Single Pair Ethernet vereinfacht die durchgängige IP-basierte Kommunikation von der Leit- bis zur Feldebene.

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Industrietaugliche Verkabelung Durchgängige Kommunikation in industriellen Anlagen

02.12.2021

Mit dem zunehmenden Digitalisierungsgrad industrieller Anlagen stößt die bestehende Ethernet-Verkabelung, eine auf typische IT-Anwendungen abgestimmte Technik, immer wieder an Grenzen. Statt wachsender Übertragungsraten sind in der Industrie lange Kabelwege und Miniaturisierung gefordert. Als Lösung wurde Single Pair Ethernet (SPE) in die Standardisierungsgremien eingebracht. Inzwischen hat sich die Single-Pair-Ethernet-Technologie zur nächsten Generation der Kommunikationsarchitektur entwickelt.

Durch die weltweit steigende Anzahl smarter Endgeräte wird der Aufwand der Vernetzung zunehmend komplexer. Im Anlagenfeld steigt die Zahl intelligenter Endgeräte, aber nicht der zur Verfügung stehende Platz – ganz im Gegenteil. Da immer mehr Sensorik in die Maschinen und Anlagen eingebunden werden soll, muss die Verkabelung entsprechend industrietauglich, kompakt und einfach aufgebaut sein. Dazu kommen extreme Einsatzorte, in denen eine Verkabelung mit kleinem Außendurchmesser, kleinen Biegeradien und geringem Gewicht unabdingbar ist, beispielsweise in der Robotik. Ähnliche Anforderungen hatte die Automobilindustrie durch den Ausbau der Assistenzsysteme, die immer mehr Daten benötigten. Hier hat sich der Einsatz von Single Pair Ethernet (SPE) bereits durchgesetzt und etabliert. So war es naheliegend, diese Technologie auch für die industrielle Anwendungen zu nutzen.

SPE hat den besonderen Vorteil, dass es nur ein Adernpaar benötigt. Mit Übertragungsraten von 10 Mbit/s bei einer Übertragungslänge von bis zu 1.000 m bis hin zu 1 Gbit/s mit einer Übertragungslänge von 40 m ist SPE selbst für eine anspruchsvolle Sensorik völlig ausreichend. Inzwischen wird das Potenzial von SPE überall diskutiert: in intelligenten Gebäuden, in Anwendungen der Prozessindustrie und natürlich auch in der Automatisation der Produktion.

Durchgängige IP-basierte Kommunikation

Ein Vorteil von SPE ist die durchgängige IP-basierte Kommunikation mit einem einheitlichen Protokoll-Standard, bei dem keine Gateways für die Umsetzung auf andere Feldbus-Protokolle benötigt werden. Der Anwender spart Kosten und Zeit bei der Implementierung seiner Sensoren bis in die obersten Leitebenen. Mit dem klaren Fokus auf Industrie hat Weidmüller Steckverbinder der Variante IEC 63171-2 für die Umgebung IP20 und der Variante IEC 63171-5 für die Umgebung IP67 realisiert. Mit dem Fokus auf Querschnitte im Bereich AWG 26 bis AWG 22 entstanden besonders anwenderfreundliche Steckverbinder, die sowohl als Patchkabel aber auch als frei konfektionierbare Varianten realisiert werden.

