Wegbereiter für die Zukunft der Automation SPE als Schlüssel zur großen Freiheit

Eine der häufigsten Anliegen betrifft die Einsatzbereitschaft der SPE-Wertschöpfungskette oder des gesamten Ökosystems. Es gibt Fragen wie zum Beispiel: Welche SPE-Endgeräte sind bereits auf dem Markt verfügbar? Werden die Produkte der Chip-PHY-Hersteller von IEEE 802.3da 10BASE-T1S Multi-Drops unterstützt? Welche Steckverbinder sollten verwendet werden und sind alle Standards veröffentlicht und sicher für Investitionen?

Das Henne-Ei Problem

Diese Fragen stellen die Herausforderungen dar, mit denen traditionelle Industrieunternehmen konfrontiert sind, wenn sie darüber nachdenken, ob und wie sie SPE implementieren möchten. Das Fehlen klarer und leicht zugänglicher Antworten auf diese Fragen führt zu Unsicherheiten, die die Adoption der SPE-Technologie verlangsamen.

Wie oft in der Automatisierungsbranche steht SPE vor dem Henne-Ei Problem: Die Anwender zögern, weil die Marktdurchdringung noch nicht groß ist. Gleichzeitig ist die Marktdurchdringung nicht groß, weil die Anwender zögern. Es wird sich zeigen, wer den Mehrwert von SPE durch den Pioniervorteil am besten für sich beanspruchen wird.

Die SPE-Standards und Nutzorganisation

Der Wissenschaftler Carl Shapiro hat in seinem Artikel „The Art of Standards Wars“ zahlreiche historische Beispiele für Standardkonflikte vorgestellt, um die Rolle von Standards zu zeigen und wie sie strategisch eingesetzt werden können, um den Kunden mehr Wert zu bieten. Darüber hinaus betonte er, dass Standards von grundlegender Bedeutung sind, um Skaleneffekte zu erzielen und den Endbenutzern Vorteile zu bieten. SPE ist ein aktuelles Beispiel für diese Art von Technologie mit revolutionären und überzeugenden Leistungsmerkmalen.

SPE ist in der Protokollneutralität und der Spezifikation der übertragenen Pakete vollständig kompatibel mit den vorherigen IEEE Ethernet Spezifikationen. Allerdings sind auf physischer Ebene neue Kabel und Steckverbinder notwendig, die den Kern der SPE-Spezifikationen darstellen. Somit kann ein bestehendes Ethernet-Netzwerk problemlos übergangsfrei um SPE-Komponenten erweitert werden, wenn Geräte zur Verfügung stehen, die den Brückenschlag zwischen klassischem Kupfer-Ethernet beziehungsweise Glasfaser und der neuen SPE-Technologie führen können. Dies kann beispielsweise ein Ethernet Switch sein, der SPE und klassisches Kupfer-Ethernet oder Glasfaser unterstützt.

Die Digitalisierung und Vernetzung dringen zunehmend in verschiedene Bereiche vor, wie Industrie, Transport und Gebäudetechnik. SPE erweitert den Anwendungsbereich von Ethernet, um diesen Wandels zu unterstützen. Seit der Einführung des ersten Ethernet-Standards, 10BASE-T, in den 1990er Jahren hat sich die Ethernet-Technologie rapide weiterentwickelt: Kabel, Stecker und Steckverbinder und Protokolle bilden ein starkes Ökosystem, in das SPE nahtlos integriert werden kann. Es profitiert von neuen Kabel- und Steckverbinderspezifikationen.

Neue Steckverbinder für Single-Pair Ethernet

Um SPE-Leitungen mit Endgeräten zu verbinden, werden spezielle Steckverbinder benötigt. Je nach den Anforderungen in Büro- oder Industrieumgebungen werden entsprechend den Umgebungsklassifikationen, die in der ISO/IEC TR 29106 für verschiedene Schutzklassen (IP20, IP67) spezifiziert sind, unterschiedliche Varianten von Steckverbindern ausgewählt. Zusätzliche Anforderungen für die 1-Paar-Infrastruktur sind in der IEC 61918 Edition 4.0 festgelegt.

Des Weiteren wurden eine Vielzahl von System- und Produktnormen für SPE durch die IEC-Standardisierungsgremien entwickelt und veröffentlicht. Diese Normen definieren die Anforderungen an 1-paarige Leitungen, Steckverbinder und generische Verkabelung und bieten eine grundlegende Basis für eine einheitliche Implementierung der SPE-Technologie:

• IEC 61156-11; -12, -13 (FDIS), -14 (NP) für 1-pair-Leitungen

• IEC 63171-1; -2; - 4; - 5; - 6; - 7 (FDIS); Steckverbinder für 1-pair-Datenübertragung

• ISO/IEC 11801-1 & -3; generische Verkabelung; Anforderungen

• ISO/IEC TR 11801- 9906; generische Verkabelung; symmetr. 1-pair Kanäle bis 600 MHz

• ISO/IEC TS 29125 AMD 1; Anforderungen an die Fernspeisung von Endgeräten

• IEC 61918 ED4.0; Installation von Kommunikationsnetzen in Industriegebäuden

Die Spezifikationen für Ethernet-APL (Advanced Physical Layer) für die Prozessindustrie, die in Zusammenarbeit von Nutzerorganisationen wie PI, ODVA, OPC Foundation und FieldComm Group entwickelt wurden, sind bereits verfügbar. Ethernet-APL nutzt die 1-paarige Ethernet-Technologie, die sowohl die Kommunikation mit einer Geschwindigkeit von 10 Mbit/s als auch die Energieversorgung von Geräten ermöglicht.

