1. Einleitung Die auf dem Internet basierende Informationsgesellschaft ist keine ferne Vision mehr; wir leben bereits in ihr. Es ist heute schwer vorstellbar, wie Arbeit und Leben ohne Internet und Computer aussehen würden. Auch die Digitalisierungswelle hat die Produktion und Fertigung grundlegend verändert. Vom anfänglichen Einsatz von Mikrocontrollern bis zur weitverbreiteten Einführung von Prozessleitsystemen (DCS) und speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS), von der automatischen Steuerung einzelner Geräte bis zur Digitalisierung ganzer Produktionslinien und Fabriken – dieser Wandel verändert das Wesen der Fabriken um uns herum. Der 16. Nationalkongress der Kommunistischen Partei Chinas schlug eindeutig vor, dass China den industriellen Entwicklungspfad „Industrialisierung durch Digitalisierung vorantreiben und Digitalisierung durch Industrialisierung fördern“ verfolgen sollte, da dies die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen erheblich steigern kann. Dieser Artikel beschreibt hauptsächlich die Rolle von Industrial Ethernet in informationsbasierten Fabriken. Betrachten wir zunächst die Definition einer „informationsbasierten Fabrik“: Eine informationsbasierte Fabrik bezeichnet Produktions-, Management- und Betriebsprozesse, bei denen durch Informationsinfrastruktur und eine integrierte Plattform Datenerfassung (Sensoren und Instrumente), Datenübertragung (Kommunikation), Datenverarbeitung (Computer) und die umfassende Anwendung von Informationen (Automatisierung, Management und operative Funktionen) Teil der Informatisierung sind. Industrielle Ethernet-Netzwerke bilden das neuronale Netzwerk der automatisierten Produktionssteuerung und sind für den Datenaustausch zwischen Produktionsstandort und Management-/Betriebsebene verantwortlich. Der Einsatz von ERP, MIS, DCS, SCADA und SPS hat produzierenden Unternehmen geholfen, interne Reibungsverluste zu reduzieren, die Dynamik zu steigern, die Marktreaktionsfähigkeit zu verbessern und die Arbeitseffizienz zu erhöhen. Sie sind nach und nach zu einem unverzichtbaren Bestandteil von Unternehmensführung, -betrieb und -produktion geworden. Ich werde hier nicht erörtern, ob der Einsatz von ERP für ein Unternehmen vorteilhaft oder nachteilig ist. Ich möchte lediglich festhalten, dass die Informatisierung für die Entwicklung und das Wachstum von Unternehmen notwendig und ein unaufhaltsamer Trend ist. Viele inländische Unternehmen haben ihre Effizienz durch Informatisierung bereits deutlich gesteigert. 2. Netzwerkstruktur einer digitalisierten Fabrik: ERP- und MIS-Systeme zielen auf die Digitalisierung des Unternehmensmanagements ab. Sie repräsentieren die Digitalisierung von Management und Betrieb und bilden die oberste Ebene des gesamten Informationssystems. DCS, SCADA und SPS repräsentieren die Digitalisierung der Produktion; sie sind Produktionssteuerungssysteme, die jeden Schritt im automatisierten Produktionsprozess regeln und gleichzeitig als Datenerfassungssysteme am Produktionsstandort dienen. Industrielles Ethernet ist das zentrale Datenübertragungsnetzwerk für das Produktionssteuerungssystem. [align=center]Informationsverarbeitungsdiagramm Netzwerkdiagramm[/align] Informationsverarbeitungssysteme basieren größtenteils auf Netzwerk- und Datenbanktechnologien. ERP-, MIS-, DCS-, SCADA- und andere Systeme bilden hier keine