Advertorial: TE Connectivity
Einsatz von Single Pair Ethernet gewinnt an Dynamik
SPE wird immer häufiger eingesetzt, vor allem in Greenfield-Anwendungen. Die Gründe dafür sind Standardisierung und ein immer weiter wachsendes herstellerübergreifendes Ecosystem. Hierzu gehört auch der neue SPE-M12-Hybridsteckverbinder von TE Connectivity für das Design leistungsstarker Geräte.
Power over Data Line (PoDL) und SPE-Hybridlösungen, wo in einem Kabel gleichzeitig Daten und Strom übertragen werden, vereinfachen Architekturen und bieten mehr Freiheit beim Gerätedesign. Die Integration einer nativen Ethernet-Kommunikation in IT-Infrastrukturen ohne Protokoll-Konvertierung verkleinert die Stückliste der Netzwerk-Komponenten und trägt zu einer schnelleren Installation und reduzierten Gesamtkosten bei. In Industrieumgebungen etablieren sich mit SPE-Komponenten neue skalierbare, IP-basierte Automatisierungsarchitekturen, die auf einem globalen Ethernet-Ökosystem aufbauen und schon für TSN, Cybersicherheit und konvergierte IT/OT-Netzwerke vorbereitet sind.
Vereinheitlichung durch Standardisierung – so könnte man die SPE-Entwicklung der letzten Zeit beschreiben. Aus Wildwuchs mit vielen unterschiedlichen Steckgesichtern hat sich zwischenzeitlich ein universeller Standard etabliert, der Anwendern viele Vorteile bringen kann und dazu beiträgt, Hemmungen bei der Umsetzung der Digitalisierung in intelligenten Fabriken und Lagerhallen abzubauen. Durch die Verwendung derselben SPE-Schnittstelle gemäß IEC 63171-7 und IEC 61076-2-117 (M12 bis M40-Hybrid) wächst das Anwendungsfeld und die Akzeptanz erheblich. Die IEC 63171-7 Edition 2 (ED2) definiert Steckgesichter für M8, M12, Hybrid und IP20-Geräteschnittstellen.
Wenn es um Interkonnektivität zwischen Geräten und Systemen geht, bietet SPE völlig neue Möglichkeiten. Die neuen Standards können die Markteinführung von SPE-Technologien beschleunigen, die Komplexität reduzieren, End-to-End-Ethernet unterstützen und die Nachhaltigkeit verbessern, da immer weniger Kupferkabel zum Einsatz kommen. Ein weiterer Vorteil kann darin gesehen werden, dass das SPE-Ökosystem ständig wächst, was den praktischen Einsatz weiter vorantreibt.
Viele Use Cases zeigen, dass erst mit SPE das Potential vieler Anwendungen voll ausgeschöpft werden kann. Um den Stand der Integration zu beurteilen, ist es vorteilhaft, zwischen offenen Systemen (Steuerungen, I/O-Einheiten) und geschlossenen Systemen (z.B. mobile Roboter) zu unterscheiden. In beiden Fällen gibt es mittlerweile SPE-Lösungen, wie nachfolgend detaillierter gezeigt wird.
Wachsendes Ökosystem überwindet Anwendungshemmnisse
Insgesamt ist den meisten Anbietern von SPE-Komponenten und -Systemen klar, dass es darauf ankommt, ein möglichst wachsendes Ökosystem zu etablieren, damit Anwender aus einer Vielzahl interessanter SPE-Produkte wählen und davon profitieren können. Das beinhaltet SPE-Feldgeräte, Switches, Netzwerkkomponenten und Verkabelungslösungen mit entsprechenden Steckverbindern. Auch TE Connectivity (TE) treibt die Erweiterung der neuen Standards voran, damit ein umfassendes SPE-Ökosystem entstehen kann.
