Single Pair Ethernet:
APPLIKATIONEN UND  AnwendungsSTUDIEN

Automatisierungspyramide

 

 

SPE beschreibt die Übertragung von Ethernet über nur ein Kupferdrahtpaar. Neben der Datenübertragung über Ethernet ermöglicht SPE auch eine gleichzeitige Stromversorgung von Endgeräten über PoDL - Power over Data Line. Bisher waren dafür zwei Paare für Fast Ethernet (100MB) und vier Paare für Gigabit Ethernet erforderlich. SPE eröffnet nun völlig neue Möglichkeiten und Einsatzgebiete für Industrial Ethernet. 

Um das Potenzial von SPE für unterschiedliche Anwendungen  zu erschließen, ist ein grundlegendes Verständnis der unterschiedlichen Kombinationsmöglichkeiten von Protokollen, Übertragungslängen und Topologien hilfreich.

Dieser Artikel stellt mögliche Anwendungsfälle für Single Pair Ethernet vor. In Fallstudien werden die Vorteile von SPE mit Hilfe beispielhafter Versuchsaufbauten verdeutlicht. SPE-Interessierte und zukünftige Anwender lernen, wie bedeutsam SPE zum schnellen Erfolg des Industrial Internet of Things (IIoT) beiträgt.

Einleitung

SPE ist eine Physical-Layer-Netzwerktechnologie, die nur ein einziges Paar verdrillter Kupferdrähte verwendet. SPE ermöglicht eine kontinuierliche IP-Kommunikation zwischen Server und Cloud sowie eine Stromversorgung in komplexen IIoT-Lösungen mittels Power over Data Line (PoDL). SPE stellt den nächsten Meilenstein in der Netzwerktechnologie dar und wird alle Märkte und Branchen beeinflussen.

 

Die weitere Entwicklung der Standards für diese Technologie ebnet den Weg für eine breite Akzeptanz in verschiedenen Branchen wie der Fertigung, der Automatisierung und dem Einzelhandel. Dieser Artikel beschreibt die aktuelle Landschaft der Technologie einschließlich eines groben Überblicks über mögliche Netzwerkkombinationen und Anwendungen, bevor er in konkrete SPE-Anwendungsfallstudien eintaucht, die diese spannende Technologie im Einsatz zeigen.

DER NUTZEN VON SPE

SPE ermöglicht Anwendern den Aufbau effizienter Netzwerk- und Verkabelungsstrukturen, von der Sensorik über die Steuerungs- und Unternehmensebene bis hin zur Cloud, alles auf Basis standardisierter Schnittstellen. Es kann sowohl in neuen als auch in bestehenden Anwendungen auf vielfältige Weise Nutzen stiften. Der Nutzen von SPE ist anwendungs­spezifisch und reicht von einer einfachen, deutlichen Gewichtsreduzierung bei der Verkabelung, die zu weiteren Effizienzvorteilen führt, bis hin zur Möglichkeit völlig neuer IIoT-Anwendungen, die Fertigungsprozesse komplett verändern können.

Es ist wichtig, sich vor Augen zu führen, dass SPE eine vielschichtige Technologie mit einer großen Anzahl von Akteuren ist und für eine optimale Nutzung Innovationen auf allen Ebenen erfordert. Zu diesem integrierten Netzwerk von Beeinflussern gehören die Kabel- und Chip­hersteller sowie OEMs und die Unterstützer in der Industrie.

Übertragungslängen
SPE NORMEN

Das IEC-Normungsgremium SC 48B hat die IEC 63171-6 als internationalen Standard für Ethernet-Schnittstellen mit nur einpaarigen Adern veröffentlicht. Die Norm beschreibt das hauptsächlich von HARTING und TE Connectivity im Jahr 2016 standardisierte Steckgesicht "T1 Industrial Style" als international genormte Standardschnittstelle für SPE-Netzwerke in industriellen M3I3C3E3 Umgebungen. Der Standard spezifiziert SPE-Schnittstellen von einer IP20-Schnittstelle bis hin zu mehreren IP65/67-Versionen von M8- und M12-Ausführungen.
Weitere relevante Standards sind die IEC 61156-x zur Normierung von SPE-Kabeln, die ISO/IEC 11801-x-Reihe zur Normierung von Verkabelungssystemen und das standardisierte SPE-Protokoll für Daten und Strom IEEE 802.3. Jeder dieser Standards (Bild 1), die sich auf die verschiedenen Aspekte der SPE-Infrastruktur beziehen, spielt eine entscheidende Rolle für die Skalierbarkeit der Technologie.