Ausnahme. ERP- und MIS-Systeme basieren auf relationalen Datenbanken und kommerziellem Ethernet, während DCS- und SCADA-Systeme auf industriellem Ethernet und Echtzeitdatenbanken basieren. Die Technologie des industriellen Ethernet ist eine Weiterentwicklung des ausgereiften kommerziellen Ethernet. Um jedoch die Datenübertragung in der rauen Umgebung industrieller Anlagen zu gewährleisten, weist industrielles Ethernet folgende Hauptmerkmale auf: (1) Hoher Determinismus. Da das MAC-Layer-Protokoll von Ethernet CSMA/CD verwendet, führt dieses Protokoll insbesondere bei hoher Netzwerklast zu Kollisionen. In industriellen Netzwerken müssen Daten bei vielen Kollisionen mehrfach erneut übertragen werden, was die Unsicherheit der Netzwerkkommunikation erheblich erhöht. Um die Netzwerküberlastung bei hoher Ethernet-Last zu verbessern, werden in industriellen Steuerungssystemen industrielle Ethernet-Switches eingesetzt. Diese teilen das gemeinsame lokale Netzwerk effektiv in Kollisionsdomänen auf. Die Kollisionsdomänen sind über Switches verbunden, um Kollisionsprobleme und Übertragungsfehler, die durch den CSMA/CD-Mechanismus verursacht werden, zu reduzieren. Dadurch lassen sich Kollisionen weitestgehend vermeiden und die Deterministik des Systems verbessern, allerdings steigen dadurch auch die Systemkosten. (2) Hohe Echtzeitfähigkeit. In industriellen Steuerungssystemen bezeichnet Echtzeit die Messbarkeit der Reaktionszeit des Systems auf ein Ereignis. Anders ausgedrückt: Nach dem Eintreten eines Ereignisses muss das System innerhalb eines vorhersehbaren Zeitraums reagieren. Industrielle Anwendungen stellen jedoch extrem hohe Anforderungen an die Echtzeit-Datenübertragung und aktualisieren Daten oft innerhalb von Millisekunden. Aufgrund des CSMA/CD-Mechanismus von Ethernet müssen Daten bei einer Kollision erneut übertragen werden, potenziell bis zu 16 Mal. Dieser Mechanismus zur Kollisionsbehebung ist mit Zeitverlust verbunden. Darüber hinaus kann selbst eine kurze Unterbrechung von nur wenigen Sekunden einen Produktionsstillstand oder sogar Unfälle mit Anlagen und Personal verursachen. Industrielles Ethernet nutzt Hochgeschwindigkeits-Ethernet. Je höher die Netzwerklast, desto größer die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen. Bei einer Netzwerklast unter 36 % treten Kollisionen praktisch nicht auf. Unter 10 % Last kommt es bei 10-Mbit/s-Ethernet etwa alle fünf Jahre zu einer Kollision, bei 100-Mbit/s-Ethernet etwa alle 15 Jahre. Oberhalb von 36 % steigt die Kollisionswahrscheinlichkeit jedoch exponentiell mit zunehmender Last. Daher kann eine Erhöhung der Ethernet-Übertragungsgeschwindigkeit die Netzwerklast effektiv reduzieren. Glücklicherweise gibt es mittlerweile Hochgeschwindigkeits-Ethernet mit Übertragungsraten von 100 Mbit/s und 1 Gbit/s. In Verbindung mit einer sorgfältigen und umfassenden Planung und Kontrolle der Anzahl der Netzwerkknoten und des Kommunikationsverkehrs im System kann Ethernet vollständig als industrielles Netzwerk eingesetzt werden. Industrielles Ethernet nutzt den IEEE-1588-Zeitsynchronisationsmechanismus. IEEE 1588 definiert ein präzises Zeitprotokoll (Precise Time Protocol, PTP) zur Synchronisierung von Uhren in Mess- und Steuerungsnetzen für Netzwerkkommunikation, lokale Datenverarbeitung und Datenverteilung. Dieses Protokoll ist zwar nicht exklusiv, eignet sich aber besonders