Anbindung von Sensoren

SPE-Spezialist

Single Pair Ethernet (SPE) wird als eine zukünftige Kerntechnologie für die Anbindung von Sensoren und Aktoren gesehen. Wie mit jeder neuen Technologie müssen potenzielle Anwender die Möglichkeit haben, diese Technologie auszuprobieren und Erfahrungen zu sammeln. Perinet bietet dafür das Starter Kit Plus an. Dieses beschränkt sich jedoch nicht nur auf die neue Verkabelung, sondern zeigt auch, wie die direkte Integration von Sensoren und Aktoren in übergeordnete IT-Systeme möglich ist.
 Das Starter Kit Plus enthält alle Komponenten für die direkte Einbindung von Sensoren in ein lokales Netzwerk und ermöglicht z.B. die Nutzung über einen Browser.
Das Starter Kit Plus enthält alle Komponenten für die direkte Einbindung von Sensoren in ein lokales Netzwerk und ermöglicht z.B. die Nutzung über einen Browser.Bild: Perinet GmbH

Im Starter Kit Plus werden ein Schütz und ein Distanzsensor digitalisiert. Um diese netzwerkfähig zu machen, erfolgt der Anschluss an smarte Adapter (PeriNodes). Das heißt, Schütz und Distanzsensor verwandeln sich in aktive Netzwerkteilnehmer – oder anders gesagt – in kleine Server. Weiterhin gibt es im Starter Kit Plus einen Edge-Computer (PeriMica), welcher virtualisierte Anwendungen hosten kann. Es ist also ein Mini-Rechenzentrum in einer Box. Auf diesem Edge Computer werden die übergeordneten Anwendungen gehostet, welche typischerweise in IoT-Applikationen zu finden sind, namentlich Datendrehscheibe, Knotenmanagement, Anwendungslogik und ein Dashboard. Die Verbindung von Sensoren und Edge-PC erfolgt über SPE und zeigt, wie man auch komplexere Strukturen (Baum/Linie) mittels Single Pair Ethernet aufbauen kann. Dabei werden über das Kabel sowohl die Daten übertragen als auch die Sensoren/Aktoren mit Energie versorgt.

Bild: Perinet GmbH

Was wird gezeigt?

In IoT-Anwendungen interagieren Programme auf verschiedenen Computern miteinander. Das Starter Kit Plus zeigt genau solch eine verteilte Anwendung. Durch die Netzwerkkommunikation sind Funktionen im Gegensatz zu klassischen SPS-Ansätzen nicht mehr ortsgebunden. Die Funktionen können dort platziert werden, wo es am günstigsten ist, wenn man notwendige Rechenleistung, benötigte Netzwerkbandbreite, Variabilität der Fertigung und erforderliche Verarbeitungslatenz berücksichtigt. Dies ermöglicht wesentlich effizientere Umsetzungen von Steuerungen als bisher. Des Weiteren lassen sich die weit verteilten Anwendungen in einer einzigen Soft-SPS zentralisieren. Mit dem Starter Kit Plus wird die Einfachheit der Kommunikation zwischen IT-Systemen und Sensoren bzw. Aktoren deutlich. So kann der Browser des Benutzers direkt auf den Sensor zugreifen und den aktuellen Wert darstellen. Aufgrund der durchgängigen Kommunikation entfallen bisher notwendige Zwischensysteme.

