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Normiert in die Zukunft mit SPE

Wohin geht das Ethernet?

06. Dezember 2019, 14:07 Uhr   |  Verena Neuhaus

Wohin geht das Ethernet?
© Phoenix Contact

Das Potenzial der reduzierten Verkabelung kann Single Pair Ethernet (SPE) nur als herstellerunabhängiger und normierter Teil einer neuen Netzwerkarchitektur nutzen. Mit Marktbegleitern treibt Phoenix Contact die Entwicklung und Standardisierung von geschützten & ungeschützten Steckgesichtern voran.

Mit den Trends ist es manchmal so eine Sache. Jeder hat schon davon gehört, viele reden darüber. Das gilt auch für das Single Pair Ethernet (SPE). Dessen Vorteile liegen sprichwörtlich auf der Hand und sind bereits vielfach kommuniziert worden: weniger Rohstoffeinsatz bei den Kupferadern, geringeres Gewicht in der Handhabung, kompaktere Kabeltrassen in der Gebäude- und Anlagenverkabelung. All das sind unbestreitbar Vorteile gegenüber dem achtadrigen Ethernet oder der Feldbusverkabelung. Doch in welchen Szenarien kommen diese Vorteile zum Tragen? Was ist wirklich erforderlich, damit SPE zur DNA des Industrial Internet of Things (IIoT) werden kann?

Zukunft der industriellen Kommunikation

Das IIoT ist die Vision einer vollständig vernetzten industriellen Produktion. Alles ist mit Allem verbunden und tauscht fleißig Daten aus: Menschen mit Maschinen; Maschinen mit Roh-, Zwischen- und Endprodukten; Endprodukte mit anderen Endprodukten. Und das alles quer über Branchen und Anwendungsbereiche hinweg. Dabei wird schnell klar, dass nicht nur die Anzahl der Teilnehmer in diesem industriellen Netz der Dinge potenziell unendlich ist. Auch die relevanten Datenmengen wachsen in kaum vorstellbare Dimensionen hinein. Man stelle sich nur eine riesige »Talkrunde« vor, in der jeder einzelne Mensch auf der Erde gleichzeitig in seiner Sprache versuchen würde, sich allen anderen Zeitgenossen mitzuteilen. Undenkbar ohne eine gemeinsame Sprache, ohne gemeinsames Regelwerk und ohne genau definierte Ordnung, wer wann wie lange und mit wem spricht.

Das Industrial Internet of Things kennt jedoch eine solche Ordnung: das Ethernet-Protokoll. Als Kommunikationsprotokoll für den Datenaustausch definiert es exakt die oben genannten Rahmenbedingungen. Bereits seit den 1970er-Jahren ist das Ethernet zur firmeninternen und lokal begrenzten Übertragung von Datenpaketen in kabelgebundenen Computernetzwerken (LAN, Local Area Network) etabliert. Bisher drang es jedoch nicht in die letzte Feldebene vor. Vor diesem Hintergrund wurden die bestehende Feldverkabelung, die Geräteschnittstellen sowie die Geräte selbst hardwareseitig für die Feldbus-Kommunikation ausgelegt.

Grundstein für eine neue Netzwerkarchitektur

Es zeigt sich also, dass es sich beim Single Pair Ethernet noch um eine Zukunftsvision handelt – genauso aber auch beim Konzept des IIoT. Die kommenden drei bis fünf Jahre werden allerdings richtungsweisend für beide Visionen sein. In der Tat bedingen sich beide gegenseitig. Denn das Single Pair Ethernet umfasst nicht nur das softwareseitige Kommunikationsprotokoll, sondern auch dessen physikalische Übertragungswege – den sogenannten Physical Layer. Ähnliche Definitionen werden nicht nur für das Single Pair Ethernet erarbeitet, sondern auch für andere Anwendungen wie die Funkübertragung (5G), die Datenübertragung in der Prozessindustrie und im Großanlagenbau (APL, Advanced Physical Layer) oder Echtzeitkommunikation (TSN, Time Sensitive Networking). Damit wird schon heute der Grundstein für eine neue Netzwerkarchitektur gelegt (Bild 1).

Bild 1. Informations- (IT) und Betriebstechnik (OT): Neue Kommunikationsstandards sind die Basis für die durchgängige Vernetzung vom Sensor über die Maschine und übergeordnete Systeme bis in die Cloud hinein.
© Phoenix Contact

Bild 1. Informations- (IT) und Betriebstechnik (OT): Neue Kommunikationsstandards sind die Basis für die durchgängige Vernetzung vom Sensor über die Maschine und übergeordnete Systeme bis in die Cloud hinein.

