Single Pair Ethernet für IIoT
Flinke Datenübertragung auf der Langstrecke
In IIoT-Szenarien sind Kabel und Steckverbinder nötig, die hohe Datenübertragungsraten auch über längere Distanzen erlauben. Prädestiniert hierfür ist Single Pair Ethernet. Ein weiterer Vorteil dieser Technologie ist der geringe Material- und Platzbedarf.
Die industriellen Wertschöpfungsprozesse wandeln sich derzeit in einem nie dagewesenen Tempo und sind durch ein Maximum an Digitalisierung, Automatisierung und Vernetzung gekennzeichnet. Alle beteiligten Komponenten wie Maschinen, Roboter, Steuerungen, Transfersysteme, Industrie-PCs, Smartkameras und Sensoren kommunizieren im Sinne von Industrie 4.0 durchgängig miteinander und tauschen unentwegt Daten aus – sei es über interne Verbindungen oder über das Internet. Übergeordnetes Ziel dieses Industrial Internet of Things (IIoT) ist es, die Prozesse durchgängiger zu gestalten und zu beschleunigen, die Qualität der Produkte zu verbessern und die Kosteneffizienz zu erhöhen.
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IIoT-Markt auf Wachstumskurs
Die zunehmende Bedeutung des IIoT bestätigen auch zahlreiche Studien. So gaben beispielsweise in einer repräsentativen Umfrage 72 Prozent der weltweiten Produktionsunternehmen an, bereits über fundierte Industrie-4.0-Strategien zu verfügen. Demnach investieren die Firmen schon jetzt in hohem Maße in entsprechende Technologien. Dementsprechend belief sich der globale IIoT-Markt im Jahr 2022 auf 293 Milliarden Euro und wird bis 2030 voraussichtlich pro Jahr um weitere 20 bis 25 Prozent wachsen. Nach Expertenschätzungen soll das IIoT-Segment bis dahin ein Marktvolumen von 1,5 Billionen Euro erreichen.
Beflügelt wird dieser Trend von vielerlei Faktoren: Dazu zählt etwa die zunehmende Verfügbarkeit von kostengünstigen Sensoren, fortschrittlichen Netzwerktechnologien und modernen Softwarelösungen auf Basis künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen. Gepaart mit der wachsenden industriellen Globalisierung haben diese Innovationen ein Umfeld geschaffen, in dem verschiedenste Akteure wie Fertigungsunternehmen, deren Beschäftigte, Lieferanten, Verbraucher, Investoren und sonstige Stakeholder überall und jederzeit miteinander in Verbindung sein können – und zwar zu überschaubaren Kosten. Genau das macht das Wesen moderner IIoT-Szenarien aus.
Hohes Maß an Netzwerkkonnektivität ist gefragt
Die technische Umsetzung der IIoT-Anforderungen setzt ein besonderes Maß an Netzwerkkonnektivität voraus, wie es in der Geschichte der Industrie bisher noch nicht dagewesen ist (Bild 1). Hierfür kommen bislang verschiedene Kommunikationssysteme wie Profinet, CAT 5e und 6a, Industrial Ethernet oder Ethercat zum Einsatz. Die wichtigste Übertragungstechnik ist dabei nach wie vor das Ethernet. Dabei stellt die zunehmende Dichte von Sensoren, Aktoren und Steuerungen in vernetzten IIoT-Geräten die Ethernet-Konnektivität vor besondere Herausforderungen. Dazu zählen beispielsweise sehr lange Verkabelungsstrecken, Beschränkungen der Bandbreite aufgrund veralteter Verbindungstechnologien sowie die komplexe Verwaltung verschiedener Protokolle.
Diese Anforderungen haben den Bedarf an einer kompakten, leichten und kostengünstigen Ethernet-Variante geschaffen. Als Lösung der Wahl hat sich das Single Pair Ethernet (SPE) herauskristallisiert. Hier erfolgt die Übertragung von Signalen lediglich über ein Paar verdrillter Kupferdrähte, was wesentliche Vorteile mit sich bringt: Beispielsweise wird durch einen geringeren Bedarf an Kabeln deutlich Material, Platz und Gewicht eingespart. So erfordern nur zwei anstatt acht Drähten weniger Kupfer, ermöglichen eine kleinere Sensorik und machen den Weg frei für eine Miniaturisierung der industriellen Kabelinfrastrukturen. Dank kompakter und preisgünstiger Kabel mit 35 bis 50 Prozent weniger Gewicht – verglichen mit herkömmlichen Ethernet- und Feldbuskabeln – sind beträchtliche Kosteneinsparungen möglich.
Strom- und Daten in einem Kabel übertragen
Ein weiterer entscheidender Vorteil: Single Pair Ethernet überträgt Daten mit einer Geschwindigkeit von bis zu 10 Gbit/s. Zudem wird der vorhandene Platz effizient genutzt: So dient ein und dasselbe Paar an Kupferadern auch zur Stromversorgung von angeschlossenen Endgeräten mit bis zu 52 Watt (Power over Data Line, PoDL). Ansonsten wären hierfür zwei Leitungspaare für Fast Ethernet (100 MB) und vier Leitungspaare für Gigabit Ethernet erforderlich.
