In der Fertigung haben wir bereits eine Vorstellung davon haben, wie die Zukunft aussehen wird. Die Blaupause hat uns das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 geliefert, und wir wissen, dass diese Zukunft auf Daten aufbauen wird – großen Mengen von Daten. Die optimale Nutzung von ‚Big Data‘ setzt Tempo und Bandbreite voraus, damit die Auswertungssysteme, mit denen wir Werte erwirtschaften, die Datenmengen bewältigen können.

Kernthema Bandbreite

Es ist noch nicht lange her, dass der Download selbst niedrig aufgelöster Fotos über die Internet-Verbindung eine Geduldsprobe war; das Ansehen von Filmen und Fernsehen über das Internet – heute eine Selbstverständlichkeit – schien noch in weiter Ferne.

Die gleiche Entwicklung ist bei den Fabriknetzwerken zu sehen, die sich von einfachen Feldbus-Netzwerken für Sensoren und Aktoren zum durchgängigen Einsatz von Ethernet bis hinunter auf die Feldebene weiterentwickelt haben. Jetzt beobachten wir die Konvergenz von IT- und OT-Netzwerken. In vielerlei Hinsicht ist es gerade der nahtlose Informationsfluss zwischen diesen beiden Welten, der die Möglichkeiten von Industrie 4.0 definiert. Wenn sich der Trend fortsetzt, werden uns in absehbarer Zeit in der Fertigung Dienste zur Verfügung stehen, von denen wir heute nur träumen können.

Eines ist dabei gewiss: Es wird hierfür in Zukunft wesentlich mehr Bandbreite nötig sein als das, was für die heutigen Anforderungen als ausreichend gilt. Dies ist einer der Gründe, warum die CLPA auf offenes Gigabit-Ethernet setzt. Die Industrie tut gut daran, den Übergang zu Gigabit-Band-breiten so schnell wie möglich in Angriff zu nehmen, wenn sie die Vorteile von Industrie 4.0 nutzen will.

Edge Computing – ein Zwischenschritt

Manchmal wird argumentiert, die Debatte um Geschwindigkeit und Bandbreite sei irrelevant und dass wir mit der Verbreitung von Technologien wie OPC UA und TSN Bandbreite als gegeben hinnehmen können. Zweifelsohne sind dies wichtige Entwicklungen, doch handelt es sich dabei um komplementäre Technologien und nicht um Ersatz für bestehende Netzwerk-Protokolle. Die Netzwerk-Bandbreite für industrielle Anwendungen ist ein Thema, über das wir jetzt reden müssen, wenn wir uns auf die Realität in den Fabriken der Zukunft vorbereiten wollen.

Auch wenn noch nicht klar ist, wie ­diese zukünftigen Netzwerk-Infrastrukturen aussehen werden, lassen sich einige Schlüsse aus der Entwicklung des Cloud Computing ziehen. In den meisten industriellen Prozessen ist der Informationsdurchsatz derzeit noch weit entfernt von ‚Big Data‘, dennoch geht es bereits um große Datenmengen. Noch handelt es sich bei den Daten, die an die Cloud gesendet werden, überwiegend um Informationen für die historische Protokollierung und Trendanalyse, während die Echtzeit-Steuerdaten auf Edge-Computing-Plattformen verarbeitet werden. Wenn sich aber die Prognosen einiger Unternehmen bewahrheiten, dann ist Edge Computing lediglich ein Zwischenschritt, und wir können schon bald virtuelle SPSen und SCADA-Systeme in der Cloud sehen, die Daten in Echtzeit erfassen und die Anlagen sowie Maschinen im Werk überwachen und steuern. 

