Der erste Teil dieser Serie zu Single-Pair Ethernet (Ausgabe 04/2024, ab S. 54) führt fünf technische Merkmale ein, anhand derer sich die Relevanz von SPE für eine Anwendung bewerten lässt. Unter diesen Merkmalen finden sich mit nahtloser Kommunikation und Bandbreite die allgemeinen Vorteile der Ethernet-Technologie, mit Reichweite ein Merkmal von Ethernet über Glasfaser und Single-Pair Ethernet und mit Remote Power eine Eigenschaft von kupferbasiertem Ethernet. Das fünfte Merkmal bezieht sich auf die SPE-spezifische Kombination von physikalischen Eigenschaften wie Größe, Gewicht und Robustheit, die kleine Baugrößen von Geräten und flexible Kabel für den Einsatz in industriellen Umgebungen ermöglichen. Dieses spezielle Merkmal macht den Einsatz von Ethernet und somit eine nahtlose Kommunikation bis in die Sensor-Aktor-Ebene möglich. Abhängig von Kabellänge, Bandbreite und, falls Remote Power angewendet wird, von Stromaufnahme eines Sensors oder Aktors können teilweise vorhandene Zweidraht-Verkabelungen, über die bisher analoge oder digitale Signale übertragen wurden, wiederverwendet werden.

Die Bewertung der fünf technischen Merkmale ist objektiv für den jeweiligen Anwendungsfall und die vorliegende Umgebung durchzuführen. Die finale Entscheidung für oder gegen die Technologie SPE und deren spezifische Ausprägung treffen vorrangig Personas, die durch den Wandel der Kommunikationstechnologie ihre Aufgaben anders verrichten können. Die verschiedenen Personas beeinflussen die Gewichtung der vorgestellten Merkmale und tragen so zum Wandel der Technologie bei.

Dieser Teil der Serie beleuchtet fünf verschiede Personas und deren Interessen und Chancen durch die SPE-Technologie. Final müssen für die Wahl der Kommunikationstechnologie auch ökonomische Gesichtspunkte betrachtet werden.
 

Konstruktion und Installation

Bild 1. Die Ethernet Switch Octopus Installation und Verkabelung im Regionalzug.

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In der initialen Phase einer Anlage hat die Auswahl der Kommunikationstechnologie einen großen Einfluss auf die Konstruktion und Zulassung der Anlage. Hier sind die Merkmale Gewicht, Kabelführung und die Installation der Daten- und Stromversorgungsleitungen sowie das Brandschutzverhalten zu beachten. Hinzu kommt, dass es spätere Wartungen mitzubetrachten gilt. Dabei bietet SPE in einigen Applikationen Vorteile gegenüber den heutigen physikalischen Übertragungsstandards.

Sowohl gegenüber der 4-, als auch gegenüber der 8-adrigen, kupferbasierten Verkabelung kann mit SPE-Kabeln Gewicht eingespart und durch kleinere Außendurchmesser und Biegeradien die Kabelführung vereinfacht werden. Über den Biegeradius hinaus bietet eine kupferbasierte Übertragung unter schmutzigen Umgebungsbedingungen und bei Vibrationen Vorteile gegenüber Glasfaser-basierten Lösungen. Durch die Leistungsfernspeisungsfähigkeit von SPE können Geräte direkt über das Datenkabel mit Energie versorgt werden. Dies kann entweder analog zu Power over Ethernet (PoE) über das Datenpaar oder über hybride Leitungen für höhere Leistungen bis zu einigen kW erfolgen.

Ein anschauliches Beispiel für die Anwendung von SPE in einem kritischen und gewichtssensitiven Umfeld ist die Konstruktion eines Zuges. Hier kann der Einsatz von SPE-Kabeln für die Vernetzung der verschiedenen Steuerungs-, Überwachungs- und Passagierinformationssysteme innerhalb des Zuges signifikante Vorteile bieten. Die reduzierten Kabelquerschnitte und das geringere Gewicht der SPE-Kabel erleichtern die Auslegung der Kabeltrassen, indem sie weniger Platz beanspruchen und die Flexibilität erhöhen.

