Die Kommunikation von Daten zwischen verschiedenen Geräten ist in vielen Bereichen des täglichen Lebens unerlässlich. Die Verbreitung von Geräten und der dramatische Anstieg des Datenvolumens durch die Digitalisierung und Industrie 4.0 zwingen zu Veränderungen in der Kommunikationslandschaft. In diesem Artikel erhalten Sie einen ausführlichen Überblick über den 10BASE-T1L-Standard für industrielles 2-Draht-Ethernet, einschließlich Konnektivität, Hardware, Stromversorgung und mehr.
Einleitung
Nicht nur im industriellen Bereich, sondern auch in der Prozessautomatisierung spielt die Datenkommunikation eine immer größere Rolle. Die bisherigen 4-mA- bis 20-mA- oder Feldbus-Anwendungen stoßen aufgrund des wachsenden Datenvolumens an ihre Grenzen, und so kristallisiert sich Ethernet als Kommunikationsstandard heraus. Die 4-Draht-Standardlösung für Ethernet hat sich zu einer 2-Draht-Lösung entwickelt, die als 10BASE-T1L bekannt ist und aus einem einzigen Paar verdrillter Kabel oder Single-Pair-Ethernet (SPE) besteht. Oberhalb der physikalischen Schicht ist 10BASE-T1L kompatibel zu bestehenden Industrial Ethernet-Technologien mit 100 Mbit/s oder 1.000 Mbit/s und stellt somit eine Ergänzung dar.
10BASE-T1L wird vor allem in der Prozessautomatisierung standardisiert und hat das Potenzial, in diesem Bereich weitreichende Veränderungen zu bewirken. Genau hier wurden bisher Sensoren und Aktoren meist über eine 4 mA bis 20 mA Analogschnittstelle oder einen Feldbus angeschlossen. In der Prozessautomatisierung befinden sich diese Sensoren und Aktoren, anders als im Maschinenbau oder in der Anlagenautomatisierung, meist weit entfernt vom Leitsystem oder den Remote-I/O-Systemen. Entfernungen von 200 m bis 1.000 m und mehr sind üblich.
Was bedeutet 10BASE-T1L?
Der Name 10BASE-T1L erklärt grob seine Bedeutung. Hier werden die Abkürzungen des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) verwendet.
Die „10“ im Medientyp verweist auf eine Übertragungsrate von 10 Mbps. „BASE“ bezieht sich auf Basisbandsignale, was bedeutet, dass nur Ethernet-Signale über das Medium transportiert werden können. „T“ steht für „Twisted Pair“. Die Ziffer „1“ steht für 1 km Reichweite. In diesem Fall folgt ein „L“ für „Long Range“, was bedeutet, dass Segmentlängen von 1 km und mehr möglich sind.
Mit welchen Geräten und Maschinen kann 10BASE-T1L verwendet werden und inwieweit kann die bestehende Infrastruktur damit genutzt werden?
10BASE-T1L wurde entwickelt, um das standardisierte 4-mA- bis 20-mA-Signal in vielen, wenn nicht den meisten Anwendungen der Prozessautomatisierung zu ersetzen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass ältere Feldgeräte, die über Stromschleifen von 4 mA bis 20 mA angeschlossen sind, durch 10BASE-T1L-fähige Feldgeräte ersetzt werden müssen. Diese konventionellen Geräte können über softwarekonfigurierbare E/A-Module (SWIO) angeschlossen werden, während Remote-E/As als Sammelpunkt für die Verbindung zur SPS mit einem 10-Mbit/s-Ethernet-Uplink dienen.
Softwarekonfigurierbare E/A-Module verfügen über rekonfigurierbare Modulkanäle, wodurch sie schnell, einfach und ferngesteuert arbeiten können, ohne dass eine umfangreiche Neuverkabelung erforderlich ist. Die Kanäle können entweder als Eingang oder Ausgang für Ströme und Spannungen oder digital und analog konfiguriert werden.