für Ethernet-basierte Technologien und erreicht eine Genauigkeit im Mikrosekundenbereich. Es verwendet einen Zeitstempelmechanismus zur Synchronisierung der lokalen Zeit. Selbst bei Schwankungen der Synchronisationssignale während der Netzwerkkommunikation bleibt die Genauigkeit ausreichend. Dies macht es besonders geeignet für Ethernet-basierte Systeme. Durch die Anwendung dieser Technologie kann das Ethernet-TCP/IP-Protokoll ohne größere Anpassungen in hochpräzisen Netzwerksteuerungssystemen eingesetzt werden. Seine Genauigkeit in Bereichsbussen übertrifft die bestehender Systeme deutlich. Darüber hinaus bietet der Einsatz von Ethernet-TCP/IP-basierter Netzwerktechnologie auf allen Unternehmensebenen erhebliche Vorteile. Das präzise Netzwerksynchronisationsprotokoll IEEE 1588 gewährleistet eine hohe Synchronisierung im Netzwerk. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer dedizierten Synchronisierungskommunikation bei der Zuweisung von Steuerungsaufgaben, wodurch der Kommunikationsmodus vom Anwendungsausführungsmodus getrennt wird. Dank der hochpräzisen Synchronisierung werden die in der Ethernet-Technologie inhärenten Schwankungen der Datenübertragungszeit auf einen akzeptablen Bereich reduziert, ohne die Steuerungsgenauigkeit zu beeinträchtigen. Ein wesentlicher Vorteil von IEEE 1588 ist seine hohe Repräsentativität und Offenheit. Aufgrund dieser Offenheit haben viele Anbieter von Steuerungssystemen diesen Standard mittlerweile in ihre Produkte integriert. Darüber hinaus folgen Hersteller verschiedener Geräte demselben Standard, sodass auch ihre Produkte eine gute Synchronisierung gewährleisten können. (1) Hohe Zuverlässigkeit. Da Ethernet nicht für industrielle Netzwerkanwendungen konzipiert wurde, wird seine Zuverlässigkeit bei der Anwendung in industriellen Umgebungen mit rauen Betriebsbedingungen und starken Störungen zwischen den Leitungen zwangsläufig reduziert. A. Im industriellen Ethernet wird ein ringredundantes Netzwerk verwendet, das im Falle eines Netzwerkausfalls eine Selbstheilung innerhalb weniger Hundert Millisekunden sicherstellt; B. Redundante Stromversorgung; C. Lüfterlose Oberflächenkühlung reduziert potenzielle Fehlerquellen (Lüfter) und erhöht die Staubbeständigkeit. D. EMV-Prüfungen gewährleisten, dass industrielle Ethernet-Geräte elektromagnetischen Störungen in industriellen Umgebungen widerstehen, ohne selbst übermäßige elektromagnetische Störungen zu erzeugen. E. Elektronische Komponenten und Produktdesign gewährleisten eine gute Anpassungsfähigkeit an Temperatur und Luftfeuchtigkeit. F. Installation und Nutzung entsprechen den üblichen Anwendungsgewohnheiten in der Industrie. All diese Faktoren tragen zu hoher Zuverlässigkeit, Wiederherstellbarkeit und Wartungsfreundlichkeit in industriellen Netzwerkumgebungen bei. Dadurch wird sichergestellt, dass der Ausfall einzelner Komponenten in einem Netzwerksystem nicht zum Zusammenbruch oder zur Lähmung von Anwendungen, Betriebssystemen oder gar des gesamten Netzwerksystems führt. Die Steuerungs- und Managementschicht unterscheiden sich auch in der Datenbanknutzung. Die Steuerungsschicht verwendet eine Echtzeitdatenbank. Echtzeitdatenbanken sind ein zentrales Thema der Steuerungsschicht. Ein grundlegendes Merkmal von Echtzeitdatenbanken ist ihre Zeitabhängigkeit, die sich in den zeitlichen Beschränkungen der verarbeiteten Daten