SPE mit Normen und Standards verbinden: Wo offene Systeme beginnen
Die Vorteile von Single-Pair Ethernet (SPE) sind an sich schon wertvoll, aber die Technologie ist besonders nützlich, wenn sie in Verbindung mit Normen und Standards verwendet wird, die über die physischen Verbindungen hinausgehen. Diese Kombination ermöglicht offene, interoperable Systeme.
Ein Technologie-Stack mit SPE hat ein großes Potenzial, insbesondere wenn er von vielen Akteuren der industriellen Automatisierung akzeptiert wird:
- Bau- und Installationsprofis
- Netzwerkadministratoren
- Anwendungsprogrammierer und -betreiber
- Datenwissenschaftler
(Dies ist in der Regel der Fall, wenn Technologien durch Konsortien, Nutzergruppen oder Verbände oder international durch IEC standardisiert werden.)
Sehen wir uns einige der Normen und Standards näher an, die neben SPE in Betracht gezogen werden, einschließlich der Interessengruppen, die von diesen Technologie-Stacks profitieren werden.
Single Pair Ethernet + IEC/IEEE 60802, IEEE 802.1DG und IEEE 802.1DP
Der Übergang von Feldbussystemen zur Ethernet-Technologie bietet erhebliche Vorteile, insbesondere für Netzwerkadministratoren, die für die Sicherheit, Verfügbarkeit und Übertragungsleistung des Netzwerks verantwortlich sind. Der gewählte physikalische Übertragungsstandard (d. h. Single-Pair-Ethernet, Multi-Pair-Ethernet oder faseroptisches Ethernet) spielt dabei eine untergeordnete Rolle. Für alle gelten dieselben IEEE 802.1-Standards.
Die Arbeit eines Netzwerkadministrators wird durch die Ethernet-Implementierung und die Einhaltung von IEC/IEEE 60802 erheblich erleichtert. Dieser Standard integriert spezifische Mechanismen zur Qualitätssicherung (QoS) und Sicherheit, die für den Betrieb moderner industrieller Netzwerke unerlässlich sind.
In einer automatisierten Fertigung, die auf herkömmlichen Feldbussystemen basiert, steht der Netzwerkadministrator häufig vor Herausforderungen hinsichtlich der Datenübertragungsraten und der Integration neuer Geräte. Durch den Wechsel zu SPE profitieren Administratoren von den Vorteilen, die erweiterte Funktionen innerhalb des IEC/IEEE 60802-Profils bieten, einschließlich verbesserter Sicherheitsprotokolle für die Authentifizierung (z. B. IEEE 802.1X) und der Möglichkeit, den Datenverkehr über QoS zu priorisieren. Dadurch wird sichergestellt, dass kritische Steuerungsinformationen Vorrang vor weniger dringendem Datenverkehr haben, was die Effizienz und Zuverlässigkeit der Installation erhöht.
Die größere Bandbreite und Reichweite von SPE im Vergleich zu herkömmlichen Feldbussen ermöglicht es Administratoren auch, ein größeres Netzwerk mit einer größeren Anzahl von Geräten effizient zu verwalten, was die Skalierbarkeit und Flexibilität des Systems erhöht.
Für alle netzwerkfähigen Geräte erfordert die Konformität mit einem Profil die Implementierung zusätzlicher Mechanismen und Funktionen, die nicht für Feldbusumgebungen definiert sind. Dies kann, insbesondere für Geräte mit starken Ressourcenbeschränkungen, eine Herausforderung darstellen. Konformitätstests sind jedoch noch nicht verfügbar, was die Produktentwicklung erschwert und eine Zertifizierung unmöglich macht.
Single Pair Ethernet + OPC UA und UAFX
Die Kombination von SPE und UAFX bietet erhebliche Vorteile für prozessorientierte Tätigkeiten. OPC UA und UAFX standardisieren die horizontale und vertikale Kommunikation und definieren eine einheitliche Datensemantik. Dies ist von maßgeblicher Bedeutung für:
- Anwendungstechniker bei der Erstkonfiguration
- Betreiber bei der Prozessüberwachung
- Datenwissenschaftler für die Datenanalyse
In der Prozessindustrie beispielsweise ist eine genaue und zeitnahe Datenanalyse unerlässlich, um die Produktion zu optimieren und Anomalien frühzeitig zu erkennen. Die Umstellung auf SPE ermöglicht die schnelle und zuverlässige Übertragung großer Datenmengen direkt von den Produktionslinien zu Analyse- und Prognosesystemen.
