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Aus dem Facharchiv: Elektropraxis
Digitalisierung mit Single Pair Ethernet (SPE)

Mit der zunehmenden Digitalisierung wird eine Netzwerkinfrastruktur für das Industrial Internet of Things (IIoT) benötigt. Dafür bietet sich das Single Pair Ethernet (SPE) an, das von Experten als die nächste Generation der Kommunikationsarchitektur gesehen wird.

Steckverbinderfamilie, die sowohl in der IP20- als auch in der IP67-Variante das gleiche Steckgesicht aufweist (Quelle: Weidmüller)

Ursprünglich für Automotive-Anwendungen entwickelt, verspricht Single Pair Ethernet (SPE) inzwischen nicht weniger als eine durchgängige Verbindung vom Sensor bis zur Cloud. Das Beispiel der Automobilindustrie ist gut auf andere Anwendungen übertragbar. Bereits heute macht bei Fahrzeugen die Verkabelung einen Großteil des Gewichts aus. Sollte das autonome Fahren kommen, benötigen Fahrzeuge noch mehr Sensoren und Verbindungstechnik. Für diese enormen Datenmengen suchte die Branche eine Infrastruktur, die mit möglichst wenig Kabel viel leisten kann: Der Ursprung für SP

Aufwand der Vernetzung wird komplexer

Ähnliches ist für die Industrie und Gebäudeautomation zu erwarten. Denn durch die weltweit steigende Anzahl smarter Endgeräte aufgrund der Digitalisierung 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, wo eine Verkabelung mit kleinem Außendurchmesser, kleinen Biegeradien und geringem Gewicht unabdingbar ist, beispielsweise bei Roboterarmen.

Die Lösung ist ein Ethernet-Standard, der nicht die hohen Datenübertragungsraten der IT-Welt bieten muss, aber dafür große Leitungslängen mit einer kompakten Bauform und einer einfachen und robusten Verkabelung kombiniert: Das Single Pair Ethernet, kurz SPE.

Auch bei der Gebäudeautomatisierung wird der Einsatz von SPE zur Integration von einpaarigem Ethernet in Hierarchie und Struktur heutiger Gebäudeverkabelung diskutiert.

SPE steht für eine durchgängige, skalierbare und deterministische Vernetzung von der Sensorik bis in die Cloud. Und das in praktisch jeder Anwendung, ob in der Industrie, in der Logistik, im Gebäude oder wo auch immer Daten anfallen. Das Konzept dahinter ist eine Erweiterung von Ethernet bis in die Sensorik, also überall dorthin, wo es keine Datenautobahnen, sondern im Wortsinn „Feldwege“ bis in den letzten Winkel des Anlagenfeldes braucht – kompakt, flexibel und mit hoher Reichweite.

Bisherige Lösungen benötigen zwei (Fast Ethernet) beziehungsweise vier Adernpaare (Gigabit Ethernet und höher), während Single Pair Ethernet nur noch ein Adernpaar benötigt. Gleichzeitig kann die Single-Pair-Ethernet-Technologie neben Daten auch Leistung bis zu 60 W an der PSE (Power Source Equipment) zur Verfügung stellen. Damit garantiert sie eine wirtschaftliche, zukunftssichere und durchgängige Vernetzung einer Vielzahl an Endgeräten – von der Geräteschnittstelle bis zur aktiven Vernetzung intelligenter Geräte sowie von der Gebäudetechnik bis zur Sensorik im Feld.

Die physikalischen Eigenschaften und Übertragungsraten werden international von unterschiedlichen Standardisierungsgremien definiert. Diese neuen Varianten des Ethernets stoßen auch in der Automatisierungstechnik auf großes Interesse, denn SPE erfüllt alle Voraussetzungen für die Industriekommunikation im Zeitalter der Digitalisierung. Die Übertragungsraten von 10 Mbit/s bei einer Übertragungslänge von 1 000 m bis hin zu 1 Gbit/s mit einer Übertragungslänge von 40 m bzw. bis 100 m sind selbst für eine anspruchsvolle Sensorik völlig ausreichend. Auch Scanner und Kameras zur Überwachung lassen sich so durchgängig mit Ethernet in das Netzwerk integrieren. Die realisierbaren Reaktionszeiten lassen sogar TSN-Anwendungen (Time-Sensitive Networking) zu. Ein weiterer großer Vorteil von SPE ist die Möglichkeit, die Energieversorgung der angeschlossenen Peripherie via PoDL (Power over Data Line) zu realisieren. PoDL stellt zur Einspeisung bis zu 60 W an der PSE (Power Source Equipment) 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 z. B. für die Gebäudeinfrastruktur.

Standardisierung als Schlüssel zum Erfolg

Nur mit Standardisierung auf der physischen Ebene sind Interoperabilität und damit der langfristige Erfolg von SPE gesichert. 2018 verabschiedeten die zuständigen Normungsgremien ISO/IEC entsprechende Standards. Normungsaktivitäten sind ein dynamischer Prozess, bei dem neue Normen erarbeitet, eingebracht und diskutiert werden. Dabei werden permanent auch neue Normungsprozesse angestoßen. Damit ist jedoch nur eine Momentaufnahme möglich.

