\“Unsere neue Produktionslinie wird so geplant, dass sie in einigen Jahren hier komplett demontiert und an einem anderen Standort wieder neu aufgebaut werden kann\“, sagt ein großer Automobilhersteller und lässt offen, ob er dabei an Osteuropa, Südamerika, Asien oder Südafrika denkt. Der Großteil der Maschinen wird also einen zweiten oder sogar dritten Standort erleben mit unterschiedlichen Umgebungsbedingungen, geänderten Werksstandards und wahrscheinlich einer anderen digitalen Kommunikation. Und für den Automobilhersteller ist es klar, dass seine Lieferanten auch Flexibilität zeigen beim Kommunikationsverhalten ihrer Geräte und Maschinen. Der \’Feldbus-Krieg\‘ ist zwar seit Jahren vorbei, aber er hat eine bunte Landschaft unterschiedlicher Bussysteme hinterlassen. Zwar gibt es einige wenige dominierende Kommunikationssysteme in der Automatisierungstechnik, aber je nach regionalen oder auch branchenspezifischen Gegebenheiten tritt die Vielfalt zutage. Durch das Auftauchen Ethernet-basierter Kommunikation in der Automatisierungstechnik bis hin zur Feldebene ist die Situation nicht gerade übersichtlicher geworden. In der neuen Ausgabe der IEC61784/ 61158-Normenreihe werden voraussichtlich zwölf Echtzeit-Ethernet-Lösungen für die Automatisierungstechnik standardisiert. Zwar zeichnet sich auch beim Industrial Ethernet die globale Marktführerschaft von zwei oder drei \’großen\‘ Systemen ab, aber bereits heute haben viele verschiedene Systeme – teilweise mit deutlichen branchenspezifischen Schwerpunkten – ihre Anwender gefunden. Der verstärkte Einsatz von Ethernet-basierten Technologien treibt den Weltmarkt für industrielle Netzwerke enorm voran. Ein aktueller Bericht von IMS Research sagt ein durchschnittliches Wachstum von 13% für die nächsten fünf Jahre voraus, bezogen auf die installierten Knoten. Für Ethernet-basierte Protokolle wird im gleichen Zeitraum sogar ein Wachstum von 20% jährlich prognostiziert. Laut Marktanalytiker John Morse von IMS Research wird erwartet, dass der Asien-Pazifik-Raum mit 26% ein überproportionales Wachstum im Bereich Ethernet verzeichnen wird, für Amerika werden 20% und für EMEA 18% Wachstum vorhergesagt. Aber Ethernet deckt nicht die Bedürfnisse aller Benutzer ab; daher werden auch die traditionellen Feldbustechnologien weiter wachsen. Ähnlich beurteilt auch die ARC Advisory Group die Situation, die für 2007 deutlich über drei Millionen neu installierte Industrial Ethernet-Knoten prognostiziert. Hersteller von Automatisierungseinrichtungen und Geräten für die Automatisierungstechnik werden also – insbesondere in der Fertigungstechnik – mit einer dynamischen Vielfalt von Kommunikationstechnologien konfrontiert und müssen Entscheidungen treffen, welche dieser Technologien sie in ihren Geräten unterstützen und wie sie die Implementierung vornehmen. Im Falle der oben erwähnten Automobil-Produktionslinie sind die Anforderungen sogar noch höher: Beim Wiederaufbau der Anlage müssen alle Geräte eventuell eine zweite oder dritte Technologie beherrschen oder einfach umgerüstet werden können. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass der Geräte- und Maschinenhersteller frühzeitig die richtige Implementierungsstrategie für die Kommunikationsschnittstellen an seinen Geräten auswählt. Zählt das Feldbus-Know-how zur Kernkompetenz des Herstellers und plant er große Stückzahlen für alle Märkte, so bietet sich die Eigenentwicklung der Kommunikationsschnittstelle an. In anderen Fällen kann die Unterstützung durch einen Entwicklungspartner oder der Zukauf fertiger Kommunikationsmodule sinnvoll sein. Besonders im letzten Fall wird dann auch eine große Flexibilität bei der Anpassung an unterschiedliche Kommunikationssysteme erreicht. Die Firmen HMS Industrial Networks und TMG arbeiten jetzt zur qualitativen und quantitativen Analyse der richtigen Implementierungsstrategie mit einem Software-Tool, das die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung für die verschiedenen Alternativen ermittelt – die strategischen Entscheidungen müssen die Firmen letztlich aber selbst treffen. Worin unterscheiden sich die unterschiedlichen Vorgehensweisen bei der Schnittstellen-Implementierung, und welche Entscheidungshilfe leistet das \’Make-or-Buy-Tool\‘? Die denkbaren Varianten werden im Folgenden dargestellt.
