Höhere Verfügbarkeit und Flexibilität

Die Zwischenprodukte werden in kurzen Taktzeiten in die Gebinde abgefüllt.

Als einer der führenden europäischen Hersteller produziert Bode Chemie am Standort Hamburg-Stellingen mehr als 400 Produkte für Desinfektion, Reinigung, Pflege und Hautantiseptik. Pro Jahr werden circa 18.000 Tonnen Bulkware hergestellt. Das umfassende Portfolio kommt dabei weltweit zum Einsatz. Die erforderlichen Rohstoffe werden in Tanklastzügen oder Gebinden angeliefert und dann in Tanks oder in einem Lager aufbewahrt. In der Herstellung werden die Rohstoffe über automatische Dosierprozesse zu Zwischenprodukten verarbeitet, die in ein entsprechendes Tanklager abgepumpt werden. Das Tanklager versorgt die Abfülllinien, wo das Zwischenprodukt in Gebinde von 50 über 500 ml bis zum 5-Liter-Gebinde abgefüllt wird. Im Anschluss an die Etikettierung erfolgt die Verpackung und Konfektionierung der fertigen Produkte.

Topologische Darstellung der bei der Bode Chemie GmbH umgesetzten Netzwerkstruktur.

Bisherige Netzwerkstruktur mit Risiken

Das Unternehmensnetz von Bode Chemie ist in je ein Office- und Industrie-Netzwerk unterteilt. Der Datenaustausch zwischen beiden wird über eine Firewall geregelt. Historisch bedingt wurde das Industrie-Netzwerk flach strukturiert und redundant als Ringstruktur aufgebaut. Als Infrastruktur-Komponenten wurden ausschließlich Switches von Phoenix Contact verwendet. Aufgrund der flachen Struktur kommunizierten alle Teilnehmer im Industrie-Netzwerk wie PCs, Bedienen-und-Beobachten-Geräte, Steuerungen und die dezentrale Peripherie über ein gemeinsames Ethernet-Netzwerk. Dieser Ansatz birgt allerdings ein hohes Risiko gegenseitiger Beeinflussung.

Beispielsweise belegen Datenpakete, die als Broadcasts an sämtliche Teilnehmer gesendet werden, obwohl diese sie zum Teil nicht benötigen, wertvolle Ressourcen. Diese stehen daher der zielgerichteten zeitkritischen Prozessdaten-Kommunikation nicht zur Verfügung. Im schlimmsten Fall führt dies zum Stillstand der Datenübertragung und damit zu einem Produktionsausfall. Ein flach strukturiertes Ethernet-Netzwerk kann zudem Angriffsfläche für Viren und Schadsoftware bieten. Ein derartiger Befall von Systemen im Automatisierungsumfeld würde zu kostenintensiven Produktionsausfällen führen. Mit der vorhandenen Netzwerkstruktur stieß Bode Chemie zusätzlich im Hinblick auf freie IP-Adressen und die Wartbarkeit des Systems an Grenzen.

Layer-3-Switches im Rechenzentrum bilden das Industrie-Backbone.

Vielfältige Anforderungen

Zur Steigerung von Produktivität, Verfügbarkeit und Flexibilität sowie zur Umsetzung zukünftiger Automatisierungs-Anforderungen war eine neue Netzwerkstruktur zu entwickeln. Dazu sollte das gesamte Ethernet-Netzwerk im industriellen Umfeld auf ein geroutetes Netz umgestellt und durch physikalische Trennung in unabhängige Bereiche unterteilt werden. In den neu aufgespannten Subnetzen sorgen dann redundante Netzwerkstrukturen für eine hohe Verfügbarkeit.

Da in der Produktion durchgängig über Profinet kommuniziert wird, musste ein deterministisches Redundanzprotokoll ausgewählt werden. Die Anbindung der Industrie-Bereiche an das Office-Netzwerk und die überlagerten Geschäftsprozesse waren hochverfügbar auszulegen. Aufgrund der durchgängigen und performanten Integration der Fertigungsprozesse in die ERP- und MDE-Systeme sollten sich die Unternehmens-Ressourcen effizienter verwenden lassen.

Um die Investitionen und den Installationsaufwand gering zu halten, sollte die bestehende Infrastruktur so weit wie möglich genutzt werden. Zur Vermeidung längerer Produktionsausfälle standen nur wenige Zeitfenster für die Umstellung zur Verfügung. Qualität und Verfügbarkeit des Industrie-Netzwerks sollte von einer zentralen Stelle mittels Netzwerkmanagement-Software überwacht und diagnostiziert werden. Die Software muss wichtige Ereignisse im Netzwerk automatisch und zeitnah an die Verantwortlichen melden.

Einfache und schnelle Instandhaltung durch wechselbares Speichermedium (SD-Karte).

