Kommunikation Single
Kommunikation Single Pair Ethernet (SPE) ermöglicht IoT-Integration von Bestandsanlagen werden, sondern kann die Daten im festen Intervall senden oder – noch besser – wenn bestimmte Triggerbedingungen erfüllt sind, wie z. B. das Überschreiten einer vorher festgelegten Temperaturschwelle. SPE Infrastruktur bringt Ethernet bis in die Feldebene © SPE Industrial Partner Network Autor: Dr.-Ing Karsten Walther Perinet www.perinet.io Die Bedeutung der IT in Produktionsabläufen steigt stetig und die Leitebenen werden der bestimmende Faktor in der Wertschöpfung, da sie für optimierte Abläufe in der Produktion sorgen und helfen diese zu flexibilisieren. Wesentlich dafür ist ein guter Einblick in die Produktionsabläufe, d. h. ein Zugriff auf Sensoren und Rückwirkungsmöglichkeiten über Aktuatoren. Doch genau dieser Zugriff ist gegenwärtig fast nur indirekt über Gateways/PLCs und ähnliche Geräte möglich, da die Sensoren nicht die Sprache der Software – Netzwerk IP-Kommunikation – beherrschen. Das führt zu hohen Aufwänden in Digitalisierungsprojekten. Eine durchgängige Kommunikation über alle Entscheidungsebenen bis hin zur Feldebene würde dieses Problem lösen. Single Pair Ethernet Hier kommt Single Pair Ethernet ins Spiel, dies ist ein neuer Ethernet-Standard, welcher bereits im Automotive Bereich breit eingesetzt wird. Kernpunkt ist, dass sowohl die notwendige Elektronik und Elektromechanik wesentlich kleiner als bei traditionellem Ethernet ausgeführt werden kann. Dies war überfällig, da die sonstige Elektronik wie Microcontroller in den letzten 30 Jahren immer kleiner und leistungsfähiger geworden ist, nicht jedoch die Netzwerkschnittstelle. Single Pair Ethernet ist daher besonders geeignet für die Anbindung von Sensoren und Aktoren an IT-Systeme. Vernetzung über Netzwerk Die Vernetzung von Sensoren und Aktoren über Netzwerk (nicht Feldbusse) bietet fundamental andere Möglichkeiten in der Kommunikation. Im Feldbusbetrieb sind Sensoren passive Elemente, die in hoher Zyklenzahl abgefragt werden und, selbst wenn sie digital sind, nur kryptische Bitfelder senden. Dank IP-Kommunikation werden Sensoren nun zu aktiven intelligenten Kommunikationspartnern. Die größten Vorteile im Einzelnen sind: Austausch von Informationen statt Daten Der netzwerkfähige Sensor kann die Rohdaten bereits aufbereiten und in IT-freundlichen Formaten z. B. JSON zur Verfügung stellen. Ein großer Vorteil daran ist, dass die Daten selbstbeschreibend sind, also z. B. in welcher Einheit der Wert angegeben wird. Zudem können sogenannte Metainformationen gleichzeitig übertragen werden, welche die Auswertung weiter vereinfachen. Effiziente Kommunikation Der Sensor muss nicht mehr in einem festen Zyklus abgefragt Bessere Signalisierung Insbesondere für seltene Ereignisse wie das Anzeigen von Störungen kann der Sensor nun im Bedarfsfall parallel Informationen zu den übermittelten Daten senden. Generell ist dank der Kommunikation über Protokolle wie HTTPS der Austausch von vielen verschiedenen Daten zwischen Geräten möglich. Weniger Planung und Verwaltung Da netzwerkfähige Sensoren sich selbst identifizieren können und auch die Netz-Topologie zurückerkannt werden kann, muss keine genaue Vorplanung für die Verkabelung erfolgen und die Inbetriebnahme wird dank netzwerkbasiertem Plug-and-play deutlich beschleunigt. Kernpunkt ist jedoch, dass Steuerungssoftware, die auf PCs läuft, einfach über Netzwerk Zugriff auf die Sensoren bekommt, ohne das Zwischensysteme (IO-Karten oder Gateways) berücksichtigt werden müssten. Auf PC-Seite entfällt die Nutzung von dedizierten IO-Karten und erlaubt somit auch die Virtualisierung von Steuerungssoftware. Die Steuerungssoftware ist nicht mehr ortsgebunden, sie kann auf einem Edge Computer im Feld genauso wie auf zentralen Rechnern in der Werkhalle oder des Unternehmens oder auch in der Cloud ausgeführt werden. Auf der Feldseite entfällt die Konfiguration des Gateways, z. B. einer SPS. Insbesondere entfallen die unterschiedlichen Adressierungen im Feld (Bus-/Registeradressen, Klemmstellen usw.) und im Netzwerk (IP- und MAC-Adressen), dank der Selbstidentifikationsmöglichkeiten der Sensoren. Ähnlich wie bei einem Netzwerkdrucker kann ein Sensor im Netzwerk gefunden 18 PC & Industrie 12/2022
