Single Pair Ethernet (SPE) Sensoren in Neu- und Bestandsanlagen einbinden

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Die Vernetzung von Sensoren mit Single Pair Ethernet (SPE) ist einfach und kostengünstig. Mit Kommunikationsmodulen auf Basis von Mikroservern können beliebige Sensoren schnell und sicher in neue und bestehende Anlagen integriert werden. Enthalten ist außerdem eine 256-Bit Ende-zu-Ende-Verschlüsselung.

Digitale Zwillinge als digitales Abbild von einfachen Objekten bis hin zu komplexen Systemen in der Produktion sind essentiell für die Nutzung vieler neuer Möglichkeiten. Anstelle bloßer Statusmeldungen von Maschinen gewähren sie damit in Echtzeit Einblicke in die inneren Zustände von Maschinen und vermeiden unliebsame Überraschungen. So können Maschinenauslastungen und Materialflüsse dynamisch optimiert und Wartungsarbeiten rechtzeitig und genau im erforderlichen Umfang ausgeführt werden. Stichwort dazu ist Predictive Maintenance (vorausschauende Wartung).

Entscheidend sind die richtigen Sensordaten

Grundvoraussetzung dafür ist jedoch die zeitnahe Verfügbarkeit der entscheidenden Maschinendaten an dem Ort, an dem der digitale Zwilling läuft und ausgeführt wird. In der Regel ist das entweder ein leistungsfähiger Edge-Computer oder – speziell bei Altsystemen – die unternehmenseigene oder ausgelagerte Informationstechnologie (IT).

Hier beginnt meist bei Brownfield-Altsystemen das Problem: Selbst wenn die für die Signalisierung benötigten Sensordaten bereits vorhanden sind, sind sie meist entweder nur schwer zugänglich oder müssen mit aufwendigen Gateways nicht nur physikalisch, sondern auch auf Protokollebene mühsam konvertiert werden. Die Nutzung vorhandener Bussysteme zur Anbindung zusätzlicher Sensoren scheitert häufig an fehlenden Anschlussmöglichkeiten oder zu geringen maximalen Buslängen.

Ethernet und IP als Kommunikationsstandard

Ethernet und das Internet-Protokoll (IP) haben sich in den letzten Jahrzehnten als Kommunikationsstandards in der Informationstechnik durchgesetzt. Was liegt also näher, als auch bei der industriellen Vernetzung auf diese Standards zu setzen? Single Pair Ethernet als direkt IP-fähige Variante hat sich im Automobilbau innerhalb kürzester Zeit als ebenso kostengünstiger wie leistungsfähiger Standard durchgesetzt.

Es überzeugt durch kleine Biegeradien und geringe Kabeldurchmesser und wird deshalb seit einiger Zeit in der Gebäude- und Industrieautomation immer häufiger eingesetzt. Häufig können bereits vorhandene Kabel verwendet werden: Neben geschirmten und ungeschirmten Cat5-Verbindungen ermöglichen bereits einfache verdrillte Leitungen, wie mit Klingeldraht, eine erfolgreiche Kommunikation mit SPE.

Single Pair Ethernet für Alt- und Neuvernetzungen

In der Praxis sind Verbindungslängen möglich, die weit über die Angaben der aktuellen (2023) SPE-Spezifikationen hinausgehen. So sind beispielsweise beim Einsatz von 100BaseT1 maximale Segmentlängen von bis zu 300 m (Cat5) oder bis zu etwa 100 m (Klingeldraht) möglich. In der Hybrid-Variante von SPE mit einem zusätzlichen Adernpaar lassen sich nahezu beliebige Topologien und eine galvanisch getrennte, störsichere Versorgung zusätzlicher Elektronik mit bis zu 400 W realisieren. Damit eröffnet SPE im weit mehr Möglichkeiten, als sie mit herkömmlichen Bussystemen realisierbar sind. SPE stellt somit sowohl für Alt- als auch für Neuvernetzungen eine leistungsfähige, standardisierte und damit zukunftssichere Lösung dar.

Kommunikationsmodule mit integrierten Mikroservern

Derzeit gibt es nur relativ wenige integrierte Sensorlösungen auf dem Markt, die direkt an ein Ethernet-basiertes Netzwerk angeschlossen werden können. Und die wenigen verfügbaren Sensoren mit Ethernet-Schnittstelle sind meist unverhältnismäßig teuer. Abhilfe schafft das universelle SPE-Kommunikationsmodul periCORE. Als einheitliches, intelligentes Gateway schlägt es die Brücke zwischen SPE und nahezu jedem Sensortyp.

Es beherrscht nicht nur die reine Pegel- und Protokollwandlung, sondern ein ARM-SoC (System-on-Chip) ermöglicht in Verbindung mit einem integrierten Mikroserver und einem 256-Bit-Verschlüsselungsmodul viele weitere smarte Funktionen.

Dabei werden die Sensorsignale nicht nur in digitale Datensätze umgewandelt, die direkt von der IT genutzt werden können. Sie können auch vorverarbeitet, konsolidiert, in Daten umgewandelt und zwischengespeichert werden. Das ermöglicht eine zeit- oder ereignisgesteuerte Kommunikation und reduziert die zu übertragenden Datenmengen erheblich. Mit den lokal vorhandenen Rechen- und Speichermöglichkeiten können Sensoren mit geringem Aufwand kalibriert und geeicht werden. In den meisten Fällen genügt es, die betriebsbereit vorkonfigurierten periCORE-Systeme per Low-Code zu konfigurieren.