Eigenentwicklung der Feldbusschnittstellen
Die Eigenentwicklung der Kommunikationsschnittstellen setzt die entsprechende Kompetenz und Entwicklungskapazität des Geräteherstellers voraus. Bei dieser Vorgehensweise entsteht eine individuelle Lösung, die hinsichtlich ihrer mechanischen und funktionalen Eigenschaften optimal auf die Anforderungen des jeweiligen Feldgeräts angepasst werden kann. Um auf flexible Art zumindest für die wichtigsten Feldbus- und Ethernet-Systeme offen zu sein, ist die saubere Trennung von Applikation und Kommunikation notwendig. Über selbst zu definierende Hardware- und Softwareschnittstellen kommuniziert dann der Hauptprozessor des Geräts mit dem Kommunikationsprozessor für das jeweilige Busprotokoll. Für die Realisierung der jeweiligen Protokollfunktionen kann man auf käufliche Protokollstacks verschiedener Anbieter zurückgreifen, die an die individuellen Randbedingungen anzupassen sind. Der Verlauf der Entwicklung gliedert sich typischerweise in Know-how-Aufbau, Spezifikation, Hard- und Software-Entwicklung, Test der Prototypen, EMV-Test mit CE und UL-Zertifizierung sowie die abschließende Zertifizierung der Protokollkonformität. Diese Arbeiten sind pro Bussystem einmal komplett und bei einer späteren Änderung der Spezifikationen nochmals teilweise durchzuführen. Bei der Eigenentwicklung werden niedrige Hardware-Kosten für die Busanschaltung erzielt. Demgegenüber stehen jedoch hohe Entwicklungskosten, Lizenzgebühren, ein höheres Entwicklungsrisiko und eine lange Zeit bis zur Verfügbarkeit des Produkts (Time-to-Market).
Eigenentwicklung mit externer Unterstützung
Die individuell entwickelte Kommunikationsschnittstelle bietet sich immer an, wenn der Hersteller hohe Stückzahlen für seine Geräte plant oder aus anwendungsspezifischen Gründen – z.B. bestimmte Bauform oder hoher IP-Schutz – eine geräteoptimierte Schnittstelle notwendig ist. Gehört die industrielle Kommunikation nicht zur Kernkompetenz des Herstellers und fehlt das Entwicklungs-Know-how und/oder die Kapazität im eigenen Haus, bietet es sich an, einen Entwicklungspartner in das Projekt einzubinden, der die eigene Entwicklungsabteilung unterstützt und damit das Entwicklungsrisiko reduziert und eine kürzere Time-to-Market ermöglicht. Dadurch ergeben sich Kostenvorteile, die allerdings teilweise durch die höheren externen Kosten kompensiert werden. Das Know-how des Entwicklungspartners sollte sinnvollerweise beim Gesamtprozess inklusive Spezifikation, Test und Zertifizierung genutzt werden. Auch die Pflege der Technologie einschließlich der Weiterentwicklung und Anpassung an sich ändernde Standards kann mit einem Partner meist effizienter als durch Eigenleistungen realisiert werden.
