Teil 1 der vierteiligen Serie zeigte auf , dass sich die Adoption von Single-Pair Ethernet (SPE) für verschiedene Marktsegmente und deren Applikationen bezüglich Geschwindigkeit und Durchdringung unterschiedlich gestalten wird. Die Teile 2 und 3 fokussierten auf das Merkmal der nahtlosen Kommunikation in Netzwerken auf Ethernet-Basis. Diese Artikel zeigten konkrete Vorteile für verschiedene Interessensgruppen bei der Gestaltung industrieller Kommunikation mit Ethernet auf. Dieser vierte Teil beleuchtet, wo eine Komplementierung von Ethernet-Netzwerken durch SPE bis in die Sensor-/Aktor-Ebene aus wirtschaftlichen Gründen zu erwarten ist, und geht darauf ein, welche Hemmnisse zu überwinden sind, damit Hersteller von aktiven Infrastrukur-komponenten (Switches, Router) und von Endgeräten (Sensoren, Aktoren) ihre SPE-Portfolios signifikant erweitern und somit die Etablierung der Technologie unterstützen.

Die Kosten-/Nutzen-Betrachtung

Bild 1. Die SPE-Kostenbetrachtung über den gesamten Lebenszyklus hinweg.

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In aktuellen Diskussionen spielen bei der Gegenüberstellung der Kosten für eine Realisierung eines Netzabschnittes mit SPE und für eine herkömmliche Realisierung auf Basis eines Feldbusses oder serieller Schnittstellen häufig nur Anschaffungskosten eine Rolle. Kosten und Nutzen für spätere Lebenszyklusphasen wie Inbetriebnahme, Betrieb und Wartung sind nur selten Teil dieser Betrachtungen. Speziell bei der Berechnung von Gerätekosten werden Preise für Ethernet-Transceiver und zusätzliche Beschaltung (Magnetics) gerne mit den Preisen für einfache RS485- oder sogar RS232-Schnittstellen verglichen.

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Die Autoren empfehlen eine detailliertere Betrachtung über alle Phasen des Lebenszyklus der Installation hinweg, also über den Total Cost of Ownership. Hierzu werden den Aussagen aus den Teilen 1 bis 3 dieser Serie entsprechend alle Kosten und Nutzen für die jeweilige Applikation und komplementäre Technologien für die höheren Schichten einbezogen. In Bild 1 ist der Versuch einer allgemeinen Darstellung für diesen Ansatz abgebildet. Betrachtet werden die vier Phasen der Anschaffung, der Inbetriebnahme, des Betriebes und der Wartung. Bei der Inbetriebnahme ließe sich noch unterschieden zwischen Installation (Hardware) und Einrichtung (Software). Die erste Zeile enthält die Kosten für die Phasen, wobei Lizenzkosten für komplementäre Technologien kursiv dargestellt sind. Die folgenden Zeilen ordnen den Kernmerkmalen von SPE ihre Phasen-bezogenen Nutzen zu.

Die SPE-Adoption für die Sensor-/Aktor-Ebene

Ergebnisse von Kosten-Nutzen-Analysen für den gesamten Lebenszyklus lassen die in Bild 2 dargestellte Einordnung von Sensoren hinsichtlich ihrer SPE-Adoptionswahrscheinlichkeit zu:

• Analoge Sensoren, deren Ströme (4-20 mA) oder Spannungen (0-10 V) proportional zu den gemessenen Größen wie Drücken oder Temperaturen und die in analogen I/O-Modulen in digitale Signale gewandelt und in Ethernet-Frames verpackt werden, werden aufgrund des geringen Nutzen-zu-Kosten-Verhältnisses nicht bzw. selten mit SPE ausgestattet werden.
• Einfache digitale Sensoren, bei denen die Umwandlung der Messgröße in ein digitales Signal im Sensor stattfindet und die über digitale I/O-Module an ein Ethernet-Netzwerk gekoppelt sind, werden in geringem Maße SPE integrieren, um die Vorteile der durchgängigen Implementierung von Ethernet zu nutzen. Die Verschiebung des Ethernet-Transceivers vom I/O-Modul in die Sensoren hinein ist besonders bei Anwendungen mit einer kleinen Anzahl von Sensoren oder großen Abständen zwischen diesen sinnvoll.
• Intelligente digitale Sensoren, die über Feldbusse oder serielle Schnittstellen angebunden sind, profitieren von der höheren Bandbreite, die SPE bietet, und speziell von Security-Features, die für Ethernet verfügbar sind. Für solche Sensoren ist ein signifikantes Maß an SPE-Adoption zu erwarten.
• Schon heute sind intelligente Sensoren mit hohem Bandbreitenbedarf über Ethernet-Systeme angeschlossen, etwa Kameras, die mit einem üblichen Codec (H.264) bei einer Auflösung von 2 MP und einer Frame-Rate von 20 f/s eine native Bandbreite von 1,6 Mbit/s bis 4,3 Mbit/s – abhängig von der Videoqualität – benötigen. Dieser Bandbreitenbedarf erhöht sich bei zusätzlicher Übertragung von Vitaldaten, die Mehrwertdienste wie vorausschauende Wartung ermöglichen. Nicht nur aufgrund dieses Bedarfes ist die Adoption von SPE hier am wahrscheinlichsten, sondern speziell auch aufgrund der hohen Reichweiten von 10BASE-T1L und 100BASE-T1L (Ziel des aktuell laufenden Projektes IEEE 802.3dg sind 100 Mbit/s über 500 m) und der Leistungsfernspeisung mittels PoDL/SPoE.