Subnetze in Ringstruktur

Das Ethernet-Netzwerk im Fertigungsbereich von Bode Chemie wurde in eine geroutete Lösung umgewandelt. Die Mitarbeiter erarbeiteten gemeinsam mit Phoenix Contact ein Konzept, das dieses Industrie-Netzwerk in unterschiedliche Subnetze segmentiert. Diese werden über physikalische Ringstrukturen auf Basis von industrietauglichen Smart Managed Switches aufgebaut, um die Verfügbarkeit zu erhöhen. Wegen der großen Distanzen sind die Ringe zwischen den einzelnen Produktionsstätten mit Gigabit- und Lichtwellenleiter-Technik ausgeführt. Zur Auflösung der physikalischen Ringstrukturen in logische Linienkonzepte kommt das Redundanzprotokoll MRP (Media Redundancy Protocol) zum Einsatz, das im Profinet-System als Standard spezifiziert ist und eine deterministische Umschaltzeit von 200 ms unterstützt. Die Ankopplung der Ethernet-Teilnehmer in den unterlagerten Produktionsanlagen erfolgt über Fast-Ethernet-Kupferverbindungen.

Die Industrie-Bereiche und die überlagerten Geschäftsprozesse tauschen ihre Daten redundant über Kupferverbindungen aus. Zwei industrietaugliche Layer-3-Switches, die als virtuelle Router betrieben werden, übernehmen die Anbindung. Sie bilden das Industrie-Backbone und stellen jeweils ein virtuelles Router-Interface für die verschiedenen Subnetze und das Office-Netzwerk zur Verfügung. Das Industrie-Backbone wird an einer zentralen Stelle im Rechenzentrum des Unternehmens installiert, da dort die gesamte Infrastruktur terminiert und so entsprechend mitgenutzt werden kann. Der modulare Aufbau der im Industrie-Backbone verwendeten Layer-3-Switches eröffnet außerdem Spielraum für zukünftige Erweiterungen der Anlage.

Die Projektverantwortlichen Martin Petzold, Markus Schmidt und Dirk Schlüter aus der Technik freuen sich über die schnelle und erfolgreiche Projektumsetzung mit Phoenix Contact.

Einfache Konfiguration und umfassende Diagnose

Die Managed Switches unterstützen unterschiedliche User-Interfaces für den Zugriff auf die Konfigurations- und Diagnosedaten. Alle erforderlichen Einstellungen lassen sich über den geräteeigenen Webserver oder über SNMP (Simple Network Management Protocol) kontrollieren. Gleiches gilt für die Abfrage der Diagnosedaten. In den Subnetzen wird zur Übertragung der Prozessdaten ausnahmslos Profinet genutzt. Dort arbeiten die Switches als Profinet-Devices. In dieser Betriebsart weist ihnen das Engineering ihre IP-Adresse und ihren Profinet-Namen direkt zu. SNMP-Traps sorgen für eine schnelle Diagnose. Wichtige Ereignisse wie der Verlust der redundanten Spannungsversorgung der Switches im Ring oder eine Topologie-Änderung werden über SNMP an die zentral installierte Diagnose-Software FL View übermittelt, die das Netzwerk rund um die Uhr überwacht.

Sämtliche verbauten Switches unterstützen darüber hinaus wechselbare Speichermedien, auf denen die gerätespezifische Konfiguration hinterlegt werden kann. Das vereinfacht die Instandhaltung erheblich, denn bei einem Gerätetausch muss lediglich der jeweilige Speicher in den neuen Switch gesteckt werden. Beim Neustart holt sich das Gerät dann automatisch die archivierte Konfiguration.

Bode Chemie hat die neuen Strukturen ohne einen Stillstand der Produktion innerhalb von zwei Monaten in enger Zusammenarbeit zwischen Mitarbeitern aus Produktion, IT und Technik umgesetzt. Grundlage war ein mit Phoenix Contact entwickeltes Netzwerkkonzept, das eine sukzessive Realisierung in drei Zeitfenstern vorsah. Im Rahmen einer Schulung des Technik-Personals im Hinblick auf die installierten Netzwerk-Komponenten ist das Industrie-Netzwerk von den Projekt-Verantwortlichen Martin Petzold und Markus Schmidt offiziell an die Verantwortlichen übergeben worden.

Stabilität und Verfügbarkeit erhöht

Durch die erfolgreiche Umstrukturierung hat sich die Stabilität und Verfügbarkeit des gesamten Industrie-Netzwerks erhöht. Das Industrie-Backbone stellt eine klare Verantwortlichkeit und schnelle Reaktionszeiten sicher. In Kombination mit der neuen Diagnose-Software ermöglichen die entsprechenden Funktionen der Switches und die geroutete Netzwerkstruktur zudem eine schnelle und umfassende Diagnose. Erweiterungen oder Umstrukturierungen der Anlage lassen sich aufgrund des modularen Ansatzes und des hohen Strukturierungsgrads flexibel umsetzen. Das gilt auch für die im nächsten Schritt geplante Absicherung von Anlagen durch dezentral installierte Firewalls, wobei kein weiterer Konfigurationsaufwand anfällt. Diese Maßnahme zielt darauf ab, den Zugriff auf die Anlagen zu reglementieren.