Brücke zwischen OT und IT

In Kombination mit smarten Mikroservern von Perinet eröffnet Single Pair Ethernet (SPE) völlig neue Möglichkeiten zur Integration bestehender Anlagen in moderne IT-Strukturen. 

Die zunehmende Digitalisierung industrieller Prozesse im Rahmen von Industrie 4.0 erfordert zwingend, operative Technologie (OT) und Informationstechnologie (IT) nahtlos miteinander zu verbinden. Mit Single Pair Ethernet (SPE) hat sich in den letzten Jahren eine Technologie etabliert, die es ermöglicht industrielle Sensoren, Aktoren und Feldgeräte einfach und kostengünstig zu vernetzen. In Kombination mit smarten Mikroservern eröffnet SPE völlig neue Möglichkeiten zur Integration bestehender Anlagen in moderne IT-Strukturen. 

In den letzten Jahren hat sich das Konzept der Industrie 4.0 als Standard etabliert, bei dem die Produktion durch Digitalisierung und Vernetzung und optimiert wird. Daten, die früher nur isoliert auf Maschinenebene existierten, werden heute zeitnah über IT-Systeme wie Management Information Systeme (MIS), Enterprise Resource Planning (ERP) oder Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) kommuniziert. Diese Systeme nutzen das Internet-Protokoll (IP) als Kommunikationsstandard, wodurch eine schnelle und effektive Datenverarbeitung auf allen Ebenen der Automatisierungspyramide möglich ist. 

Während neu installierte Systeme in sogenannten Greenfield-Projekten bereits über moderne, serviceorientierte Architekturen (SOA) wie OPC/UA verfügen, die eine direkte Kommunikation zwischen Geräten und IT ermöglichen, stellt sich bei bestehenden Anlagen (Brownfield) eine völlig andere Situation dar. Viele dieser Anlagen verwenden immer noch analoge Schnittstellen oder traditionelle Feldbusse, die eine direkte Anbindung an IT-Systeme erschweren.  

Die Betreiber solcher Anlagen stehen vor der Herausforderung, ihre bestehenden Systeme mit teilweise jahrzehntelanger Restlaufzeit in moderne Infrastrukturen einzubinden. Der Aufwand, traditionelle Feldbusse „anzuzapfen“ oder zusätzliche smarte Sensoren zu integrieren, ist hoch und in vielen Fällen nicht wirtschaftlich. 

Zukunftssicherer Standard 

An dieser Stelle kommt Single Pair Ethernet (SPE) ins Spiel. Diese Technologie bietet eine kostengünstige und 100-%-IP-kompatible Alternative zu herkömmlichen Ethernet-Lösungen. SPE ermöglicht beispielsweise im IEEE Standard 802.3bw die Datenübertragung mit bis zu 100 Mbit/s über eine einzige verdrillte Leitung, wodurch der Verkabelungsaufwand deutlich reduziert wird. Über die Spezifikation des Standards hinaus können dabei mit 100BaseT1, je nach Qualität von Kabel und Treiber, schon mit einfachem Klingeldraht Längen von bis zu 100 Metern erreicht werden; mit hochwertigen, geschirmten Kabeln auch noch deutlich mehr.  

SPE kann daher nicht nur mit flexiblen und robusten Kabeln mit kleinem Durchmesser neu verlegt werden, sondern erlaubt auch den Einsatz bestehender Infrastruktur, wie etwa ungenutzter CAT5-Kabel oder alter Telefonleitungen. Dies macht SPE zu einer idealen Lösung, um Brownfield-Anlagen kostengünstig in moderne IT-Systeme zu integrieren. 

