In den 70er-Jahren war „Industrie 3.0“ die Bezeichnung für einen Paradigmenwechsel in der Fertigung. Hierbei wurde die Informationstechnologie eingesetzt, um die Automatisierung voranzutreiben und die Produktivität, Präzision und Flexibilität zu verbessern. Mit der Weiterentwicklung von Industrie 4.0 wird die groß angelegte Automatisierung der Industrie durch smarte Technologien, Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M) und maschinelles Lernen (ML) umgesetzt. Der entscheidende Unterschied ist, dass Industrie 3.0 dem Menschen Informationen lieferte, um bessere Entscheidungen zu treffen, während Industrie 4.0 digitale Informationen nutzt, um Prozesse weitgehend ohne unser Zutun zu optimieren.

Mehr noch: Industrie 4.0 kann jetzt eine Verbindung zwischen der Entwicklungsabteilung und der Fertigung herstellen. Durch den Einsatz von M2M-Kommunikation können computergestützte Designs (computer-aided designs, CAD) mit Werkzeugmaschinen kommunizieren und diese direkt für die Herstellung von Teilen programmieren. Und die Werkzeugmaschinen können mit der CAD-Anwendung kommunizieren und sie über Herausforderungen im Produktionsprozess informieren, damit die Artikel so verändert werden können, dass sie leichter zu fertigen sind.

Das industrielle Internet der Dinge (IIoT) ist die Plattform, auf der Hersteller ihre Industrie-4.0-Lösungen aufbauen. Eine wichtige Rolle des Netzwerks besteht darin, Rückkopplungsschleifen zu bilden, in denen Sensoren Prozesse überwachen. Deren Daten werden zur Steuerung und Verbesserung des Maschinenbetriebs genutzt.

Die Implementierung des IIoT ist alles andere als einfach, aber die vielleicht größte Herausforderung sind die Investitionskosten. Die Investition lässt sich zwar durch Kosteneinsparungen rechtfertigen, die durch ein besseres Design und eine bessere Fertigung erzielt werden, was zu Produktivitätssteigerungen und weniger Produktausfällen führt. Doch alles, was den Kapitalabfluss verringern kann, wird die Einführung von Industrie 4.0 vermutlich beschleunigen. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, das IIoT-Netzwerk eines Produktionsbetriebs auf die bewährte, zugängliche und relativ kostengünstige Ethernet-Kommunikationstechnologie zu stützen.

Ethernet für die Industrie

Als meistverbreitete kabelgebundene Netzwerkoption bietet Ethernet eine gute Herstellerunterstützung und IP-Interoperabilität. Darüber hinaus kann ein Kabelsatz sowohl für die Strom- als auch für die Datenübertragung verwendet werden, um angeschlossene Sensoren, Aktuatoren und Kameras zu versorgen.

Mit seinen robusten Steckern und Kabeln baut das „Industrial Ethernet“ auf der Verbraucherversion von Ethernet auf und bietet eine bewährte und ausgereifte Technologie für die industrielle Automatisierung. Industrial Ethernet ermöglicht nicht nur den Transport wichtiger Informationen, sondern auch den einfachen Zugriff auf Maschinen, SPS und Steuerungen in der Fertigung durch einen externen Supervisor.

Das Standard-Ethernet-Protokoll ist jedoch anfällig für Paketverluste, was die Latenzzeit erhöht. Das macht es für synchronisierte und schnell laufende Fließbänder ungeeignet. Um die Schwächen des Standardprotokolls zu überwinden, wird die Industrial-Ethernet-Hardware mit deterministischen Industrieprotokollen mit geringer Latenz kombiniert, darunter Ethernet/IP, ModbusTCP und PROFINET.

Bei der Bereitstellung von Industrial Ethernet werden industrietaugliche Versionen der CAT5e-Standardkabel verwendet, für zertifiziertes Gigabit-Ethernet entsprechende CAT6-Kabel. CAT5e-Kabel bestehen zum Beispiel aus acht Drähten, die zu vier verdrillten Paaren zusammengefasst sind. Durch das Verdrillen werden Signalstörungen (Crosstalk) zwischen den einzelnen Kabelpaaren begrenzt. Ein Kabelpaar bietet beide Seiten einer Duplex-Verbindung. Bei Hochgeschwindigkeitssystemen wie Gigabit-Ethernet werden alle vier Paare für die Datenübertragung verwendet. Systeme mit geringeren Anforderungen an den Datendurchsatz (bis zu 100 Mbit/s pro Sekunde) können mit nur zwei verdrillten Paaren betrieben werden. Die freien Kabelpaare können für die Stromversorgung oder herkömmliche Telefondienste verwendet werden.

Proprietäre Lösungen schließen die Lücke

Ein Nachteil der Verwendung von CAT5e-Kabeln für IIoT-Applikationen ist, dass sie für viele Aufgaben überdimensioniert sind. Hochgeschwindigkeits-Ethernet ist schön und gut, wenn Werkzeugmaschinen über CAD programmiert werden. Allerdings wird es kaum für einen Sensor benötigt, der die Geschwindigkeit eines Förderbandes meldet. Und ein Großteil eines Ethernet-basierten IIoT wird für die Erfassung bescheidener Mengen an Sensordaten zur Optimierung des Fertigungsprozesses verwendet. Das könnte bedeuten, dass eine Menge Kapital in kilometerlangen Kabeln mit technischen Funktionen gebunden ist, die nie genutzt werden.

