Neues Single-Pair-Ethernet (SPE)
Hochwertige Einblicke in den Anlagenzustand und Strom auf zwei Leitungen für Condition Monitoring-Anwendungen
Maurice O’Brien, Leiter Strategisches Marketing bei Analog Devices Inc. (ADI)
Die Bedeutung der Zustandsüberwachung in intelligenten Industrien
Kontinuierliche Echtzeit-Zustandsüberwachung und vorausschauende Wartungslösungen gewinnen immer mehr an Bedeutung, da Hersteller und Anlagenbetreiber versuchen, den Durchsatz zu erhöhen und gleichzeitig Wartungskosten und Ausfallzeiten zu reduzieren. Die Zustandsüberwachung kann die Lebensdauer von Anlagen verlängern, die Fertigungsqualität verbessern und die Sicherheit in Produktionsanlagen erhöhen.
In Anbetracht der Tatsache, daß ungeplante Ausfallzeiten fast ein Viertel der gesamten Produktionskosten ausmachen können, hat die vorausschauende Wartung das Potenzial, erhebliche Einsparungen und Produktivitätssteigerungen zu ermöglichen. [1]
Marktberichte aus der Industrie, die sich auf Zustandsüberwachung und vorausschauende Wartung konzentrieren, durchschnittliche jährliche Wachstumsraten (Compound Annual Growth Rates CAGR) von 25 bis 40 %, die von zwei Wachstumsbereichen angetrieben werden. Der erste ist der verstärkte Einsatz von intelligenten Sensoren zur Überwachung des Anlagenzustands. Der zweite Wachstumsbereich ist der verstärkte Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI) und fortschrittlicher Analytik, um Daten über den Anlagenzustand in verwertbare Erkenntnisse für die vorausschauende Wartung umzuwandeln und neue Geschäftsmodelle für servicebasierte, vorausschauende Wartung zu schaffen. Das Wachstum bei neuen Zustandsüberwachungsanwendungen wird sich über mehrere Branchen erstrecken, darunter:
– Abfall- und Abwasserbehandlung
– Fertigung
– Papier und Zellstoff
– Lebensmittel- und Getränkeindustrie
– Pharmazeutische Industrie
– Metall und Bergbau
– Energie
– Öl- und Gasanlagen
Innerhalb dieser Branchen erweitern sich die Anwendungen für die Zustandsüberwachung über die traditionellen Anwendungen für rotierende Maschinen (Pumpen, Kompressoren und Lüfter) hinaus auf neue Anwendungen in CNC-Maschinen, Werkzeugmaschinen, Drehgebern, Förderbändern, Robotern und Instrumenten (siehe Abbildung 1).
Bestehende Kommunikationsherausforderungen
Die Konnektivität von intelligenten Sensoren zu übergeordneten Managementsystemen ist eine der größten Herausforderungen für Condition-Monitoring-Anwendungen. Bislang wurden für Condition-Monitoring-Anwendungen je nach den Anforderungen der Endanwendung drahtgebundene oder drahtlose Verbindungslösungen verwendet. Drahtlose Konnektivitätslösungen haben Vorteile in Bezug auf die einfache Bereitstellung, sind aber oft in Bezug auf die Bandbreite und/oder die Batterielebensdauer begrenzt. Kabelgebundene Konnektivitätslösungen sind manchmal in der Datenbandbreite begrenzt, und große Entfernungen in rauen industriellen Umgebungen werden nicht immer unterstützt und erfordern oft ein separates Kabel für die Stromversorgung.
