Hohe Datenraten vom Sensor bis zur Cloud managen Interoperabilität geht über alles

Der Wunsch nach höherer Effizienz und besserer Ressourcennutzung führt dazu, dass Produktionsprozesse immer vernetzter und intelligenter werden. Diese Entwicklung wird den Bedarf an zuverlässiger Kommunikationsinfrastruktur weiter erhöhen. Zugleich gewinnen innerhalb der Automation auch Digitalisierungsdienste, wie die vorausschauende Wartung und die künstliche Intelligenz an Bedeutung. Innerhalb von Industrie 4.0 werden Teilprozesse immer tiefer integriert, und der Zugriff auf Daten und Erkenntnisse verbessert, um Abläufe zu optimieren. Die M2M-Kommunikation spielt hier eine entscheidende Rolle und es kommt darauf an, eine nahtlose Interoperabilität und Integration zu erzielen.

In der Fabrik der Zukunft ermöglicht die M2M-Kommunikation den Maschinen, autonom Entscheidungen über mögliche Aktionen innerhalb bestimmter Muster und Regeln zu treffen, um die betriebliche Effizienz zu erhöhen. Das industrielle Internet der Dinge (Industrial Internet of Things, IIoT) basiert auf Maschinen und Geräten, die mit Sensoren und intelligenter, KI-basierter Software ausgestattet sind. Nur so kommt man dem Ziel näher, lernfähige Maschinen zu erschaffen, die in der Lage sind, Daten in Echtzeit zu generieren und zu übermitteln, um Produktionsaktivitäten zu koordinieren und komplexe Optimierungsaufgaben zu bewältigen. Hierfür ist eine interoperable Konnektivität erforderlich, die eine bidirektionale Kommunikation von der Sensor- bzw. Feldebene bis zur Cloud unterstützt.

Die Digitalisierung im IIoT, die mit hohen Anforderungen an die Leistung und Bandbreite einhergeht, hat erhebliche Auswirkungen auf die Prozesssteuerung und die Automatisierung bis hin zum Edge Computing. Im Moment zeichnet sich der Trend ab, dass zukünftig dezentrale Systeme – basierend auf Clustern oder Subsystemen – die Echtzeitkommunikation übernehmen werden. Die zunehmenden Interaktionen zwischen diesen Subsystemen führt zu einer Verschmelzung von IT (Information Technology) und OT (Operation Technology). Deshalb ist eine zuverlässige Konnektivität, die auch in miniaturisierte Sensoren integriert werden kann, wichtiger denn je. RJ45-Schnittstellen als Anschlussstandard kommen in industriellen Anwendungen daher inzwischen an ihre Grenzen und sind nicht mehr zeitgemäß oder in einigen Applikationen gar nicht mehr nutzbar.

Viele Bussysteme und Protokolle am Limit

Auch heute noch sind Bussysteme weit verbreitet, die Signale nur mit Verzögerung übertragen und deshalb keine Möglichkeiten für Echtzeit-Entscheidungen bieten. Feldgeräte wie Sensoren und Aktoren können oft nicht direkt mit allen anderen Netzwerk-Teilnehmern kommunizieren, da analoge Technologien und Feldbusse nicht dieselbe „Sprache sprechen“ wie das (High-Speed-) Ethernet. Üblicherweise kommen dann Gateways zum Einsatz, die verschiedene Kommunikationsprotokolle miteinander verbinden – eine suboptimale Lösung, denn mittlerweile sind die Anforderungen an die industrielle Kommunikation erheblich gestiegen.

Die aktuellen IIoT-Netzwerke werden immer komplexer – die Anzahl der Geräte in dezentralen Netzwerken nimmt zu, ebenso der Trend zur Miniaturisierung. Schon heute gelten die üblichen 2- bzw. 4-Paar-Ethernetkabel als unhandlich, wenn es darum geht, die Ethernet-basierte Kommunikation bis in die letzte Ecke der Produktion zu bringen, ggf. bis zum Greifer am Roboter und zum Werkzeug. Zugleich steigt der Bedarf an staub- und wasserbeständigen Anschlusslösungen in Schutzart IP67, die für raue industrielle Umgebungsbedingungen geeignet sind.