Im kostenorientierten Industriesektor wird eine solche Verschwendung in der Regel vermieden, indem auf billigere Alternativen zurückgegriffen wird. Anstatt Geld in teure Kabel zu investieren, haben sich die Hersteller für wesentlich kostengünstigere proprietäre Feldbus-Alternativen entschieden, um Sensoren und Systeme zu verbinden, die nicht den vollen Funktionsumfang von Ethernet benötigen. Diese Feldbusse werden in der Regel für Anwendungen wie industrielle Messtechnik und Remote I/O eingesetzt. Sie bieten Kabellängen von bis zu einem Kilometer und Rohdatenübertragungsraten von bis zu zehn Megabit pro Sekunde. Viele dieser proprietären Feldbusoptionen, wie HART, PROFIBUS PA und 4-20mA, verwenden relativ preiswerte verdrillte Einzelkabel.

Heutzutage verwenden Fabriken, die Industrie 4.0 einführen, Standard-Ethernet für Prozesse wie Enterprise-Resource-Planning (ERP) und CAD, Industrial Ethernet für den technischen Betrieb und die Anlagenverwaltung sowie proprietäre Feldbusse für die Messtechnik und Remote I/O. Das ist keine ideale Vorgehensweise, denn die beiden erstgenannten Systeme funktionieren zwar gut zusammen, doch Feldbusse sind mit ihnen nicht kompatibel.

Einführung des Single Pair Ethernet (SPE)

IEEE 802.3cg, eine kürzlich erfolgte Änderung der Ethernet-Spezifikation, ist für Industrieapplikationen gedacht, die derzeit von Nicht-Ethernet-Feldbussen bedient werden. Der neue Standard gewinnt zunehmend an Bedeutung, da er allen Industrie 4.0-Fabriken die Nutzung der Ethernet-Plattform ermöglicht. Alle Geräte, vom zentralen Cloud-Server in der Fabrik über Remote-Terminals bis hin zum kleinsten Temperaturmonitor, werden über ein einziges standardbasiertes Protokoll miteinander kommunizieren können.

Eine Schlüsselkomponente der Spezifikationsänderung ist das Single Pair Ethernet (SPE)-Kabel. Es überträgt Daten nicht über das mehrpaarige CAT5e-Kabel des herkömmlichen Industrial Ethernet, sondern über ein einziges verdrilltes Kabelpaar. Dies ist ein Segen für Fabrikbesitzer, denn es senkt die Kosten und den Umfang eines Großteils der Kommunikationsverkabelung in ihren Gebäuden erheblich. Und es kommt noch besser: Auch mit neuen Ethernet-Anschlüssen können alte, proprietäre Feldbusse mit verdrillten Zweidrahtleitungen für SPE weiterverwendet werden. Es is somit nicht nötig, kilometerlange alte Kabel herauszureißen und durch neue zu ersetzen.

Der Standard IEEE 802.3cg führt zudem zwei neue Bitübertragungsschichten (Physical Layer, PHY) für Industrieapplikationen ein, um die Kosten niedrig zu halten. Die erste ist für Applikationen mit kurzer Reichweite (bis zu 15 m) gedacht, während die zweite eine Reichweite von bis zu einem Kilometer bietet und einen optionalen verstärkten Sendepegel für erhöhte Rauschtoleranz sowie einen energiesparenden Ruhemodus umfasst.

Bedeutung von „Right First Time“

Die moderne Fertigung erfordert Präzision und Reproduzierbarkeit. Bauelemente oder -gruppen müssen mit möglichst geringen Toleranzen gefertigt werden, damit sie in Tausenden von Endprodukten verwendet werden können. Gleichzeitig sollen sie aber auch jahrelang perfekt funktionieren. Je kleiner oder komplexer die Produkte werden, desto mehr Präzision ist erforderlich. Stellen Sie sich vor, Sie würden eine hochwertige mechanische Uhr oder das neueste Smartphone herstellen.

Das IIoT bietet diese Präzision, denn es ermöglicht eine Echtzeitsteuerung und erkennt Abweichungen, bevor sie aus dem Ruder laufen. Wenn Produkte auf Anhieb fehlerfrei hergestellt werden, lassen sich Störungen auf Seiten der Verbraucher und Probleme wegen Mängelansprüchen vermeiden. Außerdem spart es Geld und, was vielleicht noch wichtiger ist, es ist nachhaltiger. Denn wenn Produkte auf Anhieb fehlerfrei hergestellt werden, spart das Energie, Emissionen und wertvolle Materialien.

Fazit

Mithilfe von Single Pair Ethernet können Ingenieure die Vorteile von Industrial Ethernet im gesamten Produktionsbetrieb nutzen – selbst für den Betrieb des kleinsten Sensors. Das erleichtert die Erfassung und Analyse der umfangreichen Daten, die für die Verbesserung der Fertigungsabläufe und die Maximierung der Auswirkungen neuer Technologien wie ML und KI erforderlich sind.