 Das integrierbare PeriCore-Netzwerkmodul bringt Peripheriekomponenten nahtlos ins IoT.
Das integrierbare PeriCore-Netzwerkmodul bringt Peripheriekomponenten nahtlos ins IoT.Bild: Perinet GmbH

Intelligente Sensoren

Die Sensoren im Starter Kit Plus können mit Hilfe der PeriNodes selbstständig agieren und ermöglichen so die Datenaufbereitung im Sensor, eine ereignisbasierte Kommunikation und eine verbesserte Datensicherheit. Das heißt der Sensor kann nun aufbereitete Daten liefern. Im Fall des Distanzsensors ist es die Entfernung in einem einheitsbasierten Wert, z.B. in Millimeter. Dies erleichtert die Verarbeitung an einem entfernten Ort. Denn dem Regelalgorithmus muss ja die Entfernung bekannt sein, nicht aber der konkrete Sensortyp, der zur Messung genutzt wurde. Diese Verarbeitung wird zusätzlich durch Kontextinformation wie Ort, Zeit und Toleranz erleichtert, welche nun mit den Daten gesendet werden können. Aus Rohdaten werden somit einfach zu verarbeitende selbstbeschreibende Daten. Durch die mögliche Filterung von Daten im Sensor, z.B. der Entprellung von Eingängen, werden aus Daten schon im Sensor Informationen. Der Sensor kann selbstständig nach Bedarf Daten übermitteln und muss nicht in hoher Frequenz abgefragt werden. Der Schaltzustand des Schützes wird nur übermittelt, wenn er sich ändert und der Aktor nur angesteuert, wenn eine Zustandsänderung nötig wird. Dies senkt die erforderliche Datenrate massiv gegenüber der zyklischen Abfrage durch eine SPS. Das Starter Kit Plus zeigt nicht zuletzt die Datenabsicherung innerhalb einer IoT Applikation. Es werden aktuelle verschlüsselte IT-Protokolle wie HTTPS und MQTTS benutzt und die Authentifizierung erfolgt zertifikatbasiert. So ist die Datensicherheit in dieser Anwendung vielfach höher als in üblichen Automatisierungslösungen. Dabei ist die Nutzung einfach, da die IT-Gegenstellen, z.B. der Browser, diese Mechanismen direkt unterstützen.

Grenzen des Netzwerkes

Die Echtzeitfähigkeit in Maschinensteuerungen ist eine Grundanforderung, jedoch lohnt es sich zwischen Schnelligkeit und Determinismus zu unterscheiden. Eine schnelle Kommunikation ist über Netzwerk problemlos möglich, im Falle des Starter Kit Plus mit 100MBit/s. Für den Determinismus (garantierte Latenzen) ist die Nutzung von TSN möglich, aber aufgrund des aufwändigen Managements verliert man die vielen Vorteile des klassischen IT-Netzwerkes. In den meisten Fällen wird es einfacher sein, kritische Echtzeitfunktionen in autarke Subsysteme auszulagern, was auch heute schon gemacht wird. So steuert die SPS nicht mehr den Motorstrom, sondern sagt dem Motor welche Drehzahl er halten soll. Außerdem ist die überwiegende Anzahl von Sensoren und Aktoren, z.B. zur In-Place-Detektion und zur Freigabe, nicht echtzeitkritisch.

Fazit

Das Starter Kit Plus zeigt anschaulich, wie mit verfügbaren Komponenten Sensoren und Aktoren durch SPE direkt in IoT-Applikationen eingebunden werden können. Die Bedeutung geht dabei aber weit über die eines neuen Übertragungsmediums hinaus. Die Rolle von – und die Kommunikation mit – Sensoren bzw. Aktoren ändert sich dadurch fundamental, und somit vereinfacht sich die Digitalisierung von Gesamtprozessen in Unternehmen massiv und nachhaltig.

Das PeriCore Development Kit bietet eine voll ausgestattete Entwicklungsumgebung. Es dient der anwendungsspezifischen Firmware-Entwicklung für das SPE-Kommunikationsmodul. Durch seinen modularen Hardwareaufbau unterstützt das Development Kit alle Schnittstellen des Moduls in verschiedenen Kombinationen. Die modulare Hardware macht es einfach, das Development Kit mit kundenspezifischen Schnittstellen, z.B. für dedizierte Sensoren, zu erweitern. Das Kit wird mit Hardware- und Softwarekomponenten geliefert.

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