Bestehende Industrial-Ethernet-Lösungen, die auf 100BASE-TX/10BASE-T basieren, bieten eine hohe Datenbandbreite von bis zu 100 Mb und eine Stromversorgung über ein Cat-5- oder Cat-6e-Kabel mit PoE, sind aber auf eine Entfernung von 100 m beschränkt und unterstützen keine Anwendungsfälle in explosionsgefährdeten Bereichen, da es sich um Lösungen mit hoher Stromversorgung handelt. Anwendungen zur Zustandsüberwachung erfordern Unterstützung für potenziell entfernte Sensoren, die eine robuste Kommunikation über eine große Entfernung benötigen, wenn sich der Sensorknoten aufgrund der rauen industriellen Umgebung, in der er eingesetzt wird, in einem IP66/IP67-Gehäuse mit eingeschränktem Platz- und Stromverbrauch befindet. Diese eingeschränkten Sensorknotenanwendungen benötigen eine Kommunikationslösung mit geringem Stromverbrauch und hoher Datenbandbreite, die sowohl Strom als auch Daten über ein kostengünstiges, einfach zu installierendes Kabel mit einem kleinen Kabelstecker an den Sensorknoten liefert.
Abbildung 1. Anwendungen zur Zustandsüberwachung.
Neue Konnektivitätslösungen mit Single Pair Ethernet
Neue Single Pair Ethernet (SPE) Physical Layer Standards, die vom IEEE entwickelt wurden, bieten neue Konnektivitätslösungen für die Übermittlung von Informationen über den Zustand von Anlagen für Condition Monitoring-Anwendungen. 10BASE-T1L ist ein neuer Ethernet-Physical-Layer-Standard (IEEE 802.3cg-2019), der am 7. November 2019 von der IEEE verabschiedet wurde. Er wird die Automatisierungsbranche dramatisch verändern, indem er die betriebliche Effizienz durch nahtlose Ethernet-Konnektivität zu Anlagen auf Feldebene deutlich verbessert. 10BASE-T1L löst die Herausforderungen, die bisher den Einsatz von Ethernet an den Anlagen im Feld begrenzt haben. Zu diesen Herausforderungen gehören Stromversorgung, Bandbreite, Verkabelung, Entfernung, Dateninseln und Anwendungen in der eigensicheren Zone 0 (Gefahrenbereiche). Durch die Lösung dieser Herausforderungen sowohl bei Nachrüstungen als auch bei Neuinstallationen auf der grünen Wiese ermöglicht 10BASE-T1L neue Einblicke in den Anlagenzustand, die bisher nicht verfügbar waren, und kommuniziert diese nahtlos an die Steuerungsebene und an die Cloud bzw. den privaten Server. Diese neuen Erkenntnisse eröffnen neue Möglichkeiten für die Datenanalyse, betriebliche Erkenntnisse und Produktivitätsverbesserungen durch ein konvergentes Ethernet-Netzwerk von den Anlagen im Feld bis zur Cloud oder zum privaten Server (siehe Abbildung 2).
Abbildung 2. Einblicke in den Anlagenzustand über ein konvergiertes IT/OT-Netzwerk.
Vorteile der 10BASE-T1L-Ethernet-Konnektivität
10BASE-T1L macht komplexe, stromhungrige Gateways überflüssig, die bei älteren Kommunikationslösungen für die Verbindung mit dem Steuerungs- und Verwaltungsnetzwerk erforderlich sind, und ermöglicht ein konvergentes Ethernet-Netzwerk über die Netzwerke der Informations-Technologie (IT) und der Betriebs-Technologie (OT – Operating Technology).
Dieses konvergente Netzwerk bietet eine vereinfachte Installation, einen einfachen Geräteaustausch und eine schnellere Netzwerkinbetriebnahme und -konfiguration. Dies führt zu schnelleren Software-Updates mit vereinfachter Ursachenanalyse und Wartung von Anlagen auf Feldebene. Die physikalische Schicht 10BASE-T1L in Kombination mit dem Messaging-Queuing-Transport-Telemetrie (MQTT) Protokoll bietet ein Messaging-Protokoll für Feldanlagen mit geringem Speicherbedarf für intelligente Sensoren mit geringerem Stromverbrauch. MQTT ermöglicht die direkte Verbindung von Daten über den Zustand von Anlagen mit der Cloud oder einem privaten Server für erweiterte Datenanalysen für vorausschauende Wartungstechniken.
