Single Pair Ethernet als Schlüssel zur digitalen Transformation

Das Ecosystem für Single Pair Ethernet (SPE) wächst rasant: neue IEEE Standards, robuste Komponenten, ein einheitliches Steckgesicht für die Fabrikautomatisierung. Die Technologie wird damit zum entscheidenden Baustein für durchgängige industrielle IP Kommunikation.

SPE setzt genau dort an, wo klassische Ethernet-Varianten an ihre Grenzen stoßen – im Feld, an Sensoren und Aktoren sowie in langen Leitungswegen. Mit nur einem einzigen, kupferbasierten Adernpaar überträgt SPE Daten effizient und über große Distanzen. Dies verringert Kosten und Bauraum und eröffnet zugleich neue Einsatzmöglichkeiten. Die Technologie deckt Bandbreiten von 10 Mbit/s auf bis zu 1000 m Reichweite bis hin zu 25 Gbit/s auf 11 m ab. Damit eignet sich SPE von der Sensorik bis hin zu anspruchsvollen Anwendungen in der Fabrik- und Prozessautomatisierung (Bild 1).

Die IEEE 802.3 bildet die normative Basis. Neben bestehenden Standards entstehen aktuell zwei neue Varianten mit besonderer Relevanz für industrielle Anwendungen: die Standards 10BASE-T1M (Arbeitsgruppe DA) und 100BASE-T1L (Arbeitsgruppe DG), deren Veröffentlichung zeitnah geplant ist (Bild 2).

Der 10BASE-T1M-Standard ist die Erweiterung des bereits veröffentlichten Multidrop-Standards 10BASE-T1S (CG). Er soll neben einer erhöhten Reichweite und Anzahl an Kommunikationsteilnehmern (Knoten) auch eine geteilte Leitungsübertragung (MPoE, Multi Power over Ethernet) ermöglichen. Mit dem neuen Punkt-zu-Punkt-Standard 100BASE-T1L (DG) erhöht sich die Reichweite der 100-Mbit/s-SPE-Datenübertragung auf 500 m (vorher 40 m), wodurch die 100 m des klassischen Fast Ethernet künftig auch mit SPE abgedeckt werden können.

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Herausforderungen bei der Implementierung

Trotz großer Fortschritte betrifft die Markteinführung von SPE mehrere Aufgabenfelder:

• Normung & Interoperabilität: Hersteller benötigen eindeutige, konsistente Standards, um Geräte interoperabel auszulegen. Unterschiede in der Interpretation können zu Kompatibilitätsproblemen führen.
• Infrastruktur & Verkabelung: Die Migration auf SPE kann Investitionen erfordern, besonders in großen Anlagen. Bestehende Leitungen lassen sich häufig nutzen, müssen jedoch auf Eignung geprüft werden.
• Robustheit in rauen Umgebungen: Mechanische Stabilität, EMV Festigkeit und Resistenz gegen Feuchtigkeit, Vibrationen und Temperaturschwankungen sind essenziell. Die Entwicklung solcher industrietauglichen Komponenten erfordert Zeit und Aufwand.
• Security: SPE bringt alle Ethernet Security Mechanismen mit und bietet damit klare Vorteile gegenüber klassischen Feldbussen.
• Know-how & Schulung: Mitarbeitende müssen sich mit der neuen Technologie intensiv befassen, um sie effektiv implementieren und warten zu können. Dies erfordert Investitionen und Wissenstransfer. Gleichzeitig entfällt die Schulung für viele ältere Bussysteme, die SPE perspektivisch ersetzt.
• Marktakzeptanz & Kosten: Unternehmen wägen Investitionen sorgfältig ab. Entscheidend ist der Blick auf den Mehrwert, den SPE heute und in Zukunft schafft.

Trotz dieser Herausforderungen bietet SPE erhebliche Vorteile und Potenziale für die industrielle Kommunikation. Mit kontinuierlichen Fortschritten bei der Normung, der Entwicklung robuster Komponenten und der Schulung von Fachkräften lassen sich diese Herausforderungen überwinden, um die Vorteile von SPE voll auszuschöpfen (Bild 2).