Einsatz fertiger Kommunikationsmodule
Maschinen- und Gerätehersteller, die weltweit tätig sind und den Kundenwünschen nach unterschiedlichen Kommunikationstechnologien gerecht werden müssen, haben die Möglichkeit, auf einbaufertige Kommunikationsmodule zurückzugreifen. Dazu gibt es die Anybus-Kommunikationsmodule für zahlreiche industriellen Netzwerke. Das Angebot wird kontinuierlich für neue Technologien erweitert, z.B. die derzeit boomenden industriellen Ethernet-Systeme. Voraussetzung bei dieser Vorgehensweise ist, zunächst die Anybus-Schnittstelle im eigenen Gerät zu implementieren. Ist dies geschehen, können alle Module ohne erneute Hard- und Software-Anpassungen eingesetzt und das Feldgerät so mit den unterschiedlichen industriellen Netzwerken verbunden werden. Die Module haben einheitliche Abmessungen und geräteseitig immer die gleiche Hard- und Software-Schnittstelle. Dadurch können sie untereinander ausgetauscht und das Gerät damit an unterschiedliche Kommunikationsumgebungen angepasst werden. Bei dieser Variante ist der Entwicklungsaufwand deutlich geringer als bei einer Eigenentwicklung für mehrere Schnittstellen. Ebenso verkürzt sich die Time-to-Market, und das Entwicklungsrisiko wird reduziert. Ein weiterer besonderer Vorteil ist die Offenheit auch gegenüber zukünftigen neuen Kommunikationsprotokollen, die bei dieser modularen Konzeption auf alle Fälle gewahrt wird. Auf der Kostenseite stehen höhere Stückkosten für die Anybus-Module als bei einer Eigenentwicklung an, dafür entfallen für den Gerätehersteller zusätzliche Lizenzkosten oder Anschaffungskosten für spezielle Software-Werkzeuge oder Testtools. Neben optimaler Flexibilität erreicht der Hersteller auch die Vereinfachung seiner Logistik, da die Module ohne Spezialwerkzeuge und ohne Einhaltung spezieller Schutzvorschriften an jeder Stelle der Lieferkette in den Anybus-Steckplatz des Feldgeräts eingesetzt werden können.
Die richtige Variante: Hilfestellung geboten
Die Frage nach der richtigen Vorgehensweise bei der Schnittstellenimplementierung ist von vielen quantifizierbaren Randbedingungen abhängig und lässt sich nicht pauschal beantworten. Viele Einzelheiten sind zu klären, die teilweise auch strategisch beantwortet werden müssen: Auf welche Kommunikationstechnologien konzentriere ich mich? Welche Schnittstellen will ich unterstützen, und mit welcher Priorität (zeitlichen Reihenfolge) werde ich sie in meinen Geräten implementieren? Wie sehen meine Märkte aus? Welche Anforderungen stellen meine Kunden? In welchen Regionen der Erde werden meine Geräte und Systeme eingesetzt – durch direkten oder indirekten Export? Wie schnell muss ich mit meinem Produkt auf dem Markt sein, und wie flexibel will ich auf neue Trends reagieren können? Welchen Mehrwert erziele ich durch die Integration der Schnittstellen? Wie viele Geräte werden in den nächsten Jahren mit den jeweiligen Schnittstellen verkauft werden? Wie wird der Preisverfall der Schnittstellen in den nächsten Jahren sein? Über welche Entwicklungskapazität und welches Know-how verfüge ich, und wie teuer sind die eigenen Ressourcen? Besitze ich die Fertigungsmöglichkeiten? Wie hoch sind die Material- und Fertigungskosten für die Schnittstelle? Es gilt also, die individuellen technischen, vertrieblichen und wirtschaftlichen Randbedingungen möglichst vollständig zu berücksichtigen, um eine fundierte Entscheidung zu treffen. Um diese betriebswirtschaftlichen Gesichtspunkte im Rahmen der Schnittstellen-Implementierung umfassend und quantitativ bewerten zu können, hat HMS Industrial Networks mit Unterstützung durch die Technologie Management Gruppe (TMG) ein Kalkulationstool entwickelt, das \’Make-or-Buy-Tool\‘. Die vielfältigen Erfahrungen der beiden Firmen, die in die Entwicklung des Tools eingeflossen sind, geben dem Gerätehersteller schon in der Planungsphase einen \’Leitfaden für seine Schnittstellenentwicklung\‘ Ein detaillierter Projektplan wird quasi über die Bedienung des Tools durchgespielt. Nach Eingabe der individuellen Randbedingungen werden von dem Tool die drei oben beschriebenen Lösungsansätze anhand einer Projektergebnisrechnung analysiert. In grafischen und tabellarischen Darstellungen werden die Kosten, Umsätze und der \’Return on Invest\‘ für die drei Optionen Eigenentwicklung, Eigenentwicklung mit Partner und Einsatz von Schnittstellenmodulen verglichen. Auf der Kostenseite werden als Initialkosten u.a. die Entwicklungskosten, Investitionen für Protokollstacks, Prototypen, Testwerkzeuge, Kosten für die Zertifizierung sowie Zinsen für das eingesetzte Kapital bewertet. Für die Phase nach Abschluss der Entwicklung und bei Einsatz der Lieferung werden die Stückkosten für den Einkauf der einbaufertigen Module bzw. im Falle der Eigenentwicklung die Herstellungskosten für die Schnittstellen mit optimierten Fertigungslosgrößen und Fertigungsintervallen ermittelt. Bei der Gesamtkostenbetrachtung wird neben den verkauften Stückzahlen auch die unterschiedlich lange Entwicklungszeit und die daraus resultierende Time-to-Market berücksichtigt.
