Weg vom Feldbus und hin zur IT:

Sensoren einfach und sicher vernetzen

Single Pair Ethernet (SPE) und standardisierte Mikroserver machen es möglich: Sensoren können mit geringstem Aufwand auch über größere Entfernungen direkt in eine Edge- oder Cloud-basierende IT eingebunden werden. Der aufwändige Weg über Feldbusse entfällt und die Schnittstelle zum Sensor kann einschließlich Verschlüsselung einfach über Webbrowser konfiguriert werden.
 Kommunikationsmodul Pericore in der Bauform einer SOC-Platine des Herstellers Perinet mit Blockschaltbild.
Kommunikationsmodul Pericore in der Bauform einer SOC-Platine des Herstellers Perinet mit Blockschaltbild.Bild: Perinet GmbH

Mit Industrie 4.0 setzt sich der Trend fort, nicht nur einzelne Systeme, sondern ganze Prozessketten via Cloud zu steuern und zu optimieren. Hierzu müssen vielfältige, teils relativ weit voneinander entfernte Sensordaten beteiligter Systeme einbezogen und ausgewertet werden. Erfolgt die Anbindung über Feldbusse, so muss die zur Vernetzung notwendige Infrastruktur aufwändig nachgerüstet werden. Das erfordert oft spezielle Kabel und immer einen hohen Aufwand, die entsprechenden Sensoren an das jeweilige Bussystem anzupassen bzw. entsprechend smart zu machen. Speziell in der Anlagen- und in der Gebäudetechnik können hier schnell hohe Kosten entstehen.

Zu berücksichtigen ist auch, dass solche Systeme regelmäßig gewartet und dabei immer wieder an den aktuellen Stand der Technik angepasst werden müssen. Beispielsweise ist Verschlüsselung bisher nur bei wenigen Feldbussystemen standardmäßig integriert. Entsprechende Sonderwünsche und der (Software-) Wartungsaufwand über die Zeit können den Betrieb solcher Systeme und damit die Gesamtkosten stark verteuern.

 Pericore Development Board und Software Architektur
Pericore Development Board und Software ArchitekturBild: Perinet GmbH

Mit Mikroservern netzwerkfähig machen

Einfacher und kostengünstiger ist es in den meisten Fällen, entweder gleich smarte, direkt internetfähige Sensoren zu verbauen oder bestehende Sensorlösungen, basierend auf Standardkomponenten und -technologien, selbst netzwerkfähig zu machen. Bei letzterem Ansatz ist es wichtig, darauf zu achten, dass die Lösung auf Standards basiert, für den Benutzer transparent ist und gut skaliert. Geeignet sind hierzu Mikroserver, die nur geringen Wartungsaufwand verlangen, der dann auch vollständig vom Lieferanten bzw. dem Kunden selbst abgedeckt werden kann und keine besonderen Ansprüche an die benötigte Infrastruktur stellt.

Bild: Perinet GmbH

Flexibel, robust und preisgünstig: SPE mit 100BaseT1

Zur IT-basierten Vernetzung von Sensoren und Aktoren in Anlagen und Gebäuden steht mit Single Pair Ethernet eine neue Technologie in den Startlöchern, welche sich bereits in Automotive-Anwendungen erfolgreich etabliert hat. SPE zeichnet sich durch kostengünstige, einfach und in engen Radien verlegbare Leitungen und in Verbindung mit 100BaseT1 durch gute Performance aus. Die Ausführung als hybrides Kabel mit einem zusätzlichen Adernpaar für die Stromversorgung ermöglicht praktisch beliebige Topologien und eine störungsfreie Speisung benötigter Elektronik ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand. So lassen sich derzeit in der Praxis selbst mit ungeschirmten Cat5-Kabeln größere Kabellängen bis etwa 300m erreichen.

Was liegt also näher, als diese Infrastruktur zu nutzen, um auch die entferntesten Sensoren und Aktoren über Intra- und Internet in die IT einzubinden? Benötigt werden dazu Mikroserver, welche vom Sensor kommende (bzw. an einen Aktor fließende) Daten so aufbereiten, dass sie über eine genormte IT-Infrastruktur kommuniziert werden können.

Bild: Perinet GmbH

SPE-Modul als Herzstück der Anbindung

Heutige Microcomputer gibt es als System-on-Chip (SOC) in einer Baugröße, die nur so groß wie ein Fingernagel ist. Dennoch können sie über eine Leistungsfähigkeit verfügen, wie sie in der Anfangszeit des Internets ein kompletter Desktop-Computer hatte, und dies bei einer Leistungsaufnahme von weit unter einem Watt.