In einigen Fällen besteht die Anforderung, dass sowohl die Stromversorgung der Geräte als auch deren Daten über 10BASE-T1L bereitgestellt werden müssen, was als Teil der Norm definiert ist. 10BASE-T1L unterstützt zwei Amplitudenmodi: 2,4 V für Kabellängen von bis zu 1.000 m und 1 V für kürzere Entfernungen bis zu 200 m. Durch den 1,0 V Spitze-Spitze-Amplituden-Modus kann diese Technologie auch in explosionsgeschützten Umgebungen (EX-Bereiche) eingesetzt werden und erfüllt die dort geltenden strengen Anforderungen an den maximalen Energieverbrauch.
Was sind die Vorteile von 10BASE-T1L?
Herkömmliche 4 mA bis 20 mA mit HART®- und Feldbusgeräten haben eine begrenzte Datenbandbreite von nur wenigen kbps. Mit 10BASE-T1L können Geschwindigkeiten von 10 Mbps erreicht werden. Damit ist es möglich, nicht nur einen Prozesswert, sondern auch zusätzliche Geräteparameter wie Konfigurations- und Parametrierinformationen zu übertragen. Mögliche Software-Updates für die immer komplexer werdenden Sensoren sowie Fehler- und Netzdiagnosen, wie z. B. Kurzschlüsse auf der Leitung zum Sensor, werden in Zukunft relativ schnell über die Datenleitung durchgeführt. Auch die Konfiguration ist einfacher, da mit 10BASE-T1L keine Gateways und Konverter mehr erforderlich sind. Durch den Wegfall der Gateways werden die Kosten und die Komplexität dieser alten Installationen stark reduziert und die durch sie geschaffenen Dateninseln beseitigt.
Darüber hinaus können höhere Leistungen über die Datenleitung übertragen werden. So können beispielsweise 500 mW in eigensicheren Bereichen (Ex-Bereichen) und sogar bis zu 60 W in nicht-eigensicheren Bereichen übertragen werden.
Ethernet-Standards wie PROFINET, EtherNet/IP, HART-IP, OPC UA oder ModbusTCP und IoT-Protokolle wie MQTT ermöglichen die einfache und leistungsfähige Anbindung von Feldgeräten an eine Cloud.
Funktioniert 10BASE-T1L auch mit Switch-Modulen?
Wie bei Standard-Ethernet gibt es auch bei 10BASE-T1L Brücken, die eine Kopplung verschiedener Netzsegmente und Geräte ermöglichen. Es können verschiedene Netztopologien realisiert und zur Stromversorgung der angeschlossenen Geräte genutzt werden. In der Prozessautomatisierung werden Switches häufig mit Steuerungen, HMIs und der Cloud verbunden. Switches ermöglichen Medienredundanz in Form von Ringtopologien für erhöhte Verfügbarkeit.
In der Prozessautomatisierung werden die Verbindungen zu den Geräten, Sensoren und Aktoren auch als Spurs bezeichnet, während die Verbindungen zwischen den Switches und bis zum Leitsystem unter dem Namen Trunk laufen.
Kann ich die Stromversorgung der Geräte auch über die „zwei Drähte“ realisieren?
Der Standard 10BASE-T1L bietet nicht nur die Möglichkeit, Daten von Sensoren und Aktoren zu übertragen, sondern auch, diese über die Signalleitungen mit Strom zu versorgen. Konkret kann 10BASE-T1L in nicht eigensicheren Bereichen eine Leistung von bis zu 60 W liefern. In explosionsgeschützten (eigensicheren) Bereichen ist die Leistung auf 500 mW begrenzt; in diesem Fall ist auch die Signalamplitude gegenüber Standardanwendungen von 2,4 V auf 1 V reduziert, um die dort geltenden strengen Anforderungen an die maximale Energie zu erfüllen. Dies hat jedoch zur Folge, dass in eigensicheren Bereichen nur reduzierte Übertragungsabstände möglich sind.
Schlussfolgerung
10BASE-T1L stellt einen relativ robusten Kommunikationsstandard für die Prozessautomatisierung dar, der zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen 4-mA- bis 20-mA-Anwendungen bietet, einschließlich der Möglichkeit, die vorhandene Infrastruktur wiederzuverwenden.