Die Integration von OPC UA und UAFX gewährleistet eine standardisierte und interoperable Erfassung und Übertragung von Daten, so dass Datenwissenschaftler auf eine konsistente und umfassende Datenbasis zugreifen können. Dies verbessert nicht nur die Qualität und Aussagekraft der Datenanalyse, sondern erleichtert auch die Umsetzung von Strategien zur vorausschauenden Wartung, indem Maschinendaten nahezu in Echtzeit analysiert werden, um Ausfälle vorherzusagen und die vorausschauende Wartung einzuleiten.
Die hohe Bandbreite und geringe Latenz von SPE in Kombination mit der Datenkonsistenz und -sicherheit, die durch OPC UA und UAFX gewährleistet werden, helfen Datenwissenschaftlern, effektiver zur Verbesserung der Effizienz und Verfügbarkeit von Anlagen beizutragen.
Bisher beinhaltet die aktuelle Version von UAFX nur die Controller-to-Controller-Kommunikation. Dadurch werden Steuerungen unabhängig vom Hersteller miteinander verbunden. Da es sich bei der Integration von Sensoren und Aktoren in Steuerungsprozesse über UAFX um ein aktuelles Standardisierungsprojekt handelt, ist eine Umsetzung über den Prototypenstatus hinaus noch nicht möglich.
Single Pair Ethernet + NAMUR und OPAF
NAMUR und das Open Process Automation Forum (OPAF) haben sich zum Ziel gesetzt, offene, sichere und interoperable Systeme in der Prozessindustrie durch die Standards NAMUR Open Architecture (NOA) und O-PAS™ zu fördern, um eine flexible und effiziente Produktionsumgebung zu schaffen.
Die in der Prozessindustrie als APL (Advanced Physical Layer) bekannte Kombination von SPE und OPC UA FX bietet eine robuste, standardisierte Kommunikationsinfrastruktur für die Automatisierungstechnik. Sie ermöglicht die nahtlose Integration von Geräten und Systemen, verbessert die Datentransparenz und unterstützt erweiterte Analyse- und Steuerungsfunktionen.
Darüber hinaus erwartet die NAMUR von Bandbreitenerhöhungen, dass neben dem eigentlichen Messwert auch weitere Prozess- und Gerätezustandsdaten („Vitalitätsdaten“) zugänglich sein werden. Diese Daten werden der IT in der Cloud mit Hilfe von PA-DIM (Process Automation Data Information Model) standardisiert zur Verfügung gestellt.
Durch künstliche Intelligenz können Prozesse optimiert und die Systemverfügbarkeit durch vorausschauende Wartung erhöht werden. Es ist wahrscheinlich, dass ein Sensor selbstständig Abweichungen in seinem Vitalzustand meldet.
Standardisierte Informationsmodelle ermöglichen eine herstellerunabhängige und automatisierte Selbstparametrierung und Konfiguration von Sensoren, die automatisch Identifikationsdaten liefern. Um den steigenden Herausforderungen an die Datensicherheit gerecht zu werden, ist in Zukunft eine sichere Datenidentität der Geräte erforderlich. Darüber hinaus werden zusätzliche Mechanismen zur Authentifizierung und sicheren Datenübertragung eingesetzt, um den zukünftigen Anforderungen an die Datensicherheit gerecht zu werden.
Single Pair Ethernet + Belden
Da die Branche der Industriellen Automatisierung Single-Pair-Ethernet immer mehr in den Betrieb integriert, wird Belden Anlagen bei der Entwicklung von Technologie-Stacks mit SPE als Enabler unterstützen.
Unser SPE-Portfolio an Verkabelungs- und Verbindungsprodukten eröffnet in Bezug auf die Herstellung von Ethernet-Verbindungen in industriellen Umgebungen eine Welt voller Möglichkeiten.
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Über den Autor
Michael Hilgner ist besonders an der Gestaltung der Technologiestrategie von Unternehmen interessiert. 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 bei Hirschmann Automation and Control von Belden im Bereich Industrial Ethernet tätig. Seit 2012 Jahren ist sie als leitende Systemarchitektin in der Abteilung Advanced Development 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. 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.