Von Grund auf: Industrielle Sensoren und Single Pair Ethernet
Single Pair Ethernet (SPE) ist auf dem besten Weg, die Basis für die vollautomatisierte intelligente Fabrik zu werden.
In einer Reihe von Blogs haben wir viel über Single Pair Ethernet und SPE-Netzwerke berichtet:
- Die Kernfunktionen von SPE identifiziert Technologie
- Erläuterung, wie sich die Akzeptanz in verschiedenen Marktsegmenten unterscheiden wird
- Beschrieben die Vorteile, die es den verschiedenen Interessengruppen bietet In der industriellen Automatisierung
Jetzt ist es an der Zeit zu untersuchen, wie SPE Ethernet-Netzwerke auf Sensor-/Aktorebene ergänzen kann und welche Hindernisse überwunden werden müssen, damit Hersteller von aktiven Komponenten (Switches und Router) und Endgeräten (Sensoren und Aktoren) ihr SPE-Portfolio erweitern können.
Berechnung der Gesamtbetriebskosten für SPE
Während des Lebenszyklus eines Netzwerks sind vier Phasen zu berücksichtigen:
- Erwerb
- Inbetriebnahme (hier könnte zwischen Hardware-Installation und Software-Installation unterschieden werden)
- Betrieb
- Wartung
Beim Vergleich der Implementierungskosten für ein SPE-Netzwerk mit einem herkömmlichen Netzwerk auf Basis eines Feldbusses oder serieller Schnittstellen sind die Anschaffungskosten häufig die einzigen Ausgaben, die berücksichtigt werden. Kosten und Nutzen späterer Lebenszyklusphasen wie Inbetriebnahme, Betrieb und Wartung werden dabei nur selten berücksichtigt. Bei der Berechnung der Gerätekosten werden häufig die Preise für Ethernet-Transceiver und Zusatzschaltungen mit den Preisen für einfache RS-485- oder RS-232-Schnittstellen verglichen.
Um jedoch die tatsächlichen Gesamtkosten für den Betrieb eines SPE-Netzes zu ermitteln, ist eine detailliertere Betrachtung der vier Installationsphasen erforderlich.
Wahrscheinlichkeit der Einführung von SPE auf Sensor/Aktor-Ebene
Die Durchführung von Kosten-Nutzen-Analysen über den gesamten Lebenszyklus des Netzes ermöglicht eine Klassifizierung der Sensoren hinsichtlich der Wahrscheinlichkeit des Einsatzes von SPE.
Analoge Sensoren
Analoge Sensoren, die Ströme (z. B. 4–20 mA) oder Spannungen (z. B. 0–10 V) proportional zu Messgrößen (Drücke oder Temperaturen) liefern, die in analoge I/O-Module umgewandelt und in Ethernet-Frames verpackt werden, sind aufgrund des geringen Kosten-Nutzen-Verhältnisses dieses Szenarios selten, wenn überhaupt, mit SPE ausgestattet.
Einfache digitale Sensoren
Einfache digitale Sensoren, bei denen die Umwandlung der Messgrößen in ein digitales Signal im Sensor erfolgt und die über digitale I/O-Module mit einem Ethernet-Netzwerk verbunden sind, werden SPE in geringem Umfang integrieren. Damit können die Sensoren die Vorteile der einheitlichen Implementierung von Ethernet nutzen. Die Verlagerung des Ethernet-Transceivers vom I/O-Modul in die Sensoren ist besonders bei Anwendungen mit einer geringen Anzahl von Sensoren oder großen Abständen zwischen den Sensoren sinnvoll.
Intelligente digitale Sensoren
Intelligente digitale Sensoren, die über Feldbusse oder serielle Schnittstellen angeschlossen sind, profitieren von der höheren Bandbreite, die SPE bietet. Sie profitieren auch von den Sicherheitsfunktionen, die für Ethernet verfügbar sind. Insofern ist bei intelligenten digitalen Sensoren eine hohe Akzeptanz von SPE zu erwarten.
Intelligente Sensoren
Intelligente Sensoren mit hohem Bandbreitenbedarf werden bereits heute über Ethernet-Systeme angebunden. Ziehen Sie Kameras in Betracht, die eine native Bandbreite zwischen 1,6 Mbit/s und 4,3 Mbit/s (je nach Videoqualität) mit einem Standardcodec (H.264) bei einer Auflösung von 2 MP und einer Bildrate von 20 f/s benötigen. Dieser Bandbreitenbedarf steigt, wenn zusätzliche wichtige Daten übertragen werden, die Mehrwertdienste wie beispielsweise Wartung ermöglichen.
Dieser Bandbreitenbedarf steigt mit der zusätzlichen Übertragung wichtiger Daten, die Mehrwertdienste ermöglichen. Die Einführung von SPE ist in dieser Sensorkategorie nicht nur aufgrund dieser Anforderung am wahrscheinlichsten, sondern auch (und insbesondere) aufgrund der großen Reichweiten von 10BASE-T1L und 100BASE-T1L (das Ziel von IEEE 802.3dg sind 100 Mb/s über 500 m) und der Fernstromversorgung über PoDL/SPoE.