Point to point vs. multidrop
TYPISCHE NETZWERK STRUKTUREN

Für Datenübertragungsgeschwindigkeiten von 10 Mbit/s bis zu 10 Gbit/s wird typischerweise eine Point to Point (PtoP) Verbindung verwendet. Alle diese Protokolle können mit der Power over Data Line (PoDL nach IEEE802.3bu) für Fernspeiselösungen kombiniert werden. IEEE802.3cg definiert auch 10BASE-T1S als PHY mit zwei möglichen Arbeitsweisen. Zum einen als Punkt-zu-Punkt-System mit einer Reichweite von mindestens 15 m und als Mischsegment mit einer Punkt-zu-Mehrpunkt-Kommunikation, genannt MultiDrop (MD)-Segment. (Abbildung 2) Dies ist mehr oder weniger ein klassisches Bussystem mit mindestens 25 m Reichweite und mindestens 8 Teilnehmern. Leider unterstützt 10BASE-T1S kein PoDL.

EIN WEITERER ÜBERBLICK DER SPE ANWENDUNGEN

Es ist entscheidend, SPE nicht als eine einzige Lösung zu verstehen, die in derselben Struktur für jede Anwendung ausgerollt wird. Stattdessen muss es als eine Basistechnologie betrachtet werden, bei der mehrere Kombinationen von Teilen zu individuellen Lösungen zusammen­gestellt werden können. Für unterschiedliche Anwendungen können verschiedene SPE-Protokolle mit unterschiedlichen Übertragungsgeschwindigkeiten (Tabelle 1), Verbindungs­längen und Topologien gewählt werden.

 

SPE-Protokolle, Stromversorgungssysteme, Netzwerkstrukturen
10BASE-T1S

Stromversorgungssystem
M8 / M12 Hybrid mit einem zusätzlichem Adernpaar für die Stromversorgung

 

Netzwerkstruktur
PtoP (15 m) und/oder
PtoMP (min. 25 m und 8 Knoten)

10BASE-T1L

Stromversorgungssystem
PoDL oder Engineered PoDL (APL)

 

Netzwerkstruktur
PtoP Minimum 1.000 m

100BASE-T1 or 1000BASE-T1

Stromversorgungssystem
PoDL

 

Netzwerkstruktur
PtoP Minimum 40 m

100BASE-T1 or 1000BASE-T1

Stromversorgungssystem
M8 / M12 Hybrid mit einem zusätzlichem Adernpaar für die Stromversorgung

 

Netzwerkstruktur
Switched Linien oder Sternstruktur

 

Daraus resultieren vier Grundformen der SPE Technologie und ihrer Anwendungen:

OPTION 1

mit 10BASE-T1S und hybrider Speisung bietet die nützlichen Eigenschaften für Sensor-/Aktor-Netzwerke innerhalb von Automatisierungsanwendungen aufgrund folgender Hauptmerkmale:

- PtoP oder PtoMP Struktur mit 10 Mbit/s

- M8 Hybrid Verkabelungssystem unterstützt Daisy-Chain-Strukturen und einfache Versorgung des Geräts ohne zusätzliche Komponenten für PoDL-Versorgung.

- Mit MultiDrop PtoMP eine viel geringere Anzahl von Ports an den Switches benötigt wird, um eine hohe Anzahl von Geräten anzuschließen.

OPTION 2

wird für die Prozessindustrie eingesetzt. Hier ist eine große Link-Länge typisch und die Kabelkosten spielen eine große Rolle. Für solche Anwendungen ist die PoDL oder eine modifizierte PoDL-Fernspeisung perfekt.

OPTION 3

Für die höheren PtoP-Geschwindigkeitsprotokolle könnte die Kombination mit PoDL-Stromversorgung eine nützliche Option sein, um dieselbe Schnittstelle und dasselbe Adernpaar für die Stromversorgung und Datenübertragung zu den Geräten zu verwenden.

OPTION 4

In Kombination mit spezialisierten Sensorherstellern - wie z. B. der Perinet GmbH - bietet diese Option die höchste Flexibilität und ist eine perfekte Lösung für die Gebäudeautomation und intelligente Edge-Geräte. Dies ist eine typische Automatisierungsanwendung, bei der alle unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Übertragungslängen genutzt werden können. Ein typischer Anwendungsfall, bei dem wir über die Sensor-to-Cloud-Fähigkeiten der SPE-Technologie sprechen.

