Neu geplante Anlagen – Greenfield – in der Automations- und Produktionstechnik sind im Zeitalter von Industrie 4.0 leicht an die IT anzubinden. Sie kommunizieren in serviceorientierten Architekturen (SOA) wie OPC/UA mit leistungsfähigen Schnittstellen über Intra- oder Internet aus der Kontroll-ebene (PLC) direkt mit den oberen Ebenen der Informationstechnik (IT). Diese drei oberen Ebenen der Informationspyramide umfassen Enterprise Resource Planning (ERP), Manufacturing Execution System (MES) und Prozessvisualisierung/Steuerung (HMI/SCADA). Schon seit Jahren kommunizieren die Systeme dieser Ebenen untereinander über das Internet-Protokoll (IP), das Bestandteil des klassischen Ethernets beziehungsweise Internets zur internen und externen Firmenvernetzung ist. Detaillierte Nachbildungen der Maschinen in Software als Digitaler Zwilling können über diese Schnittstellen direkt bedient beziehungsweise mit Daten direkt aus den Anlagen heraus versorgt werden.

Herausforderung Bestandssysteme

Der überwiegende Teil der Anlagen im Feld besteht jedoch aus Altsystemen (Brownfield), die über diese Fähigkeiten noch nicht verfügen. Aber: Auch diese Anlagen benötigen für den optimalen Betrieb umfangreiche Daten über Betriebszustände und Materialflüsse. Mit einem kontinuierlichen Monitoring der entsprechenden Maschinendaten lassen sich zusätzlich noch Mehrwertfunktionen wie vorbeugende Wartung (Predictive Maintenance) oder spezifische Abrechnungsmodelle (Pay-per-Use) realisieren. Hierzu ist nur selten ein kompletter, aufwendig zu erstellender Digitaler Zwilling nötig; in vielen Fällen genügt es, die wesentlichen Informationen über Betriebszustände und Fertigungsfortschritte zeitgerecht an die jeweilige Planungs- und Steuerungssoftware zurückzumelden.

Im Idealfall existieren die hierzu erforderlichen Sensoren, Aktoren und Baugruppen bereits. Andernfalls können – und müssen – sie nachgerüstet werden. Doch selbst wenn bereits geeignete Sensorelemente existieren, können deren Messwerte selten direkt ausgelesen werden. Vielmehr müssen die Daten mittels Gateways nicht nur physikalisch, sondern auch auf Protokollebene konvertiert werden. Die Nutzung bestehender Bussysteme für den Anschluss zusätzlicher Sensoren scheitert oft an fehlenden Anschlussmöglichkeiten, zu geringen maximalen Buslängen oder zu niedrigen Datenraten. Abhilfe kann die Installation zusätzlicher smarter Sensoren schaffen.

‚Smarte Sensoren‘ sind komplette Mikrosysteme (‚Sensorknoten‘), die analoge Messwerte ihres integrierten Sensors ablesen, speichern und weiterverarbeiten können. Der aktuelle Messwert wird entweder direkt angezeigt oder in ein elektronisch weiter verarbeitbares Format umgesetzt. Leider sind smarte Sensoren derzeit noch verhältnismäßig teuer und bislang nur für wenige Sensorfunktionen verfügbar. Erschwerend kommt hinzu, dass die meisten Sensorhersteller eigene Schnittstellen und Benutzeroberflächen zur Bedienung und Konfiguration entwickelt haben und sich daher die Bedienung und Wartung von Netzwerken mit smarten Sensoren verschiedener Hersteller kompliziert gestalten kann.

Busseitig bietet der Markt verschiedene Feldbusschnittstellen, so dass zum Übergang in das ‚normale‘, TCP/IP basierte Inter- beziehungsweise Intranet der IT ein mehr oder weniger aufwändiges Gateway nötig ist. Erschwerend kommt hinzu, dass auch die Verkabelung der smarten Sensoren untereinander relativ teuer und unflexibel ist – und oft noch eine zusätzliche Verkabelung für die Stromversorgung anfällt. Abhilfe verspricht hier Single Pair Ethernet (SPE), das zunehmend in der Industrie- und Gebäudeautomatisierung Fuß fasst.

Datenautobahn Single Pair Ethernet

Ein Starter Kit besteht im einfachsten Fall aus einem ‚dummen‘ Sensor, einem Perinode Sensor-Interface, das das smarte Kommunikationsmodul enthält, einem Peristart Medienwandler, einer Stromquelle und zwei Ethernet-Kabeln – einem hybriden SPE-Kabel zur Verbindung der Komponenten und ein weiteres Ethernet-Kabel für den Anschluss an ein Standard Ethernet-Netzwerk, einen Edge Computer oder ein Gateway.

