Single Pair Ethernet Abrüstung beim Kabelsalat

Weniger Kosten, weniger Gewicht durch Single Pair Ethernet
Weniger Kosten, weniger Gewicht durch Single Pair Ethernet

Single-Pair-Ethernet verringert Kosten, Volumen und Gewicht der Verkabelung. Damit dringt Ethernet in neue Anwendungsbereiche vor, die bisher die Domäne von Feldbussen waren. Die leichten Kabel erfordern aber besondere Sorgfalt bei der Verlegung und insbesondere den Steckverbindungen.

Wohl kein Begriff hat soviel Potenzial, das Buzzword der Dekade zu werden, wie der des »Internet of Things«. Mit knapp 63 Millionen Treffern in Suchmaschinen ist das Thema seit langem in aller Munde. Nun drängt aus der Automobilindustrie mit Single-Pair-Ethernet eine Technologie in die Automatisierungswelt, die mit (noch) unter fünfzigtausend Treffern zwar wesentlich bescheidener daher kommt, doch hat SPE, wie die Abkürzung schlicht lautet, als neues »Physical Layer« das Zeug zum wichtigsten Bindeglied für eine einheitliche IP-Struktur im Automatisierungsbereich zu werden.

Single-Pair-Ethernet bietet über ein einzelnes, verdrilltes Kabel einen bidirektionalen Internetkanal mit 10 Mbit Bandbreite bei einer Segmentlänge von beeindruckenden 1000 m (10Base-T1). Bei einer Übertragung im Gigabit-Bereich sind immerhin noch 15 m bis 40 m möglich. Und an Multi-Gigabit-Lösungen mit 2,5/5 oder 10 Gbit wird gearbeitet (Bild 1).

Damit sind bildgebende Sensoren, beispielsweise Farbkameras, Radar- oder Lidarsensoren, standardisiert in IP-Systeme einbindbar. Solche Sensoren erfordern naturgemäß hohe Datenraten und finden Verwendung als Rückfahrkameras, für die Kollisionserkennung und allgemeine Distanzmessungen. Sie sind für industrielle Inspektionsaufgaben und Mustererkennung unverzichtbar.

Gegenüber der bisher üblichen achtadrigen Verkabelung bedeutet SPE die Verringerung des reinen Leitungsgewichtes um 2/3. Das führt zu weniger als der Hälfte des bisherigen Kabelvolumens. Wen wundert es da, dass die Automobilindustrie die neue Technologie als erste nutzte, um die Kommunikation mit immer komplexer werdenden und in steigender Anzahl benötigten Sensorsystemen in modernen Kraftfahrzeugen in den Griff zu bekommen. Zweidrahtsysteme werden in Kraftfahrzeugen seit jeher benutzt, und so wird zum Beispiel der CAN-Bus versehentlich auch mal als Car-Area-Network bezeichnet (korrekt: Controller Area Network). Zurück geht SPE übrigens auf das BroadR-Reach-System von Broadcom, die damit speziell in den Automobilmarkt eingestiegen sind.

Seit langem gilt der Zweisprung: Was digitalisiert werden kann, wird digitalisiert. Und was digitalisiert ist, landet in der Cloud. Je nahtloser die Integration der Daten aus der realen Welt über die Sensorsysteme in die Internet-Welt gelingt, desto realer wird das Internet of Things. Mit SPE, IP und OPC-UA ist eine solche, durchgehende Netzwerkkommunikation ohne System-, Technologie- oder Protokollwechsel zum Greifen nahe.

Klingt einfach – ist es aber natürlich nicht

Die hohen Datenraten erfordern eine strenge Symmetrie der gesamten Strecke vom Kabel über jeden Anschlusspunkt und sind besonders kritisch in Bezug auf die Form, die elektrischen Eigenschaften und sogar die Anschlussbelegung der eingesetzen Steckverbinder. Hier hat der RJ45-Stecker keine Chance mehr.

Es ist also kein Wunder, dass sich bei der Entwicklung und Standardisierung von SPE alle großen Marktteilnehmer im Bereich Steckverbinder und strukturierte Verkabelung wiederfinden, der Messgerätehersteller Fluke, Infrastrukturspezialisten wie CommScope, Siemon oder Belden, dem Schweizer Gebäudeautomatisierer Reichle & de Masari, und natürlich den Steckerspezialisten aus dem westfälischen »Connector Valley« Phoenix Contact, Weidmüller und Harting.

In der IEC 63171 sind die für die Verwendung bei Single-Pair-Ethernet vorgesehenen Steckverbinder definiert. In den Teilen 1 bis 4 sind die für eine Büroumgebung und damit etwa den IP20-Schutzanforderungen genügenden Steckverbinder verschiedener Hersteller definiert, die die »MICE Stufe 1« (siehe Kasten) erfüllen.