Die Verwendung hybrider Leitungen ermöglicht es, bei nur unwesentlich größerem Leitungsdurchmesser ein weiteres Adernpaar für die Stromversorgung mitführen. Dies vereinfacht die Nachrüstung von Sensoren und Aktoren erheblich, da keine separate Stromversorgung mehr erforderlich ist. Zudem sind so auch praktisch beliebige Netzwerktopologien (Linie, Stern, Baum, etc.) einfach und problemlos realisierbar. Weitere Vorteile der hybriden SPE-Varianten im Vergleich zu einer Spannungsversorgung über eine reine Zweidraht-Leitung (PoDL= Power over Data Line) sind galvanische Trennung, höhere Störfestigkeit und einfacherer (= kostengünstigerer) Aufbau der jeweiligen Transceiver. Mit standardisierten Steckverbindungen, wie etwa genormten M8-Rundsteckern, lassen sich auch in rauen Industrieumgebungen robuste und zuverlässige Verbindungen herstellen. 

Smarte Mikroserver 

Eine weitere zentrale Komponente zur Integration von OT und IT ist der Einsatz intelligenter Netzwerk- und Kommunikationsmodule. Mit solchen Mikroserver-Modulen können Sensoren und Aktoren standardkonform direkt mit IT-Systemen vernetzt werden. Das PeriCore Modul von Perinet, ist dabei das weltweit erste standardisierte SPE-Mikroserver-Modul. Es übernimmt die Kommunikation zwischen Sensoren und Aktoren in den Feldgeräten und der IT-Infrastruktur und ist so klein, dass es in Adapterstecker integriert werden kann, die direkt an den Sensor angeschlossen werden. 

PeriCore verfügt trotz seiner kompakten Abmessungen (13 x 16,7 x 3,8 mm) über leistungsstarke Funktionen wie eine Ende-zu-Ende-Verschlüsselung und eine Public Key Infrastructure (PKI)-Lösung, die eine sichere Kommunikation vom Sensor bis in die Cloud ermöglicht. Die Module können dabei Daten nicht nur sammeln und weiterleiten, sondern auch lokal vorverarbeiten, kalibrieren und konsolidieren. Dies reduziert den Datenverkehr erheblich. 

Einfach dank Low-Code 

Die smarten Mikroserver von Perinet lassen sich einfach über Low-Code-Plattformen konfigurieren. Mit minimalem Programmieraufwand können Systemintegratoren und Anlagenbetreiber praktisch beliebige Sensoren an ihre spezifischen Anforderungen anpassen. Die gesamte Netzwerkinfrastruktur, Firmware-Management und Sicherheitseinstellungen sind bereits vorkonfiguriert und können über einen Webbrowser oder ein REST-API direkt angepasst werden. 

Dies vereinfacht die Implementierung erheblich und reduziert die Kosten für die Wartung und den Betrieb. Dank der integrierten 256-bit-Verschlüsselung und der Unterstützung von Zero-Trust-Sicherheitskonzepten bieten die Module eine maximale Cyber-Resilienz. So wird das Risiko von Angriffen über Sensorleitungen oder die Vernetzung ganz allgemein minimiert. 

Ein großes Potenzial von SPE und den smarten Mikroservern liegt in der Nachrüstung bestehender Anlagen. Viele Industrieanlagen haben eine Lebensdauer von Jahrzehnten und sind oft nicht für die Anforderungen moderner IT-Infrastrukturen ausgelegt. Mit SPE und den flexiblen Netzwerkkomponenten von Perinet können selbst ältere Systeme problemlos in die digitale Zukunft integriert werden, ohne dass große Investitionen in die Erneuerung der gesamten Infrastruktur erforderlich sind.  

SPE ermöglicht, bestehende Infrastruktur und vorhandene Verkabelungen weiter zu nutzen, wodurch weiter Kosten eingespart werden können. Gleichzeitig sorgt die neue Technologie für eine stabile, sichere und skalierbare Kommunikation zwischen Anlagen, Sensoren, Aktoren und IT-Systemen. Die Betreiber müssen sich auch nicht um die Implementierung komplexer Sicherheitslösungen kümmern, da diese bereits schlüsselfertig und benutzerfreundlich in die Mikroserver-Module integriert sind. 

Autor: Dr.-Ing. Karsten Walther, Geschäftsführer Perinet 

Bilder: Perinet GmbH