In der Fertigungsautomation dominieren derzeit noch viele unterschiedliche Technologien, darunter verschiedene Feldbusse und dezentrale Lösungen für die Maschine-zu-
Maschine (M2M)-Kommunikation. Die Steuerung übernimmt üblicherweise ein Zentralsystem bzw. eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS / PLC) im Schaltschrank. Im Moment zeichnet sich jedoch der Trend ab, dass zukünftig dezentrale Systeme – basierend auf Clustern oder Subsystemen – die Echtzeitkommunikation übernehmen werden.
Kommunikation vom Sensor bis zur Cloud
Die zunehmenden Interaktionen zwischen diesen Subsystemen führt zu einer Verschmelzung von IT (Information Technology) und OT (Operation Technology). Die Digitalisierung im IIoT, die mit hohen Anforderungen an die Leistung und Bandbreite einhergeht, hat erhebliche Auswirkungen auf die Prozesssteuerung und die Automatisierung bis hin zum Edge Computing. Die dafür notwendige Connectivity ist eine Herausforderung für die IT-Abteilung, denn „Smart Devices“ im Feld generieren Unmengen an Daten. Diese müssen in Echtzeit übertragen und analysiert werden, um zum Beispiel Verbesserungspotenziale zu identifizieren und Produktionsausfälle zu vermeiden. Nur so können Unternehmen Prozesse optimieren, Kosten senken und die Effizienz steigern.
Bislang konnten Feldgeräte wie Sensoren und Aktoren nicht direkt mit allen anderen Netzwerk-Teilnehmern kommunizieren, da analoge Technologien und Feldbusse nicht dieselbe „Sprache sprechen“ wie das (High-Speed-) Ethernet. Üblich sind hier Gateways, die verschiedene Kommunikationsprotokolle miteinander verbinden. Mit SPE ändert sich diese Situation. Der Wechsel von Standard-Gigabit-Ethernet und Feldbussystemen zu SPE gilt in der Branche als großer Technologiesprung. Der neue SPE-Standard ermöglicht eine barrierefreie Kommunikation der Feldgeräte am Netzwerkrand (Edge) bis zur Cloud.
Vorreiter war Gigabit-Ethernet
Im IIoT spielt das Gigabit-Ethernet (GigE) schon länger eine wichtige Rolle, da es schnelle Netzwerkverbindungen unterstützt, die für die Übertragung großer Datenmengen erforderlich sind. Durch das Gigabit-Ethernet können IIoT-Geräte zuverlässig miteinander kommunizieren. Es bietet die Möglichkeit, Daten in Echtzeit zu sammeln, zu übertragen und zu analysieren. Insgesamt ist Gigabit-Ethernet ein wichtiger Bestandteil im IIoT und trägt zur Verbesserung der Effizienz und der Produktivität bei.
Allerdings führen aktuelle Markttrends zu einer zügigen Weiterentwicklung von Kommunikations- und Datenübertragungstechnologien. Beispielsweise werden die aktuellen IIoT-Netzwerke immer komplexer – die Anzahl der Geräte in dezentralen Netzwerken nimmt zu, ebenso der Trend zur Miniaturisierung. Schon heute gelten die üblichen 2- bzw. 4-Paar-Ethernetkabel als unhandlich, wenn es darum geht, die Ethernet-basierte Kommunikation bis in die letzte Ecke der Produktion zu bringen, ggf. bis zum Greifer am Roboter und zum Werkzeug. Wireless-Systeme sind hier nicht, wie häufig angenommen, eine Wettbewerbstechnologie, sondern eher eine ergänzende Lösung.
Zugleich steigt der Bedarf an staub- und wasserbeständigen Anschlusslösungen in Schutzart IP67, die für raue industrielle Umgebungsbedingungen geeignet sind. Deshalb wurde mit Single Pair Ethernet ein neuer Standard ins Leben gerufen. TE war von Anfang an einer der Innovationstreiber im SPE Industrial Partner Network und im Rahmen der Gremienarbeit aktiv an der Standardisierung beteiligt.
Mit SPE auf steigende Anforderungen reagieren
Derzeit deutet sich an, dass Steuerungs-, Kommunikations- und Sicherheitsfunktionen zukünftig über Single-Pair-Ethernet-Technologie laufen werden. Anstatt einer Datenübertragung über zwei Leitungspaare wie beim Fast Ethernet (100 Mbit/s) oder vier Paare wie beim Gigabit-Ethernet erfolgt beim Single Pair Ethernet die Datenübertragung lediglich über zwei Kupferadern. Das spart Verkabelungsmaterial, es vereinfacht das Design der Infrastruktur und die Installation der Komponenten. Zudem verbessert SPE die Energieeffizienz und kann größere Entfernungen als das herkömmliche Ethernet überbrücken.
SPE ist aufgrund von Material, Platz- und Gewichtseinsparungen sowie der einfachen Installation prädestiniert für die Automatisierung im IoT, in der industriellen Produktion und Logistik. Die geringere Komplexität des Kabels ermöglicht einen kleinen Formfaktor und macht SPE äußerst kosteneffektiv. Es erfordert weniger Kupfereinsatz, ist somit energieeffizienter, leichter und vor allem in mobilen Anwendungen flexibler und beweglicher. Insgesamt wird SPE als eine nachhaltige und zukunftsfähige Technologie angesehen.
Standardisierung ist Wegbereiter für SPE
Die Standardisierung der Single-Pair-Ethernet-Technologie führt zu einem Ökosystem aus mehreren Anbietern, die zum überwiegenden Teil im SPE Industrial Partner Network mitwirken. Damit ergibt sich eine höhere Interoperabilität zwischen den verschiedenen Herstellern der IIoT-Produkte und das Risiko von Produktionsausfällen aufgrund von Lieferproblemen wird verringert. Das SPE-Ökosystem beschleunigt die Entwicklung von IIoT-Lösungen und vereinfacht die Integration. Aus diesen Gründen hat die Standardisierung im SPE-Bereich eine große Bedeutung.