© Wencke Lieber Photography

SPE hat sich als direkt IP-kompatible Variante nicht zuletzt auch dank kleiner Biegeradien und geringer Kabeldurchmesser inzwischen als Standard im harten Industrieumfeld etabliert. Von Vorteil ist zudem, dass auch Bestandskabel genutzt werden können: Neben geschirmten und ungeschirmten Cat5-Verbindungen erlauben bereits einfache verdrillte Leitungen (‚Klingeldraht‘) eine erfolgreiche Kommunikation mit SPE. Dabei sind in der Praxis Verbindungslängen möglich, die weit über die Daten der derzeitigen (2023) SPE-Spezifikationen hinaus gehen. So sind beim Einsatz von 100BaseT1 maximale Segmentlängen von bis zu 300 m (Cat5) beziehungsweise von bis zu etwa 100 m (Klingeldraht) möglich. Bei der hybriden Variante von SPE mit einem zusätzlichen Adernpaar können praktisch beliebige Topologien und eine galvanisch getrennte, störungsfreie Speisung zusätzlicher Elektronik mit bis zu 400 W realisiert werden. SPE bietet sich damit sowohl bei Alt- als auch bei Neuvernetzungen als Basis für die Vernetzung von Sensorknoten auf der Feldebene an. Ein Manko gibt es allerdings noch: Die Anzahl an integrierten Sensorlösungen, die direkt an ein Ethernet-basierte Netzwerk anschließbar sind, ist derzeit noch überschaubar, und die wenigen verfügbaren Sensoren mit (Single Pair) Ethernet-Interface sind relativ teuer.

Brücke zwischen SPE und Sensoren

Abhilfe will hier das SPE-Kommunikationsmodul von Perinet schaffen, indem es als intelligentes Gateway die Brücke zwischen SPE und nahezu beliebigen Sensortypen schlägt. Aktuell ist es in zwei verschiedenen Bauformen verfügbar: als SOC-Platine (Pericore) oder eingebettet in einen 4-poligen SPE M8-Rundstecker beziehungsweise -Adapter (Perinode). Passend zu den jeweiligen Sensoranschlüssen sind unterschiedliche Ausführungen der Adapter erhältlich: Mit 4-pin M12-Sensorstecker (A-codiert) für Pt100-Sensoren, mit 4-pin M12-Sensorstecker (A-codiert) für 0-bis-10-V-Spannungsinterfaces oder mit vier Anschlussleitungen für GPIO-Interfaces. Unabhängig von der Bauform der Module können diese über den SPE-Anschluss mit einem beliebigen Webbrowser angesprochen und konfiguriert werden.

Das integrierte ARM SoC bietet neben Pegel- und Protokollwandlung durch seinen integrierten Microserver und ein 256-Bit-Verschlüsselungsmodul weitere smarte Funktionen: Sensorsignale können in digitale und direkt von der IT nutzbare Datensätze umgewandelt und zudem vorverarbeitet, konsolidiert, in Daten umgesetzt und zwischengespeichert werden. Dies reduziert die zu übertragenden Datenmengen deutlich. Die Fähigkeit zur Zeit- und ereignisgesteuerten Kommunikation ermöglicht die Implementierung von Standard- und eigenen Protokollen. Mit den lokal vorhandenen Rechen- und Speichermöglichkeiten können Sensoren mit geringem Aufwand kalibriert und geeicht werden, wobei es in den meisten Fällen genügt, die betriebsfertig vorkonfigurierten ‚Pericore‘– oder ‚Perinode‘-Systeme per Low-Code zu konfigurieren.

Plug and Play

Der Autor: Dr. Karsten Walther ist Geschäftsführer von Perinet in Berlin.

© Perinet

Das Betriebssystem selbst wird einschließlich lokalem Webserver (Microserver) von Perinet bereitgestellt und gewartet. Dies schließt die komplette Netzwerkfunktionalität, das Firmware-Management und alle Security-Funktionen vom Zertifikatsmanagement bis zur 256 bit Ende-zu-Ende-Verschlüsselung mit ein. Für spezielle Anpassungen können die Module hardwareseitig auch mit eigener Elektronik erweitert werden. Softwareseitig unterstützen eine vorgefertigte Entwicklungsumgebung mit Debugger, Board Support Packages und Referenzimplementierungen eigene Entwicklungen. So können handelsübliche Sensoren mit geringem Aufwand ‚smart‘ gemacht und über SPE direkt an die IT angebunden werden. Die Perinet Smart Nodes Pericore und Perinode kommunizieren über standardisierte IP-Pakete ohne Medienbruch oder zusätzliche Gateways direkt und sicher mit der jeweiligen IT. Die Softwarelösung ‚PKI2go‘ ermöglicht dabei die Anwendung von Zero-Trust-Sicherheitskonzepten bis in die Feldebene. So sind die Daten bereits ab dem Sensor geschützt.