Design für robuste IoT-Anwendungen mit Strom- und Datennetzen auf Basis von industriellem Ethernet

Die Anbindung von Produktionsanlagen an das Internet führt zu Effizienz-, Qualitäts- und Produktivitätssteigerungen. Maschinen können beispielsweise aus der Ferne programmiert und gesteuert werden, Daten von Maschinen und Prozessen können kontinuierlich analysiert werden, um Prozessfehler oder -abweichungen zu erkennen, und aus der Ferne können Optimierungen vorgenommen werden, um die Produktion in einem geschlossenen Regelkreis zu optimieren. Längerfristig können die Daten zur Planung einer künftigen Skalierung und einer schnelleren Integration neuer Fertigungstechniken genutzt werden.

Es spricht zwar viel für die Vernetzung, aber die Art und Weise, wie diese Vernetzung erreicht wird, erfordert ernsthafte Überlegungen. Es gibt viele Optionen, aber Ethernet bietet eine zugängliche und bewährte Lösung für das Fabriknetz. Es handelt sich um die weltweit am meisten genutzte kabelgebundene Netzwerkoption mit guter Herstellerunterstützung und nahtloser Interoperabilität mit der Cloud. Noch besser ist, dass die Verkabelung sowohl für die Stromversorgung (Power over Ethernet (PoE)) als auch für die Datenübertragung genutzt werden kann. Das bedeutet, dass eine einzige Verkabelung sowohl das Netzwerk unterstützen als auch die angeschlossenen Sensoren, Aktoren und andere Geräte wie Kameras mit Strom versorgen kann.

Das Standard-Ethernet ist jedoch den Anforderungen der Industrie nicht gewachsen. Die Hardware ist nicht für den zuverlässigen Betrieb in der heißen, schmutzigen und vibrationsanfälligen Fabrikumgebung ausgelegt. Außerdem sind die Standard-Ethernet-Protokolle nicht deterministisch und daher für die Anforderungen der Fabrikumgebung ungeeignet, in der die Produktion nahezu in Echtzeit gesteuert werden muss, um Hochgeschwindigkeitsprozesse zu verwalten.

Industrielles Ethernet bietet alle Vorteile von Standard-Ethernet, fügt aber noch Robustheit und deterministische Software hinzu. Es handelt sich um eine bewährte und ausgereifte Technologie für die Industrieautomatisierung, die nicht nur die Übertragung von Prozessdaten in die Cloud ermöglicht, sondern auch den einfachen Zugriff auf Antriebe, SPS und I/O-Geräte in der Fertigung durch einen Fernüberwacher. Eine Änderung des Ethernet-Standards, IEEE 802.3cg, verwendet nur ein einziges Kabelpaar für den Datentransport, wodurch die Masse und die Kosten der Werksverkabelung reduziert werden.

In diesem Artikel wird die Herausforderung der Vernetzung für industrielle Anwendungen erörtert, bevor die Unterschiede zwischen Ethernet und industriellem Ethernet dargelegt werden. Der Artikel befasst sich dann mit der Verwendung von PoE- und SPE-Technologien (Single Pair Ethernet), bevor er reale Hardware von Amphenol vorstellt und zeigt, wie diese in einem industriellem Ethernet-Netzwerk implementiert werden kann.

Die Herausforderungen von Ethernet für die Industrie

Während Wi-Fi die beliebteste Art ist, sich mit dem Internet zu verbinden, wird in Geschäftsgebäuden in der Regel die kabelgebundene lokale Netzwerktechnologie (LAN) verwendet, um Computer und andere Geräte miteinander zu verbinden.

In den Anfängen des Ethernet verwendeten die Computer im Netzwerk einen einzigen Bus zur Kommunikation. Diese Art von Netzwerk ist die einfachste Konfiguration und lässt sich kostengünstig und leicht einrichten. Es ist jedoch relativ ineffizient, da die angeschlossenen Computer um die Bandbreite konkurrieren, was zu Staus, verlorenen Datenpaketen und einer deutlichen Verringerung der Bandbreite führt.

Heutige Büronetzwerke verwenden in der Regel Stern-, Baum- oder Maschentopologien, in denen Switches den Zugang zum Netzwerk kontrollieren, um Überlastungen zu begrenzen und den Durchsatz aufrechtzuerhalten. Der Ethernet-Verkehr wird von den Switches so gesteuert, dass Nachrichten nur zwischen den Geräten ausgetauscht werden, die kommunizieren müssen, anstatt sie über das gesamte Netz zu verteilen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ethernet-Switches steuern den Zugang zum Netz, um Überlastungen zu begrenzen und den Durchsatz aufrechtzuerhalten. (Bildquelle: Amphenol)

Ethernet basiert auf einem ständig aktualisierten Standard (IEEE 802.3), ist bewährt, sicher, zuverlässig und bietet Durchsatzgeschwindigkeiten von bis zu Hunderten von Gigabytes. Ethernet ist zwar nicht Teil der Norm, verwendet aber in der Regel TCP/IP (Teil des Internetprotokolls (IP)) für die Weiterleitung und den Transport, was eine nahtlose Verbindung mit dem Internet ermöglicht. Außerdem lassen sich Netzwerke mit Kabeln, Steckern und Switches, die von Hunderten von Anbietern erhältlich sind, problemlos skalieren.