Kommunikation werden, ohne vorher den Anlagenplan zu konsultieren. Selbstidentifikationsmöglichkeit Dank dieser Selbstidentifikationsmöglichkeit ist auch eine adhoc Verkabelung im Feld möglich, ohne das dafür erst ein Kabelplan erstellt werden muss. Es ist sogar möglich, nach erfolgter Installation die Verkabelungsstruktur über Software auf Knopfdruck zu ermitteln und für Nutzer zu dokumentieren, oder später – beim Tausch von Sensoren – den Austauschsensor automatisch zu konfigurieren. Auch ist es möglich, bestehende Netzwerkinfrastruktur zu nutzen, d. h. die Neuverkabelung erstreckt sich nur bis zur nächsten Netzwerkdose. Neben der Einfachheit der nun möglichen Ende-zu-Ende Kommunikation zwischen PC-Software und Sensoren wird auch eine bisher unerreichte Daten-/Kommunikationssicherheit in IIoT Anwendungen ermöglicht. Die Verschlüsselung erfolgt Ende-zu-Ende auf Basis von etablierten IT-Technologien wie HTTPS, TLS, MQTTS und Zertifikaten. Diese Technologien sind durch die Software dank existierender Bibliotheken einfach zu nutzen und werden zudem ständig weiterentwickelt. Besonders hervorzuheben ist, dass Sensoren einfach hardwaregestützt (ähnlich wie Smartcards) abgesichert werden können. D. h. sie sind nicht kopierbar und erlauben einen enorm hohen Verschlüsselungsstandard. Nicht zuletzt ist damit auch eine Übertragung über unsichere Netze und damit Zero- Trust Networking möglich. Nachrüstung möglich Die vorgenannten Vorteile der IP-basierten Kommunikation im Sensor lassen sich auch in Nachrüstlösungen nutzen. Das ist insbesondere wichtig, da Maschinen und Anlagen gemeinhin ein lange Lebens- und Nutzungsdauer haben. Eine übliche Einschränkung bei der Nachrüstung ist, dass die Bestandssteuerung nicht verändert wird, da dies zu hohe Entwicklungskosten verursacht oder manchmal auch gar nicht mehr möglich ist. In diesem Fall wird meist auf der Sensorzuleitung mitgelauscht oder, wenn notwendig, das Sensor signal verändert, um das Verhalten der Maschine/Anlage zu ändern. Zwar wird in diesem Fall der Sensor nicht durch einen intelligenten Sensor ersetzt, sondern ein Adapter benutzt, aus Sicht der PC- Software ist das Ergebnis jedoch das gleiche. Verkabelungsaufwand minimieren Zudem kann dadurch der Verkabelungsaufwand minimiert werden, da man das Sensorsignal an einer beliebigen günstigen Stelle zwischen Sensor und Schaltschrank abgreifen kann. Dank Single Pair Ethernet sind die erforderlichen Adapter so klein, dass sie im Kabelbaum verbaut werden können und somit kein Schaltschrank benötigt wird. Single Pair Ethernet ermöglicht dabei verschiedene Topologien, so dass mehrere Adapter/Sensoren in Linie, als Baum oder auch als Ring angeschlossen werden können. Auch die Energieversorgung der intelligenten Sensoren/Adapter erfolgt über das SPE-Kabel. Besonders vorteilhaft ist hier eine Hybridverkabelung, welche sehr günstig, robust, klein und flexibel ist. Die Einspeisung der Versorgungsspannung erfolgt meist am Medienkonverter, der auf Standardethernet umsetzt und so den Anschluss eines SPE-Segments an das existierende Netzwerk erlaubt. Im einfachsten Fall benötigt man somit für die Nachrüstung nur einen Sensoradapter, ein SPE-Kabel, einen Medienkonverter und eine freie Netzwerkdose. Die Software für die Digitalisierungslösung kann auf einem bestehenden Rechner im Netzwerk installiert werden. Einfachheit bringt mehr Effizienz An dem minimalen Beispiel zeigt sich die Einfachheit, die sich mit einer durchgängigen Kommunikation über IP-Netzwerk in IoT-Anwendungen erreichen lässt. Diese Einfachheit führt letztlich zu mehr Effizienz, insbesondere was Arbeitsaufwände periNODE GPIO Starter Kit Plus von Perinet durch Techniker, Systemintegratoren, Administratoren und Nutzer betrifft. Einerseits sinken dadurch die Kosten, aber auch dem Fachkräftemangel wird hiermit begegnet, da weniger unterschiedliche Systeme betreut werden müssen. Fertige Starterkits Für Neugierige bietet Perinet fertige Starterkits für Single Pair Ethernet an, welche die Vorteile und Anwendung der Technologie zeigen. Dabei sind alle verwendeten Komponenten bereits erhältlich und insbesondere für Nachrüstlösungen geeignet. Fazit Single Pair Ethernet mag technisch ein kleiner Schritt sein, aber er ermöglicht eine Vervielfachung der netzwerkfähigen Geräte, da nun auch einzelne Sensoren und Aktuatoren in großer Zahl direkt ins Netzwerk eingebunden werden können. Die Bedeutung auf Anwendungsebene lässt sich dabei nur schwer unterschätzen, wenn man bedenkt, was die Vernetzung von Computern und später die Netzwerkfähigkeit von Telefonen alles verändert hat. Die Vernetzung von Sensoren und Aktoren bedeutet eine direkte Verknüpfung der Produktions-/Fabrikund Unternehmensleitebenen mit dem Feld. Wer schreibt: Perinet ist Professional Member beim SPE Industrial Partner Network und wurde durch den German Innovation Award 2021 für die Entwicklung bahnbrechender Technologie anerkannt. Die Vision: Seamless IoT Connectivity. ◄ PC & Industrie 12/2022 19