Für die Kommunikation mit einer 10BASE-T1L-fähigen Feldanlage ist ein Host-Prozessor mit integrierter Medium Access Control (MAC), ein passiver Medienkonverter oder ein Switch mit 10BASE-T1L-Ports erforderlich. Zusätzliche Software, spezielle Treiber oder angepaßte TCP/IP-Stacks sind nicht erforderlich (siehe Abbildung 3). Daraus ergeben sich klare Vorteile für 10BASE-T1L-Geräte:
– 10BASE-T1L ist eine Physical-Layer-Technologie mit sehr geringem Stromverbrauch,
die den Einsatz von Smart-Sensoren mit einer Verbindungslösung mit hoher Daten-
Bandbreite ermöglicht.
– Ein mit 10BASE-T1L verbundener intelligenter Sensor ist über das Netzwerk erreichbar
und kann jederzeit und überall aus der Ferne aktualisiert werden. Da die Sensoren immer
komplexer werden, steigt die Wahrscheinlichkeit von Software-Updates. Updates sind nun
innerhalb realistischer Zeiträume über eine schnelle Ethernet-Verbindung möglich.
– Zugriff auf erweiterte Ethernet-Netzwerkdiagnosetools zur Vereinfachung der
Ursachenanalyse.
– Erhöhte Flexibilität bei der Installation von intelligenten Sensoren über ein einziges
Twisted-Pair-Kabel bis zu 1 km und darüber hinaus, mit Stromversorgung und Daten
auf einem einzigen Twisted-Pair-Kabel.
– Einblicke in den Anlagenzustand sind jetzt per Fernzugriff über einen Webserver verfügbar,
der auf der Anlage im Feld läuft, wodurch ein Wartungstechniker nicht mehr zur
Überwachung des Anlagenzustands auf die Etage gehen muß – eine erhebliche
Kostenersparnis.
Abbildung 3. Smart-Sensor-Konnektivität im Feld mit einem 10BASE-T1L PHY.
10BASE-T1L, Strom und Daten auf zwei Drähten
Der ADIN1100, der 10BASE-T1L-PHY von ADI, ermöglicht Ethernet-Konnektivität mit geringerem Stromverbrauch auf einem einzigen Twisted-Pair-Kabel, das über 1000 m lang ist, bei nur 39 mW Leistungsaufnahme. Single-Pair-Power-over-Ethernet (SPoE) oder Engineered-Power-Lösungen in Kombination mit einem 10BASE-T1L-PHY liefern sowohl Strom als auch Daten über ein einziges Twisted-Pair-Kabel. Eine Kommunikationsverbindung mit einer Datenbandbreite von 10 Mb und einer beträchtlichen Stromversorgungsfähigkeit über dasselbe Kabel ermöglicht intelligenten Sensoren die Stromversorgungs- und Konnektivitätsbandbreite zur Unterstützung neuer Zustandsüberwachungsanwendungen. Mit der 10BASE-T1L-Konnektivität sind Erkenntnisse über den Anlagenzustand jetzt leichter zugänglich, da die Erkenntnisse über ein konvergiertes IT/OT-Ethernet-Netzwerk verfügbar sind. 10BASE-T1L unterstützt Anwendungen in explosionsgefährdeten Bereichen (eigensichere Zone 0) für die Prozeßautomatisierung und wird manchmal auch als Ethernet-APL bezeichnet. 10BASE-T1L/Ethernet-APL ermöglicht neue Lösungen mit geringerem Stromverbrauch, um intelligente Sensoren zur Überwachung des Anlagenzustands mit Datenmanagementsystemen auf höherer Ebene zu verbinden. Dies ermöglicht KI (Künstliche Intelligenz) und fortschrittliche Analysesysteme, um Daten zum Anlagenzustand in verwertbare Erkenntnisse umzuwandeln und neue prädiktive Wartungsdienste einzusetzen.