Projektergebnisrechnung am Beispiel
Anhand eines konkreten Beispiels, das die eingangs erwähnten Randbedingungen aus der Automobilindustrie berücksichtigt, werden mit dem \’Make-or-Buy-Tool\‘ die drei verschiedenen Realisierungsmöglichkeiten für die Implementierung der Kommunikationsschnittstellen verglichen und bewertet. Die Betrachtung erfolgt für eine Schraubersteuerung, die in Europa und USA verkauft und vorwiegend in der Automobilindustrie eingesetzt werden soll. Die Branche ist durch eine hohe Innovationsbereitschaft und durch kurze Produktlebenszyklen gekennzeichnet. Für die Kommunikationsschnittstelle soll daher eine modulare Lösung mit Unterstützung für Profibus, DeviceNet, CANopen, EtherNet/IP, Profinet IO, Modbus-TCP und EtherCAT realisiert werden. Es sollen sowohl Daten zur Steuerung des laufenden Prozesses (zyklische Prozessdaten) als auch Parameterdaten für die Qualitätskontrolle und die Inbetriebnahme des Prozesses übertragen werden. Die Schnittstelle soll modular aufgebaut werden und zur Entlastung des Hauptprozessors über einen eigenen Mikroprozessor für die Realisierung der Kommunikationsfunktionen verfügen. Die Steuerung soll in einem Gehäuse in Schutzart IP20 hergestellt werden. Die Entwicklung gliedert sich in Spezifikation, Hard- und Software-Entwicklung, Funktionstest, EMV-Tests sowie Zertifizierung. Je nach gewählter Methode fallen unterschiedlich hohe Aufwendungen und Investitionskosten für die Beschaffung von Protokollstacks und Testhilfsmitteln, für die Produktion von Prototypen für Funktions- und EMV-Tests, Gebühren und Lizenzen sowie Kosten für die Zertifizierung an. Erfolgt die Entwicklung mit Unterstützung eines externen Entwicklungspartners, fallen zusätzlich zu den internen Personalkosten auch externe Beratungskosten an.
Die Umsatzprognose
Der Markt für die industrielle Kommunikation weist auch in Zukunft zweistellige Wachstumsraten auf, wie eingangs bereits gezeigt wurde; mittelfristig ist dabei eine Verschiebung der Marktanteile zugunsten der verschiedenen Ethernet-Lösungen zu erwarten. Die richtige Abschätzung der Verkaufsstückzahlen für die verschiedenen Bussysteme hat großen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung des Gesamtprojekts. Wichtig ist, dass die Entwicklung mit den Bussystemen begonnen wird, bei denen anfänglich die höchsten Verkaufsstückzahlen erwartet werden. Auf der Basis verfügbarer Informationen wurden für das Fallbeispiel die in Bild 4 dargestellten Markteinschätzungen getroffen.
Auf der sicheren Seite
Wichtigster Einflussfaktor für die Berechnungen ist die prognostizierte Verkaufsstückzahl. In Bild 5 werden die Ergebnisse beispielhaft an einem Szenario vorgestellt, in dem davon ausgegangen wird, dass von der Schraubersteuerung in der Spitze des Lebenszyklus 4.000 Geräte pro Jahr verkauft werden. Die durch einen Partner unterstützte Entwicklung führt am schnellsten zu ersten verkaufsfähigen Produkten. Die Realisierung mit Modulen führt nach einem Anfangsaufwand am schnellsten zu einem breiten Einsatz bei allen Kommunikationssystemen. Da bei dieser Variante die Entwicklungskosten am niedrigsten sind, wird auch der schnellste Payback bzw. der höchste ROI nach drei Jahren erzielt. Im Einzelnen bringt die Projektergebnisrechnung folgende Resultate: Alle drei Entwicklungsmöglichkeiten führen bei den prognostizierten Stückzahlen von bis zu 4.000 Geräten pro Jahr zu einem positiven Projektergebnis nach sieben Jahren. Der ROI nach drei Jahren ist nur beim Einsatz der modularen Lösung positiv. Bei kleineren Stückzahlen verschiebt sich die Ergebnissituation deutlich weiter zugunsten der modularen Lösung. Werden z.B. nur 3.000 statt 4.000 Klebesteuerungen als maximale Jahresstückzahl umgesetzt, so wird die Eigenentwicklung der Schnittstellen erst in den letzten Tagen der sieben Jahre kostendeckend; mit Unterstützung durch einen Entwicklungspartner würde der Payback nach 4,7 Jahren, beim Einsatz der Module jedoch schon nach 2,4 Jahren erreicht.