Paradigmenwechsel deutet sich an

Als ein bedeutender Durchbruch bei der Verbesserung der M2M-Kommunikation und der Bereitstellung einer größeren Interoperabilität gilt derzeit das hybride industrielle Single Pair Ethernet (SPE) und der Wechsel von Standard-Gigabit-Ethernet und Feldbussystemen auf SPE. TE Connectivity (TE) war von Anfang an einer der Innovationstreiber im SPE Industrial Partner Network und im Rahmen der Gremienarbeit aktiv an der Standardisierung beteiligt. Der neue SPE-Standard ermöglicht eine nahezu barrierefreie Kommunikation der Feldgeräte am Netzwerkrand (Edge) bis zur Cloud. SPE schließt die Kommunikationslücke auf der Ebene der Feldgeräte und macht die M2M-Kommunikation transparenter.

Mit einer Hybridschnittstelle ermöglicht SPE in der Industrie die Daten- und Energieübertragung über ein einziges Kabel. Es bietet im industriellen Internet der Dinge eine beeindruckende Datenübertragung von bis zu 1 Gbps und eine Stromversorgung von bis zu 16 A. Ingenieure können mit diesen Lösungen die M2M-Kommunikation nahezu ohne Datenverlust optimieren und die Rechenleistung bis an die Edge dezentralisieren. Die weite Verbreitung und der De-facto-Standard des M8 und M1 in der Industrie ermöglicht eine einfache und schnelle Integration von SPE-Verbindungen im identischen Format.

Zukunftsfähig mit Hybrid-Steckverbindern

TE bietet ein breites Portfolio an Produkten und Lösungen für robuste SPE-Verbindungen, die wasser- und staubabweisend sind und starken Vibrationen, Stößen und Hitze standhalten, so dass Daten zuverlässig übertragen und Ausfallzeiten minimiert werden. Mit den neuen SPE-Steckverbindern und -Kabeln von TE lässt sich ein zukunftsfähiges, weitgehend barrierefreies System vom Sensor bis zur Cloud und eine grundsätzlich nahtlose M2M-Kommunikation realisieren.

M8-Hybrid-Steckverbinder und Hybridkabel gemäß IEC 63171-6 unterstützen eine Konfiguration, die aus einem SPE-Datenpaar für die Datenübertragung und einem separaten Leistungspaar für die Stromversorgung der Endgeräte besteht. Der Haupteinsatzbereich dieser hybriden M8-Lösung sind Anwendungen, die flexible geschirmte Kabel für Entfernungen bis zu 40 Metern und hohe Leistungspegel am Gerät erfordern. M8-Hybrid-Steckverbinder bieten eine gute Möglichkeit zur Vernetzung von Sensoren und Aktoren in rauen industriellen Applikationen.

TE arbeitet derzeit außerdem an hybriden Schnittstellen mit SPE- und Power-Kontakten im M12-Format. Dieses kann dank größerer Abmessungen eine höhere Spannung und einen höheren Strom übertragen. Der von TE initiierte internationale Standard IEC 63171-7 wurde Mitte des Jahres 2023 verabschiedet und beschreibt ein solches Kabel mit verschiedenen M12-Steckverbindern für diverse Anwendungsfälle. Da der M12-Steckverbinder in der Industrie bereits weit verbreitet ist, kann dieser Standard einfach in der Praxis angewendet werden.

Fazit

Die Umsetzung der IEC 63171-7 ist ein weiterer Schritt, um die Potenziale von Industrie 4.0 noch besser auszuschöpfen. Die schlanke, leichte und zugleich leistungsstarke SPE-Vernetzungslösung bietet Unternehmen die Möglichkeit zur Digitalisierung auf Feldebene. TE konzentriert sich darauf, eine noch breitere Palette an Hybridtechnologien für die Automatisierung und Steuerung auf den Markt zu bringen. Das Portfolio soll zukünftig bis zum Formfaktor M40 reichen. Zugleich arbeitet TE an intelligenten Steckverbindungen mit zusätzlichen Funktionen.