sie Ersatz finden, Ihr Design aktualisieren und erneut testen.
Zusammenfassung
Ein Chip bietet Ihnen viel Flexibilität, erfordert aber mehr Aufwand während der Designphase.
6. Eigenentwicklung einer industriellen Kommunikationslösung
Dies ist Ihre Wahl, wenn Sie die vollständige Kontrolle über Ihre Konnektivitätslösung haben möchten. Sie müssen die erforderliche Hardware selbst entwerfen und montieren. Sie müssen Ihre eigene Software mit Stacks usw. entwickeln, um die Kommunikation zwischen Ihrem Automatisierungsgerät und dem gewünschten Netzwerk zu ermöglichen. Darüber hinaus müssen Sie sich intern das Know-how über die von Ihnen gewählten Netzwerke aneignen, um das erforderliche Wissen über industrielle Netzwerke und Konnektivität zu erlangen.
Der Nachteil ist, dass dies viel Zeit und Ressourcen in Anspruch nimmt, die Sie nicht mehr komplett in Ihre Kernkompetenz investieren können. Sie müssen Netzwerkupdates berücksichtigen, Ihre Kommunikationsschnittstelle immer aktuell halten und Re-Designs einplanen. Und wenn Sie Anfragen erhalten, eine Verbindung zu einem weiteren Netzwerk herzustellen, müssen Sie wieder bei Null anfangen.
Die Eingenentwicklung einer Kommunikationslösung kann für Unternehmen sinnvoll sein, die eine große Anzahl von Produkten herstellen, die nur mit einem einzigen Netzwerk verbunden werden müssen. Unternehmen mit kleineren Produktionsserien oder solchen, die eine Multi-Netzwerk-Konnektivität benötigen, stellen jedoch häufig fest, dass die Entwicklung einer kundenspezifischen Lösung nicht kosteneffizient ist, da sie erhebliche Investitionen erfordert und zu viele Ressourcen von ihrem Kerngeschäft in Anspruch nimmt.
Zusammenfassung
Die Eigenentwicklung einer Kommunikationsschnittstelle gibt Ihnen die vollständige Kontrolle, ist aber ressourcenintensiv.
Zukauf oder Eigenentwicklung?
Die wichtigste Entscheidung, die Sie treffen müssen, ist, ob Sie eine Kommunikationslösung für die Netzwerkanbindung intern selbst intern entwickeln (Option 6) oder bei einem Technologiepartner zukaufen möchten (Option 1-5). Eine intern entwickelte Konnektivitätslösung kann Ihnen (theoretisch) genau das bieten, was Sie möchten. Sie werden jedoch viel Zeit und Ressourcen für das Entwerfen, Verifizieren und Zertifizieren Ihrer Lösung aufwenden und dann jede Komponent selbst pflegen und aktuell halten müssen. Wenn Sie eine Verbindung zu einem neuen Netzwerk herstellen möchten, müssen Sie wieder von vorne anfangen, sich mit dem neuen Netzwerk vertraut machen, neue Hardware erstellen und die Software entwickeln. Je mehr Netzwerke Sie also unterstützen möchten, desto aufwändiger ist es, die erforderliche Technologie zu entwickeln und zu pflegen.
Mit den einbaufertigen Optionen (Gateways, Module, Bricks und einige Kommunikations-Chips) erhalten Sie eine einheitliche Lösung, die alle für die Netzwerkkonnektivität erforderlichen Schichten abdeckt. Sie müssen sich keine Gedanken über Updates von Hardware, Stacks oder Netzwerkzertifizierungen machen, da Ihr Anbieter die Lösung verwaltet. Am wichtigsten ist, dass es einfach ist, sich mit einem anderen Netzwerk zu verbinden, indem man das Produkt austauscht (bei Ethernet-Netzwerken können Sie sogar die gleiche Hardware verwenden und einfach neue Software für die jeweiligen Netzwerke herunterladen).
Wenn Sie die Netzwerkanbindung nur für ein einziges Netzwerk realisieren müssen, ist es möglicherweise sinnvoll, die Kommunikationslösung selbst zu entwickeln und zu pflegen. Sobald Sie jedoch die Anbindung an zwei oder mehr Netzwerke benötigen, dann steigen die Komplexität, die Kosten und der Ressourcenbedarf, was die Entwicklung einer eigenen Lösung erschwert und teuer macht.
Kurz gesagt: Unterschätzen Sie nicht den Entwicklungsaufwand, der erforderlich ist, um weitere Netzwerke hinzuzufügen oder die Hardware und Software (einschließlich Netzwerkspezifikationen) für die Kommunikationslösung zu pflegen.
Kontrolle
Ein weiterer Aspekt, den Sie berücksichtigen sollten, ist, wie viel Kontrolle Sie wünschen. Wenn Sie Ihre eigene Lösung entwerfen, maximieren Sie Ihre Kontrolle und müssen sich nicht so sehr auf Lieferanten verlassen, aber das erhöht auch die Kosten und die Ressourcen, die von Ihrem Entwicklungsteam gefordert werden.