Gleichzeitig ermöglicht die Leistungsfernspeisung eine effiziente Energieversorgung von Sensoren, Kameras und Displays über dieselben Kabel, die auch für die Datenübertragung genutzt werden. Dies führt zu einer signifikanten Reduzierung des Gesamtgewichts des Zuges, was wiederum die Energieeffizienz und Leistung verbessert, da eine geringere Masse leichter zu beschleunigen und abzubremsen ist. In Zugapplikationen führen Vibrationen zu einer erhöhten Beanspruchung aller Bauteile, hier bietet SPE durch leichtere und flexiblere Kabel einen weiteren Vorteil. Insgesamt ermöglicht SPE eine optimierte Kabelinfrastruktur im Zug, die zur Verbesserung der Betriebseffizienz, Sicherheit und Fahrgasterfahrung beiträgt.

Die Netzwerkadministration

Sobald die Anlage installiert ist, muss ein Netzwerkadministrator die Adressen und Berechtigungen der Kommunikationsteilnehmer im Netzwerk verteilen. Hierbei spielen die Merkmale nahtlose Kommunikation und Leistungsfernspeisung eine zentrale Rolle. Diese Merkmale von SPE tragen entscheidend zur Vereinfachung der Netzwerkinstallation und -wartung bei und unterstützen gleichzeitig gängige Sicherheitsmechanismen. Eine einheitliche IP-basierte Kommunikationsplattform ermöglicht eine nahtlose Kommunikation und somit eine vereinfachte Integration und Verwaltung von Netzwerkkomponenten bis hinunter zur Sensor-/Aktor-Ebene. Dadurch ist beispielsweise eine durchgehende Authentifizierung und Verschlüsselung über alle Netzwerkebenen hinweg möglich, welche die Komplexität bei der Netzwerkinbetriebnahme reduziert und eine effiziente Anwendung von Sicherheitsmechanismen wie 802.1X unterstützt. Die Leistungsfernspeisung von SPE trägt zusätzlich dazu bei, die Installation und Wartung von Geräten zu vereinfachen, da sie die Notwendigkeit separater Stromversorgungskabel eliminiert, was besonders bei der Einrichtung von Netzwerkkomponenten in schwer zugänglichen oder entfernten Bereichen nützlich ist.

Ein Beispiel hierfür ist die Einrichtung eines sicheren Netzwerks in einem großen Lagerhaus, bei dem SPE zum Einsatz kommt, um eine Vielzahl von Überwachungskameras und Zugangskontrollsystemen zu integrieren. Durch die Verwendung von SPE lassen sich diese Geräte mit Daten- und Stromversorgung über ein einziges Kabel verbinden, was die Installationskosten und -komplexität erheblich reduziert, während gleichzeitig die Einhaltung von Sicherheitsstandards durch den Einsatz von 802.1X erleichtert wird. Für alle netzwerkfähigen Geräte bedeutet das im Vergleich zu Feldbussen allerdings zusätzliche Aufwände bei der Implementierung der benötigten Funktionen und erfordert potenziell mehr Hardwareressourcen, wie Rechenleistung oder Speicher.

Die Programmierung der Applikation

Bild 2: Ethernet Switches verbaut in einem Zug im Zuge eines Retrofit.

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Für Applikationsingenieure, die in den Bereichen Programmierung von Anlagen und Durchführung von Factory Acceptance Tests (FAT) tätig sind, sind die Merkmale nahtlose Kommunikation und Bandbreite bei SPE besonders wichtig. SPE unterstützt eine effiziente, durchgängige IP-basierte Kommunikation, die eine direkte und einfache Vernetzung von Sensoren, Aktoren und Steuerungseinheiten ermöglicht. Dies vereinfacht die Programmierung und Integration von Anlagenteilen, da es weniger Einschränkungen hinsichtlich der Kompatibilität und Konnektivität gibt. Zum Beispiel kann ein Applikationsingenieur flexibel zwischen Herstellern von Sensoren wechseln, ohne die Anbindung als zentrales Auswahlkriterium zu haben. Gleichzeitig bekommen Endgeräte durch den Wechsel von Feldbussen zur Ethernet-Technologie mehr Bandbreite zur Verfügung, sodass sich zusätzliche Diagnosedaten abrufen lassen. SPE ermöglicht im Gegensatz zu 4- und 8-adrigen Ethernet-Verbindungen den Einsatz von kompakten Steckverbindern und leichteren Kabeln. Im Vergleich zu Feldbussen erfordert SPE allerdings die Implementierung eines kompletten IEEE Netzwerk Stacks und führt somit zu einem Mehraufwand in der Entwicklung. Die ODVA hat diese Herausforderung angenommen und bereits mit einem reduzierten Funktionsumfang von EtherNet/IP für Geräte mit starken Hardwarelimitierungen, sogenannte ‚Constrained Devices‘, reagiert. Dies inkludiert CIP Security mit Pre-Shared Keys und Steuerungsdatenaustausch ausschließlich per UDP.