Ein weiterer großer Vorteil von SPE ist die Möglichkeit, die Energieversorgung der angeschlossenen Peripherie via Power over Data Line (PoDL) zu realisieren. Der IEEE-802.3bu-Standard sieht eine dezentrale Gleichstromversorgung über die SPE-Verbindung vor, die als PoDL bezeichnet wird. PoDL stellt zur Einspeisung bis zu 60 W an der Power Source Equipment (PSE) zur Verfügung. So lässt sich die Sensorik selbst unter äußerst beengten Verhältnissen sowohl mit Energie als auch mit einer Datenschnittstelle versorgen. Eine zusätzliche, separate Zuleitung entfällt. Damit eröffnet PoDL für SPE ganz nebenbei weitere Anwendungen wie zum Beispiel für die Gebäudeinfrastruktur. Die Steckverbinder erfüllen alle Anforderungen an Impedanz, Spannungsfestigkeit, Rückfluss- und Kopplungsdämpfung, die in einer Industrieumgebung gefragt sind. Das Steckgesicht kann aufgrund seiner HF-Performance auch applikationsunabhängig vom Arbeitsplatz über Rechenzentren und Industrieverkabelung bis zur Cloud genutzt werden. Ein robuster Verriegelungsmechanismus garantiert eine uneingeschränkte Industrietauglichkeit auch bei IP20-Varianten, die Ausziehkraft beträgt mindestens 50 N.

SPE für optimierte Topologie

Miniaturisierung und Verdrahten auf engstem Raum sind Anforderungen beispielsweise aus der Robotik. Das Gegenteil davon sind die weitläufigen Anlagen der Prozessindustrie. Hier wird ein einfacher Weg benötigt, um erweiterte Funktionalitäten, wie Diagnosemechanismen, und eine schnellere Parametrierung in bestehende und neue Anlagen zu integrieren. Die Vorteile von SPE liegen hier in erster Linie nicht in der reinen Verdrahtung, sondern in einer optimierten Topologie. In Prozessanlagen sind die Kabelwege oft sehr lang. Auf den ersten Blick könnten diese Entfernungen selbst für SPE ohne Repeater zu lang sein. Allerdings sind die Sensoren nicht gleichmäßig über die ganze Anlage verteilt, sondern in Clustern konzentriert. Mittels Power over Data Line (PoDL lassen sich diese anbinden. Die Kommunikation zwischen den Clustern kann dann über Fast Ethernet oder auch Glasfaser erfolgen, und zwar ganz ohne Gateways.

Mission der SPE System Alliance

Mit dem Ziel, die Single-Pair-Ethernet-Technologie für IIoT in Gänze zu fördern, hat sich die Single Pair Ethernet Systems Alliance gegründet. Die SPE System Alliance ist ein weltweiter, offener Zusammenschluss führender Technologieunternehmen aus verschiedenen Branchen und Anwendungsbereichen, die ihr SPE-Know-how bündeln und zielgerichtet austauschen. 

Mit dem Leitspruch: „Eins für alle, alle für eins“, versteht sich die System Alliance als Technologietreiber und arbeitet gemeinsam daran das SPE-Ökosystem in verschiedenen Anwendungen und Märkten zu etablieren. Gleichzeitig ermöglicht die Alliance den teilnehmenden Unternehmen einen schnelleren Aufbau des Know-hows, das für eine schnellere und zuverlässigere Implementierung von Single Pair Ethernet in Produkten erforderlich ist.

Die Single Pair Ethernet System Alliance steht für die Planungs- und Zukunftssicherheit dieser neuen Technologie und bringt Experten aus verschiedenen Technologiebereichen in Austausch. So bringen alle Unternehmen der Alliance ihre Erfahrungen mit ein. Die erfolgreiche Arbeit der Alliance hat auch dazu geführt, dass das Single Pair Ethernet Consortium (SPEC) der TIA und die Single Pair Ethernet System Alliance ihre Kräfte bündeln, um zusammen den globalen Markt über die Vorteile der Single-Pair-Ethernet-Technologie für verschiedenen Applikationen zu informieren. Von der gemeinsamen Arbeit erhoffen sich beide Verbände, die Marktakzeptanz der SPE-Technologie zu beschleunigen und durch die Harmonisierung von Kommunikation, Ausbildung und der Entwicklung globaler Standards Klarheit und Vertrauen auf dem Markt zu schaffen.

Bildergalerie

  • Mit den SPE-Steckverbindern hat Weidmüller das ideale Werkzeug für IoT- und Industrie-4.0-Anwendungen.

    Bild: Weidmüller

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