Datenübertragungsgeschwindigkeit zwischen Ihrem Automatisierungsgerät und dem Netzwerk (Latenz)
Sie müssen sicherstellen, dass Ihre Konnektivitätslösung die Anforderungen erfüllt. Für einige Geräte in bestimmten Anwendungen sind diese Anforderungen gering, wie z. B. das automatische Starten und Stoppen eines Motors mehrmals am Tag. Andere Automatisierungsgeräte hingegen, wie z. B. taktsynchrone Antriebe und Anwendungen mit Motion Control erfordern eine nahezu verzögerungsfreie Datenübertragung mit möglichst geringer Verzögerung.
Heutzutage bieten handelsübliche Kommunikationslösungen eine sehr geringe Latenz zwischen dem Netzwerk und dem Host-Gerät. Einige High-End-Lösungen bieten eine Datenübertragung von bis zu 1500 Byte in jede Richtung und eine Latenz von bis zu einer Mikrosekunde.
Unterstützung netzwerkspezifischer Funktionen
Industrielle Netzwerke unterscheiden sich erheblich in ihrer Komplexität und Leistungsfähigkeit. Während robuste E/A-Bussysteme wie PROFIBUS nur grundlegende Funktionen bieten, bieten modernere Protokolle wie PROFINET und EtherNet/IP Funktionen wie Sicherheit und Synchronisation. Darüber hinaus unterstützen sie IIoT-Protokolle wie OPC UA, Dateiübertragung, Webserver und E-Mail-Clients.
Um sicherzustellen, dass Ihr Gerät eine bestimmte Funktion unterstützt, müssen Sie eine Kommunikationslösung wählen, die auch die erforderliche Funktionalität unterstützt. Daher ist es wichtig, eine gründliche Evaluierung der verfügbaren Kommunikationslösungen durchzuführen, um sicherzustellen, dass sie die von Ihnen benötigten Funktionen unterstützen.
Sicherheit (Cybersecurity)
Cybersicherheit wird immer wichtiger, da Fabriken und Anlagen mehr und mehr mit dem Internet verbunden sind. Um sich vor Cyberangriffen zu schützen, benötigen Sie eine Kommunikationslösung mit Gatekeeper-Funktionen, wie z. B. Softwaresignaturen, die verhindern, dass nicht autorisierte Software auf die Geräte heruntergeladen wird.
Zukunftssicherheit
Um in der industriellen Vernetzung wettbewerbsfähig zu bleiben, ist es entscheidend, über die neuesten Trends auf dem Laufenden zu bleiben. Dies kann bedeuten, dass Ihre Kommunikationsschnittstellen neue Protokolle wie CC-Link IE TSN unterstützen, Gbit-Geschwindigkeiten erreichen oder immer strengere Sicherheitsanforderungen erfüllen müssen. Während die spezifischen Anforderungen je nach Anwendung variieren, kann Ihnen die Unterstützung der neuesten Funktionalitäten helfen, einen Wettbewerbsvorteil zu erlangen.
Wenn Sie sich dafür entscheiden, Ihre eigene Konnektivitätslösung zu entwickeln, ist es wichtig, Klarheit in Bezug auf Entwicklung/Pflege und Budget zu haben, um sicherzustellen, dass Sie mit neuen Technologien Schritt halten können. Dies kann jedoch ein komplexes und teures Unterfangen sein. Alternativ kann die Zusammenarbeit mit einem Experten für industrielle Netzwerke eine einfachere und kostengünstigere Lösung bieten. Wenn Sie sich an einen sachkundigen und erfahrenen Anbieter wenden, können Sie auf die neueste Technologie und Funktionalität zugreifen, ohne sparen sich den Zeit- und Kostenaufwand, der für eine Eigenentwicklung nötig wäre.
Welche Option ist die beste Sie?
Es gibt mehrere Optionen zur Wahl und viele Aspekte, die bei der Auswahl einer Kommunikationslösung zu berücksichtigen sind. Die Wahl hängt von Ihren Anforderungen bzgl. Designflexibilität, Kommunikationsgeschwindigkeit und natürlich auch davon ab, wie viel Zeit, Ressourcen und Aufwand Sie investieren möchten. Außerdem können sich Ihre Anforderungen ändern, wenn sich der Markt verändert oder neue Technologien entstehen. Daher ist es immer von Vorteil, wenn Sie eine etablierte Methode haben, um Ihre Kommunikationslösung zu aktualisieren.
Anybus kann Sie bei der Auswahl, Installation und Pflege einer Kommunikationsschnittstelle unterstützen, die es Ihnen ermöglicht, sich weiterhin auf Ihre Kernkompetenzen zu konzentrieren.
Seit über dreißig Jahren ermöglichen wir Automatisierungsgeräten und Maschinen die Anbindung an alle wichtigen industriellen Netzwerke. Wir wissen, was funktioniert und was nicht, und teilen gerne unsere Erfahrungen mit Ihnen, um sicherzustellen, dass Sie die Kommunikationsschnittstelle finden, die am besten zu Ihren Anforderungen passt.
Wir bieten eine Große Auswahl an einbaufertigen Modulen, Bricks, Chips oder eigenständigen Gateways, damit Sie Ihr Gerät schnell und mit wenig Aufwand mit allen wichtigen industriellen Netzwerken verbinden können.
Abbildung oben: Auswahlkriterien für einbaufertige Anybus-Kommunikationslösungen
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