 

SPEZIFISCHE ANWENDUNGSFÄLLE

Der beste Weg, das Potenzial von SPE zu erkennen, ist, es anhand konkreter Anwendungsfälle zu verstehen. Die folgenden Anwendungsfälle bieten sowohl einen Überblick über das Potenzial der Technologie für die jeweilige Branche oder Anwendung als auch einen Anwendungsfall, der entweder bereits in Betrieb ist oder demnächst eingeführt wird.

Mit jedem Fall möchten wir einen Überblick darüber geben, warum SPE einen Vorteil gegenüber anderen möglichen Alternativen bietet, und Einblicke in die Herausforderungen und Möglichkeiten der Anwendung bieten.

etransportation
E-Transportation

Da Städte rund um den Globus immer mehr Ressourcen darauf verwenden, ihren Kohlenstoff-Fußabdruck zu reduzieren und die Luftqualität zu verbessern, stehen elektronische Nahverkehrsoptionen kurz vor einer breiten Anpassung. SPE ist eine Technologie, die einen großen Beitrag zur Beschleunigung der Innovation in diesem Bereich leisten kann, indem sie sowohl Probleme löst, die die Innovation behindert haben, als auch die Kosten der aktuellen Alternativen erheblich reduziert.

Das Hauptargument, mit dem SPE in E-Transport-Anwendungen (Tabelle 2) glänzt, ist die kritische Gewichtsreduktion der Kabel gegenüber anderen Kommunikationsoptionen. SPE bietet eine Gewichtsreduzierung von bis zu 55 % und eine Reduzierung des Außendurchmessers, zusätzlich kann der Biegeradius um bis zu 30 % verringert werden. Ein standardmäßiges 8-adriges Kabel pro 100 Meter wiegt etwa 4,6 kg im Vergleich zu einem einpaarigen Kabel, das etwa 3,0 kg pro 100 Meter wiegt. Bei batteriebetriebenen Fahrzeugen schlägt sich das Gewicht direkt in einer besseren Batterieleistung und damit Reichweite nieder.

 

SPE kann in verschiedenen Bereichen eines E-Transportsystems eingesetzt werden, darunter:

Visuelle und akustische Passenger Information Systems (PIS)
Hier werden Displays innerhalb und außerhalb der Transmittel sowie interne und externe Lautsprecher und Audiosysteme mittels SPE sowohl für die Stromversorgung als auch für die Konnektivität angebunden.

 

CCTV
Sicherheitsmaßnahmen wie Kameras, Rekorder und CCTV-Monitore können SPE verwenden.

 

Infotainment
Das immer wichtiger werdende Onboard-WiFi kann sowohl über SPE als auch über In-Seat Audio/Video bereitgestellt werden.

Sitzplatzreservierung
Sitzplatzreservierungssysteme für längere Fahrten können mit SPE realisiert werden. Displays im Sitz oder über Gepäckablagen werden einfach angeschlossen und überwacht.

 

Visuelle Fahrgastzählung (APC)
Das Verständnis von Fahrgastzahlen, zur Kapazitätsüberwachung und Routenoptimierung, ist für ein modernes Verkehrssystem unerlässlich. Intelligente Sensoren in Kombination mit SPE können hervorragende Daten sowohl für die Live-Überwachung als auch für die Auswertung liefern.

Automation

SPE wurde als ein wichtiges Werkzeug für die laufende Entwicklung in Richtung Industrie 4.0 hervorgehoben. Industrie 4.0 oder die vierte industrielle Revolution wird dazu führen, dass sich Fertigungsanlagen weg von der Fokussierung auf lineare Hochproduktionsmodelle hin zu Systemen bewegen, die sich stark auf kontinuierliche Datenerfassung und künstliche Intelligenz in einer vernetzten Umgebung stützen, um eine neue Form der agilen, reaktionsfähigen und anpassbaren Fertigung zu präsentieren. Diese Vision ist nur durch den bewussten Einsatz relevanter Technologien und Systeme realisierbar.