Systemlösungen und KI-Plattformen zur Beschleunigung von Condition Monitoring-Implementierungen
Komplette Lösungen auf Systemebene für Condition-Monitoring-Anwendungen werden der Schlüssel sein, um eine höhere Qualität der Daten und Erkenntnisse zu ermöglichen und damit die Fertigungsprozesse deutlich zu verbessern. Fortschritte bei 10BASE-T1L/Ethernet-APL, gekoppelt mit einer KI-gesteuerten Echtzeit-Sensortechnologie wie ADI OtoSense™, können die Integration von KI auf allen Ebenen der Kundensysteme ermöglichen. Die ADI OtoSense-Plattform erfaßt und interpretiert Geräusche, Vibrationen, Druck, Strom oder Temperatur, um eine kontinuierliche, zustandsbasierte Überwachung und On-Demand-Diagnose zu ermöglichen. Das System arbeitet direkt an der Anlage vor Ort, in Echtzeit, sowohl online als auch offline. Das ADI OtoSense™-System erkennt Anomalien und lernt aus der Interaktion mit Condition-Monitoring-Domänenexperten, während es einen digitalen Fingerabdruck erstellt, um Fehler in einer Maschine zu identifizieren, sodaß es Ausfälle vorhersagen kann, bevor sie kostspielige Ausfallzeiten, Schäden oder katastrophale Ausfälle verursachen.
Fortschritte in den Bereichen Sensorik, Signalverarbeitung, Konnektivität, mechanische Aufbautechniken und Künstliche Intelligenz ermöglichen neue Zustandsüberwachungslösungen und vorausschauende Wartungsdienste, die erhebliche Einsparungen und Produktivitätsverbesserungen ermöglichen werden.
Neue Lösungen auf Systemebene für Zustandsüberwachungsanwendungen umfassen MEMS-Sensoren für die Erkennung von Vibrationen und Stößen, Präzisionswandlertechnologien für die Datenerfassung und Edge-Processing für die Erstellung hochwertiger Daten zum Anlagenzustand. Robuste drahtgebundene und drahtlose Kommunikationslösungen mit geringem Stromverbrauch ermöglichen den Zugriff auf die Zustandsdaten der Anlage.
Zu den drahtlosen Kommunikations-Lösungen gehören SmartMesh® oder WirelessHART®.
Zu den drahtgebundenen Kommunikations-Lösungen gehören RS-485 oder 10BASE-T1L Single Pair Ethernet, das Strom und Daten auf zwei Drähten bereitstellt. Diese Technologien werden zusammen mit einem leistungsstarken Energiemanagement in Anlagenüberwachungslösungen kombiniert (z.B. ADI OtoSense™-Technologie), bei denen es sich um komplette Hardware- und KI-Überwachungs-Lösungen handelt, die für die vorausschauende Wartung an Anlagen montiert werden können (siehe Abbildung 4).
Abbildung 4. Die Möglichkeiten der Zustandsüberwachung von Analog Devices.
Qualitativ hochwertigere Einblicke in den Anlagenzustand und schnellere Konnektivität verlängern die Lebensdauer von Anlagen, reduzieren die Wartungskosten und eliminieren ungeplante Ausfallzeiten, während gleichzeitig höchste Fertigungsqualität und Sicherheit in intelligenten Fabriken gewährleistet werden.
Um mehr über Komplettlösungen auf Systemebene und Angebote für Künstliche Intelligenz für Condition-Monitoring-Anwendungen zu erfahren und darüber, wie ADI Kunden und Partner bei der schnellen Entwicklung und Implementierung einer servicebasierten End-to-End-Lösung für Überwachung und vorausschauende Wartung unterstützen kann, besuchen Sie bitte www.analog.com/cbm.
Referenzen
[1] “The Costs and Benefits of Advanced Maintenance in Manufacturing. U.S. Department of Commerce, April 2018.
Über den Autor
Maurice O’Brien ist strategischer Marketingmanager für Industrieautomation bei Analog Devices. Er ist verantwortlich für die Bereitstellung von Lösungen auf Systemebene, die sich auf die industrielle Automatisierung konzentrieren. Vor dieser Rolle arbeitete Maurice 3 Jahre lang an Industrial Ethernet und 15 Jahre lang in Anwendungs- und Marketingrollen im Power Management bei Analog Devices. Er hat einen Abschluß als Wirtschaftsingenieur in Elektrotechnik von der University of Limerick, Irland. Er kann unter maurice.obrien@analog.com erreicht werden.