Ethernet hat sich dahingehend weiterentwickelt, dass Strom und Kommunikation über ein einziges Ethernet CAT 3 oder CAT 5 Kabel kombiniert werden können, was es Ingenieuren ermöglicht, wartungsarme Ethernet- und Stromnetze schnell und kostengünstig zu errichten, im Vergleich zu Installationen, die separate Systeme verwenden. Die Technologie wurde im Rahmen eines IEEE-Standards (Institute of Electrical and Electronics Engineers) mit der Bezeichnung PoE formalisiert. Die wichtigsten Vorteile dieser Technologie sind ihre Einfachheit und die Tatsache, dass der Strom überall dort verfügbar ist, wo es eine Datensteckdose gibt. (Siehe, „Einführung in Power over Ethernet“.)

Eine kürzlich erfolgte Änderung der Ethernet-Spezifikation, IEEE 802.3cg, beschreibt die SPE-Alternative (Single Pair Ethernet) für die Übertragung von Daten über ein einziges Kabelpaar anstelle des mehradrigen CAT3- oder CAT5-Kabels von Standard-Ethernet oder PoE. SPE eignet sich für Anwendungen in der Industrieautomation, da es Konstrukteuren in der Fabrik- und Gebäudeautomation die Möglichkeit bietet, vertraute Ethernet-basierte Protokolle für die Kommunikation über große Entfernungen zwischen industriellen Steuerungen und Sensoren zu verwenden und gleichzeitig den Verdrahtungsaufwand erheblich zu reduzieren (Abbildung 2).

Abbildung 2: Single Pair Ethernet entwickelt sich zu einer platzsparenden und kostengünstigen Form von Ethernet für eine Reihe von industriellen und kommerziellen Anwendungen. (Bildquelle: Amphenol)

Im Prinzip ist Ethernet ein idealer Weg, um ein übergeordnetes Front-Office mit dem Produktionsbetrieb zu verbinden und so die Lücke zwischen Informationstechnologie (IT) und Betriebstechnologie (OT) zu schließen.

Produktionsanlagen bringen zusätzliche technische Herausforderungen bei der Implementierung von Ethernet mit sich. Erstens stellen Fabriken eine gefährliche Umgebung für empfindliche Kabel, Stecker und Switches dar. Die Umgebung ist heiß, staubig und voller Chemikalien, die mit den über 100 m langen Kabeln, wie sie in der Regel in der Fabrik verlegt werden, nicht kompatibel sind. Außerdem machen Feuchtigkeit und Vibrationen den Leitern und Kontakten zu schaffen. Darüber hinaus gibt es in Fabriken viele große Motoren, die ständig ein- und ausgeschaltet werden und Spannungsspitzen und elektromagnetische Störungen verursachen, die die Ethernet-Kommunikation stören können.

Zweitens ist eine Fertigungsanlage voll von sich schnell bewegenden Robotern und synchronisierten Maschinen, die in Echtzeit gesteuert werden müssen. Die nicht-deterministischen Kommunikationsmechanismen des Standard-Ethernet sind schlecht geeignet, diese Kontrollmöglichkeit zu bieten.

Industrielle Ethernet-Hardware

„Industrial Ethernet“ (Industrielles Ethernet) ist die gängige Bezeichnung für Ethernet-Systeme, die für den Einsatz in Fabriken geeignet sind. Solche Systeme zeichnen sich durch robuste physikalische Schichten (PHY) und Industrieprotokolle wie ModbusTCP, PROFINET und Ethernet/IP aus. Im Gegensatz zu Standard-Ethernet-Implementierungen werden bei dem industriellen Ethernet in der Regel Linien- oder Ringtopologien verwendet, da diese dazu beitragen, die Kabelwege zu verkürzen (was die Auswirkungen von EMI begrenzt), die Latenzzeit zu verringern und ein gewisses Maß an Redundanz einzubauen.

Die Kabel sind robust und verfügen über eine Abschirmung zum Schutz gegen elektromagnetische Störungen, und die Steckverbinder sind ebenfalls gegen die harten Bedingungen in der Industrie geschützt.

