Blog: Single Pair Ethernet – Optimierter Cloud-Zugriff auf Sensoren und Peripheriegeräte

Die Erwartungen waren also hoch und das Potenzial schien riesig. Doch trotz unzähliger Proofs-of-Concept, beispielsweise durch das Industrial Internet Consortium, blieb die zentrale Herausforderung zunächst ungelöst: Über welches vertikale Netzwerk sollten die intelligenten Industriesysteme in der Produktionshalle mit den IT-Systemen kommunizieren?

Heute, nach Jahren der Forschung, teilen wir ein klareres Verständnis davon, mit welchen Anforderungen und Vorteilen die Digitalisierung des Fertigungssektors einhergeht. Technisch gesehen hat sich OPC UA als gängiger Standard etabliert, um die Semantik der vertikalen Kommunikation zwischen der IT- und OT-Welt zu lösen. Auf der Business-Seite treiben aktuell zahlreiche Organisationen branchenübergreifende Initiativen voran, die das Potenzial haben, zumindest in Teilbereichen den 2015 prognostizierten Mehrwert zu bieten. Auch wir bei Hilscher engagieren uns – und treiben in der Open Industry 4.0 Alliance mit zahlreichen Mitgliedsfirmen innovative Programme und Geschäftsmodelle voran.

Wir unterstützen ein offenes, gemeinsames Ökosystem, um unseren Kunden in Zusammenarbeit mit einem großen Partnernetzwerk mit unseren netFIELD-Produkten und -Services einen hohen Mehrwert zu bieten. Allerdings ist die Anbindung von Cloud-Diensten an die Sensorebene noch eine Herausforderung – und mit Single-Pair-Ethernet zeichnet sich jetzt eine Möglichkeit ab, dieses Problem zu lösen.

Es gibt eine Reihe unterschiedlicher Ethernet-Standards, die von verschiedenen Automatisierungsunternehmen weiterentwickelt werden, und bei denen die OSI-Schichten auf MAC- und Link-Ebene unterschiedlich angepasst werden müssen, um Echtzeitanforderungen zu unterstützen. Einige Protokolle basieren auf dem klassischen TCP/IP-basierten Ethernet, andere modifizieren die Ebenen 3 und 4 und wieder andere erfordern spezielle Hardware auf dem Data-Link-Layer. Das neueste Real-Time-Ethernet-System Time-Sensitive Networking (TSN), das sich (zum Zeitpunkt der Veröffentlichung dieses Blogs) gerade in der finalen Freigabe durch das IEEE befindet, soll die Echtzeitfunktionen auf Layer 1, 2 und 3 für eine gemeinsame Hardwarebasis standardisieren. Alle Ethernet-Varianten sind dabei in der Lage, in Produktionsumgebungen die Office-Netze mit dem Shopfloor zu verbinden, und so die Performance, Transparenz und Verfügbarkeit der Anlage zu verbessern. Die Komplexität von Ethernet und die Netzwerktopologie als Daisy-Chain- oder Switched-Netzwerk erschweren jedoch spürbar die Integration von Peripheriegeräten wie Sensoren und Aktoren. Die Standardisierungsbemühungen für Single Pair Ethernet (SPE) sollen diese Lücke schließen und den Weg für eine nahtlose, Ethernet-basierte IP-Netzwerkinfrastruktur bereiten.

Die ersten Bemühungen zur Standardisierung von Ethernet auf der Basis eines einzigen Twisted Pairs stammen aus der Automobilindustrie: Deren fahrzeuginternen Netzwerke basierten auf Standards wie CAN, MOST oder FlexRay – waren aber mit Blick auf Verkabelung und Software äußerst kostspielig. Daher einigte man sich, diese sukzessive durch den Ethernet-Standard abzulösen. Allerdings war der Verkabelungsaufwand auch beim Standard-Ethernet noch vergleichsweise hoch. Broadcom hat mit BroadR Reach als erster Anbieter gezeigt, dass ein einfaches Twisted-Pair-Kabel ausreicht, um Hochgeschwindigkeitsdaten über kürzere Strecken zu übertragen. Die IEEE griff die Standardisierungsinitiative unter dem bekannten Ethernet-Standard 802.3 auf und weitete den Anwendungsbereich auf den Industrie- und Gebäudebereich aus, wo es ähnliche Herausforderungen zu adressieren gilt. Die oben genannten Industrie-Feldbusse sowie die im Bereich Gebäudeautomation eingesetzten LON-, BACnet- oder Modbus-Feldbusse stehen heute in der Regel im Fokus, wenn es darum geht, ein nahtloses IP-basiertes Netzwerk zu jedem Sensor aufzubauen.