Connectivity für Industrie 4.0

Single Pair Ethernet nicht nur für die smarte Fabrik

7. April 2022, 13:00 Uhr | Bernd Müller
Lapp, Single Pair Ethernet, SPE
© Lapp

Platzsparend, einfach anzuschließen und Leitungslängen bis 1000 Meter – Single Pair Ethernet gilt als der kommende Verbindungsstandard in Fabriken. Aber nicht nur die Fabrikautomatisierung kann davon profitieren.

Bei der Fabrik der Zukunft wird alles mit allem vernetzt – Anlagen, Maschinen, Steuerungen, Aktoren, Sensoren und sogar Werkzeuge und Werkstücke – auch mit dem Internet und der Cloud. Wäre da nicht dieser Systembruch: In der Leit- und Steuerungsebene der Automatisierungspyramide herrscht Ethernet als Kommunikationsstandard, unten in der Feldebene rangeln dagegen diverse Feldbus-Systeme, manche noch analog, um die Gunst der Anwender (Bild 1, links). Für Industrie 4.0 ist eine nahtlose Kommunikation über alle Ebenen hinweg jedoch notwendig (Bild 1, rechts). Damit die Feldebene keine technische Insel bleibt, braucht es dort eine neue Infrastruktur. Sie muss kompatibel zu den Ethernet-Netzwerken in den Ebenen darüber sein, gleichzeitig sollte sie kostengünstig und platzsparend sein, denn in vielen Maschinen geht es eng zu.

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Bei der Transformation der klassischen Automatisierungspyramide (links) zur Industrie-4.0-Pyramide (rechts) geht es darum, eine durchgängige, Ethernet-basierte Kommunikation über alle Ebenen hinweg ohne Systembrüche zu gewährleisten
Bild 1: Bei der Transformation der klassischen Automatisierungspyramide (links) zur Industrie-4.0-Pyramide (rechts) geht es darum, eine durchgängige, Ethernet-basierte Kommunikation über alle Ebenen hinweg ohne Systembrüche zu gewährleisten.
© Lapp

Genau das verspricht Single Pair Ethernet (SPE). Diese Leitungen haben nur noch ein verdrilltes Adernpaar, normalerweise haben Ethernet-Leitungen vier Adernpaare. Dennoch ist SPE annähernd so schnell wie Multi Pair Ethernet, es erlaubt aber viel größere Distanzen, ist kompakter und erfordert weniger Aufwand bei der Installation. SPE macht die Feldebene smart und sorgt für eine durchgängige verlässliche Vernetzung über die ganze Automatisierungspyramide hinweg.

SPE eignet sich für viele Branchen

Bevor die Anwender die Früchte ernten können, müssen die Hersteller einen Standard schaffen, denn ein Wildwuchs wie bei den Feldbussen ist unbedingt zu vermeiden. Im SPE Industrial Partner Network haben sich zahlreiche Kabel- und Steckerhersteller zusammengetan, um die Technologie voranzutreiben. Die Mitglieder des Konsortiums gehen davon aus, dass SPE in den kommenden Jahren auf der Sensor-Aktor-Ebene die heute vorherrschenden Feldbus-Systeme ablösen und damit die Basisinfrastruktur für intelligente Sensoren und Aktoren sowie die smarte Fabrik stellen wird.

Single Pair Ethernet (SPE) kann ganz viele verschiedene Anwendungsbereiche abdecken
Bild: 2: Single Pair Ethernet (SPE) kann ganz viele verschiedene Anwendungsbereiche abdecken.
© Lapp

Auch in vielen anderen Branchen hat Single Pair Ethernet Potenzial (Bild 2). In großen Anlagen wie in der Chemieindus-trie hilft SPE, große Distanzen zu überbrücken. Dort sind noch analoge Leitungen im Einsatz oder Feldbusse mit Datenübertragungsraten von nur 31,25 kbit. Für Distanzen bis zu 1000 m wurden unter dem Begriff APL (Advanced Physical Layer) basierend auf 10Base-T1L gemäß IEEE 802.3cg für SPE zusätzliche Eigenschaften für die Prozessindustrie definiert. So ist in APL unter anderem die Eigensicherheit berücksichtigt, die den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen erlaubt.

