Single Pair Ethernet: Interessenvertreter der industriellen Automatisierung äußern sich
Da Single Pair Ethernet (SPE) den Einsatz der Ethernet-Technologie über Automobilanwendungen hinaus auf Sensoren und Aktoren in der industriellen Automatisierung ausweitet, wird SPE für verschiedene Benutzergruppen sichtbarer und zugänglicher.
In einem kürzlich veröffentlichten Blog haben wir uns mit den fünf technischen SPE-Merkmalen befasst, anhand derer Führungskräfte in industriellen Umgebungen die Relevanz der Technologie für ihre spezifischen Anwendungen ermitteln können. Zu diesen Funktionen gehören:
- Nahtlose Kommunikation
- Hohe Bandbreite
- Lange Übertragungsdistanzen
- Funktionen für die Fernspeisung
- Flexibilität bei der Installation
Die Entscheidung, ob SPE eingesetzt werden soll, ist jedoch selten so einfach. Die Entscheidung für Single Pair Ethernet wird häufig von verschiedenen Interessengruppen getroffen, die unterschiedliche Prioritäten und Meinungen darüber haben, welche SPE-Funktionen und -Vorteile am kritischsten oder relevantesten sind.
Im Folgenden stellen wir die Interessengruppen vor, die typischerweise am SPE-Entscheidungsprozess beteiligt sind, sowie ihre spezifischen Interessen und Möglichkeiten in Bezug auf die SPE-Technologie.
Bau- und Installationsprofis
Die Wahl der Kommunikationstechnologie hat einen großen Einfluss auf die Entscheidung, mit SPE fortzufahren. Gewicht, Kabelführung, Installation der Daten- und Stromverkabelung, Wartung und Brandschutz müssen berücksichtigt werden.
In einigen Anwendungen bietet SPE Vorteile gegenüber den heutigen physikalischen Übertragungsstandards:
- SPE-Kabel können im Vergleich zu anderen Arten von kupferbasierten Kabeln das Gewicht reduzieren.
- Mit einem kleinen Außendurchmesser und Biegeradius kann SPE die Kabelführung vereinfachen.
- In rauen Industrieumgebungen bietet kupferbasierte Übertragung, wie z. B. SPE, Langlebigkeitsvorteile gegenüber glasfaserbasierten Systemen.
- Dank der Remote-Speisungsfunktionen von SPE kann ein einziges Datenkabel zur Datenübertragung und Stromversorgung verwendet werden. Dies kann ähnlich wie bei Power over Ethernet (PoE) über das Datenpaar oder durch den Einsatz von Hybridkabeln erreicht werden.
Der Bau eines Zuges ist eine Anwendung, bei der SPE von Vorteil sein kann: Dies ist eine gewichts- und platzempfindliche Umgebung, in der Kabel rauen Bedingungen ausgesetzt sind. Hier bietet der Einsatz von SPE-Kabeln zur Vernetzung von Steuerungs-, Überwachungs- und Fahrgastinformationssystemen innerhalb des Zuges erhebliche Vorteile.
Kleinere, leichtere Kabel optimieren die Kabelführung, nehmen weniger Platz im Zug ein und erhöhen die Flexibilität für eine problemlose Installation. Dadurch wird das Gesamtgewicht des Zuges deutlich reduziert, was die Energieeffizienz und Leistung verbessert (eine geringere Masse erleichtert das Beschleunigen und Abbremsen).
Die Kabel brechen nicht so leicht in engen Installationen oder bei Vibrationen. Gleichzeitig nutzen die Remote-Current-Funktionen von SPE Datenübertragungskabel, um eine effiziente Stromversorgung von Sensoren, Kameras und Displays zu ermöglichen.
Das Ergebnis: eine bessere betriebliche Effizienz, Sicherheit und Fahrgasterfahrungen.
Netzwerkadministratoren
Sobald ein System installiert ist, muss ein Netzwerkadministrator die Adressen und Berechtigungen der Kommunikationsteilnehmer im Netzwerk verteilen.
Die Merkmale von SPE, nämlich die nahtlose Kommunikation und die Fernspeisung, spielen eine zentrale Rolle bei der Vereinfachung der Netzwerkinstallation und -wartung und unterstützen gleichzeitig gängige Sicherheitsmechanismen. Nahtlose Kommunikation vereinfacht die Integration und Verwaltung von Netzwerkkomponenten durch die Bereitstellung einer einheitlichen, IP-basierten Kommunikationsplattform für die Sensor/Aktor-Ebene.