Fazit
Digitale Kommunikation ist aus der Automatisierungstechnik nicht mehr wegzudenken. Der großen Zahl an weltweit existierenden Feldbussystemen tritt jetzt eine ähnlich große Zahl Ethernet-basierter Kommunikationslösungen zur Seite. Gerätehersteller müssen heute die richtigen Entscheidungen für die Auswahl der Kommunikationslösungen in ihren Geräten treffen. Marktanalysten können dabei helfen, die verfügbaren Kommunikationstechnologien zu bewerten. Für die richtige Implementierungsstrategie ist weitergehendes Know-how gefordert. Das Make-Or-Buy-Tool, das die Firmen HMS Industrial Networks (www.anybus.de, info@anybus.de) und TMG Technologie Management Gruppe bei ihren Beratungen zum Einsatz bringen, liefert wertvolle Beiträge für den Entscheidungsprozess. Die Analyseergebnisse zeigen, dass sich der Einsatz von modularen Schnittstellenbausteinen bei kleinen bis mittleren Produkt-Stückzahlen und kurzen Projekt-Laufzeiten durchweg als die kostengünstigste Lösung erweist.
National Instruments erweitert sein Angebot von Digitalmultimetern um NI PXI-4065, ein Multimeter für PXI mit einer Genauigkeit von 6 ½ Stellen. Es eignet sich für zuverlässige Messsysteme zur Datenprotokollierung mit hoher Kanalanzahl. Hierfür können Anwender das Multimeter mit über 150 PXI-Schaltmodulen des Herstellers im integrierten Chassis PXI-1033 kombinieren und damit Datenprotokollierungssysteme mit hoher Kanalanzahl entwickeln. Mit jedem zusätzlichen PXI-Chassis mit 18 Steckplätzen können die Systeme um weitere 3000 Kanäle ergänzt werden. Mit der Treibersoftware DMM, die im Lieferumfang des Digitalmultimeters PXI-4065 enthalten ist, sind Anwender in der Lage, Datenprotokollierungssysteme mit vielen Kanälen mithilfe von LabVIEW SignalExpress entwickeln. In automatisierten Prüfsystemen sind Digitalmultimeter des Typs NI 4065 auch mit den Entwicklungsumgebungen TestStand, LabVIEW, LabWindows/CVI und Measurement Studio programmierbar. Sie bieten Anwendern verschiedene Optionen für die Realisierung ihrer Mess- und Prüfanwendungen. Das Digitalmultimeter nutzt dieselben Technologien wie die Geräte PCI-4065 und PCIe-40665 des Herstellers. Es bietet bei einer Auflösung von 6 1/2 Stellern bis zu 10 Messungen pro Sekunde und bei niedrigerer Auflösung bis zu 3000 Messungen pro Sekunde. Für grundlegende Anforderungen an Messungen mit 6 ½ Stellen bieten Digitalmultimeter der Baureihe mit einer Isolierung von ±300VDC/Veff , Strommessungen bis zu 3A und 2- oder 4-Draht-Widerstandsmessungen eine Lösung. Ist eine höhere Leistung erforderlich, können Anwender Systeme mit Geräten aus der bestehenden FlexDMM-Familie 407x konfigurieren, die laut Hersteller Messungen mit hoher Geschwindigkeit, Präzision und Auflösung gewährleisten. Anwender können die Multimeter außerdem mit modularer Stromversorgung und Präzisionsquellen des Herstellers kombinieren und damit komplette Systeme für DC-Messungen entwickeln.