Besonders spannend für die Indu-strieautomatisierung sind die Teile 5 und 6 der IEC 63171. Hier sind bereits zwei »Steckgesichter« definiert, die für die Umgebungsbedingungen MICE 2 und MICE 3 (IP65/IP67) geeignet sind. Während das von Harting mit den Firmen TE Connectivity und Hirose Electric entwickelte System (Bild 2) in der IEC 63171-6 beschrieben ist, kooperieren die Firmen Phoenix Contact und Weidmüller und definieren ihre Produktlinie (Bild 3) in der IEC 63171 Teil 5. Für eine ausführliche Diskussion der jeweiligen Vorteile der Konzepte sei auf die Firmenseiten im Literaturverzeichnis verwiesen.

Bisher sind nur die Steckverbinder gemäß IEC 63171-1 und IEC 63171-6 fertig genormt und die zugehörigen Dokumente werden in Kürze allgemein verfügbar veröffentlicht.

Wo läuft alles zusammen?

Die im westfälischen Hamm ansässige EKF Elektronik ist ein führender Hersteller modularer, industrieller Microcomputer. Bisher bekannt für ihre Hochleistungssysteme auf Basis des Standards CompactPCI hat der Elektronikspezialist in diesem Frühjahr seine neue Produktlinie Embedded Blue vorgestellt, die speziell für das Industrial-IoT entworfen wurden. Neben den auf Intel Atom basierenden Industrie-Computern sind auch verschiedenste Switches und Gateways in der neuen Gerätefamilie zu finden.

 

embedded world

EKF: Halle 1, Stand 1-660
Harting: Halle 3, Stand 3-358

Besonders erwähnenswert sind die beiden SPE-Switches AL5 und AL6, die jeweils speziell auf die Steckverbinder von Harting oder Weidmüller ausgerichtet sind (Bild 4).

Es ist klar abzusehen, dass der Trend in der industriellen Automatisierung von immer komplexeren Sensoren bis hin zu Sensorinseln fortschreitet. Es ist mittlerweile preiswerter, Standardsets von Sensoren auf einem Board oder sogar Chip zu implementieren und direkt etwas Vorverarbeitung beizufügen. Solche Subsysteme sind sehr gut miniaturisierbar, erfordern aber eine komplexere Datenverbindung, die mit SPE gut realisiert werden kann.

Neben mobilen Anwendungen für komplexe Sensorverkabelung in PKW, Nutzkraftfahrzeugen und Schienenfahrzeugen sind die stationären Segmente Gebäudeautomatisierung und Fertigungsautomatisierung weitere Märkte mit gigantischen Marktchancen.

Für deutsche Ohren niedlich abgekürzt als PoDL ergänzt die Technologie »Power over Dataline« den Gedanken und führt den Sensorinseln die notwendige Energie zu. Bei bis zu 50 Watt sind dann sogar SPE-PoDl-LED-Raumleuchten denkbar, die per LiFi-Daten in einem Konferenzsaal an die »anwesenden« Mobilfunkgeräte senden können. (jk)

STICHWORT: MICE

Das Akronym MICE steht für »mechanical« (Mechanisch), »ingress & protection« (Eindringen & Schutz), »climatic & chemical« (Klima & Umwelt) sowie »electromagnetic« (elektromagnetische Verträglichkeit). Die Stufen sind 1-3 entsprechen festgelegten Testbedingungen. So ist M1I1C1E1 = MICE1 beispielsweise eine bestimmte, definierte Büroumgebung.

LITERATUR & LINKS:

[1] Harting SPE https://www.harting.com/DE/de/single-pair-ethernet

[2] Weidmüller SPE https://www.weidmueller.com

[3] FinanzNachrichten.de https://www.finanznachrichten.de/nachrichten-2019-03/46311416-phoenix-contact-weidmueller-interface-reichle-de-massari-belden-und-fluke-networks-single-pair-ethernet-eine-normungs-allianz-formiert-sich-610.htm

[4] EKF Elektronik SPE Switch http://www.ekf.de/a/al1/al1.html

[5] Reichle & De-Massari https://www.youtube.com/watch?v=0bafhH8SJXs

[6] Phoenix Contact https://www.phoenixcontact.com/online/portal/de?1dmy&urile=wcm%3Apath%3A/dede/web/main/products/technology_pages/subcategory_pages/Single_pair_ethernet/52214e58-5f89-4493-b2fa-96873d7e97c3

[7] Belden https://www.belden.com/blog/smart-building/four-new-applications-using-single-pair-ethernet-cabling

[8] Rosenberger Automotive SPE https://www.rosenberger.com/de/products/automotive/h-mtd.php

[10] BroadR-Reach https://de.wikipedia.org/wiki/BroadR-Reach