Eine oft geführte Diskussion betrifft die Fragestellung, ob es sinnvoll ist, digitale Sensoren, die vom Hersteller in einer Maschine oder einem Roboter integriert werden, über Ethernet außerhalb dieser Umgebung sichtbar zu machen oder – im Gegenteil – im Sinne einer Kapselung vor Zugriffen zu verbergen. Für eine Antwort auf diese Frage sei verwiesen auf die in Teil 2 eingeführten Rollen: Für den Betrieb der Maschine oder des Roboters ist die interne Implementierung unerheblich, für Diagnose- und Wartungszwecke dagegen kann deren Sichtbarkeit hilfreich sein.

Hemmnisse für die SPE-Adoption

Bild 2. Die SPE-Adoptionswahrscheinlichkeit: Die Kosten-Nutzen-Analyse für die unterschiedlichen Sensoren über den gesamten Lebenszyklus erlaubt eine fundierte Einordnung.

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Was aber steht nun tatsächlich einer schnellen SPE-Adoption im Weg? Zum einen gibt es für die physikalische Übertragungsschicht verschiedene Standards mit unterschiedlichen Bandbreiten, Kabellängen und Topologien, um die diversen Anforderungen der relevanten Zielmärkte zu erfüllen. Hinzu kommen die Varianz der Industrieprotokolle für die höheren Schichten und die Diversität an Steckverbindern. Diese Varianz und Diversität sind begründet einerseits durch die Koexistenz und wahlfreie Anwendung verschiedener Normen. Darüber hinaus tragen die verschiedenen Anwendungsbereiche und ihre unterschiedlichen Anforderungen hinsichtlich Dichtigkeit gegen Staub und Feuchtigkeit, Beständigkeit gegen chemische Substanzen sowie Robustheit gegen mechanische Belastungen und elektromagnetische Einflüsse zur Vielfalt an SPE-Lösungsszenarien bei.

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Es ist zu erwarten, dass Hersteller von aktiven Infrastruktur-Komponenten und von Endgeräten der sich aus der Menge an möglichen Kombinationen von Anforderungen ergebenden Komplexität begegnen, indem sie nur eine Auswahl von Anwendungen abdecken werden, für die Aufwand und Ertrag in einem wirtschaftlich tragbaren Verhältnis stehen. Dieses Vorgehen dürfte insgesamt zu einer langsameren Adoption der SPE-Technologie führen. Lösungsansätze sind hier die frühe Standardisierung und die Festlegung einer Industrie auf gemeinsame Standards mittels der Spezifikation von Profilen wie in Teil 3 der Serie dargestellt.

Neben diesen für die Systemintegration relevanten Anforderungen bezüglich der Interoperabilität, besteht für Hersteller von Infrastruktur-Komponenten die zusätzliche Herausforderung, dass verfügbare elektronische Komponenten – ebenfalls unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten – für Endgeräte oder automobile Applikationen entwickelt wurden und deren Implementierung somit zusätzliche Aufwände erforderlich macht. Ein prominentes Beispiel dafür ist die zaghafte Bereitstellung von geeigneten Switch- und Multi-Port-Transceiver-(PHY-)Chips für SPE durch die Halbleiterhersteller: Beispielsweise ist es aktuell notwendig, Switch- und Single-Port-PHY-Chips mittels der Medium-unabhängigen Schnittstellen RGMII, RMII oder MII zu verbinden. Diese Schnittstellen mit deren hohen Signalzahl, sowie die Verwendung von Single-Port-PHY-Chips führen zu einer größeren Komplexität in der Entflechtung der Signale auf der Leiterkarte sowie einem erhöhten Platzbedarf. Während zeitgemäße Schnittstellen wie zum Beispiel SGMII pro Port vier Signale benötigten, werden für eine MII-Schnittstelle 16 Signale und für eine RMII-Schnittstelle acht Signale notwendig. Hinzu kommen jeweils die notwendige Managementschnittstelle MDIO und MDC für jeden Single-Port-PHY-Chip.

SPE-Multi-Port-PHY-Chips mit geeigneten Medien unabhängigen Schnittstellen wie SGMII oder QSGMII sind aktuell nicht verfügbar. Speziell für 10BASE-T1L sind diese Schnittstellen, die für Gigabit-Betrieb ausgelegt sind, zunächst nicht im Fokus der Halbleiterhersteller. Im Gegenzug wird die Entwicklung von Switch-ASICSs durch steigende Bandbreitenbedarfe vorangetrieben und infolgedessen wird auf entsprechende MAC-PHY-Schnittstellen mit Bandbreiten von Multi-Gigabit optimiert. Dies führt dazu, dass zusätzliche Chips zur Protokollkonvertierung zur Überwindung der Inkompatibilität der Schnittstellen implementiert werden müssen. Dadurch steigen die Kosten für die Produktentwicklung sowie die Preise für SPE-Feldswitche, wodurch die Rentabilität dieser Lösungen grundsätzlich in Frage gestellt ist.

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Trotz der langen Standardisierungshistorie bei IEEE ist SPE noch eine relativ junge Technologie, die sich in komplexeren und intelligenteren Sensoren beweisen wird. Mit der Verfügbarkeit von Komponenten und Hardware wird sich SPE in Richtung der günstigeren Sensorsegmente durchsetzen und für eine Harmonisierung der Netzwerkkomponenten sorgen.

Die Autoren:

Dr. Michael Hilgner ist Senior Technology Architect bei Belden, Inc.
 
Cornelia Eitel ist Senior System Architect bei Belden, Inc.
 
Lukas Bechtel ist Technology Architect bei Belden, Inc.