Dies reduziert die Komplexität der Netzwerkinbetriebnahme und unterstützt die effiziente Anwendung von Sicherheitsmechanismen, wie z. B. IEEE 802.1X, und ermöglicht eine Ende-zu-Ende-Authentifizierung und Verschlüsselung über alle Netzwerkebenen hinweg. Die Fernspeisung von SPE trägt auch dazu bei, die Installation und Wartung von Geräten zu rationalisieren, da keine separaten Stromkabel erforderlich sind, was besonders nützlich ist, wenn Netzwerkkomponenten in schwer zugänglichen oder abgelegenen Bereichen eingerichtet werden.
Ein Beispiel hierfür ist die Schaffung eines sicheren Netzwerks in einem großen Lager, in dem SPE zur Integration einer Vielzahl von Überwachungskameras und Zutrittskontrollsystemen verwendet wird.
Durch die Verwendung von SPE können diese Geräte problemlos über ein einziges Kabel an Daten und Strom angeschlossen werden, was die Installationskosten und die Komplexität erheblich reduziert und gleichzeitig die Einhaltung der Sicherheitsstandards durch IEEE 802.1X erleichtert, um einen sicheren und zuverlässigen Netzwerkbetrieb zu gewährleisten. Bei netzwerkfähigen Geräten erfordert dies jedoch im Vergleich zu Feldbussen einen höheren Aufwand bei der Implementierung der erforderlichen Funktionen und möglicherweise mehr Hardware-Ressourcen, wie z. B. Rechenleistung oder Speicher.
Anwendungsprogrammierer
Die nahtlose Kommunikation und die Bandbreitenfunktionen von SPE sind besonders wichtig für Anwendungsingenieure, die an der Programmierung von Systemen und der Durchführung von Werksabnahmetests (FATs) beteiligt sind. SPE unterstützt eine effiziente, durchgängige IP-basierte Kommunikation, die eine direkte und unkomplizierte Vernetzung von Sensoren, Aktoren und Steuergeräten ermöglicht.
Dies vereinfacht die Programmierung und Integration von Systemkomponenten, da es weniger Einschränkungen in Bezug auf Kompatibilität und Verbindungstechnik gibt. So kann beispielsweise ein Applikationsingenieur flexibel zwischen verschiedenen Sensorherstellern wechseln, ohne dass die Anbindung ein zentrales Auswahlkriterium ist. Gleichzeitig bietet der Wechsel von der Feldbus- zur Ethernet-Technologie den Endgeräten mehr Bandbreite, so dass zusätzliche Diagnosedaten abgerufen werden können.
Im Gegensatz zu Vier- und Achtdraht-Ethernet-Verbindungen ermöglicht SPE den Einsatz von kompakten Steckverbindern und leichteren Kabeln. Im Vergleich zu Feldbussen erfordert SPE jedoch die Implementierung eines kompletten IEEE-Netzwerkstacks, was zusätzliche Entwicklungskosten verursacht. Die Standardentwicklungsorganisation ODVA hat diese Herausforderung angenommen und mit einem reduzierten Funktionsumfang von EtherNet/IP für Geräte mit starken Hardware-Einschränkungen („eingeschränkte Geräte“) reagiert. Dazu gehören CIP Security mit vorab geteilten Schlüsseln und die Steuerung des Datenaustauschs ausschließlich über UDP.
Anwendungsbetreiber
Für Anwendungsbetreiber, die mit der Steuerung, Wartung und Instandhaltung von Systemen beauftragt sind, spielen die Fernspeisung und die nahtlosen Kommunikationsfunktionen von SPE eine zentrale Rolle.
Die Fernspeisung ermöglicht es, Endgeräte wie Sensoren und Aktoren über Ethernet-Kabel mit Strom zu versorgen, was die Installation und Wartung insbesondere in schwer zugänglichen oder weitläufigen Bereichen vereinfacht.
Dies wird noch wichtiger im Zusammenhang mit der Fernüberwachung und -steuerung von Anlagen mit SCADA-Systemen, die eine zuverlässige und parallele Kommunikation für die Prozesssteuerung und -überwachung erfordern. Die nahtlose Kommunikation von SPE ist hier entscheidend, um eine einheitliche IP-basierte Vernetzung bis auf die Sensor-/Aktor-Ebene zu gewährleisten.