Einheitliche (genormte) Standards tragen dazu bei, dass SPE in verschiedenen Anwendungsbereichen und Industrien eine hohe Akzeptanz im Markt hat. SPE kann unmittelbar und auf einfache Weise auch in zukünftigen Anwendungen und Geräten eingesetzt werden. Das Kabel erlaubt die gleichzeitige Übertragung von Signalen und Energie. Bei der Verwendung eines zweiadrigen SPE-Kabels kann Power over Data Line (PoDL) die Endgeräte im Netzwerk mit einer Leistung von bis zu 50 W zu versorgen. Für den Fall, dass bestimmte Endgeräte eine höhere Leistung benötigen, stehen standardisierte Hybridlösungen zur Verfügung.
M8-Hybrid-SPE kommuniziert bis an die Edge
M8-Hybrid-Steckverbinder und Hybridkabel gemäß IEC 63171-6 unterstützen eine Konfiguration, die aus einem SPE-Datenpaar für die Datenübertragung und einem separaten Leistungspaar für die Stromversorgung der Endgeräte besteht. Der Haupteinsatzbereich dieser hybriden M8-Lösung sind Anwendungen, die flexible geschirmte Kabel für Entfernungen bis zu 40 Metern und hohe Leistungspegel am Gerät erfordern. M8-Hybrid-Steckverbinder bieten eine gute Möglichkeit zur Vernetzung von Sensoren und Aktoren in rauen industriellen Anwendungsfällen. Im Vergleich zu PoDL sind viele verschiedene Netzwerkstrukturen möglich. Die Norm IEC 63171-6 definiert eine M8-Schnittstelle für die hybride Übertragung von Daten und Energie in einem einzigen SPE-Kabel bis zu einer Entfernung von 40 m. Hybride M8-Steckverbinder und -Kabel von TE ermöglichen eine Datenübertragung bis zu 1 Gbit/s bei 600 MHz und eine Leistungsübertragung mit bis zu 8 A.
Nächster Meilenstein: Hybride M12-SPE-Stecker
TE arbeitet derzeit außerdem an hybriden Schnittstellen mit SPE- und Power-Kontakten im M12-Format. Dieses kann dank größerer Abmessungen eine höhere Spannung und einen höheren Strom übertragen. Der von TE initiierte Industriestandard IEC 63171-7 befindet sich bereits in den finalen Zügen und beschreibt ein solches Kabel mit verschiedenen M12-Steckverbindern für diverse Anwendungsfälle. Hier zeigt sich die besondere Marktbreite und das Knowhow von TE.
Während Verbindungskonzepte mit Power over Data Line auf 50 W begrenzt sind und besonderer Technik zur Verarbeitung im Gerät bedürfen, unterstützen SPE-M12-Hybridsteckverbinder gemäß IEC 63171-7 leistungsstarke Geräte bis zu 11 kW
und 16 A bei einer einfachen Integration im Gerät. Das macht diese Anschlusstechnik auch für Robotik-Systeme sowie Servo- und Drehstromantriebe interessant. Da der M12-Steckverbinder in der Industrie bereits weit verbreitet ist, kann dieser Standard einfach in der Praxis angewendet werden. Die hybride Konfiguration des IEC 63171-7 Standards bietet auch eine höhere Flexibilität bei der Netzwerk-basierten Energieverteilung als eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung wie bei Power-
over-Data-Lines. Somit ist es möglich, höhere Stromstärken auf mehrere kaskadierte Leistungsgeräte zu verteilen.
Ein universelles System für Feldebene und IT
TE bietet ein breites Portfolio an Produkten und Lösungen für robuste SPE-Verbindungen, die wasser- und staubabweisend sind und starken Vibrationen, Stößen und Hitze standhalten, so dass Daten zuverlässig übertragen und Ausfallzeiten signifikant reduziert werden. Mit den neuen SPE-Steckverbindern und -Kabeln von TE lässt sich ein zukunftsfähiges, weitgehend barrierefreies System vom Sensor bis zur Cloud und eine nahtlose M2M-Kommunikation realisieren.
Das Hybridsystem von TE ist besonders attraktiv für den Einsatz in Netzwerken, bei denen die Aktoren und Sensoren direkt an Maschinen montiert sind. Eine SPE-Hybridkonfiguration bietet im Vergleich zur Punkt-zu-Punkt-Verbindung mit PoDL eine größere Flexibilität bei der Verteilung der Leistung über das Netzwerk. Das bedeutet, dass es möglich ist, höhere Ströme zu verteilen, um mehrere kaskadierte Geräte mit Strom zu versorgen.
Fazit
Die Umsetzung der IEC 63171-7 ist ein wichtiger Schritt, damit immer mehr Unternehmen die Vorteile und Potenziale von IIoT und Industrie 4.0 noch besser ausschöpfen können. Die leistungsstarke M12-Vernetzungslösung bietet die Möglichkeit zur Digitalisierung auf Feldebene mit hohen Stromstärken und Leistungen. Sie gilt als ein wichtiger Teil der Infrastruktur für das IIoT und zukünftige Anforderungen an eine moderne Produktion, in der Sensoren und Aktoren ein integraler Bestandteil der IT im Unternehmen sind. Erst die breite Akzeptanz des universellen SPE-Standards trägt dazu bei, dass in der Industrie technologische Fortschritte erzielt werden und Hersteller ihre Produktion optimieren können.
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