In öffentlichen Verkehrsmitteln eignet sich SPE zum Vernetzen von Informationssystemen etwa zur Anzeige der Haltestellen oder Sitzplatzreservierungen, für Kameras zu Überwachungszwecken oder zur Fahrgastzählung sowie für das Infotainment und WLAN. In batterieelektrischen Fahrzeugen bietet SPE einen kompakteren Aufbau mit geringeren Biegeradien und damit mehr Flexibilität beim Engineering. Außerdem spart SPE Gewicht: Eine Leitung mit vier Aderpaaren wiegt etwa 4,6 kg auf 100 m, bei SPE sind es nur 3,0 kg. In der Gebäudeautomatisierung kann SPE Sensoren vernetzen, etwa von Brandmeldeanlagen oder Helligkeits- bzw. Temperatursensoren, außerdem Systeme zur Zutrittskontrolle, Informationstafeln etwa zur Raumbelegung und vieles mehr.

Einstieg in Single Pair Ethernet (SPE)

   Anwender sollten Folgendes beachten:

  • Bereits heute sollten Sie sich mit SPE befassen, Anwendungsfelder identifizieren und diese Anforderungen mit Herstellern wie Lapp diskutieren. Jetzt werden Systementscheidungen getroffen und die Hersteller benötigen die Kundenanforderungen zur Systemauslegung.
  • Anwender sollten jetzt ihr Technologiewissen zu SPE aufbauen. Hersteller und das SPE Industrial Partner Network bieten bereits umfangreiches Informationsmaterial wie Webinare oder eLearnings an. Die SPE-Technologie entwickelt sich derzeit sehr schnell – da sollte man am Ball bleiben.
  • SPE bedeutet nicht nur die Reduzierung auf zwei Adern, es sind vielmehr ganz neue Netzwerkstrukturen möglich: Trunk-Fähigkeit, Power over Dataline (PoDL) oder größere Leitungslängen sind nur einige Beispiele. Wer die neuen Möglichkeiten kennt und diese in seine Anwendung überträgt, kann maximal davon profitieren.
  • Doch nicht jede Installation muss einpaarig ausgeführt werden, nur weil es möglich ist. Man sollte vielmehr das gesamte Ethernet-Netzwerk in der Fertigung im Blick haben. In vielen Fällen sind 4-paarige Ethernet-Installationen weiterhin sinnvoll, damit keine Flaschenhälse einstehen, nur um ein bisschen Kupfer zu sparen. Anwender sollten daran denken, dass bei einer künftigen Anlagenerweiterung auch Standard-Ethernet-Geräte noch anschließbar sein müssen.

 

Welcher Stecker setzt sich durch?

Lapp hat schon früh begonnen, industrietaugliche SPE-Leitungen zu entwickeln, und kann diese bereits anbieten. Auch engagiert sich das Unternehmen zusammen mit anderen Herstellern von Verbindungstechnologien bei der Normung. SPE ist bereits international genormt, damit ist die Basis für eine weltweite Verbreitung gelegt.

Für die Industriesteckverbinder wurden mehrere Vorschläge in die Norm IEC 63171 eingebracht. Lapp favorisiert das Steckgesicht nach IEC 63171-6 und beteiligt sich aktiv an der Verbreitung dieses Standards durch Mitarbeit im SPE Industrial Partner Network. Dadurch will das Unternehmen zu einer schnellen Entscheidung des Marktes beitragen.

Damit die Anwender schon jetzt ein SPE-Netzwerk planen und prüfen können, benötigen sie Planungs- und Installationsrichtlinien für die jeweiligen Einsatzzwecke. Diese Dokumente erarbeiten bei den Industrial-Ethernet-Systemen die Nutzerorganisationen wie PI für Profinet oder ODVA für Ethernet/IP. Dort ist Lapp ebenfalls mit den anderen Mitgliedsunternehmen in den entsprechenden Arbeitsgruppen aktiv.


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