Was ist Single Pair Ethernet?
Technologie
Smart und stark
Single Pair Ethernet (SPE) beschreibt die Übertragung von Ethernet über nur noch ein Paar Kupferadern. SPE ermöglicht neben der Datenübertragung per Ethernet auch eine gleichzeitige Spannungsversorgung von Endgeräten via PoDL – Power over Data Line. Bisher waren dafür zwei Doppeladern für Fast Ethernet (100MB) beziehungsweise vier Doppeladern für Gigabit Ethernet notwendig. Mit SPE eröffnen sich nun völlig neue Möglichkeiten und Einsatzfelder für Industrial Ethernet.
In industriellen Netzwerken hat sich Ethernet in der Vergangenheit zunächst von der Unternehmensebene über Betriebs,- und Prozess,- bis in die Steuerungsebene durchgesetzt. Die letzte Ebene der Automatisierungspyramide, die Feldebene, ist klassisch über verschiedene BUS-Systeme angebunden. Ein Grund dafür ist die feine Verzweigung und die große Anzahl der Geräte in der Feldebene. Hunderte bis tausende Sensoren und Aktoren einer Produktion müssen über eine umfangreiche Peripherie aus Kabeln angebunden werden. In der Gesamtheit gesehen eine beträchtliche Menge an Kabeln und ein Kostenfaktor. Zusätzlich bedarf es stets Gateways und Übersetzer, die die Daten beider Welten ineinander übersetzbar machen.
In letzter Zeit ist der Bedarf an leistungsfähigerer Infrastruktur in der Feldebene deutlich gewachsen. Immer mehr Sensoren benötigen Übertragungsraten, die BUS-Systeme nicht mehr leisten können. Gleichzeitig ist die bestehende Ethernetinfrastruktur zu teuer, zu groß und für die meisten Feldanwendungen überdimensioniert. Das betrifft Kabel, Steckverbinder und Gerätekomponenten. Eine schlanke, leichte aber zugleich leistungsstarke Infrastruktur für Ethernet musste her, um der Industrie die Digitalisierung der Feldebene und damit den Schritt ins IIoT zu ermöglichen. Hier kommt SPE ins Spiel.
Die Industrie möchte sich die Vorteile von Single Pair Ethernet mit schlanker Verkabelung zu Nutze machen. In der Automatisierung erlaubt SPE die barrierefreie Anbindung von Feldgeräten, Sensor-/Aktortechnik uvm. Die Feldebene wird smart und reduziert damit den Aufwand bei Parametrierung, Initialisierung und Programmierung. Aufbau, Betrieb und Wartung von Anlagen werden effizienter und kostengünstiger. Ethernet kann erstmals platz- und kosteneffizient von der Cloud bis in die Feldebene kommunizieren.
SPE in Maschinen, Robotern oder in der Bahntechnik trägt zusätzlich zu Gewichts- und Platzeinsparungen bei. Die gesamte Verkabelung wird einfacher und lässt sich zudem wesentlich schneller installieren.
EIN STATT VIER PAARE -
EIN TECHNOLOGISCHER GAMECHANGER
Die Infrastruktur für IIoT
Ethernet mit TCP/IP machen jeden Feldteilnehmer intelligent. Mit TSN (Time Sensitive Network) werden sie auch echtzeitfähig und können so auch für sicherheitsrelevante Verkabelungen genutzt werden. Die im Gegensatz zu BUS Systemen deutlich gesteigerte Datenübertragungsrate erlaubt zukünftig auch die kostengünstige Anbindung von Sensoren mit hohem Datenaufkommen. Beispielsweise Camera Vision-Systeme für Erkennungs- und Positionierungssysteme. Bisher mussten derartige Sensoren mit 8-adriger Ethernet-Infrastruktur separat ins Feld geführt werden. Mit SPE kann jeder Sensor einheitlich ans Internet angeschlossen werden. T1 Industrial Geräteschnittstellen und SPE Kabel nach ISO/IEC 11801-X bilden die standardisierte Infrastruktur für SPE in der Feldebene. Schlank wie herkömmliche BUS-Infrastruktur, aber deutlich leistungsfähiger in Datenrate und gleichzeitiger Powerübertragung. Jeder kleinste Sensor wird smarter Teilnehmer im industriellen Internet der Dinge.
Löst SPE bestehende Ethernet Infrastruktur ab?