Der Mehrwert der SPE-Technologie

Durch den Ersatz der bestehenden Mehrpaar- oder Achtaderkabel der Ethernet-Infrastruktur durch Zweidrahtkabel ergeben sich verschiedene Vorteile, ohne die Leistungsfähigkeit des heutigen Ethernets zu beeinträchtigen. Diese Vorteile umfassen:

• Kostenersparnis bei den Kapitalausgaben,

• eine vereinfachte und dennoch sichere Netzwerkstruktur mit einfacher Wartung,

• Gewichts- und Platzersparnis,

• IT/OT-Konvergenz von Sensor bis Cloud,

• eine umweltfreundliche und zukunftssichere Technologie

• Nachhaltigkeit

Bei einem Vergleich der Meterpreise für Steckverbinder zwischen Industrial Ethernet und SPE fällt auf, dass der SPE-Steckverbinder dem RJ45- und M8-D Steckverbinder ähnlich ist. Kosteneinsparungen von 13 bis 44 Prozent sind möglich, je nach Kabeltyp. Zusätzliche Einsparungen von 10 bis 50 Prozent sind durch Skaleneffekte möglich. Die größten Einsparungen ergeben sich durch den Einsatz neuer Netzwerktopologien. Durch die vollständige Protokollneutralität und Standard-Ethernet-Datagrammen können teure Gateways und Protokollkonverter vermieden werden, die leicht mehr als 10.000 US-Dollar pro Stück kosten können.

Die Gewichts- und Platzersparnisse variieren je nach Branche. In der Fabrikautomation sind geringe Unterschiede bei Steckerbindern wie M12 unwichtig. Bei Elektrofahrzeugen sind Gewichtsreduktionen entscheidend. SPE-Kabel sparen 15 bis 46 Prozent Gewicht in der diskreten Fertigung und sogar 49 bis 55 Prozent im Transportbereich. Mit SPE-Kabeln kann der Durchmesser um ~30 Prozent reduziert und der Biegeradius verbessert werden, was Platz spart und besseren Portdichte führt.

SPE bietet höhere Bandbreite und durchgängige Kommunikationsinfrastruktur im Vergleich zu Feldbussen. Durch die Kombination TCP/IP und IoT-Protokollen ermöglicht SPE die Übertragung von Informationen von der Feldebene zur Cloud mit der ausreichender Bandbreite. Durch die Überwindung der striktent Trennlinie zwischen Ethernet und Feldbussen ermöglicht SPE den ungehinderten Datenfluss weg von den Sensoren auf der Feldebene und ermöglicht es dem Anwender, datengestützte Verbesserung der Wertschöpfungsprozesse wie beispielsweise prädiktive Wartung und andere Geräte- und Fertigungsoptimierungen umzusetzen sowie standardisierte Mechanismen zur Abwehr von Cyberangriffen zu nutzen.

Schließlich erfordert SPE aufgrund seiner Definition weniger natürliche Ressourcen wie Kunststoffe und Metalle für den Aufbau der Ethernet-Infrastruktur und Geräteverbindungen. Dies kann auch indirekt aus den Gewichtseinsparungen abgeleitet werden und hilft den Endkunden, ihren CO2 Fußabdruck zu reduzieren und eine bessere ESG-Bewertung zu erzielen.

SPE im Praxiseinsatz

Auf der SPS 2022 in Nürnberg wurde bereits in Zusammenarbeit mit Harting dem Fachpublikum eine SPE-Applikation präsentiert. Diese Applikation ermöglichte die Videoübertragung mittels IP-Kameras und eines 1-paarigen SPE-Kabels mit 100BASE-T1 über 40 Metern. Auf der Hannover Messe 2023 zeigten Belden und Harting erneut gemeinsam die Potenziale der SPE-Technologie, indem eine Datenrate von 1000 Mbit/s gemäß dem 1000Base-T1-Standard über 90 Meter Kabellänge mit Video- und Audiodaten übertragen wurde.

Eine Übertragungslänge von 100 Metern mit hoher Bandbreite scheint in greifbare Nähe zu rücken. Belden und das SPE Industrial Partner Network streben die Standardisierung eines 1000Base-T1L-Standards für Kabellängen von bis zu 100 Metern an. Die Integration von SPE in das Ethernet-Ökosystem, die Gewichts- und Ressourceneinsparungen sowie die Realisierung neuer Wertschöpfungsprozesse werden einen enormen Einfluss auf die vernetzte Fabrik und andere Automatisierungsbereiche haben.