Single Pair Ethernet DNA für das Netzwerk der nächsten Generation

Bereits heute ist absehbar, dass herkömmliche Ethernet- Bussysteme den zukünftigen Anforderungen im industriellen Umfeld nur noch bedingt gerecht werden. Ein neuer Standard bei der Verkabelung ist dringend erforderlich.

Anlässlich der Hannover Messe 2019 haben die Unternehmen Phoenix Contact, Weidmüller Interface, Reichle & Massari (R&M), Belden sowie Fluke Networks eine Technologiepartnerschaft für das Single Pair Ethernet (SPE) gegründet, um einheitliche Standards für die neue Technologie zu schaffen. Die Unternehmen entwickeln und unterstützen die gemeinsam in die Normierung eingebrachten Steckgesichter der IEC 63171-2 und IEC 63171-5.

Intelligente Kommunikation mit dem Sensor

Digitale Vernetzung und Modularität durchdringen industrielle Technologien und ermöglichen große Flexibilität in der Produktion. Doch in den letzten Automatisierungsebenen stößt die Vernetzung oft noch auf strukturelle Barrieren. Gleichzeitig wird durch die weltweit steigende Anzahl smarter Endgeräte aufgrund der Digitalisierung der Aufwand der Vernetzung zunehmend komplexer. Immer häufiger ist im industriellen Anlagenfeld Ethernet als Feldbus-Alternative anzutreffen.

Die Vorteile einer durchgängigen Vernetzung über die Steuerung bis zur IT-Welt sind groß. Viele Hindernisse, wie eine definierte Reaktionszeit, wurden hierfür überwunden und so ein Industrial Ethernet geschaffen, das den harten Anforderungen im maschinennahen Umfeld genügt. Durch die Migration der Feldbustechnik auf Ethernet ist man in der Lage, nicht nur das Zustandssignal abzufragen, sondern es ist eine intelligente Kommunikation mit dem Sensor möglich. Durch die neue Technologie und deren neuen Verkabelungsstrukturen können zukünftig aktive Komponenten reduziert werden, bei Ausnutzung einer vierpaarigen Verkabelungsinfrastruktur.

Eine Single Pair Ethernet (SPE)-Installation hat deutlich weniger Platzbedarf, das ist vor allem vorteilhaft bei kompakten I/O-Schnittstellen. SPE benötigt nur noch ein Adernpaar anstelle von zwei beziehungsweise vier Paaren. Der Anstoß für diese Entwicklung kam aus der Automobilindustrie, dort werden die Bordnetze in dieser Technologie ausgeführt. Mittlerweise wächst auch in der Automatisierungstechnik das Interesse an dieser Technologie. Der einfache Aufbau und die damit verbundene Reduktion von Gewicht, Platzbedarf und Installationsaufwand kommt den Anlagenbauern entgegen.

Die Übertragungsraten von 10 Mbit/s mit einer Übertragungslänge von 1.000 m bis hin zu 1Gbit/s sind für zukünftige Industrieanwendungen in Industrie-4.0-Applikationen geeignet. Auch in intelligenten Gebäudenetzwerken, IoT-Anwendungen und anderen Steuerungs- und Aktuatornetzwerken bietet die SPE-Infrastruktur Vorteile.

Cable sharing

Neben einer reinen einpaarigen Verkabelungsstruktur ist es zulässig, auch eine vierpaarige Verkabelungsstruktur aufzubauen, um gleichzeitig vier einzelne SPE-Kanäle zu übertragen (Cable sharing). Besonders in industriellen Anwendungen, in denen häufig zahlreiche Sensoren auf engstem Raum verbaut sind, ist dies ein Vorteil. Solche gebündelten Strukturen lassen sich dort nur mit wenigen anderen Verbindungstechniken realisieren.

Des Weiteren ist herauszuheben, dass die Verbindungstechniken gemäß der IEC 63171-2 (IP20-Umgebung) und der IEC 63171-5 (IP-67 Umgebung) das gleiche Steckgesicht aufweisen. Eine vierpaarige Verbindungstechnik auf Basis von M12 erweitert die Anforderung an die Verbindungstechnik in der Standardisierung für SPE, wie sie auch in der IEC 63171-5 beschrieben wird.

Durch das gleiche Steckgesicht ist man in der Lage, Verbindungtechnik in IP 20 und IP67 zu kombinieren. Diese Kompatibilität ist vor allem in der Feldmesstechnik vorteilhaft. Vorhandene Verkabelungssysteme in der IP67-Umgebung können leicht und schnell mit IP20-Steckverbindern normgerecht gemessen und qualifiziert werden. Eine direkte vierpaarige Messung ist möglich, es lassen sich aber auch einzelne Paare in dem vierpaarigen System messen.

