Ein Power-Paar: SPE und OPC UAFX optimieren die industrielle Automatisierung
Viele automatisierte Fertigungsbetriebe verlassen sich immer noch auf traditionelle Feldbussysteme. Tatsächlich schätzen Branchenanalysten, dass zwischen 55 % und 65 % der heutigen industriellen Konnektivität durch Feldbustechnologien ermöglicht werden.’ Allerdings stellen sich Netzwerkadministratoren in diesen Umgebungen häufig Herausforderungen in Bezug auf Datenübertragungsraten und die Integration neuer Geräte.
Der Übergang zur modernen Ethernet-Technologie ist jedoch auf dem Vormarsch und bietet Netzwerkadministratoren erhebliche Vorteile. Durch die Implementierung von Ethernet und die Einhaltung der IEC/IEEE 60802 werden ihre Aufgaben,—einschließlich der Verwaltung und Aufrechterhaltung der Netzwerksicherheit und -leistung—, erheblich vereinfacht.
Inwieweit Netzwerkadministratoren von Ethernet-Technologien profitieren
Welche Ethernet-Technologie in der automatisierten Fertigung genau zum Einsatz kommt – beispielsweise SPE (Single-Pair Ethernet), Multi-Pair Ethernet oder Glasfaser –, ist dabei zweitrangig.—— Warum? Weil jeder Typ dem gleichen Satz von IEEE-Standards entspricht. Der Übergang von unterschiedlichen Feldbussystemen hin zu Ethernet ist wichtig. Es ist sehr schwierig, diese Systeme untereinander und in die IT-Infrastruktur zu integrieren, um ein einheitliches und offenes Ethernet mit Netzwerktechnologie zu gewährleisten.
Der Standard IEC/IEEE 60802 integriert spezifische Mechanismen zur Qualitätssicherung und Sicherheit, die für den Betrieb moderner industrieller Netzwerke unerlässlich sind. Für alle netzwerkfähigen Geräte erfordert die Konformität die Implementierung zusätzlicher Mechanismen und Funktionen, die in Feldbusumgebungen nicht verfügbar sind.’
Dies kann einige Herausforderungen mit sich bringen, insbesondere bei Geräten, die starke Ressourcenbeschränkungen aufweisen. Darüber hinaus sind Konformitätsbewertungen für das IEC/IEEE-60802-Profil noch nicht verfügbar, so dass eine Produktentwicklung nicht möglich ist.
Durch den Wechsel zu SPE Netzwerkadministratoren profitieren von den erweiterten Funktionen des IEC/IEEE 60802-Profils, einschließlich verbesserter Sicherheitsprotokolle wie IEEE 802.1X zur Authentifizierung, einheitlicher Zeitsynchronisierung und der Möglichkeit, den Datenverkehr durch QoS zu priorisieren.
Dadurch wird sichergestellt, dass kritische Steuerungsinformationen gegenüber weniger dringendem Datenverkehr priorisiert werden. Dies erhöht die Effizienz und Zuverlässigkeit der Installation. Im Vergleich zu herkömmlichen Feldbussen können Netzwerkadministratoren aufgrund der höheren Bandbreite und Reichweite von SPE ebenfalls ein größeres Netzwerk mit einer größeren Anzahl an Endgeräten effizient verwalten. Dies erhöht die Skalierbarkeit und Flexibilität des Systems.
Optimale Anwendungsbereiche von OPC UA und UAFX
Die Kombination von SPE und der OPC Foundation’ S UA (Einheitliche Architektur) Field eXchange (FX), auch bekannt als UAFX-Spezifikationen bietet erhebliche Vorteile für Netzwerkadministratoren und andere Stakeholder, die eine Rolle in der industriellen Automatisierung spielen und die SPE-Entscheidungsprozess.
UAFX ist eine Erweiterung des OPC-UA-Frameworks und unterstützt deterministische Echtzeitkommunikation in industriellen Umgebungen auf Feldebene und ermöglicht so einen nahtlosen Datenaustausch zwischen Controllern, Geräten und Systemen.
OPC UA und UAFX ermöglichen beispielsweise eine standardisierte horizontale und vertikale Kommunikation sowie eine einheitliche Datensemantik, die für folgende Personengruppen von entscheidender Bedeutung sind:
- Anwendungsingenieure , die an der Erstkonfiguration arbeiten
- Bediener, die sich mit der Prozessüberwachung befassen
- Datenwissenschaftler, die Datenanalysen durchführen
Um zu verstehen, wie dies in der Praxis funktioniert, stellen Sie sich einmal einen in der Prozessindustrie arbeitenden Datenwissenschaftler vor. Eine präzise und zeitnahe Datenanalyse ist unerlässlich, um die Produktion zu optimieren und Anomalien frühzeitig zu erkennen. Umstellung auf SPE Ermöglicht die schnelle und zuverlässige Übertragung großer Datenmengen direkt von Produktionslinien an Analyse- und Prognosesysteme.