Das neue Gesicht von SPE

Ein einheitliches Steckgesicht für SPE ist von großer Bedeutung für die Fabrikautomatisierung. Es ermöglicht eine einfache und flexible Verbindung von Geräten und Systemen. Phoenix Contact spielt eine führende Rolle bei der Entwicklung und Förderung eines solchen Standards. Durch die enge Zusammenarbeit mit anderen Industriepartnern, Nutzerorganisationen und Normungsgremien ließ sich bereits ein großer Fortschritt erzielen. Der aktuelle Stand zeigt, dass eine breite Einigung auf ein einheitliches Steckgesicht in greifbarer Nähe ist. Die Norm IEC 63171-7, die in der zweiten Edition bereits in Arbeit ist und von Phoenix Contact maßgeblich mitentwickelt wird, definiert die mechanischen Anforderungen an SPE-Steckverbinder und bildet somit die Grundlage für ein einheitliches Steckgesicht. Die Norm stellt sicher, dass SPE-Steckverbinder eine hohe mechanische Stabilität und Zuverlässigkeit bieten und zugleich eine einfache Handhabung ermöglichen. Zahlreiche Hersteller haben bereits angekündigt, bald erste Geräte zertifizieren zu wollen.

Mehrwert von SPE in konkreten Anwendungen

SPE wird eine zentrale Rolle in der Vernetzung von Maschinen, Sensoren und Aktoren in intelligenten Fabriken spielen. Die Fähigkeit, Daten über lange Strecken und mit hoher Zuverlässigkeit zu übertragen, macht SPE ideal für die Fabrikautomatisierung. Neben Fabrikautomatisierung und Automotive spielt SPE seine Stärken auch in vielen weiteren Branchen aus.

• Gebäudeautomatisierung: SPE ermöglicht eine durchgängige IP Kommunikation – von Sensoren über Lichtsteuerung und HVAC bis hin zu Sicherheitssystemen. Die Folgen sind eine höhere Energieeffizienz, mehr Komfort und zentral steuerbare Gebäudefunktionen.
• Erneuerbare Energien: Ob Wind, PV oder Batteriespeicher – SPE vernetzt Anlagen über lange Strecken effizient und bietet eine Alternative zur Glasfaser. In Smart Grids schafft SPE die Basis für transparente Energiedaten und optimierte Netzführung.
• Agrartechnik: In der Landwirtschaft können SPE Komponenten extremen Umgebungen trotzen. Sie vernetzen Sensoren für Bodenfeuchte, Wetter und Nährstoffgehalt, steuern Bewässerungssysteme und verbinden Maschinen in flottenfähigen High-Speed ISOBUS Netzwerken.
• Prozessautomatisierung: Ähnlich wie in der Fabrikautomatisierung punktet SPE in der Prozessautomatisierung bei Sensorik, Messsystemen und Steuerungssystemen sowie bei der Kommunikation von Feldgeräten wie Ventilen, Pumpen und Motoren. Darüber hinaus ermöglicht SPE die kontinuierliche Überwachung von Anlagenzuständen (Condition Monitoring) und die frühzeitige Erkennung von Wartungsbedarf, was die Betriebseffizienz erhöht. SPE dient auch zur Fernüberwachung und -steuerung von Prozessen, was besonders in abgelegenen oder schwer zugänglichen Anlagen von Vorteil ist. Mit Ethernet-APL ist SPE bereits als Nachfolger für die veralteten Systeme 4-20 mA, HART oder Profibus PA gesetzt. Es beruht auf dem 10BASE-T1L-Standard (10 Mbit/s, 1000 m Reichweite) und erfüllt zusätzlich die Anforderungen der Prozessindustrie in puncto Eigensicherheit in explosionsgefährdeten Bereichen.

Fazit

SPE schließt die letzte Lücke in der durchgängigen IP Kommunikation vom Sensor bis in die Cloud. Die Fortschritte bei der Normung, das umfangreiche Portfolio von Phoenix Contact und die Einigung auf ein einheitliches Steckgesicht sind entscheidende Schritte auf dem Weg zu einer breiten Implementierung der Technologie. Phoenix Contact wird weiterhin eine zentrale Rolle bei der Weiterentwicklung und Standardisierung von SPE spielen, um dessen Vorteile voll auszuschöpfen. Die Norm IEC 63171-7, welche die mechanischen Anforderungen an SPE-Steckverbinder definiert, bildet die Grundlage für ein einheitliches Steckgesicht und stellt sicher, dass SPE-Steckverbinder eine hohe mechanische Stabilität und Zuverlässigkeit bieten. Mit einem umfassenden Portfolio an SPE-Produkten und einer führenden Rolle bei der Normung ist Phoenix Contact darauf vorbereitet, die Vorteile von SPE in die industrielle Kommunikation zu bringen.

Zusätzliche Informationen sind unter www.phoenixcontact.com/spe zu finden.

Die Autoren

Verena Neuhaus ist Produktmanagerin Datensteckverbinder, Tim Kindermann ist Senior Specialist Single Pair Ethernet, beide bei der Phoenix Contact GmbH & Co. KG in Blomberg.

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