Das hier vorgestellte Kommunikationsmodul des deutschen Herstellers Perinet besteht aus einem ARM Cortex R4 SOC mit Watchdog, Flash, 24V-Netzteil und Netzwerk- und Peripherieinterfaces. Aktuell ist es in zwei Bauformen verfügbar: Einerseits als SOC-Platine mit Abmessungen von nur 13×16,7×3,8mm (Pericore) oder eingebettet in einen vierpoligen SPE-M8-Rundstecker bzw. Adapter (Perinode).

Diese von der IEC-normierten vierpoligen M8-Rundstecker zeichnen sich durch Robustheit, kleine Baugröße und günstigen Preis aus. Die Perinode Adapter sind in folgenden Varianten für verschiedene Sensoranschlüsse erhältlich: Mit 4-Pin-M12-Sensorstecker (A-codiert) für Pt100-Sensoren, mit 4-Pin-M12-Sensorstecker (A-codiert) für 0-10V-Spannungsinterfaces oder mit vier Anschlussleitungen für GPIO-Interfaces.

Die Module können von der SPE-Seite her angesprochen und einfach per Webbrowser konfiguriert werden. Hierzu gibt es jeweils ein Starterset, das neben dem Sensor/Aktor, dem entsprechenden Mikroserver und den passenden Kabeln auch noch einen Peristart Medienkonverter mit einem passenden Netzteil enthält. Der Medienkonverter ermöglicht einerseits den Anschluss des lokalen SPE-Netzwerks an ein Standard-Fast-Ethernet-Netzwerk (100Base-TX) und koppelt andererseits die Versorgungsspannung in das lokale hybride SPE-Netzwerk (100Base-T1).

Alternativ zum Medienkonverter können auch Standard-100Base-T1-Router oder Switches oder ein leistungsfähiger modularer Perimica Edge Computer für die SPE-Anbindung genutzt werden. Mit dem Periswitch 3-port lässt sich eine Vielzahl von Modulen bzw. Sensoren ganz einfach mit einer einzigen seriellen SPE-Leitung verbinden, was die Installation in vielen Fällen deutlich vereinfacht (Point to Multi-Point, PtMP).

Bild: Perinet GmbH

Vielseitige Lösung für kundenspezifischen Einsatz

Jedes einzelne Kommunikationsmodul lässt sich mit einem benutzerfreundlichen Webinterface individuell konfigurieren und an die jeweilige Aufgabenstellung und den verwendeten Sensor anpassen. So können etwa Sensoren kalibriert und geeicht, Eingangsdaten gesampelt und vorverarbeitet bzw. konvertiert werden und es lassen sich verschiedene Kommunikationsarten realisieren: Push/pull, asynchron/synchron und vieles mehr. Dadurch lassen sich vormals passive Sensoren und Aktoren einfach in intelligente Geräte (Smart Sensors) verwandeln, die ereignisbasiert arbeiten können. Die komplette Netzwerktechnik hierzu, einschließlich modernster Sicherheits- und Firmwareverwaltung, ist bereits schlüsselfertig implementiert und damit sofort einsatzbereit.

Mit dem zusätzlich verfügbaren Pericore Development Kit können mit geringem Aufwand weitere spezifische Anpassungen für das Pericore-SPE-Kommunikationsmodul bis hin zu eigener, anwendungsspezifischer Firmware erstellt werden. Das Development Kit bietet hierzu eine voll ausgestattete Entwicklungsumgebung. Durch seinen modularen Hardwareaufbau unterstützt das darin enthaltene Development Board alle Schnittstellen des Pericore Moduls in einer Vielzahl von Kombinationen. Der modulare Aufbau von Hard- und Software macht es einfach, das Kit mit kundenspezifischen Schnittstellen, z.B. für dedizierte Sensoren, zu erweitern. Es wird mit allen benötigten Hardware- und Softwarekomponenten geliefert. In Verbindung mit dem Perimica Edge Computer ist auch remote Development ganz einfach möglich.

Einfach und sicher in der Anwendung

Mit der vorgestellten Lösung kann praktisch jeder Sensor innerhalb kurzer Zeit und ohne Programmierkenntnisse (Low Code) zu einem selbstständig kommunizierenden Device im Internet aufgerüstet werden. Ungewöhnlich ist dabei die benutzerfreundliche volle Integration einer leistungsfähigen 256Bit-End-to-End Verschlüsselung, die eine sichere Nutzung bereits vorhandener Intranet- und Internet-Ressourcen ermöglicht. Die Intelligenz der Kommunikationsmodule erlaubt eine Vielfalt von Kommunikationsarten und kann dabei den notwendigen Datenverkehr auf ein Minimum reduzieren. Das konsequente Setzen auf bestehende Standards, insbesondere hybrides SPE, ermöglicht schnellen und kostengünstigen Aufbau neuer, bzw. Aufrüstung bestehender Systeme.

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