Die neue Version der IEC 63171-7 (Edition 2) ist ein bedeutender Schritt bei der Weiterentwicklung der industriellen Konnektivität und der schnelleren Einführung von Industrie 4.0. SPE gilt als nächster Schritt in Richtung durchgängig IP-basierter Kommunikationsarchitekturen bis in die Feldebene, kann ganze Produktionsinseln verbinden und wird zukünftig auch in der Lagerlogistik eine enorme Rolle spielen. Als ein einziges, offenes, skalierbares Ethernet-basiertes Netzwerk innerhalb eines Automatisierungssystems und trägt SPE dazu bei, die Komplexität und Kosten für die Konnektivität zu reduzieren.
Greenfield-Anwendungen sind Integrationstreiber
Derzeit liegt der Schwerpunkt der SPE-Integration auf Greenfield-Anwendungen, da diese einen risikoarmen Einstieg bieten. Die Greenfield-Integration bezieht sich auf ein SPE-Projekt, das von Grund auf neu entwickelt wird und nicht auf bestehenden Systemen, Geräten oder Infrastrukturen aufsetzt. Insbesondere die Intralogistik sticht hier hervor: Angetrieben durch den anhaltenden Automatisierungstrend kann hier SPE mit relativ geringem Risiko implementiert werden, da viele Projekte in dieser Branche vollständig neu entwickelt werden.
Auch Branchen mit geringerem Digitalisierungsgrad, wie beispielsweise die Prozess- und Fabrikautomatisierung, beginnen mit der Einführung von SPE. Die Notwendigkeit, Infrastrukturen zu modernisieren und zukunftssichere Technologien einzuführen, beschleunigt die ersten Implementierungen in diesen Umgebungen. In der Fabrikautomation nimmt der Bedarf an datengestützter Automatisierung stark zu, gleichzeitig stoßen in Fabrikanlagen und Werkshallen die klassischen Ethernet-Strukturen bei der Umsetzung von Strategien zur Digitalisierung an ihre physikalischen und wirtschaftlichen Grenzen.
Hybride SPE-Technologien sind für Automatisierungsanwendungen prädestiniert, speziell in geschlossenen Systemen, wie der stationären und mobilen (autonomen) Robotik. Ein M12-Hybridstecker kann dank seiner Maße eine höhere Spannung und einen höheren Strom als ein kleinerer M8-Stecker übertragen und somit dazu beitragen, auch leistungsstärkeren Geräte zu betreiben.
Erfolgreiche Anwendung in verschiedenen Use-Case-Szenarien
Neue kompakte SPE-M12-Hybridsteckverbinder von TE unterstützen die Übertragung von High-Speed-Daten und bisher unerreichter Stromstärken über ein einziges Kabel. Dadurch eignet sich diese Anschlusstechnik hervorragend für Robotik-Systeme und Antriebe sowie für zukünftige IIoT-Anwendungen in der Automatisierungstechnik. Insbesondere wird der Trend zur Miniaturisierung unterstützt, da z. B. Cobots, Industrieroboterarme, Greifer (End-of-Arm-Tooling, EOAT), Sensoren und Bildverarbeitungssysteme ohne höheren Platzbedarf eine größere Leistung im üblichen M12-Formfaktor erzielen können.
SPE hat nur ein einziges verdrilltes Adernpaar, was zu sehr kompakten Steckverbindern und Kabeln führt. Dies unterstützt kleinere Gehäuse, kompaktere Installationen und eine bessere Beweglichkeit bei Robotern, Förderbändern und Schleppketten. SPE eignet sich aber auch hervorragend, um in geschlossene (eigenständige) Systeme, wie fahrerlose Transportsysteme und autonome mobile Roboter, integriert zu werden, um dort sowohl die Strom- als auch Datenkonnektivität für Subsysteme bereitzustellen, etwa für Servomotoren, LiDAR-Sensoren und Encoder.
Im Gegensatz dazu bringt SPE auch bei offenen, dezentralisierten Systemen viele Vorteile, wie bei Steuerungen, I/O-Modulen und im Schaltschrank. Das integrierte Design hilft dabei, auch bei hoher Übertragungsleistung eine komplexe Verkabelung zu vereinfachen, Kabelgewirr zu vermeiden und Installationskosten zu senken. Ingenieure können mit den SPE-Lösungen von TE eine M2M-Kommunikation nahezu ohne Datenverlust realisieren, Rechenleistung dezentralisieren und Daten effizienter und transparenter bis an die Edge übertragen.