und Transaktionen manifestiert. Dieses Merkmal unterscheidet sie von herkömmlichen Datenbanken. Beispielsweise speichert DCS Echtzeitdaten in einer In-Memory-Datenbank und historische Daten auf der Festplatte. Die DCS-Echtzeitdatenbank ist daher ein leistungsstarkes Werkzeug, das häufig bei der Konfiguration eingesetzt wird. Diese historische Datenaufzeichnung ist vergleichbar mit dem Flugschreiber eines Flugzeugs. Sie kann Prozessparameter, das Öffnen wichtiger Ventile und Statusdaten von Sicherheitsverriegelungssystemen nach Bereich und Einheit aufzeichnen. All dies ermöglicht die wissenschaftliche Festlegung von Wartungs- und Reparaturplänen, eine präzise Beurteilung und entsprechende Maßnahmen vor dem Auftreten von Ausfällen und beugt so Problemen vor. Da Echtzeitdatenbanken die Korrelation zwischen Daten und Zeit auflösen und große Datenmengen austauschen können, zeichnen sie historische Daten auf, die während der Prozesse vor Ort anfallen. Dies erleichtert Managern historische Abfragen und die Analyse nach Unfällen. Im Gegensatz dazu verwendet das Management relationale Datenbanken, traditionelle Datenbanken, die primär im Geschäfts- und Betriebsmanagement eingesetzt werden. Sie unterscheiden sich in ihren Eigenschaften von Echtzeitdaten. Echtzeitdatenbanken haben hohe Anforderungen an die Aktualität und müssen die Datenverarbeitung innerhalb einer vorgegebenen Zeit abschließen. Traditionelle Datenbanken zielen auf die Verarbeitung permanenter, stabiler Daten ab und legen Wert auf die Wahrung der Datenintegrität und -konsistenz. Ihre Leistungsindikatoren erfordern einen hohen Durchsatz und niedrige Kosten, ohne die aktuellen Anforderungen der Datenverarbeitung zu berücksichtigen. Unternehmensmanagementabteilungen können relationale Datenbanken nutzen, um die empfangenen Produktions- und Betriebsdaten zu analysieren und zu bewerten und darauf aufbauend Produktionsanweisungen zu erteilen oder Geschäftsentscheidungen zu treffen. Daher ist der Aufbau eines einheitlichen Datenbankmanagementsystems (DBMS) für ein effektives Informationsmanagement von Datenbanken zweiter Klasse unerlässlich. 3. Rolle und Aufbau informationsbasierter Fabriknetzwerke Eine informationsbasierte Fabrik basiert auf einer schnellen, umfassenden, effizienten, präzisen, sicheren und zuverlässigen Netzwerk-Hardwareplattform. Über diese Plattform erhalten die Management- und Entscheidungsabteilungen des Unternehmens in Echtzeit Einblick in den Marketingstatus, die Rohstoffversorgung, die Finanzlage, den Personalbestand, den Produktionsstatus, die Produktqualität, den Anlagenbetrieb, den Kundenstatus, den Lieferantenstatus und weitere betriebliche Informationen. Sie können über dieses Netzwerk Echtzeit-Betriebsinformationen der Produktionslinie einsehen. Unternehmensmanager und die zuständigen Produktions- und Betriebsabteilungen können den aktuellen Betriebsstatus des Produktionsstandorts über das Netzwerk an ihren Arbeitsplatzrechnern verfolgen. Anschließend können sie auf Basis des jeweiligen Entscheidungssystems oder durch die zuständigen technischen Mitarbeiter entsprechende Produktionsanweisungen erteilen. Unternehmensentscheider können die Betriebsabläufe des Unternehmens auch auf Grundlage der Gesamtlage anpassen. Der Aufbau eines unternehmensweiten Informationssystems ist ein komplexes und technologisch anspruchsvolles