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Nahtlos vernetzen bis ins Feld

08. Dezember 2020, 11:35 Uhr   |  Meinrad Happacher

Nahtlos vernetzen bis ins Feld
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Mit 10BASE-T1L Single Pair Ethernet wurde vor gut einem Jahr ein neuer Ethernet Physical Layer bei der IEEE als Standard verabschiedet. Dieser neue Standard wird die ­Prozessautomation tiefgreifend verändern.

10BASE-T1L Single Pair Ethernet ist ein neuer Ethernet-Physical-Layer-Standard (IEEE 802.3cg-2019), der innerhalb des IEEE am 7. November 2019 verabschiedet wurde. Er wird die Prozessautomatisierungs-Branche tiefgreifend verändern, indem er durch nahtlose Ethernet-Konnektivität bis zu Feldgeräten – Sensoren und Aktoren – für eine deutliche Anhebung der Betriebseffizienz in Fabriken sorgt.

Mit 10BASE-T1L werden die Probleme beseitigt, die in der Prozessautomatisierung bis dato der Verwendung von Ethernet bis zu den Feldgeräten im Weg standen. Zu diesen Problemen gehören der Stromverbrauch, die Bandbreite, die Verkabelung, die Entfernung, Dateninseln sowie eigensichere Zone-0-Anwendungen (für Gefahrenbereiche). Indem sie diese Herausforderungen nicht nur bei der Erweiterung bestehender Anlagen, sondern auch beim Bau neuer Anlagen beseitigt, wird die 10BASE-T1L-Technik neue, bislang nicht gebotene Einblicke ermöglichen, wie zum Beispiel das Zusammen-fassen von Prozessvariablen, sekundären Parametern und Rückmeldungen zum Anlagenzustand sowie die nahtlose Weiterleitung dieser Informationen an die Steuerungsebene und in die Cloud. 
Diese neuen Einblicke werden neue Möglichkeiten für die Datenanalyse, betriebliche Informationen und Produktivitätssteigerungen ergeben, indem ein durchgehendes Netzwerk vom Feld bis in die Cloud entsteht. 

Vorteile der Single-Twisted-Pair-Verkabelung im Vergleich zu komplexeren Verkabelungsarten sind die niedrigeren Kosten, der geringere Platzbedarf und die einfachere Installation.

Die Grundlage des 10BASE-T1L

Grundlage von 10BASE-T1L ist eine vollduplexfähige, DC-symmetrische Punkt-zu-Punkt-Kommunikationstechnik mit PAM-3-Modulation und einer Baudrate von 7,5 MBaud bei 4B3T-Codierung. Es werden zwei Amplituden-Betriebsarten unterstützt, nämlich 2,4 V Peak für bis zu 1000 m lange Kabel und 1,0 V Peak für reduzierte Übertragungsdistanzen. Der optionale Betrieb mit 1,0 V Peak bedeutet, dass diese neue Physical-Layer-Technologie auch im Bereich von EX-geschützten Systemen eingesetzt werden kann und die dort geltenden strikten Vorschriften für die maximale Energie erfüllt. Die zur Familie der SPE-Medien (Single Pair Ethernet) gehörende Technik ermöglicht große Übertragungsdistanzen mit Zweidraht-Technologie und überträgt Leistung und Daten auf ein und demselben STP-Kabel.

Mit 10BASE-T1L lässt sich bedeutend mehr Leistung an Feldgeräte übertragen, und zwar bis zu 500 mW in eigensicheren Zone-0-Anwendungen, während es bei 4-20-mA-Geräten nur etwa 36 mW sind. In nicht eigensicheren Anwendungen stehen abhängig vom verwendeten Kabel sogar bis zu 60 W zur Verfügung. Durch die Verfügbarkeit von deutlich mehr Leistung an den Außengrenzen des Netzwerks und den Wegfall der bei 4-20-mA-Stromschleifen und Feldbussen bestehenden Leistungsgrenzen ist der Weg frei für neue Feldgeräte mit erweiterter Feature-Ausstattung und neuer Funktionalität.

Zum Beispiel sind mit dieser zusätzlichen Leistung leistungsfähigere Messungen und eine aufwendigere Datenverarbeitung an der Edge möglich. Dies wiederum liefert wertvolle Erkenntnisse über Prozessgrößen, die nunmehr mit einem in den Feldgeräten laufenden Web-Server per Internet zugänglich gemacht werden können und letztendlich zu Verbesserungen und Optimierungen bei den Prozessabläufen und beim Asset-Management führen. 

10BASE-T1L macht komplexe, viel Strom verbrauchende Gateways entbehrlich und ermöglicht die Einrichtung eines durchgehenden, die IT- und OT-Netzwerke übergreifenden Ethernet-Netzwerks. Dieses konvergierte Netzwerk erlaubt eine vereinfachte Installation, einen einfachen Austausch von Geräten sowie eine schnellere Kommissionierung und Konfiguration des Netzwerks, was im Endeffekt zu schnelleren Software-Updates, verbunden mit einer vereinfachten Ursachenanalyse und Instandhaltung der Feldgeräte führt. 

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1. Nahtlos vernetzen bis ins Feld
2. Vorteile einer Ethernet-basierten Lösung
3. Die Netzwerk-Einrichtung
4. Ethernet-APL mit 10BASE-T1L

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