Wenn dieses Zukunftsszenario Wirklichkeit wird, sind High-Speed-Vernetzungstechnologien unabdingbare Voraussetzung. – Mit den Datenmengen, die heutzutage durch unsere Edge-Computing-Plattformen schon laufen, nähern sich die  herkömmlichen 100-Mbit-Technologien bereits der Belastungsgrenze. Müssen zukünftige Netzwerke sowohl synchrone Steuerdaten – E/A-Zustände, Datenregister – als auch asynchrone Informationen wie Alarme und Qualitätsdaten übertragen, kann eine blockierte Maschine, ein auswandernder Parameterwert oder jedwede andere Prozessstörung zu einer Überflutung des gesamten Netzwerks mit Alarmmeldungen führen, was schnell die Leistung des gesamten Systems in Mitleidenschaft ziehen kann.

Eine Kapazitäts-Analyse

Wie viel zusätzliche Kapazität bietet eine Gigabit-Bandbreite aber genau? Grundsätzlich ist der Durchsatz von 1-Gbit-Ethernet 10mal größer als bei 100-Mbit-Ethernet, aber auch die Datenpaketierung spielt eine Rolle: Das Ethernet-Rahmenformat, Frame-Typ II, setzt sich grundsätzlich zusammen aus:

Präambel (8 Byte), Pause (Inter Frame Gap – 12 Byte), MAC-Empfänger (6 Byte), MAC-Absender (6 Byte), Protokolltyp (2 Byte), CRC (4 Byte) und den Nutzdaten (Payload – mindestens 46 Byte, höchstens 1500 Byte), welche Netzwerk-Daten und zusätzliche Ethernet-Header beinhalten. 

Hieraus ergibt sich eine Frame-Größe von mindestens 84 Byte und höchstens 1538 Byte. Netzwerk-Daten sind die Informationen im Payload-Teil des Frame. Bei einigen Ethernet-Anwendungen ist zusätzlicher Overhead erforderlich und ein Teil der Payload, was die Größe der Netzwerk-Daten reduziert. Ohne zusätzlichen Ethernet-Overhead sind Nutzlast und Netzwerk-Daten gleich.

Payload mit dem Minimum von 46 Byte und Frame-Format Ethernet II (kein weiterer Overhead): 

• Gigabit-Ethernet hat einen Durchsatz von 1.488.095 Frames/s und kann in einer Sekunde maximal 68.452.370 Netzwerk-Daten-Byte übertragen.
• 100-Mbit-Ethernet hat einen Durchsatz von 148.809 Frames/s und kann in einer Sekunde maximal 6.845.214 Netzwerk-Daten-Byte übertragen.

Payload mit dem Maximum von 1500 Byte und Frame-Format Ethernet II (kein weiterer Overhead):

• Gigabit-Ethernet hat einen Durchsatz von 81.274 Frames/s und kann in einer Sekunde maximal 121.911.000 Netzwerk-Daten-Byte übertragen.
• 100-Mbit-Ethernet hat einen Durchsatz von 8127 Frames/s und kann in einer Sekunde maximal 12.190.500 Netzwerk-Daten-Byte übertragen.

Geräte in Gigabit-Ethernet-Netzwerken können somit mehr Nachrichten senden. Da jede Nachricht im Netzwerk weniger Zeit in Anspruch nimmt, können mehr Nachrichten gesendet werden, ohne das Netzwerk zu überlasten. 

Hierbei geht es nicht um Kollisionsprobleme, da es hierfür in industriellen Ethernet-Netzwerken im Allgemeinen andere Strategien gibt. Es geht vielmehr darum, wie viele nützliche Daten aus jeder Nachricht erfasst und verwendet werden können. All dies hat Auswirkungen auf die Qualität der Produktionsentscheidungen, die auf der Enterprise-Ebene getroffen werden.

Auf Tempo kommt es an

Kritiker von Gigabit-Ethernet zweifeln an, dass die Geschwindigkeit der Übertragung eine Rolle spielt. Dabei liegt es auf der Hand, dass bei höherer Übertragungsgeschwindigkeit mehr Nachrichten pro Zeiteinheit übertragen und damit mehr wertvolle Daten gesammelt werden können. Selbst bei einer Begrenzung der Datenmenge pro Gerät ergibt sich hieraus keine Begrenzung der erfassten Daten, da sich die Datenregister ständig ändern können. 

