Single Pair Ethernet für Durchgängigkeit vom Feld in die Cloud

Die Argumente für Ethernet im Feld sind überzeugend: „Wir können unsere intelligenten Sensoren mit Single Pair Ethernet besser nutzen“, sagt Manfred Walter, Produktmanager bei Jumo. „Ich habe einen echten Mehrwert, indem ich mit SPE mehr Sensordaten übertragen kann.“ Mehr Daten sind die Grundlage, um daraus gewinnbringende Informationen zu ziehen. Diese Möglichkeit gibt es nicht, wenn ein 4- bis 20-mA-Sensor nur einen nackten Stromwert überträgt – zum Beispiel als Äquivalent für eine Temperatur.

Richtig ins Schwärmen gerät der Produktmanager angesichts der Tatsache, dass mit dem SPE-Anschluss Sensorinformationen endlich lückenlos in einem System verteilbar sind. Manfred Walter hat hier die schlecht zu überwindenden Etagengrenzen innerhalb der Automatisierungspyramide vor Augen. „Die Durchgängigkeit über alle Ebenen hinweg betrachten wir als große Stärke. Zudem sparen wir dabei auch noch Kabel, da ja über die zwei Drähte Daten und Energie, Power over Data Line (PoDL) geführt werden.“ SPE biete grundsätzlich die Chance der durchgängigen Kommunikation von der ERP-Ebene bis hinab zur Sensorik und Aktorik der Feldebene. „Und das Ganze funktioniert auch noch ohne Medienbrüche“, unterstreicht Walter, das heißt, der Sensor kommuniziert in allen Ebenen durchgängig auf Basis von Ethernet-Protokollen.

Die Protagonisten für Single Pair Ethernet bei Jumo und Phoenix Contact betrachten die Durchgängigkeit des Ethernets als essenziell für mehr Nachhaltigkeit in der Produktion. Der Nutzen resultiert dabei vor allem aus den neuen Möglichkeiten, die die Fehlersuche vereinfachen und durch das Einsammeln von Statusinformationen auch eine zustandsorientierte Wartung ermöglichen. Das Ganze mündet in einem Strauß an Vorteilen, die am Ende des Tages die OEE (Overall Equipment Effectiveness) verbessern – also die Gesamtanlagenverfügbarkeit. Passend dazu gestaltet sich die Verknüpfung zu cloudbasierten Services ebenfalls leichter.

Mit SPE gegen den Medienbruch in der industriellen Kommunikation: Führt dieser Nutzen zu einem Umdenken bei der Wahl der Anschlusstechnik auf Sensorebene? Nach Erfahrung von Manfred Walter seien die Kundenerwartungen gerade im Maschinen- und Anlagenbau nach wie vor spürbar preisgetrieben. Die Budgets von Messketten seien bei der Projektierung von Anlagen eng begrenzt. „Die Frage ist, was eine Messkette kosten darf und wie hoch der Mehrpreis für die SPE-Anbindung ist.“ Die schlüssigen Argumente für die durchgängige Ethernet-Architektur ließen sich gerade in standardisierten Ausschreibungsverfahren nur schwierig darstellen. Die positiven Auswirkungen auf die OEE als wichtige Kennzahl für Investitionsentscheidungen können folglich am besten im Direktkontakt argumentiert werden.

Für Martin Müller, Feldbus-Urgestein bei Phoenix Contact, stellt eine Übertragungstechnik mit SPE einen wichtigen Schritt dar auf dem Weg zu konvergenten Netzen. Während zum Beispiel das Time Sensitive Network (TSN) vornehmlich für zeitkritische Aufgaben in den Disziplinen Functional Safety oder Motion Control konzipiert ist, kommt 5G für Applikationen zum Einsatz, die Mobilfunk benötigen. Vergleichbares gilt für Wi-Fi 6 und 7 im Bereich der lizenzfreien, drahtlosen Übertragungstechnik.