Der Betrieb der Applikation

Für Applikationsbetreiber, die mit der Steuerung, Wartung und Instandhaltung von Anlagen beauftragt sind, spielen die Merkmale Leistungsfernspeisung (Remote Power) und nahtlose Kommunikation von (SPE eine zentrale Rolle. Die Leistungsfernspeisung ermöglicht es, Endgeräte wie Sensoren und Aktoren über das Ethernet-Kabel mit Strom zu versorgen, was die Installation und Wartung vereinfacht, besonders in Bereichen, die schwer zugänglich sind oder eine große räumliche Ausdehnung haben. Noch bedeutsamer ist dies im Kontext der Fernüberwachung und -steuerung von Anlagen mittels SCADA-Systemen, die eine zuverlässige und parallele Kommunikation für Prozesssteuerungs- und Überwachungsaufgaben benötigen. Die nahtlose Kommunikation, die SPE bietet, ist hierbei entscheidend, da sie eine einheitliche IP-basierte Vernetzung bis zur Sensor-/Aktor-Ebene sicherstellt. Diese durchgängige Konnektivität 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 dafür ist die Fernsteuerung und -überwachung eines verteilten Energieerzeugungssystems. Durch den Einsatz von SPE können Applikationsbetreiber die Leistung von Solarpanels und Windturbinen in Echtzeit überwachen, gleichzeitig Steuerbefehle an Wechselrichter und Lastmanagementsysteme senden und so eine optimale Energieausbeute gewährleisten. Die Kombination aus Leistungsfernspeisung und nahtloser Kommunikation ermöglicht eine effiziente, zuverlässige und kosteneffektive Betriebsführung, die essenziell für das moderne Infrastrukturmanagement ist. Bisher wurden Fernüberwachung und -steuerung nicht direkt mit Sensordaten umgesetzt, sondern die Steuerungen in den Prozessen haben aggregierte Daten and die SCADA-Systeme bereitgestellt. Das hat in Feldbusanwendungen die Anforderungen an die Sensoren reduziert, bedarf aber regelmäßiger Anpassung der Steuerungsprogramme, um die aktuell relevanten Daten auszuleiten.

Die Optimierung der Applikation

Für Data Scientists, die sich mit Datenanalyse, vorrausschauender Instandhaltung und der Optimierung der Steuerung in Anlagen befassen, sind insbesondere die Merkmale Bandbreite und nahtlose Kommunikation von SPE von Bedeutung. Die hohe Bandbreite von SPE ermöglicht die schnelle Übertragung großer Datenmengen, die für die Analyse und das maschinelle Lernen nötig sind. Dies ist entscheidend, um in Echtzeit Einblicke zu gewinnen und präzise Vorhersagemodelle zu entwickeln. Nahtlose Kommunikation erleichtert zudem die Integration von Daten aus unterschiedlichen Quellen über eine einheitliche Schnittstelle, was die Komplexität der Datensammlung reduziert und eine umfassendere Datenanalyse ermöglicht. Ein praktisches Beispiel hierfür ist die Optimierung von Produktionsprozessen in einer Fertigungsanlage. Ein Data Scientist kann SPE nutzen, um Daten von Sensoren an Maschinen in hoher Frequenz zu sammeln und diese Informationen für die Entwicklung von Algorithmen zur vorrausschauenden Instandhaltung zu verwenden. Durch die Analyse dieser Daten lassen sich potenzielle Ausfälle erkennen und Wartungsarbeiten proaktiv planen, bevor es zu ungeplanten Stillständen kommt. Die Kombination aus hoher Bandbreite und nahtloser Kommunikation ermöglicht eine effiziente Datenerfassung und -analyse, was zu einer signifikanten Steigerung der Anlagenverfügbarkeit und Optimierung der Betriebsprozesse führt. In aktuellen Feldbusumgebungen sind die Sensoranbindungen durch Steuerungen, die als Gateways fungieren, isoliert. Dadurch können Data Scientists die Sensordaten nicht in der nötigen Auflösung abrufen. Diese Limitierung begrenzt ihre Rolle in aktuellen Feldbusumgebungen.