Industrie 4.0 verlangt, dass wir immer mehr nützliche Informationen aus unseren Produktionssystemen extrahieren. Giga­­bit-Ethernet kann hierfür die notwendige Geschwindigkeit und Bandbreite bereit­stellen.

Autor:
John Browett ist General Manager der CLPA Europe.

Die Besonderheit von CC-Link

CC-Link IE Field hat nicht nur eine Übertragungsgeschwindigkeit von 1 Gbit/s, sondern auch eine höhere Network-Data-Kapazität als TCP/IP und UDP/IP General Purpose Ethernet. Dies liegt am zusätzlichen Overhead für die IP-, TCP- und UDP-Header, die von den General-Purpose-Ethernet-Frames verwendet werden. Diese zusätzlichen Header für General-Purpose-Ethernet-Frames werden innerhalb des Payload-Teils des Frame platziert und reduzieren somit die Netzwerk-Daten, die mit jedem Ethernet-Frame übertragen werden können. Übertragungen über CC Link IE Field kommen ohne zusätzliche Ethernet-Header aus, sodass die gesamte Nutzlast für Netzwerk-Daten zur Verfügung steht.

Daten zum Vergleich:

Die Nutzlast für einen Ethernet-Frame beträgt 46 – 1500 Byte/Übertragung

• 1-Gbit-Ethernet mit einem Minimum an Payload überträgt 1.488.095 Frames/s
• 1-Gbit Ethernet mit einem Maximum an Payload überträgt 81.274 Frames/s

C-Link IE-Feld:
Es werden keine zusätzlichen Ethernet-Header benötigt.
Bei einer Payload von 46 Byte können 46 Byte an Netzwerk-Daten übertragen werden.

• Übertragung von 68.452.370 Byte an Netzwerk-Daten pro Sekunde.

Bei einer Payload von 1500 Byte können 1500 Byte an Netzwerk-Daten übertragen werden.

• Übertragung von 121.911.000 Byte an Netzwerk-Daten pro Sekunde.

TCP/IP:
Der IP-Header benötigt 20 Byte und der TCP-Header 20  Byte.
Bei einer Payload von 46 Byte können 6 Byte an Netzwerk-Daten übertragen werden.

• Übertragung von 8.928.570 Byte an Netzwerk-Daten pro Sekunde.

Bei einer Payload von 1500 Byte können 1460 Byte an Netzwerk-Daten übertragen werden.

• Übertragung von 118.660.040 Byte an Netzwerk-Daten pro Sekunde

UDP/IP:
Der IP-Header benötigt 20 Byte und der UDP-Header 8 Byte.
Bei einer Payload von 46 Byte können 18 Byte an Netzwerk-Daten übertragen werden.

• Übertragung von 26.785.710 Byte an Netzwerk-Daten pro Sekunde

Bei einer Payload von 1500 Byte können 1472 Byte an Netzwerk-Daten übertragen werden.

• Übertragung von 119.635.328 Byte an Netzwerk-Daten pro Sekunde.

Im Vergleich zu herkömmlichen Ethernet-­Netzwerken bietet CC-Link IE Field daher bei Gigabit-Tempo und je nach Nutzlast eine Leistungssteigerung von über 660 % mehr Byte pro Sekunde als TCP/IP und über 150 % mehr als UDP/IP bei Übertragung mit dem Nutzlast-Minimum. 

Da derzeit keine anderen offenen 1-Gbit-General-Purpose-Ethernet-Netzwerke verfügbar sind, müssen wir CC-Link IE Field auch mit anderen derzeit verfügbaren industriellen Ethernet-­Netzwerken vergleichen, das heißt CC-Link IE Field im Vergleich zu 100-Mbit-General-Purpose-­Ethernet. Ausgehend von der gleichen Berechnungsgrundlage: Je nach Nutzlast kann CC-Link IE Field prinzipiell eine Leistungs­steigerung von bis zu 7500 % mehr Byte pro Sekunde als TCP/IP und circa 2500 % mehr als UDP/IP bieten.