Der erste SPE-Standard wurde in der IEEE 802.3 veröffentlicht. In der IEEE 802.3 werden mehrere Single-Pair-Ethernet-Standards (SPE) für die Ethernet-Technologie in LANs und WANs definiert. Sie beschreibt die Art und Weise, mit welchen Signalen (elektrisch) und in welcher Form (Übertragungsprotokoll) die Übertragung stattfindet. Erarbeitet werden in der Arbeitsgruppe IEEE 802.3cg die 10-Mbit/s-Variante 10Base-T1, in der Arbeitsgruppe 802.3bw geht es bei 100Base-T1 um 100 Mbit/s und bei 802.3bp um 1000Base-T1 mit 1 Gbit/s. Durch diese drei IEEE-Gremien werden somit die Datenraten von 10 Mbit/s, 100 Mbit/s und 1 Gbit/s abgedeckt. Höhere Übertragungsraten sind aus technischer Sicht möglich und werden etwa für hochauflösende Kameras oder Displays benötigt. Dafür ist die 10GBase-T1 Working Group beschlossen. Auch die Vorbereitungen für die Standardisierung von Single Pair Ethernet mit Datenraten von 2,5 Gbit/s, 5 Gbit/s und 10 Gbit/s sind in Arbeit.

Die generellen elektrischen Anforderungen an die Schnittstellen sind in der Grundnorm IEC 63171 zu finden. Die Ausführung der Steckgesichter und damit die mechanischen Anforderungen an die Steckverbinder sind in den untergeordneten Normenreihen beschrieben. Die in den Normenreihen -1 bis -6 definierten Steckverbinder haben unterschiedliche Steckgesichter, Abmessungen sowie mechanische Eigenschaften. Daraus ergeben sich neben den unterschiedlichen mechanischen auch unterschiedliche elektrische Anforderungen. Steckverbinder für die Gebäudeverkabelung legt die Detailspezifikation IEC 63171-1 (LC style) zugrunde. Steckgesichter für die Industriehallenverkabelung sind in der IEC 63171-6 (industrial style) beschrieben, basierend auf einem Vorschlag des SPE Industrial Partner Network.

Die Steckverbinder gemäß IEC 63171-2 und IEC 63171-5 sind für den industriellen Einsatz spezifiziert und halten sogar strengere Werte ein. So weisen sie beispielsweise eine Spannungsfestigkeit bis DC 2,25 kV auf. Im Vergleich zu anderen Lösungen sind die Steckverbinder dieser Norm extrem kompakt und haben eine optimale HF Performance.

Die „Single Pair Ethernet System Alliance“, in der sich führende Technologieunternehmen aus verschiedenen Branchen und Anwendungsbereichen zusammengeschlossen haben, bündelt ihr SPE-Know-how, um die SPE Technologie als Ganzes voranzutreiben. Damit obliegt es dem Anwender, den für seine Applikation richtigen Steckverbinder auszuwählen.

Für eine Technologiedurchdringung reicht es allerdings nicht, Steckgesichter zu spezifizieren. Auch andere Komponenten wie Geräte und Kabel müssen der Norm angepasst werden. So sind einpaarige Kabel für Single-Pair Ethernet in der IEC 61156 definiert. Sie übertragen gegenwärtig bis zu 1 GBit/s. Mit den einpaarigen Kabeln lassen sich vor allem kleine Außendurchmesser sowie kleine Biegeradien realisieren. Es kann aber auch ein vierpaariges Kabel verwendet werden, die sich in vier einzelne SPE-Kanäle aufteilen (Cable Sharing). Somit lassen sich bereits verlegte Kabel weiter nutzen und das besonders effektiv. Ein weiterer Vorteil des vierpaarigen Kabels ist bei Neuinstallationen auch die Möglichkeit, zahlreiche Sensoren auf engem Raum verbauen zu können.

Für den Bereich Power over Data Line (PoDL) greift der Standard IEEE 802.3bu. Er spezifiziert die parallele Bereitstellung von Energie bis zu 60 W über einpaarige Ethernetanschlüsse. Höhere Übertragungsraten sind aus technischer Sicht möglich, etwa für hochauflösende Kameras oder Displays. Deshalb hat das Plenum 802.3 des IEEE die Konstituierung einer 10GBase-T1 Working Group beschlossen. Welche Rolle Zwischenstandards für 2,5, 5 sowie 10 GBit/s über ein Adernpaar spielen werden, ist noch offen. Mit der Erhöhung der maximalen Reichweite auf über 1000 m hat SPE erstmals das Potential, alle heute verwendeten Feldbussysteme auf lange Sicht vollständig abzulösen.

Weidmüller realisiert die Steckverbinder-Entwicklung der Variante IEC 63171-2 für die Umgebung IP20 und der Variante IEC 63171-5 für die Umgebung IP67 (Bild). Mit dem Fokus auf Querschnitte im Bereich AWG 26 – AWG 22 entwickelt das Unternehmen besonders anwenderfreundliche Steckverbinder, die sowohl als Patchkabel, aber auch als frei konfektionierbare Varianten realisiert werden. Das Steckgesicht kann aufgrund seiner guten HF-Performance auch applikationsunabhängig vom Arbeitsplatz über Rechenzentren und Industrieverkabelung bis zur Cloud genutzt werden.

Uneingeschränkte Industrietauglichkeit garantiert Weidmüller mit einem robusten Verriegelungsmechanismus, die Ausziehkraft beträgt mindestens 50 N. Der sehr kompakt entwickelte Steckverbinder ist mit einem Pitch von 7,62 mm nur halb so groß wie ein RJ45-Verbinder. Somit können in der Baugröße eines RJ45 Leiterplattenverbinders zwei Single Pair Ethernet Ports verbaut werden, was die Portdichte verdoppelt.

Autorin: S. Lödige

Dieser Fachartikel wurde unserem Facharchiv entnommen.

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