Aufgrund der höheren Anforderung an die Steckverbinder gegenüber der Kategorie 8.2 gemäß der ISO/IEC 11801-1:2017-12 können die vierpaarigen Verbindungstechniken gemäß der IEC 63171-2 und IEC 63171-5 applikationsunabhängig eingesetzt werden. Einsatzgebiete wie Datacenter, Office, Home und Industrie sind denkbar. Die Verbindungstechniken in den verschiedenen Umgebungen IP20 und IP67 haben immer die gleichen übertragungstechnischen Eigenschaften.

Derzeit werden die Standards für eine durchgängige Kompatibilität von Geräten, Leitungen und Steckverbindern entwickelt. In der IEEE 802.3 (Ethernet) wurden die verschiedenen SPE-Applikationen (100 Base-T1, 1000 Base-T1) in diversen Projektgruppen bearbeitet und verabschiedet. Die Applikation 10 Base-T1 (IEEE 802.3cg) war jüngst noch in Bearbeitung und eine Verabschiedung für September 2019 geplant.

Ergänzend zum aktuellen Stand der »IEEE P802.3cg/D2.2 Draft Standard for Ethernet Amendment: Physical Layer Specifications and Management Parameters for 10 Mb/s Operation and Associated Power Delivery over a Single Balanced Pair of Conductors« ist zu betonen, dass definierte Verbindungstechniken (MDI) gemäß der IEC 63171-1 und 61076-3-125 verwendet werden können, aber nicht müssen. Somit können auch andere Verbindungstechniken für den Aufbau einer Verkabelungsstruktur zum Einsatz kommen. Zumal der MDI nur die Verbindungstechnik an der Aktivkomponente beschreibt. Nutzerorganisationen wie die PROFINET-Nutzerorganisation e.V. (PNO) sowie auch die ODVA können auf Basis der aktuellen Normung ihre Steckgesichter definieren.

Um die Verkabelungsstrukturen für Single Pair Ethernet zukünftig realisieren zu können, hat man weitere Unternehmen in das Thema SPE einbezogen. Neben den Steckverbinderherstellern Phoenix Contact, Reichle & De-Massari und Weidmüller wurde die Firma Belden für die Kabelumgebung sowie Fluke Networks für die Feldmesstechnik in die neue Technologie eingebunden. Mit diesem »runden Paket« ist man in der Lage, die Verkabelungsstruktur der neuen Technologie umfassend zu realisieren und das aus verschiedenen Betrachtungswinkeln.

Die Technologiepartnerschaft der Unternehmen Phoenix Contact, Weidmüller, Reichle & De-Massari, Belden sowie Fluke Networks entwickelt aufeinander abgestimmte Komponenten für das Single Pair Ethernet und setzt neue Standards. Die Unternehmen unterstützen die gemeinsam in die Normierung eingebrachten Steckgesichter der IEC 63171-2 (Büroumgebung) und IEC 63171-5 (Industrieumgebung).

Einheitliches Steckverbindergesicht

Weidmüller ist an der Entwicklung von Steckverbindern mit Steckgesichtern der IEC 63171-2 (Büroumgebung) und IEC 63171-5 (Industrieumgebung) beteiligt. Die Normen definieren IP20- und IP65/67-Steckgesichter für die ein- und vierpaarige Datenübertragung in Single-Pair-Ethernet-Anwendungen. Fokussiert werden Steckverbinder für die Industrieumgebung in IP20 und IP67. Hier steht vor allem die Etablierung eines einheitlichen und applikationsunabhängigen Steckverbindergesichtes im Vordergrund. Es gib aktuell verschiedene Ansätze, wobei Weidmüller die Lösung unterstützt, auf bereits etablierten Varianten aufzubauen. Erste SPE-Steckverbinder befinden sich aktuell in der Entwicklung und in den einschlägigen Testphasen.

Bereits heute ist absehbar, dass herkömmliche Ethernet-Systeme den zukünftigen Anforderungen in der Automatisierungstechnik im industriellen Umfeld nur noch bedingt gerecht werden. In Zukunft wird aufgrund der Digitalisierung die Zahl an Geräten weiter ansteigen, das gilt ebenfalls für die Datenmengen. Außerdem wird durch die weltweit steigende Anzahl smarter Endgeräte der Aufwand für die Vernetzung zunehmend komplexer. Aktuelle Verkabelungen sind für diese Erfordernisse nicht mehr zeitgemäß.

Die Industrie benötigt eine neue Infrastruktur, die mit möglichst wenig Leitungen viel leisten kann. Konkret bedeutet das, dass beim Einsatz von SPE in Maschinen und Anlagen kleinere und leichtere Kabeltrassen montiert werden können. Außerdem sinkt der Preis, da weniger Material verbaut werden muss. Single Pair Ethernet ist die Antwort auf die aufgezeigte Entwicklung, sodass der Technologie eine große Zukunft prognostiziert wird, mit entsprechender Verbreitung im industriellen Umfeld. Dafür spricht auch der einfache Aufbau und die damit verbundene Reduktion von Gewicht, Platzbedarf und Installationsaufwand. Einfach gesagt: Single Pair Ethernet (SPE) ist derzeit einer der Megatrends in der industriellen Datenübertragung.    sd