Die Hersteller stufen die Widerstandsfähigkeit ihrer Produkte nach dem IP-Klassifizierungssystem ein. Die IP-Schutzart gibt den Schutzgrad an, den das Produkt bietet, und wird durch die internationale Norm EN 60529 definiert. Das Schema besteht aus zwei Ziffern. Die erste steht für den Schutz vor festen Objekten, wie Werkzeuge oder Finger, die gefährlich sein könnten, wenn sie mit elektrischen Leitern in Berührung kommen, bis hin zu Schmutz und Staub in der Luft, die Schaltkreise beschädigen könnten. Die zweite Ziffer definiert den Schutz vor Tropf- und Spritzwasser oder Untertauchen. Die Palette reicht von IP00 (kein Schutz gegen Staub oder Wasser) bis IP69 (vollständiger Schutz gegen Staub und starkes, hochtemperiertes Strahlwasser).

Industrielle Ethernet-Steckverbinder sind in der Regel in einer Reihe von Schutzgehäusen bis zu IP67 untergebracht. In diesem Fall bedeutet eine Bewertung von sechs, dass selbst nach acht Stunden direktem Kontakt mit der Verunreinigung kein schädlicher Staub oder Schmutz in das Gerät eindringt. Eine Wasserschutzklasse von sieben bedeutet, dass das Gerät 30 Minuten lang in bis zu einem Meter Süßwasser getaucht werden kann, ohne Schaden zu nehmen.

Bei der Auswahl von PHYs, Kabeln und Steckverbindern für das industrielle Ethernet sollte der Entwickler die Immunität gegen EMI prüfen, indem er das Datenblatt auf die folgenden IEC- und EN-Normen hin überprüft:

• IEC 61000-4-5 (Überspannung)
• IEC 61000-4-4 Schnelle elektrische Transienten (EFT)
• IEC 61000-4-2 ESD
• IEC 61000-4-6 Leitungsgebundene Emissionen
• EN 55032 Abgestrahlte Emissionen
• EN 55032 Leitungsgebundene Emissionen

Die Einhaltung einiger oder aller dieser Normen bietet die Gewissheit, dass die EMI-Leistung von industriellen Ethernet-Systemen in der Fabrikumgebung zufriedenstellend sein wird.

Robuste Steckverbinder

Ob sie in Maschinensteuerungen, Ethernet-Switches oder Verkabelungen eingebaut sind, Steckverbinder sind für die Leistung des industriellen Ethernet-Systems von entscheidender Bedeutung. Ohne sorgfältige Auswahl kann ein einziger Ausfall eines Steckverbinders unter dem Stress der Highspeed-Produktion dazu führen, dass millionenschwere Maschinen nicht mehr funktionieren oder zum Stillstand kommen.

Es gibt mehrere Anbieter, die bewährte und zuverlässige industrielle Ethernet-Steckverbinder für eine Reihe von Ethernet-, PoE- und SPE-Anwendungen anbieten. So bietet Amphenols industrielle IP6X-Rechtecksteckverbinder- und Kabellösung eine CAT6A-Ethernet-Vernetzung mit Hilfe einer IEC61076-3-124-Steckverbindung und eine vollständige Abdichtung gemäß IP65-, IP66- und IP67-Spezifikationen. Die Steckverbinder sind für den Einsatz in industriellen Ethernet-Anwendungen vorgesehen, die einen zusätzlichen Schutz vor Umwelteinflüssen erfordern, und eignen sich für alle robusten und rauen Umgebungen im Innen- und Außenbereich.

Die Familie umfasst das in Abbildung 3 gezeigte IP67-geschützte, rechteckige Steckverbindergehäuse NDHN200 für den Schalttafeleinbau. Der 10-polige, lötfreie Mehrzweck-Stecker NDHN3A2 (Abbildung 4) ist für den Anschluss an den NDHN200 vorgesehen. Der Stecker verfügt über eine Verriegelung und ein abgeschirmtes Formteil. Er bietet Nennwerte von 50 Volt AC oder 60 Volt DC, 1,5 Ampere (A) und kann bis zu 250 Mal gesteckt und getrennt werden.

Abbildung 3: Der NDHN200 ist ein IP67-zertifiziertes, rechteckiges Steckergehäuse für Industrial Ethernet-Anwendungen. (Bildquelle: Amphenol)

Abbildung 4: Der NDHN3A2 ist ein IP67-Stecker, der über eine Verriegelung und ein geschirmtes Gehäuse verfügt. (Bildquelle: Amphenol)

Amphenol hat auch SPE-Steckverbinder für die Ethernet-Anbindung von Peripheriegeräten wie Sensoren, Aktoren und Kameras mit Geschwindigkeiten von bis zu einem Gigabit pro Sekunde (Gbit/s) auf den Markt gebracht. Der SPE-Formfaktor reduziert Größe, Gewicht und Kosten im Vergleich zu Standard-Ethernet. Die Steckverbinder sind IP67-geschützt mit einem runden Formfaktor der Größe M12. Sie lassen sich mit feldkonfektionierbaren Steckern verbinden und bieten eine vollständig geschirmte Schnittstelle mit Verriegelungsfunktionen. Ihre Spannungs-/Strombelastbarkeit von 60 Volt DC und bis zu 4 A unterstützt PoE über eine Entfernung von bis zu 1 Kilometer (km). Ein Beispiel ist der MSPEJ6P2B02, ein 2P2C-SPE-Anschluss (Abbildung 5)