Darüber hinaus ebnet Single Pair Ethernet den Weg für eine Highspeed-Datenübertragung über große Strecken: So bietet die Technologie das Potenzial für eine zehnmal höhere Reichweite und kann Daten über Entfernungen bis zu 1.000 Meter bei einer Bandbreite von 10 Mbit/s übertragen. Bei einer Übertragungsleistung von 1 Gbit/s lassen sich hingegen bis zu 40 Meter überbrücken. Dazu kommen eine große Robustheit und die daraus resultierende Langlebigkeit der Verbindungen. Zudem lassen sich SPE-Kabel sehr schnell und einfach installieren sowie in Fabrikinfrastrukturen integrieren, was die Material- und Arbeitskosten senkt.
Im Ergebnis schafft Single Pair Ethernet optimale Voraussetzungen für die Entwicklung leistungsfähiger und kosteneffizienter industrieller Konnektivitätslösungen. Diese vereinen die Vorteile einer Highspeed-Datenübertragung mit den Möglichkeiten für eine Miniaturisierung. Die Technologie legt damit die Basis für eine durchgängige Echtzeitkommunikation bis in die Feldebene.
Highspeed-Datentransfer über längere Strecken
Aufgrund der vielen Nutzenaspekte ist Single Pair Ethernet insbesondere für hochautomatisierte IIoT-Anwendungen geeignet. Die Technologie bildet daher in zahlreichen industriellen Einsatzszenarien die bessere Alternative zu herkömmlichen Übertragungswegen. Dies gilt vor allem für das Produktionsumfeld: So müssen aufgrund der fortschreitenden Digitalisierung und Automatisierung immer größere Datenmengen schnell und verlässlich auf dem Shopfloor zur Verfügung stehen. Angesichts der vielerorts wachsenden Produktionskapazitäten müssen bei der Datenkommunikation häufig größere Distanzen überwunden werden.
Single Pair Ethernet ist hierfür ideal, da sich damit auch über längere Strecken hohe Datenübertragungsraten realisieren lassen. Darüber hinaus ermöglicht die Technologie erstmalig einen durchgängigen Datenaustausch vom Sensor bis zu Edge- und Cloud-Infrastrukturen über ein einheitliches Kommunikations-protokoll. Dies vereinfacht das Management der Netzwerkarchitekturen deutlich.
Da Single Pair Ethernet eine flexibel einsetzbare Lösung ist, können die unterschiedlichsten Industriezweige davon profitieren. Dabei gilt: Je intensiver Prozesse digitalisiert und automatisiert sind, desto schneller und reibungsloser müssen große Datenmengen auf dem Shopfloor fließen. Daher eignet sich die Technologie insbesondere für Branchen mit einem hohen Automatisierungs-grad – wie beispielsweise die Automobilproduktion, den Maschinen- und Anlagenbau, die Lebensmittel- und Getränkeindustrie oder die Chemie- und Arzneimittelbranche. Und auch in weiteren Anwendungsszenarien, in denen eine schnelle und verlässliche Datenkommunikation gefragt ist, kommt Single Pair Ethernet mittlerweile vermehrt zum Einsatz. Dazu zählen etwa Transport und Logistik, das Smart-City-Umfeld sowie das Verteidigungswesen.
SPE-Kabel mit passenden Steckverbindern kombinieren
SPE-Verkabelungen können ihr Potenzial jedoch nur dann freisetzen, wenn sie mit den richtigen Steckverbindern kombiniert werden. Denn die Verbindung des Kabels zur Maschine muss in der Lage sein, die hohe Übertragungsgeschwindigkeit entsprechend zu verarbeiten.
Fischer Connectors beispielsweise bietet ein umfangreiches Portfolio an zuverlässigen SPE-Komplettlösungen: Die Produkte der Core- und UltiMate-Serie etwa übertragen Daten mit einer Geschwindigkeit von 1 Gbit/s gemäß IEEE 802.3bp - 1000Base-T1 (Bild 2). Sie zeichnen sich durch eine hohe Robustheit, Sicherheit, Haltbarkeit, Umweltverträglichkeit und mechanische Belastbarkeit aus.
Die Single-Pair-Ethernet-Lösungen entsprechen den MIL-STD-Normen (für die UltiMate-Serie) und verfügen über 10.000 Steckzyklen und drei Verriegelungsmechanismen (Push-Pull, Schraube, Schnellverschluss). In Ergänzung zu den Schutzklassen IP68/IP69 ermöglichen sie darüber hinaus eine hermetische Abdichtung.
Hohe Leistung auf geringem Raum
Vernetzte und hochgradig automatisierte IIoT-Produktionsumgebungen erfordern ein Maximum an Konnektivität. Benötigt werden Kabelinfrastrukturen, die sowohl Strom als auch Daten über größere Entfernungen und mit hoher Geschwindigkeit sicher und effizient übertragen können.
Da auf dem Shopfloor in der Regel wenig Platz zur Verfügung steht, die vernetzten Geräte und Sensoren immer kleiner werden und zudem schwer zugänglich sind, bedarf es einer platzsparenden Übertragungstechnologie. Single Pair Ethernet adressiert diese Anforderungen passgenau: Durch den Highspeed-Datentransfer in Kombination mit geringem Materialeinsatz und Gewicht lässt sich die Konnektivität für verschiedene IIoT-Anwendungs-szenarien auf eine neue Stufe heben.
Der Autor
Martin Wimmers
ist Geschäftsführer von Fischer Connectors.
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