 

Ein anschauliches Beispiel, bei dem vermehrt Daten von Sensoren direkt am device abgeleitet werden, ist die Fallstudie Spritzgießen der Perinet GmbH. In diesem Beispiel wird ein Sensor zur Überwachung des Spritzgießprozesses hinzugefügt. Während der Überwachung des Spritzgießprozesses werden verschiedene Formen mit heißem Kunststoff eingespritzt. In jeder dieser Formen befindet sich ein kleiner Sensor, der den Druck des Einspritzvorgangs für jede Form überwacht. Dementsprechend kann eine Fehlfunktion innerhalb des Werkzeugs sofort überwacht werden. Dies ist ein perfektes Beispiel dafür, wie SPE verwendet werden kann, um eine Verbindung vom Sensor zur Cloud herzustellen.

 

Überwachung und Berichterstattung
diagram

In einer kommerziellen Umgebung kann ein ähnlicher Aufbau für die intelligente Überwachung von Waren mit geringer Haltbarkeit implementiert werden. Das Beispiel, das wir hier skizzieren wollen, ist ein typischer Frischbrotkasten. In vielen europäischen Supermärkten können die Kunden frische Backwaren aus einer großen Vitrine auswählen. Oft wurden diese Artikel im Laden aus Tiefkühlprodukten frisch gebacken. Diese Backwaren haben eine sehr kurze Haltbarkeitsdauer, so dass die Optimierung der verfügbaren Menge mit dem Timing des Garvorgangs von entscheidender Bedeutung ist, um sowohl ein frisches Produkt zu liefern, die Nachfrage zu erfüllen als auch die Erwartungen der Kunden zu erfüllen.

Ein SPE-System kann Sensoren verwenden, die in den Fächern für Backwaren selbst eingebettet sind und den Füllstand des Produkts in den Regalen überwachen. Diese Daten werden dann analysiert und es können Warnungen an mobile Geräte gesendet werden, wenn die Produktmenge unter eine voreingestellte Menge fällt. Das System kann so konzipiert werden, dass nicht nur das Bäckereipersonal alarmiert wird, um die Regale aufzufüllen, sondern auch das Backteam, das eine separate Warnung erhält, wenn die Belegungsrate anzeigt, dass das Regal in einem erwarteten Zeitrahmen leer sein wird. Zusätzlich kann das Team aufgefordert werden, mit dem Backen zu beginnen, um sich auf die Notwendigkeit des Auffüllens vorzubereiten.

AUSSBLICK

Single Pair Ethernet ist auf dem besten Weg, eine etablierte Technologie in den Bereichen Fertigung, Automatisierung und E-Transport zu werden. Die kontinuierliche Arbeit der Akteure in diesem Bereich wird dafür sorgen, dass SPE sein vorhandenes Potenzial ausschöpft

 

ZUSAMMENFASSUNG

SPE hat sich bereits in den vorgestellten Fallstudien bewährt und sein Nutzen für andere Branchen und Anwendungen ist klar. Die Technologie wird sich weiterhin als einer der Treiber auf dem Weg zu Industrie 4.0 erweisen und wird eine wichtige Rolle bei der Etablierung nachhaltiger und intelligenter E-Transport-Lösungen auf allen Ebenen spielen.

 

SPE
 
ÜBER DAS SPE INDUSTRIAL PARTNER NETWORK

Das Potenzial von SPE liegt auf der Hand, aber der breite Rollout von SPE erfordert die Arbeit und das Fachwissen einer Vielzahl von Interessengruppen. Das SPE Industrial Partner Network wurde von Firmen mit Schwerpunkten in allen Bereichen des SPE Ökosystems gegründet, um sich für die Entwicklung und Förderung von Single Pair Ethernet einzusetzen. Das Netzwerk arbeitet zusammen, um sicherzustellen, dass die SPE-Technologie weiter und schneller vorangetrieben wird.

Das Netzwerk bietet eine verlässliche Plattform für alle notwendigen technischen Experten, um über die Grenzen einzelner Unternehmen hinweg problemlos zusammenzuarbeiten und zu kooperieren. Partnerschaften innerhalb des Netzwerks ermöglichen eine Erhöhung der Produkt- und Leistungsvarianten sowie reibungslosere Standardisierungsprozesse. Zu den Gründungsmitgliedern des SPE Industrial Partner Network gehören HARTING, TE Connectivity, HIROSE, Würth Elektronik, LEONI, Murrelektronik und Softing IT Networks. Aktuell ist das Netzwerk auf 40 Mitgliedsunternehmen angewachsen und wächst wöchentlich.

 

 

 

 

 

 

COPYRIGHT-HINWEIS

Dieser Artikel wurde in englischer Originalsprache auf Wevolver veröffentlicht und in Zusammenarbeit mit dem SPE Industrial Partner Network erstellt.

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