Diese End-to-End-Verbindungstechnik erleichtert nicht nur die Integration verschiedener Systemkomponenten, sondern unterstützt auch die parallele Übertragung von Steuerbefehlen und die Echtzeit-Datenerfassung für SCADA-Systeme.
Ein konkretes Beispiel hierfür ist die Fernsteuerung und -überwachung einer dezentralen Energieerzeugungsanlage. Durch den Einsatz von SPE können Anwendungsbetreiber die Leistung von Solarmodulen und Windkraftanlagen in Echtzeit überwachen und gleichzeitig Steuerbefehle an Wechselrichter und Lastmanagementsysteme senden, um eine optimale Energieausbeute zu gewährleisten.
Die Kombination aus Fernspeisung und nahtloser Kommunikation ermöglicht ein effizientes, zuverlässiges und kostengünstiges Betriebsmanagement, das für ein modernes Infrastrukturmanagement unerlässlich ist. Bisher wurde die Fernüberwachung und -steuerung nicht direkt mit Sensordaten realisiert, sondern die Steuerungen in den Prozessen haben aggregierte Daten an SCADA-Systeme geliefert. Dies reduziert den Bedarf an den Sensoren in Feldbusanwendungen, erfordert jedoch eine regelmäßige Anpassung der Steuerungsprogramme, um aktuelle Daten zu extrahieren.
Datenwissenschaftler
Für Datenwissenschaftler, die sich mit der anlagenweiten Datenanalyse, der vorausschauenden Wartung und der Optimierung der Steuerung befassen, sind die Bandbreite und die nahtlosen Kommunikationsfunktionen von SPE besonders wichtig. Die hohe Bandbreite von SPE ermöglicht die schnelle Übertragung großer Datenmengen, die für Analysen und maschinelles Lernen benötigt werden. Dies ist entscheidend, um Einblicke in Echtzeit zu gewinnen und genaue Vorhersagemodelle zu entwickeln. Die nahtlose Kommunikation erleichtert auch die Integration von Daten aus unterschiedlichen Quellen über eine einheitliche Schnittstelle, wodurch die Komplexität der Datenerfassung reduziert und eine umfassendere Datenanalyse ermöglicht wird.
Ein praktisches Beispiel hierfür ist die Optimierung von Produktionsprozessen in einer Fertigungsanlage. Ein Datenwissenschaftler kann mit Hilfe von SPE in hoher Frequenz Daten von Sensoren an Maschinen sammeln und diese Informationen zur Entwicklung von Algorithmen für die vorausschauende Wartung verwenden. Durch die Analyse dieser Daten können potenzielle Ausfälle erkannt und Wartungsarbeiten proaktiv geplant werden, bevor es zu ungeplanten Ausfallzeiten kommt.
Die Kombination aus hoher Bandbreite und nahtloser Kommunikation ermöglicht eine effiziente Datenerfassung und -analyse, was zu einer deutlichen Steigerung der Anlagenverfügbarkeit und Optimierung der Betriebsabläufe führt. In aktuellen Feldbusumgebungen werden Sensorverbindungen durch Steuerungen isoliert, die als Gateways fungieren. Infolgedessen können Datenwissenschaftler die Sensordaten nicht in der erforderlichen Auflösung abrufen. Diese Einschränkung schränkt ihre Rolle in heutigen Feldbusumgebungen ein.
Beldens Fokus auf SPE
Da branchenspezifische SPE-Varianten weiterhin durch IEEE 802.3 standardisiert werden und Interessengruppen die Technologie für ihre industriellen Automatisierungsanwendungen in Betracht ziehen, wird Belden eine führende Rolle bei der Einführung von Single Pair Ethernet in industrielle Automatisierungsanwendungen übernehmen, damit Anlagen von den Vorteilen profitieren können.
Unser Single Pair Ethernet-Portfolio an Verkabelungs- und Verbindungsprodukten wurde entwickelt, um die Ethernet-Verbindungsmöglichkeiten in rauen Umgebungen, einschließlich Industrie- und Transportbetrieben, zu optimieren.
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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. Er ist außerdem Fakultätsmitglied und Forscher an der Hochschule Esslingen, wo er Studenten über IT- und Netzwerksicherheit und industrielle Netzwerke unterrichtet und Bereiche wie Industrie 4.0, Wireless- und industrielle Kommunikation sowie Sicherheit studiert.