Erst die Normierung schafft Sicherheit

Ausgangspunkt für die aktuell entwickelten SPE-Normen ist der offene BroadR-Reach-Standard von 2011. Ursprünglich von der Broadcom Corporation entwickelt und an Teilnehmer der Open Alliance SIG lizensiert, beschreibt der Standard physikalische Schnittstellen und Übertragungsmedien in Automobilanwendungen. Im Kern geht es dabei um die Datenübertragung über ein einziges, verdrilltes Aderpaar. Hier liegt also die eigentliche Geburtsstunde des Single Pair Ethernet – wenn auch noch nicht unter diesem Namen.

Die IEEE 802.3 hat bezüglich der Normierung der Steckverbinder für das Single Pair Ethernet der ISO/IEC JTC 1/SC 25 WG 3 einen Arbeitsauftrag erteilt, um entsprechende Steckverbinder vorzuschlagen und zu standardisieren. Dabei kommt es darauf an, die entsprechenden MICE-Klassen für die unterschiedlichen Applikationen in Büro- und Industrieumgebungen zu berücksichtigen. MICE beschreibt die mechanischen Eigenschaften, die Dichtigkeitseigenschaften, die klimatischen Eigenschaften und die elektromagnetischen Eigenschaften der Steckverbinder und Kabel (MICE: Mechanical, Ingress, Climatic, Electromagnetic). Seit 2017 wurden dann in der Normenreihe IEC 63171 neue Normen zusammengefasst, die physikalische Schnittstellen für unterschiedliche IP-Schutzarten und damit unterschiedliche Einsatzbereiche in der industriellen und semi-industriellen Automatisierung beschreiben.

Die IEC 63171 umfasst eine Basisnorm, die alle Steckverbinder erfüllen müssen. Darunter gliedert sich die Norm in aktuell sechs Standardisierungsvarianten mit unterschiedlichen Steckverbindern, die allesamt für das Single Pair Ethernet geeignet und zugelassen sind. Keiner dieser Standards wurde bereits veröffentlicht. Daher kann in Bezug auf deren Definitionsrahmen – die physikalischen Übertragungswege – derzeit auch noch nicht von einem Standard gesprochen werden. Eine Empfehlung der IEEE für zwei dieser Standards in Kombination mit dem entsprechenden Einsatzgebiet – Gebäude- und industrielle Verkabelung – wurde jüngst wieder revidiert. Erst mit Prüfung und Veröffentlichung der endgültigen Norm sowie der breiten Akzeptanz am Markt kann sich hier ein Standard etablieren.

Use Case Factory Automation

Aktuelle Gerätegenerationen, Schnittstellen und Verkabelungskonzepte sind von den Standardisierungsbemühungen also nicht unmittelbar betroffen. Hersteller von Sensoren und Aktoren sowie von Steuerungen und Feldgeräten beschäftigen sich jedoch schon heute im Design-in-Prozess mit der Gerätegeneration, die erst in zwei bis drei Jahren Marktreife erlangt.

Die durchgängige Ethernet-basierte Kommunikationsstruktur ist besonders für Hersteller von Feldgeräten schon heute ein wichtiges Argument. Auch die großen Übertragungsdistanzen von bis zu 1.000 m sowie die Möglichkeit, Daten und Leistung von bis zu 60 W über nur ein Aderpaar (PoDL, Power over Dataline) zu übertragen, sind Schlüsselargumente für SPE in zukünftigen Gerätegenerationen.

Phoenix Contact bietet mit seinem Steckverbinderkonzept ein durchgängiges steckkompatibles System an, das kompakt baut und das dem Gerätehersteller erlaubt, möglichst wenig Platz auf der Leiterplatte in Anspruch zu nehmen und damit kleinere Geräte zu bauen. Das Steckverbinderkonzept basiert auf IEC 63171-2 für IP20-Applikationen in der Gebäude- und Schaltschrankverkabelung und auf IEC 63171-5 für IP67-Applikationen in der Feldebene der industriellen Anwendungen. Außerdem treibt Phoenix Contact die Normierung der entsprechenden Schnittstellen voran. Gemeinsam mit anderen Marktbegleitern – Belden, Fluke Networks, Reichle & De-Massari, Weidmüller – entwickelt der Spezialist für Anschlusstechnik geschützte und ungeschützte Steckgesichter für einpaarige und vierpaarige Leitungen (Bild 2/Bild 3).