Single Pair Ethernet „eignet sich wiederum sehr gut für die Kommunikation auf den letzten Metern“, sagt Martin Müller. Die Klammer für alle Techniken ist das konvergente Ethernet-Netzwerk – die Einheitswelt für die industrielle Kommunikation. Schaffen es die Akteure in der Automation, der Elektrotechnik sowie dem Anlagen- und Maschinenbau mittelfristig, sich auf diesen Weg zu einigen, dann gehören die Feldbuskriege mit ihren industriespezifischen Entwicklungen endgültig der Vergangenheit an.

Die Chancen dafür stehen günstig. Das Ganze wird nämlich unterstützt von der generellen Übertragungsperformance der Standardkommunikation aus dem Konsumentenmarkt. SPE erreicht zum Beispiel als Medium für die räumlich begrenzte Maschinenebene eine Übertragungsrate von 10 Mbit/s auf einer Leitungslänge bis 1.000 m. Im Vergleich dazu liefert zum Beispiel I/O-Link mit maximaler Leitungslänge von 20 m gerade einmal 230,4 kbit/s. Auch wenn I/O-Link ohne Frage den Anschluss von Sensoren spürbar vereinfacht, reicht die Datenübertragung nach Ansicht von Manfred Walter für zukünftige Aufgaben innerhalb gekoppelter Sektoren nicht mehr aus.

Apropos Zukunft: Phoenix Contact und Jumo sehen unisono gerade bei der jüngeren Generation an Fachkräften eine klare Ausrichtung in Richtung konvergenter Ethernet-Netzwerke. „Die Digital Natives haben – provokant gesagt – aus ihrer Prägung und Historie heraus weniger Verständnis dafür, warum wir in der industriellen Automation so viele unterschiedliche Systeme betreiben“, sagt Martin Müller. Ziel müsse sein, sich mehr die Frage zu stellen, was ein Sensor kann und was er über seinen eigenen Messbereich hinaus noch in der Lage ist zu tun für den effizienten und ressourcensparenden Anlagenbetrieb. „Wir sehen hier eine enorme Zukunft“, unterstreicht ebenfalls Manfred Walter.

Einbauen, anschließen – fertig: Mit der SPE-Konnektivität ist die Installation eines Sensors kinderleicht und funktioniert aufgrund des Ethernet-Layers ohne Gateways oder aufwendiges Programmieren von Schnittstellen. Mit dem Ziel vor Augen, die Übertragungsdistanz von Single Pair Ethernet von 1.000 m in der praktischen Anwendung ohne limitierende Dämpfung zu erreichen, ist der von Phoenix Contact entwickelte Anschluss in der Größe M12 konstruiert. „In der M8-Ausführung hätten wir zu wenig Platz für den Anschluss eines zweiadrigen Datenkabels in AWG18 gehabt, welches für die Distanz von 1.000 m zum Einsatz kommt“ , erklärt Manfred Walter. Die Ausführung der Verbindung selbst ist auf maximale Robustheit und Hygiene getrimmt. Durchfluss- und Drucksensoren aus der Reihe Flowtrans MAG H20 und Delos S02 von Jumo sind vielfach in der Pharma- und Lebensmittelindustrie im Einsatz. Eine hohe Betriebssicherheit auf Langstrecke lässt sich nur dann erreichen, wenn auch die Anschlüsse Durchhaltevermögen bei anspruchsvollen Produktionsabläufen oder CIP-Reinigung (Cleaning in Place) an den Tag legen. Die Phoenix-Contact-Lösung folgt dem Hygienic Design und erreicht die Schutzart IP67.

Die Anbindung von Sensoren mit SPE macht den Weg frei, zusätzliche Messgrößen in die Kommunikation einzubinden. Zudem eröffnen sich neue Möglichkeiten, Sensoren direkt an die Cloud anzubinden, da die Geräte funktional bereits über ein Gateway verfügen und folglich kein weiteres Gateway notwendig ist. Das spart Komponenten und bares Geld. Typische Einsatzgebiete für den SPE-Multisensor Hydrotrans S20 für Temperatur, Feuchte und CO2 bestehen beispielsweise bei der Überwachung von sensiblen Lagerräumen, allgemeinen Monitoring-Aufgaben sowie den anspruchsvollen Aufgaben rund um das Thema Betriebs- und Mitarbeitersicherheit.