Sehr wahrscheinlich nicht. Denn: Im momentanen Entwicklungs- und Normungsstand überträgt SPE 1 GBit/s nur bis zu einer Entfernung von 40 Metern. 8-adriges Ethernet jedoch bis zu 100 Metern Übertragungslänge. Noch dazu müsste eine hohe Zahl an Schnittstellen und Geräten umgerüstet werden, was nicht notwendig ist. Ethernet über nur noch ein Adernpaar kommt dort zum Einsatz, wo Vorteile durch enorme Platz- Und Gewichtsersparnis entstehen. Dies sind beispielsweise Anwendungen in der Bahnindustrie. Hier bedeutet weniger Gewicht ein enormes Kosteneinsparpotenzial.
In der Automatisierung gewinnt Ethernet immer mehr an Relevanz und setzt sich mehr und mehr als durchgängiges Medium durch. BUS Systeme sind dagegen stetig auf dem Rückzug. Genau in diesem Bereich, von der Steuerungsebene in die Feldebene, wird SPE BUS Systemen Marktanteile abnehmen. Die miniaturisierte SPE Standardschnittstelle für industrielle Anwendungen, T1 Industrial style nach IEC 63171-6, kann in Verbindung mit schlanken SPE Kabeln effizient jeden Sensor und Aktor im Feld erreichen.
Sicherheit durch Standards
IEC 63171-6
ISO/IEC 11801-X
TIA 42.X
IEEE 802.3
IEC 63171-6 DER INDUSTRIESTANDARD FÜR SPE INTERFACES
Die IEC 63171-6 wurde Anfang 2020 veröffentlicht und ist damit der weltweit erste und von allen wichtigen Normengremien beschlossene Standard für SPE Verbindungen in industriellen Anwendungen. Bereits 2016 eingereicht, umfasst das vollständige Normendokument alle notwendigen Spezifikationen und Prüfsequenzen für die einfache und zuverlässige Implementierung.
ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG3 & TIA42 VERKABELUNGSSTANDARDS - FÜR VOLLE KOMPATIBILITÄT
Für eine sichere End-to-End Verbindung müssen alle Komponenten der Infrastruktur einheitlichen Standards entsprechen. So auch die Kabel.
Diese Verkabelungsnormen liefern dem Anwender Informationen über die Struktur der Verkabelung, die einzusetzenden Verkabelungskomponenten zur Erreichung der Leistungsvorgaben und die Grenzwerte zur Überprüfung der Verkabelung. Somit sind sie wichtigstes Instrument zum Aufbau und zur Inbetriebnahme von SPE Verkabelungen. Gleichzeitig stellen sie über die Referenzen zu den Komponentenstandards (z.B. Steckverbinder nach IEC 63171-6) die Kompatibilität zwischen Geräten und Verkabelung sicher. Diese Kompatibilität ist Grundvoraussetzung für die Funktion von Netzwerken und Verbindungen auf Basis SPE und damit Basis für IoT/IIoT. Der Einsatz anderer Verkabelungskomponenten, als z.B. in ISO/IEC 11801-3 Amd.1, ist zwar grundsätzlich möglich, allerdings dann nicht mehr normkonform und birgt das Risiko von Inkompatibilitäten und Funktionseinbußen.
Deshalb haben ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3 und TIA42 Anfang 2018 internationale Auswahlprozesse zur Festlegung einheitlicher Schnittstellen gestartet. Diese beiden Auswahlprozesse wurden von der IEEE 802.3 mit initiiert, indem von dort eine Empfehlung für ein SPE MDI (SPE Geräteschnittstelle) von ISO/IEC und TIA erbeten wurde.
An diesem Auswahlprozess haben sich über 20 nationale Expertengremien beteiligten. Im Ergebnis dieser Wahl haben sich zwei Steckgesichter durchgesetzt:
- Für die Gebäudeverkabelung (M1I1C1E1) das Steckgesicht nach IEC 63171-1.
Dieses Steckgesicht basiert auf dem Vorschlag der Firma CommScope.
- Für die Industrie und industrienahe Anwendungen (M2I2C2E2 und M3I3C3E3) das Steckgesicht nach IEC 63171-6 (bisher IEC 61076-3-125).
Dieses Steckgesicht basiert auf dem Vorschlag vom HARTING T1 Industrial.
IEEE 802.3
Die Ethernet Protokoll-Standards nach IEEE802.3 definieren die technischen Rahmenbedingen für Ethernetübertragung über nur noch ein Adernpaar. Ein wichtiges Gremium, mit richtungsweisender Kompetenz. Ohne einheitliches Protokoll, kein offener Standard. Um dieses Zusammenspiel von normierten Komponenten für ein ganzheitliches ECO-System zu unterstützen, schließt sich IEEE802.3 den Empfehlungen von ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3 und TIA42 für ein einheitliches SPE interface an und empfiehlt ebenfalls den T1 Industrial style (IEC63171-6) als Standard SPE-Schnittstelle für Industrieanwendungen.