Neue Ansätze für viele Anwendungen
SPE als Schlüssel zur digitalen Transformation
Single-Pair-Ethernet ist eine neue Entwicklungsstufe des drahtgebundenen Industrial Ethernet, mit der sich viele bislang anspruchsvolle Anwendungen leicht realisieren lassen. Sie vereinfacht die digitale Transformation bis hinunter zur Sensor-Aktor-Ebene enorm.
In den Sektoren Energie, Industrie und Gebäudetechnik hat die Veränderungsgeschwindigkeit stark zugenommen. Die Digitalisierung spielt dabei eine entscheidende Rolle. Zwei essenzielle Aspekte zeichnen die digitale Transformation aus: digitale Erfassung und Verarbeitung elektrischer Daten sowie deren effiziente Kommunikation. Single-Pair-Ethernet (SPE) ist somit eine entscheidende Schlüsseltechnologie für zukunftsfähige Systeme.
Moderne Systeme wie das Internet of Things (IoT) oder auch das industrielle Pendant IIoT verzeichnen ein stetiges Wachstum, das vom Streben nach höherer Leistung, vernetzten Anwendungen und optimierter Effizienz geprägt ist. Kommunikation inklusive der zugehörigen technischen Infrastruktur kommt dabei eine entscheidende Bedeutung zu. Das Ethernet etablierte sich schon vor Jahrzehnten als eine Technik für die Verbindung von Datennetzen und die Anbindung von Geräten. Doch SPE ist für die Anforderungen heutiger Einsatzgebiete optimiert. Die Eigenschaften von SPE bieten dabei einen echten Mehrwert für moderne Kommunikationsinfrastrukturen. Phoenix Contact hält dazu mit seinem umfassenden Produktportfolio für SPE die technischen Lösungen und branchenübergreifende Expertise bereit.
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Ethernet versus Single-Pair-Ethernet
Ethernet-Anwendungen, wie sie bislang in unterschiedlichen Industrien genutzt werden, erfordern traditionell zwei bzw. bei Gigabit-Ethernet und höheren Datenübertragungsraten sogar vier Adernpaare. Bei SPE dagegen genügt ein Adernpaar, um Daten und Leistung zu übertragen.
Die möglichen Übertragungsraten reichen dabei von 10 Mbit/s bei einer maximalen Übertragungslänge von 1000 m bis hin zu 1 Gbit/s bei einer maximalen Übertragungslänge von 40 m. Damit sind sogar anspruchsvolle Aufgaben beim Einsatz vernetzter Sensorik mit Scannern oder Kameras realisierbar. Viele Anwendungen, die bislang wegen der erforderlichen Datenraten, Reichweiten und nahtlosen Kommunikation an die Grenzen der technischen oder wirtschaftlichen Umsetzbarkeit stießen, können nun dank SPE Realität werden.
Übertragungen bis zu 1000 m
Wenn bislang Punkt-zu-Punkt-Verbindungen etwa in der Industrie bei Fließ- und Förderbändern mit Distanzen größer als 100 m realisiert werden sollten, kamen herkömmliche Standard-Ethernet-Ansätze an ihre Grenzen. Mit Repeatern oder Switches, die eingesetzt wurden, um die limitierte Reichweite zu erweitern, holte man sich aber potenzielle Fehlerquellen ins System und erhöhte den Wartungsbedarf. Steigt die Zahl der Schnittstellen, so steigt die Anfälligkeit für Störungen.
Mit der SPE-Technologie lassen sich dagegen Entfernungen bis zu 1000 m bei einer Übertragungsgeschwindigkeit von 10 Mbit/s realisieren – und das ohne Einsatz zusätzlicher Geräte. Optional können die verbundenen Geräte bei SPE zudem die PoDL-Technologie (Power over Data-Line) nutzen. Spezifische Feldbustechniken, wie sie aktuell noch eingesetzt werden, lassen sich so künftig durch leistungsstarke SPE-Netze mit Datenraten bis 10 Mbit/s ersetzen.
SPE eignet sich dabei auch, um komplexe Netzwerktopologien zu realisieren. Über SPE lassen sich Verbindungen zu unterschiedlichen Systemen aufbauen und mit einheitlichen Ethernet-Diensten betreiben.
Dank der Übertragungsgeschwindigkeiten von 10 Mbit/s bis zu 1 Gbit/s sind mit SPE sehr unterschiedliche Anwendungen realisierbar. Aktuell werden in den IEEE-802.3-Konsortien SPE-Standards mit erweiterten Leistungsrahmen diskutiert. So könnten auch höhere Datenraten mit 10 Gbit/s und mehr für kurze Distanzen (<15 m) sowie 100 Mbit/s bzw. 1 Gbit/s mit einer Länge von bis zu 500 m möglich werden. Ganz neue Applikationsbereiche könnten mit solchen neuen SPE-Standards erschlossen werden.
Anwendungsbereiche in der Industrie
In klassischen Industrieanwendungen kommen bislang häufig Ethernet-Netzwerke und eine größere Zahl von Feldbussystemen auf der Feldebene zum Einsatz. Anspruchsvolle Anwendungen für das IIoT erfordern effizientere Kommunikationssysteme als die bisherigen Feldbusse.
Überall dort, wo eine lückenlose Kommunikation zwischen Sensoren und/oder Netzwerken erforderlich wird, kommen die Bestandssysteme schnell an ihre Grenzen. Dabei ist eine nahtlose und sichere Datenverbindung bei solchen Anwendungen entscheidend.
In einer durchschnittlichen Fabrik entstehen ungefähr ein Terabyte Daten pro Tag. Und das Datenaufkommen wird eher steigen. Um dieses Datenvolumen zu verarbeiten, ist eine kontinuierliche Kommunikation erforderlich. Hierbei lässt sich über SPE ein durchgängiges System vom Sensor bis zur Cloud realisieren.
Vor dem Hintergrund einer immer komplexeren Infrastruktur, was Netzwerk, Sensorik und intelligente Endgeräte anbelangt, kann mit SPE ein leistungsstarkes Gesamtsystem entstehen. Sicher, einfach, kompakt und kosteneffektiv: Die Vorteile sind dabei vielfältig, zudem werden die SPE-Systeme künftig wesentlich kostensparender als die aktuellen Bestandssysteme aus Bus- und Ethernet-Komponenten.
SPE-Anwendungsfall Roboter
Auch wenn autonome und kollaborative Roboter zum Einsatz kommen, bietet sich der Einsatz von SPE an. Durch die hohen Datenübertragungsraten von SPE kann die Kommunikation zwischen Roboter und Steuerungseinheit steigende Abtastraten und ein wachsendes Datenaufkommen bewältigen. Über die PoDL-Technologie ist zudem eine vereinfachte Verkabelung mit Daten und Energie in einer Bahn möglich. Was über die Leistungsanforderungen bei den bisher definierten PoDL-Standards hinausgeht, lässt sich künftig über hybride SPE-Leitungen mit Daten- und Leistungskontakten in einem Steckverbinder realisieren.
Dabei wirken sich weniger Kabel und Verbindungen positiv auf die Sicherheit vor Ausfällen etwa durch Materialermüdung aus. Zudem vereinfacht sich die Wartung – und eine mögliche Fehlerbehebung.
Im Vergleich zu bisherigen Automatisierungskabeln ermöglicht SPE zudem geringere Biegeradien, was gerade bei der Auslegung des Roboter-Handlings mehr Spielraum ermöglicht.
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