Abbildung 5: Der IP67-SPE-Steckverbinder MSPEJ6P2B02 wird in der beliebten M12-Größe mit rundem Formfaktor geliefert. (Bildquelle: Amphenol)

Das Unternehmen bietet auch ein ähnliches Sortiment an SPE-Steckverbindern mit einem rechteckigen Steckerformat an, das der Schutzart IP20 und nicht IP67 entspricht. Die Lösung bietet die gleiche elektrische Leistung wie die M12-Reihe, ist aber preiswerter. Ein Beispiel ist der modulare SPE-Steckverbinder MSPE-P2L0-2A0 (Abbildung 6).

Abbildung 6: Der modulare SPE-IP20-Steckverbinder MSPE-P2L0-2A0 ist eine kostengünstige Option für weniger gefährliche Umgebungen. (Bildquelle: Amphenol)

Industrielle Ethernet-Protokolle

Der Kommunikationsmechanismus von Standard-Ethernet ist für den relativ ruhigen Datenverkehr eines Büros oder eines kleinen Unternehmens ausreichend. Dieser Mechanismus ist jedoch anfällig für Störungen und verlorene Datenpakete, was zu einer erhöhten Latenz führt, die ihn für die Echtzeitanforderungen einer sich schnell bewegenden und synchronisierten Produktionslinie ungeeignet macht. Wie bereits erwähnt, ist in einer solchen Umgebung ein deterministisches Protokoll erforderlich, um sicherzustellen, dass die Maschinenbefehle immer rechtzeitig ankommen, unabhängig davon, wie hoch die Belastung des Netzes ist.

Um diese Herausforderung zu meistern, wird die industrielle Ethernet-Hardware durch eine ähnlich „industrielle“ Software ergänzt. Es stehen mehrere bewährte industrielle Ethernet-Protokolle zur Verfügung, darunter Ethernet/IP, ModbusTCP und PROFINET. Beide sind so konzipiert, dass sie Determinismus für industrielle Automatisierungsanwendungen gewährleisten.

Der Unterschied zwischen Standard-Ethernet- und industrieller Ethernet-Software lässt sich am besten beschreiben, wenn man das ISO/OSI-Abstraktionsmodell mit sieben Schichten („Stacks“) betrachtet, das PHY-, Data-Link-, Netzwerk-, Transport-, Sitzungs-, Präsentations- und Anwendungsschichten umfasst. Das Standard-Ethernet umfasst die PHY-, Data-Link-, Netzwerk- und Transportschicht (die entweder TCP/IP oder UDP/IP als Transportmittel verwenden) und kann als ein Kommunikationsmechanismus betrachtet werden, der Effizienz, Geschwindigkeit und Vielseitigkeit bietet.

Im Gegensatz dazu verwenden die industriellen Ethernet-Protokolle, z. B. PROFINET, die Anwendungsschicht des industriellen Ethernet-Stacks. PROFINET ist ein Kommunikationsprotokoll, das für den Austausch von Informationen zwischen Maschinen und Steuerungen in einer Automatisierungsumgebung entwickelt wurde und Standard-Ethernet als Kommunikationsmechanismus verwendet (Abbildung 7).

Abbildung 7: Das siebenschichtige Abstraktionsmodell der ISO/OSI, das den Software-Stack für industrielles Ethernet darstellt. Industrielle Ethernet-Protokolle wie PROFINET sind in der Anwendungsschicht angesiedelt. (Bildquelle: Profinet)

Industrielle Ethernet-Software kann auch andere Protokolle nutzen, die speziell für das Senden von Daten an die Cloud entwickelt wurden. Beispiele hierfür sind Protokolle wie MQTT oder SNMP.

Fazit

Um den rauen Umgebungsbedingungen und Echtzeitanforderungen in der Fabrik gerecht zu werden, verwendet das industrielle Ethernet robuste Hardware wie Switches, Kabel und Steckverbinder sowie industrielle Software, um die IT- und OT-Netzwerke der Fabrik zuverlässig zu verbinden.

Wie gezeigt, machen es bewährte kommerzielle Steckverbinderlösungen den Ingenieuren leicht, die Vorteile von industriellem Ethernet zu nutzen, um industrielle Highspeed-Automatisierung zu programmieren und zu steuern, während sie gleichzeitig die tiefgreifenden Daten erfassen, die zur Verbesserung und Skalierung von Fertigungsabläufen erforderlich sind.