Das Betriebssystem selbst, einschließlich des lokalen Webservers (Mikroserver), wird bereits von Perinet bereitgestellt und gewartet. Enthalten ist die komplette Netzwerkfunktionalität, das Firmwaremanagement und alle Sicherheitsfunktionen vom Zertifikatsmanagement bis hin zur 256-Bit Ende-zu-Ende-Verschlüsselung. Für spezielle Anpassungen können die Module hardwareseitig mit eigener Elektronik erweitert werden. Softwareseitig unterstützen eine komplett vorgefertigte Entwicklungsumgebung mit Debugger, umfangreiche Board Support Packages und Referenzimplementierungen eigene Entwicklungen.

Vielseitige Anschlussmöglichkeiten und garantierte Cybersicherheit

Die Module sind derzeit in zwei verschiedenen Bauformen erhältlich: Zum einen als SOC-Platine mit Abmessungen von 13 mm x 16,7 mm x 3,8 mm (periCORE, Bild 1) oder eingebettet in einen 4-poligen SPE M8-Rundsteckverbinder oder Adapter (periNODE, Bild 2). Diese von der IEC genormten 4-poligen M8-Rundsteckverbinder sind robust, haben eine geringe Baugröße und einen günstigen Preis.

Passend zu den jeweiligen Sensoranschlüssen sind die periNODE-Adapter in verschiedenen Ausführungen erhältlich: mit 4-poligem M12-Sensorstecker (A-kodiert) für Pt100-Sensoren, mit 4-poligem M12-Sensorstecker (A-kodiert) für 0-10 V Spannungsschnittstellen oder mit vier Anschlussdrähten für GPIO-Schnittstellen. Unabhängig von der Bauform können die Module immer über den SPE-Anschluss mit einem beliebigen Webbrowser angesprochen und komfortabel konfiguriert werden.

Hochsichere 256 Bit Ende-zu-Ende-Verschlüsselung

Wenn intelligente Sensoren direkt über das Internet mit einer Cloud kommunizieren können, müssen diese Kommunikationswege auch wirksam gegen Cyberangriffe geschützt werden. Auch wenn es sich nur um einen einzelnen Sensor handelt. Perinet hat daher in seine Kommunikationsmodule eine hochsichere 256 Bit Ende-zu-Ende-Verschlüsselung integriert und sie mit einem auch für Laien bedienbaren Sicherheitszertifikatsmanagement (PKI = Private Key Infrastructure) ausgestattet. Das Besondere an der von Perinet zum Patent angemeldeten Sicherheitslösung PKI2go ist, dass sie unabhängig vom Netzwerk-Setup auch rein lokal und mit praktisch beliebig vielen PKI-Instanzen betrieben werden kann. So ist es beispielsweise möglich, für jede Maschine oder jeden digitalen Zwilling eine eigene PKI aufzubauen. Das erhöht zusätzlich die Sicherheit gegen Cyber-Angriffe.

Dabei können sich die beteiligten Sensoren untereinander und auch gegenüber anderen Systemen, beispielsweise in der IT, selbstständig und ohne Passwörter identifizieren und authentifizieren. Damit kann jeder für einen digitalen Zwilling benötigte Sensor einfach smart und sicher gemacht werden. Auch Altanlagen können so einfach mit zusätzlichen Sensoren für Mehrwertdienste mit sicherer Kommunikation nachgerüstet werden.

Starter Kits: Auch ohne Vorkenntnisse sofort loslegen

Das Starter Kit (Bild 3) besteht im einfachsten Fall aus einem „dummen“ Sensor, einem periNODE Sensorinterface mit dem Kommunikationsmodul, einem periSTART Medienkonverter, einer Stromquelle (Netzteil) und zwei Ethernetkabeln: Einem hybriden SPE-Kabel zur Verbindung der Komponenten (schwarz) und einem weiteren Ethernetkabel (gelb) zum Anschluss an ein Standard-Ethernet-Netzwerk, einen Edge-Computer oder ein Gateway.

Der periSTART Medienkonverter (Bild 4) sorgt dabei für die Einspeisung der Versorgungsspannung und den Übergang zwischen dem (hybriden) Single Pair Ethernet (100Base-T1) und einem Standard Fast Ethernet (100BaseTX). Ein oder mehrere periSWITCH (Bild 5) ermöglichen den Anschluss weiterer Komponenten über SPE (Bild 6).

Mit dem vorgestellten System kann praktisch jeder Sensor in kürzester Zeit und mit geringem Programmieraufwand (Low Code) zu einem selbständig kommunizierenden, intelligenten Ding im Internet aufgerüstet werden. Die Intelligenz der Kommunikationsmodule erlaubt eine Vielzahl von Kommunikationsarten und kann den notwendigen Datenverkehr auf ein Minimum reduzieren.

Die mitgelieferte 256-Bit Ende-zu-Ende-Verschlüsselung ist auch für Laien einfach zu bedienen und erfüllt höchste Sicherheitsanforderungen. Die konsequente Nutzung bestehender Standards, insbesondere des hybriden SPE, ermöglicht den schnellen und kostengünstigen Aufbau neuer oder die einfache Aufrüstung bestehender Systeme. Die ebenso einfache wie kostengünstige Vernetzung alter und neuer Industrieanlagen mit intelligenten Sensoren ermöglicht nicht nur die direkte Anbindung digitaler Zwillinge, sondern auch weitere neue Geschäftsmodelle wie beispielsweise Predictive Maintenance.

Sensoren und Aktoren

Single Pair Ethernet sorgt für ausreichend Rechenleistung

Interview Dr. Karsten Walther, Perinet

„Wir machen aus jedem Sensor einen netzwerkfähigen Rechner“

* Dr.-Ing. Karsten Walther ist Geschäftsführer bei Perinet.

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