Hindernisse für die Einführung von SPE aus Sicht der Gerätehersteller
Um den unterschiedlichen Anforderungen der verschiedenen Zielmärkte für SPE gerecht zu werden, haben Gerätehersteller Standards mit unterschiedlichen Bandbreiten, Kabellängen und Topologien für die physikalische Übertragungsschicht definiert.
Für die höheren Schichten werden zahlreiche Industrieprotokolle verwendet, zusammen mit verschiedenen Konnektoren, die verschiedene Industrieumgebungen ergänzen. Und ihre Anforderungen für Dinge wie:
- Abdichtung gegen Staub und Feuchtigkeit
- Beständigkeit gegen chemische Substanzen
- Robustheit gegenüber mechanischen Belastungen und elektromagnetischen Störungen (EMI)
Aufgrund der Vielzahl möglicher Kombinationen von Anforderungen werden Hersteller von aktiven Infrastrukturkomponenten und Endgeräten dieser Komplexität wahrscheinlich mit Lösungen begegnen, die nur für bestimmte Anwendungen sinnvoll sind und ein wirtschaftlich tragfähiges Kosten-Nutzen-Verhältnis bieten.
Obwohl dies die allgemeine Einführung von SPE-Netzwerken und -Technologien verlangsamen könnte, sind eine frühzeitige Standardisierung und die Festlegung gemeinsamer Industriestandards mögliche Wege, um dieses Problem zu überwinden.
Die Hersteller müssen sich auch damit auseinandersetzen, dass elektronische Komponenten bereits für den Einsatz in Fahrzeugen entwickelt wurden. Ihre Umsetzung erfordert weitere Anstrengungen. Ein prominentes Beispiel hierfür sind geeignete Switch- und Multiport-Transceiver-Chips (PHY) für SPE, die von Halbleiterherstellern angeboten werden.
Beispielsweise ist es derzeit notwendig, Switch- und Single-Port-PHY-Chips über RGMII, RMII oder MII zu verbinden, bei denen es sich um medienunabhängige Schnittstellen handelt. Diese Schnittstellen sowie die Verwendung von Single-Port-PHY-Chips führen aufgrund der hohen Signalanzahl zu einer höheren Komplexität der Signalführung auf der Leiterplatte und zu einem höheren Platzbedarf.
Während moderne Schnittstellen wie SGMII vier Signale pro Port benötigen, sind bei einer MII-Schnittstelle 16 Signale und für eine RMII-Schnittstelle 8 Signale erforderlich. Darüber hinaus sind MDIO- und MDC-Verwaltungsschnittstellen für jeden Single-Port-PHY-Chip erforderlich.
SPE-Multiport-PHY-Chips mit geeigneten medienunabhängigen Schnittstellen, wie z. B. SGMII oder QSGMII, sind derzeit nicht verfügbar. Speziell für 10BASE-T1L, sind diese für den Gigabit-Betrieb ausgelegten Schnittstellen kein Schwerpunktbereich für Halbleiterhersteller.
Die Entwicklung von Switch-ASICS wird jedoch durch den rasant steigenden Bandbreitenbedarf vorangetrieben, so dass entsprechende MAC-PHY-Schnittstellen mit Multi-Gigabit-Bandbreiten optimiert werden.
Die Inkompatibilität der Schnittstellen muss durch zusätzliche Chips zur Protokollkonvertierung überwunden werden, was die Entwicklung geeigneter Feld-Switches verteuert.
SPE wird sich bewähren
SPE bietet den verschiedenen Fachleuten, die an den vier Phasen des Lebenszyklus einer Netzwerkinstallation beteiligt sind, Innovationspotenzial. Dies spiegelt sich auch deutlich in den verschiedenen Standardisierungsaktivitäten des IEEE und der Nutzerorganisationen wider.
Trotz der langen Standardisierungsgeschichte des IEEE ist SPE noch eine relativ junge Technologie, die sich vor allem in komplexeren und intelligenteren Sensoren bewähren wird, bevor sie einfachere Sensoren erreicht. Mit zunehmender Verfügbarkeit von Komponenten und Hardware wird sich SPE weiter in Richtung kostengünstigerer Sensorsegmente durchsetzen und für eine Harmonisierung der Netzwerkkomponenten sorgen.
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Über den Autor
Michael Hilgners Leidenschaft gilt der Gestaltung der Technologiestrategie eines Unternehmens. Er unterstützt Belden dabei, den Bedarf an neuen Technologien aus Produkt-Roadmaps abzuleiten und neue Technologien in die Produktentwicklung zu integrieren. Als Experte für OT- und IIoT-Systemlösungen trägt er dazu bei, die Digitalisierung von Produkten und Prozessen voranzutreiben. Darüber hinaus initiiert und pflegt er Partnerschaften mit Universitäten und Forschungsinstituten, um neue Technologien zu erforschen und deren Reifegrad zu verbessern.
Über den Autor
Cornelia Eitel ist seit mehr als zwei Jahrzehnten für Beldens Hirschmann Automation and Control im Bereich Industrial Ethernet tätig. Seit 2012 ist sie als Senior Systems Architect in der Advanced Development-Abteilung von Belden tätig, hauptsächlich im Hardware-Bereich. Außerdem unterstützt sie die Standardisierung von IEEE 802.3 Single Pair Ethernet.
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.