Single-Pair-Ethernet-Leitungen bereiten den Weg für die durchgehende Gestaltung der Ethernet-Technologie von der Cloud bis zum Sensor.

Single Pair Ethernet als Schlüsseltechnologie Auf der Zielgeraden

26.11.2019

Der ungebrochene Trend zur Digitalisierung und Vernetzung erfordert eine leistungsfähige und robuste Dateninfrastruktur. Genau dafür kristallisiert sich Single Pair Ethernet als die ideale Technologie für ein durchgehendes Netzwerk heraus. Die richtigen Kabel spielen dabei eine entscheidende Rolle.

Um die Ethernet-Technologie von der Cloud bis zum Sensor durchgehend gestalten und bestehende Feldbussysteme wie Profibus in der Prozessebene ablösen zu können, bedarf es neuer Technologien mit kostengünstigen, miniaturisierten und standardisierten Komponenten.

Eine Schlüsselkomponente in der Übertragungstechnik spielen dabei die neuen Single Pair-Ethernet-Leitungen von Belden. Die 1-paarigen Single-Pair-Ethernet-Leitungen sind kompakter und günstiger in der Herstellung und weisen ein deutlich geringeres Kabelgewicht auf.

Die SPE-Leitungen können sowohl im Büroumfeld als auch im Industriebereich in verschmutzten und rauen Umgebungen, fest installiert wie auch flexibel, eingesetzt werden. Für den Einsatzbereich in Gebäuden bietet Belden LSZH-Leitungen (LSZH….low smoke zero halogen) an. Die raucharmen- und halogenfreien LSZH-Leitungen bieten im Brandfall erhöhte Sicherheit und erfüllen die Anforderungen der Bauproduktenverordnung (EU) 305/2011.

Für Industrieanwendungen werden SPE-Leitungen mit PUR-Material angeboten. Durch die hohe Schirmabdeckung von 80 Prozent sind die geschirmten SPE-Leitungen von Belden in Applikationen mit hohen elektromagnetischen Störungen sehr gut geeignet.

Hohe Anforderungen

Um die Anforderungen von IEEE 802.3 zu erfüllen, wurde der Leitfaden für die allgemeine Gebäudeverkabelung um den Teil ISO/IEC TR 11801 Teil 9906 – „Technical Report: Balanced 1-pair cabling channels up to 600 MHz“ erweitert und spezifiziert folgende drei Anwendungsmöglichkeiten:

  • 10BASE-T1 nach IEEE P802.3cg: Bandbreite 0,1 MHz - 20 MHz; Reichweite bis 15/1000 m

  • 100BASE-T1 nach IEEE 802.3bw: Bandbreite 0,3 MHz – 66 MHz; Reichweite bis 15 m

  • 1000BASE-T1 nach IEEE 802.3bp: Bandbreite 1 MHz – 600 MHz; Reichweite bis 15/40 m

Für kurze Entfernungen können ungeschirmte SPE-Leitungen bis zu 15 Meter Leitungslänge verwendet werden. Solche Leitungen werden derzeit überwiegend im Fahrzeug eingesetzt. IEEE 802.3 bu spezifiziert die Übertragung von Daten und Power (PoDL….Power over Data Lines) über ein Aderpaar.

Um die gegenläufigen Anforderungen nach hohen Datenübertragungsraten und langen Übertragungsstrecken entsprechend der IEEE 802.3 zu erfüllen werden neue Kabelstandards benötigt. Im IEC-Komitee SC 46C werden derzeit die Standards für SPE-Leitungen erarbeitet:

  • Übertragungseigenschaften bis 600 MHz und einer Übertragungslänge bis 40 m: IEC 61156-11 für feste Verlegung; IEC 61156-12 für flexible Verlegung

  • Übertragungseigenschaften bis 20 MHz und einer Übertragungslänge bis 1000 Meter: IEC 61156-13 für feste Verlegung; IEC 61156-14 für flexible Verlegung

Die Anforderungen aus den SPE-Kabelnormen in Verbindung mit der ISO/TR 11801-9906 stellen hohe Anforderungen an die Qualität und den Aufbau der Single Pair Ethernet Leitungen. Zum Anschluss der SPE-Leitungen an die Endgeräte werden Single Pair Ethernet Steckverbinder benötigt.

Um den unterschiedlichen Anforderungen in der Büro- und Industrieumgebung gerecht zu werden, sind Steckverbindervarianten entsprechend den in der ISO IEC TR 29106 für M1I1C1E1 (IP 20) und M2I2C2E2 / M3I3C3E3 (IP 67) spezifizierten Umgebungsbedingungen zu berücksichtigen. In der Projektgruppe IEC SC 48B – PT 63171 werden diese Steckverbindervarianten 1 bis 6 bearbeitet und standardisiert.

Vier SPE in einer Leitung

Neben einer reinen einpaarigen Verkabelungsstruktur besteht die Möglichkeit eine vierpaarige Struktur aufzubauen um gleichzeitig 4 Single Pair Ethernet – Kanäle in einer Leitung zu integrieren. Besonders im industriellen Umfeld, wo häufig eine Vielzahl von Sensoren auf kleinstem Raum vorhanden sind, ermöglicht dies eine einfach strukturierte Verkabelung.

Das im industriellen Umfeld (M2I2C2E2 / M3I3C3E3) entsprechend bewährte Design der M8- und M12 Rundsteckverbindern ermöglicht die Realisierung eines solchen Konzeptes. Alle SPE Steckverbindervarianten müssen die Single Pair Ethernet - Grundanforderungen erfüllen, welche in der SPE-Steckverbinder-Basisnorm IEC 63171 „General Requirements and Test“ definiert werden.