Systementwicklungsprojekt. Zunächst sollte, basierend auf den spezifischen Gegebenheiten des Unternehmens, ein Gesamtplan für das Informationssystem erstellt und Netzwerkschnittstellenstandards sowie entsprechende Software- und Hardware-Spezifikationen und -Standards formuliert werden. Der Gesamtplan sollte die Entwicklungsbedürfnisse des Unternehmens in den nächsten 10 bis 15 Jahren umfassend berücksichtigen. Die Umsetzung sollte, abhängig vom technologischen Reifegrad, der finanziellen Lage und den Produktions- und Betriebsanforderungen des Unternehmens, stufenweise erfolgen. (1) Auf Grundlage des Gesamtplans für den Aufbau des Informationssystems wird das Informationsnetzwerk des Unternehmens aufgebaut. Hinsichtlich der Software- und Hardwarekonfiguration sind die Gesamtanforderungen des Systems umfassend zu berücksichtigen und ausreichende Reserven für die zukünftige Entwicklung des Unternehmens einzuplanen. (2) Der Aufbau des internen Backbone-Netzwerks des Unternehmens, d. h. des übergeordneten Netzwerks, erfolgt parallel zum Aufbau verschiedener Informationsmanagementsysteme, Entscheidungssysteme (einschließlich Unterstützungssysteme) und Produktionssteuerungssysteme auf Basis dieses übergeordneten Netzwerks. Beim Aufbau dieser Managementsysteme müssen die Informationsquellen und -ziele des Systems umfassend berücksichtigt werden, um eine Grundlage für die Optimierung der Ressourcenzuweisung und den Aufbau von Informationskanälen für das Gesamtnetzwerk zu schaffen. (3) Beim Aufbau einer Informationsnetzwerkplattform müssen die Konfiguration von Echtzeitdatenbanken sowie die Optimierung der Informationskanäle für den Upload und Download von Echtzeit- und Nicht-Echtzeitdaten berücksichtigt werden. Nach dem Aufbau des Informationsnetzwerks erfolgt zunächst die Systemintegration des On-Site-Daten-Uploads. Nach der Verbesserung des auf dem übergeordneten Netzwerk basierenden Informationsmanagementsystems erfolgt die Systemintegration von Entscheidungsanweisungen und dem Download von Echtzeitdaten entsprechend den dann geltenden technischen Gegebenheiten. Damit wird die Hardware- und Softwareintegration des Gesamtsystems abgeschlossen und eine vollständig digitale und transparente Fabrik geschaffen. 4. Fazit: Das Netzwerk hat alle Bereiche unseres Arbeits- und Lebens durchdrungen. Welche Vorteile bringt die Digitalisierung der Fabrik für Unternehmen? Ein sofortiger Effekt ist nicht zu erwarten. Ebenso wichtig ist, ob die Managementkonzepte, das Verständnis der Kontrolltheorie und die Qualifikationen der Anwender mit den Designkonzepten und Kontrollmethoden des Informationssystems kompatibel sind. Nach Berücksichtigung des Anwendereinflusses bietet der Einsatz von Industrial Ethernet in Verbindung mit Managementsystemen folgende Vorteile: 1. Dynamische Kosten- und Qualitätskontrolle; 2. Auftragsbasierte Produktion mit Null-Lagerbestand; 3. Echtzeit-Online-Überwachung für eine optimale Planung von Generalüberholungen; 4. Online-Management der Produktionsanlagen mit minimalem Ersatzteilbestand; 5. Echtzeit-Datenerfassung direkt aus der Produktion. Industrial Ethernet löst somit das Problem fehlender Echtzeitdaten aus der Produktion in ERP-Systemen und anderen Managementsystemen. Es liefert Entscheidungsträgern im Unternehmen Daten aus erster Hand und bildet die unverzichtbare Netzwerkgrundlage für informationsbasierte Fabriken.