Bild 2. Single Pair Ethernet: Mit seinen grenzenlosen Möglichkeiten wird das Aderpaar zur DNA des Industrial Internet of Things.
© Phoenix Contact

Bild 2. Single Pair Ethernet: Mit seinen grenzenlosen Möglichkeiten wird das Aderpaar zur DNA des Industrial Internet of Things.

Bild 3. Effizient verkabelt: Einpaarige und vierpaarige MICE-Schnittstellen werden für IP20- und IP6x-Anwendungen konzipiert.
© Phoenix Contact

Bild 3. Effizient verkabelt: Einpaarige und vierpaarige MICE-Schnittstellen werden für IP20- und IP6x-Anwendungen konzipiert.

Auch der Wunsch nach Kostenersparnis treibt die Reduzierung auf nur ein Aderpaar voran. Ein im oben erwähnten Konsortium entwickelter Use Case für den Bereich Factory Automation zeigt, dass SPE mögliche Kosteneinsparungen von mehr als 25 Prozent im Vergleich zu modernen modularen Maschinenkonzepten mit sich bringt. Die Kosteneinsparungen liegen nur begrenzt bei den Komponenten, sondern vielmehr in der konsequenten Nutzung der SPE-Technologie. Alle Komponenten der Maschine können dann digital miteinander kommunizieren. Darin liegt der eigentliche Vorteil bei der Kosten-Nutzen-Analyse, denn der Status jeder einzelnen Komponente der Maschine kann jederzeit und von jedem Ort abgerufen werden.

Die relevanten Normen

IEC 63171-2: SPE-Steckgesichter für IP20

IEC 63171-5: SPE-Steckgesichter für IP67

ISO/IEC 11801-1: Allgemeine Anforderungen für Twisted-Pair- und Glasfaserkabel

Single Pair Ethernet – auf einen Blick

Das Single Pair Ethernet (SPE) beschreibt die physikalischen Schnittstellen zur einpaarigen Übertragung von Daten und Leistung zwischen unterschiedlichen Kommunikationsteilnehmern.

Das IEEE erarbeitet Normen für unterschiedliche Anwendungen mit Datenübertragungsraten von 10 (802.3 cg), 100 (802.3 bw) und 1000 Mbit/s (802.3 bp) sowie für Leitungslängen von 15 bis 1000 Meter.

Zusammen mit Belden, Fluke Networks, Reichle & De-Massari und Weidmüller entwickelt Phoenix Contact normierte Steckgesichter für IP20- und IP6x-Umgebungen.

Verena Neuhaus studierte Wirtschaftsingenieurwesen für Elektrotechnik an der Universität Paderborn. 2006 begann sie ihre Tätigkeit im Produktmarketing für Leiterplattenanschlusstechnik bei Phoenix Contact in Blomberg. Seit 2014 ist sie dort im Produk
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Verena Neuhaus studierte Wirtschaftsingenieurwesen für Elektrotechnik an der Universität Paderborn. 2006 begann sie ihre Tätigkeit im Produktmarketing für Leiterplattenanschlusstechnik bei Phoenix Contact in Blomberg. Seit 2014 ist sie dort im Produktmarketing des Bereichs Device Connectors für Datensteckverbinder zuständig. Im Rahmen dieser Tätigkeit verantwortet sie weltweit das Portfolio für Datensteckverbinder im Bereich der Kupfer- und LWL-Verkabelung.

Phoenix Contact arbeitet weiter konsequent an SPE – mit dem Ziel, diese evolutionäre neue Technik für eine möglichst große Zahl von Anwendungsszenarien zu ertüchtigen. Die Vorteile – Gewichtsreduktion der Kabel, Miniaturisierung und Vereinfachung der Anschlusstechnik – kommen erst mit der optimalen Durchgängigkeit der gesamten Infrastruktur zum Tragen. Die Netzwerkstruktur in allen Applikationsbereichen, von der Gebäudeautomatisierung über die Fabrikautomation bis hin zur Prozessautomation, wird von dieser Innovation beeinflusst. Niemand sollte in diesem Kontext außer acht lassen, dass es sich bereits heute entscheidet, wohin das Ethernet in Zukunft geht.    sd

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