Um die Anforderungen des Marktes nach standardisierten Komponenten und Geräten zu erfüllen, arbeitet Belden in internationalen – und nationalen Standardisierungsgremien und Nutzerorganisationen mit weiteren Experten zusammen, um die Vorteile von SPE für den Endanwender nutzbar zu machen.

Derzeit wird die SPE-Technologie von Profibus & Profinet International (PI), ODVA und der FieldCommGroup durch die Spezifizierung eines Advanced Physical Layers (APL) für Ethernet vorangetrieben, der in der Prozessautomatisierung und -instrumentierung eingesetzt werden kann, um Feldgeräte an entfernten und explosionsgefährdeten Orten einsetzen zu können. Dabei werden Leistung und Daten über eine geschirmte Twisted Pair SPE Leitung an die Feldgeräte übertragen. Damit wird „Ethernet bis zur Feld­ebene“ bis 2021/2022 einsatzbereit sein und bestehende Feldbustechnologien ablösen.

Netzwerk vom Sensor bis zur Cloud

Ein Netzwerk vom Produktionsprozess auf der Feldebene über die Steuerungsebene (SPS) bis hin zum Prozessmanagement (MES) und der Unternehmensebene (ERP) wird nun Realität. Ein Netzwerk vom Sensor bis zur Cloud. Single Pair Ethernet wird das Rückgrat der vollständig digitalisierten Fabrik.

Durch kostengünstige, zuverlässige Kabel, Steckverbinder und Geräten, die mit den SPE Standards konform sind, können alle Systeme innerhalb einer Fabrik kleiner ausgeführt werden. Belden konzentriert sich auf die Entwicklung von Systemen zur Überwachung des gesamten Netzwerks und Systemlösungen nach dem Plug & Play Prinzip – Schnellanschlusstechniken zwischen Steckverbindern und Kabeln sowie Steckverbindern und Geräten – die den Einsatz von IIoT in naher Zukunft beschleunigen werden.

Single Pair Ethernet Geräte und Komponenten von Belden werden die automatisierte, intelligente vernetzten Fabrik maßgeblich beeinflussen:

  • ein Netzwerk vom Sensor bis zur Cloud garantiert die Kontrolle über alle Netzwerkkomponenten

  • dünne, leichte Ethernet-Leitungen ermöglichen neue Anwendungsfelder

  • einfach strukturierte Leitungsverlegung und größere Anzahl der Ethernet Kanäle in bestehenden Kabeltrassen

  • SPE - Steckverbinder mit den im industriellen Umfeld bewährten Rundsteckverbinderdesign

  • Der SPE Standard erlaubt Cable Sharing (vier SPE Kanäle in einem Kabel) und sorgt für eine einfache und kostengünstige passive Leitungsverteilung

  • Möglichkeit der Anbindung von Netzwerkkomponenten über die Multidrop Bus Technologie, bei der bis zu 8 Netzknoten an einem Kabel angeschlossen sind

  • erhöhte Zuverlässigkeit durch einfachere Kabel- und Steckverbinderdesigns, da nur ein Kanal mit einem Aderpaar zu berücksichtigen ist

In Zukunft wird es für jede Branche und jeden Anwendungsbereich ein weltweit einheitliches Ethernet-Netzwerk geben. Für bestimmte Systemanforderungen kann weiterhin eine heterogene Netzwerkinfrastruktur eingesetzt werden.

Der gemeinsame Nenner wird jedoch Ethernet. Glasfaserkabel für lange Übertragungsentfernungen und geschirmte CAT 7 Ethernet Kabel aus Kupfer mit vier Adernpaaren für hohe Datenraten von 10 Gbit/s werden weiterhin benötigt. Wenn sich Sensor-, Aktor- und SPS-Daten ohne Gateways und ohne proprietäre Schnittstellen erfassen und an die Datenautobahnen weiterleiten lassen, wird der Industriebereich davon profitieren.

Das Unternehmen Belden arbeitet in den Standardisierungsprojekten eng mit weiteren Experten zusammen und konnte auf den beiden Industriemessen Electronica und SPS IPC Drives Ende 2018 dem Fachpublikum SPE-Leitungen entsprechend dem Standard IEC 61156-11 und IEC 61156-13 vorstellen.

Die Normungsarbeiten sind damit aber noch nicht beendet. Die Notwendigkeit nach höheren Datenraten, robusten und kostengünstigen Steckverbindern und Kabeln im Umfeld von Industrie 4.0 erfordern weitere technologische Anstrengungen und Standardisierungsarbeiten. In der IEEE P802.3 ch wurde eine Arbeitsgruppe Multi-Gig Automotive Ethernet PHY Task Force mit dem Ziel gegründet, den Standard IEEE 802.3 für größer 1GBit/s für Automotive Ethernet weiterzuentwickeln.

Die Vorteile der SPE-Technologie in Bezug auf Miniaturisierung und Gewichtsreduktion verbunden mit einer einfachen Anschlusstechnologie machen diese Innovation für die Fabrik- und Prozessautomation, Gebäudeverkabelung, Bahntechnik, Automobilindustrie und für viele weitere Anwendungen interessant.

Bildergalerie

  • Durch die hohe Schirmabdeckung von 80 Prozent sind die geschirmten SPE-Leitungen von Belden in Applikationen mit hohen elektromagnetischen Störungen sehr gut geeignet.

    Bild: Belden

  • Single Pair Ethernet im Kontext von IIoT.

    Bild: Belden

  • Gewichtsreduktion bei Ethernet-Leitungen durch Single Pair Ethernet.

    Bild: Belden

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