Die Integration von OPC UA und UAFX mit SPE gewährleistet eine standardisierte und interoperable Datenerfassung und -übertragung, so dass der Datenwissenschaftler effizient auf eine konsistente und umfassende Datenbasis zugreifen kann.
Dies verbessert nicht nur die Qualität und Aussagekraft seiner Datenanalyse, sondern unterstützt auch die vorausschauende Wartung. Sie ermöglicht eine Echtzeitanalyse der Maschinendaten, so dass mögliche Ausfälle vorhergesagt und entsprechende Wartungsmaßnahmen eingeleitet werden können. Die hohe Bandbreite und geringe Latenz von SPE in Kombination mit der besonderen Datenkonsistenz und -sicherheit von OPC UA und UAFX ermöglichen es Datenwissenschaftlern, die Effizienz der Anlage zu steigern und Ausfallzeiten zu reduzieren.
Bisher beinhaltet UAFX nur die Controller-to-Controller-Kommunikation, die Controller unabhängig vom Hersteller miteinander verbindet. Allerdings befindet sich die Integration von Sensoren und Aktoren in Steuerungsprozesse in der Entwicklung.
Ausrichtung an den Zielen der NAMUR und des Open Process Automation Forums
NAMUR Offene Architektur (NOA) und die Offenes Prozessautomatisierungsforum (OPAF) Förderung offener, interoperabler Systeme in der Prozessindustrie, um flexiblere und effizientere Produktionsumgebungen zu schaffen.
SPE und OPC UA passen perfekt zu den Zielen der NOA und des OPAF. SPE stellt eine robuste, standardisierte Kommunikationsinfrastruktur für die Automatisierungstechnik zur Verfügung. In Kombination ermöglichen diese Technologien Folgendes:
- Nahtlose Integration verschiedener Geräte und Systeme
- Verbesserung der Datentransparenz
- Unterstützung fortschrittlicher Analyse- und Kontrollfunktionen
Darüber hinaus erwartet die NAMUR Zugriff auf zusätzliche Prozess- und Gerätezustandsdaten (“ Vitaldaten”) durch Bandbreitenerhöhungen.
Mithilfe von KI (Künstliche Intelligenz) können Prozesse weiter optimiert und dank vorausschauender Wartung kann die Anlagenverfügbarkeit noch weiter gesteigert werden, da Sensoren selbstständig Abweichungen im Vitalzustand melden.
Standardisierte Informationsmodelle sollen eine herstellerunabhängige und automatisierte, selbstständige Parametrierung und Konfiguration der Sensoren ermöglichen, die wiederum automatisch Identifikationsdaten liefern.
In Kombination werden diese Innovationen dazu beitragen, industrielle Automatisierungssysteme in Zukunft anpassungsfähiger und skalierbarer zu gestalten und in die Lage zu versetzen, die sich stetig verändernden Anforderungen zu erfüllen.
Belden unterstützt eine Zukunft mit Single Pair Ethernet
Im Zuge des Übergangs der industriellen Automatisierungsbranche von der traditionellen Feldbus- zur modernen Ethernet-Technologie wird Belden Anlagen bei der Integration von OPC UA und UAFX mit Single Pair Ethernet unterstützen, damit alle Beteiligten von den besonderen Vorteilen profitieren können.
Unser SPE-Portfolio an Verkabelungs- und Verbindungsprodukten eröffnet in Bezug auf die Herstellung von Ethernet-Verbindungen in industriellen Umgebungen eine Welt voller Möglichkeiten.
Erfahren Sie mehr über Single Pair Ethernet.
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Über den Autor
Lukas Bechtel ist seit 2012 Jahren bei Belden und war in unserem CTO-Büro zunächst als Testautomatisierungsingenieur und dann als Technologiearchitekt tätig. Darüber hinaus ist er Dozent und Forscher an der Hochschule Esslingen, wo er Studierende zu IT- und Netzwerksicherheit sowie industriellen Netzwerken unterrichtet und sich mit Bereichen wie Industrie 4.0, drahtloser Kommunikation sowie industrieller Kommunikation und Sicherheit beschäftigt.