Von der Vision zur Realität mit SPE-Lösungen von TE
- Vereinfachung und Miniaturisierung: Weniger Kabel und Steckverbinder
→ verbessertes Design und einfachere Wartung.
- Zukunftsfähigkeit: Unterstützt TSN, IIoT und KI-gesteuerte Automatisierung
→ bereit für intelligente Fabriken und Lagerlogistik.
- Zuverlässigkeit: IP67-Schutz unterstützt Langlebigkeit in rauen Umgebungen
→ reduziert das Risiko von Ausfällen.
- Kosteneffizienz: Geringerer Installationsaufwand, weniger Komponenten
→ reduzierte Gesamtbetriebskosten.
- Skalierbarkeit: Nahtlose Integration von Sensoren bis hin zu Cloud-Systemen
→ unterstützt die Industrie-4.0-Architektur.
Grenzen bestehender M12-Steckverbinder überwinden
Konventionelle M12-Stecker haben Einschränkungen bei der Strom- und Datenübertragung. Bestehende Hybridsteckverbinder, die der Norm IEC 61076-2-113 entsprechen, liefern nur 2 x 6 A und 100 Mbit/s, was den Einsatz von Hochleistungsgeräten und den schnellen Datenaustausch einschränkt. Daraus ergeben sich Schwierigkeiten, die Anforderungen von Industrie 4.0 zu erfüllen. Diese Barrieren sollen durch die Norm IEC 63171-7 Edition 2 und entsprechende Produkte überwunden werden, die bestehende SPE-Standards auf das M12-Hybrid-Format ausweiten.
Der neue SPE-M12-Hybridsteckverbinder von TE setzt dieses Konzept konsequent um. Er bietet dank vereinheitlichter Steckgesichter ein hohes Maß an Interoperabilität zwischen Geräten, auch wenn sie von verschiedenen Herstellern stammen. Der neue SPE-M12-Hybrid ist ein Industriesteckverbinder, der die Daten- und Leistungsübertragung in einer einzigen Schnittstelle kombiniert. Er unterstützt die Highspeed-Datenübertragung bis zu 1 Gbit/s und die Echtzeitkommunikation in industriellen Anwendungen mit 10mal höheren Datenraten als bislang üblich. Die Stromversorgung mit 2 x 8 A ermöglicht den Betrieb leistungsstarker Komponenten bis etwa 1 kW.
Die M12-Hybridsteckverbinder von TE dienen zur Integration von leistungsstarken Feldgeräten in das Netzwerk und übertragen große Datenmengen in Echtzeit an das Steuerungssystem bzw. zur Cloud. Die SPE-Hybridstecker im M12-Format ermöglichen etwa 30 % mehr Leistung und 10-mal schnellere Datenraten für die Echtzeitkommunikation und fortschrittliche Protokolle, wodurch sich Gateways und Feldbuskoppler einsparen lassen. TE hat den Stecker für raue Umgebungen entwickelt und hochrobust in Schutzart IP67 ausgelegt.
Implementierung von SPE-Schnittstellen
Hersteller von Geräten, Systemen und Anlagen können mit SPE einen Marktvorsprung erzielen – hierfür ist jetzt ein idealer Zeitpunkt. Entwickler und Konstrukteure können die vereinheitlichten und zukunftsfähigen SPE-M12-Schnittstellen ab sofort in ihren Designs berücksichtigen, was dazu führen kann, dass die Planungssicherheit steigt und Entwicklungskosten sinken.
Da SPE bei vielen Herstellern und Anwendern noch Neuland ist, spielt die Beratung bei dieser Verbindungstechnologie eine große Rolle, beispielsweise erfordern eine Hybrid-Stromversorgung oder eine Multidrop-Anlage ganz andere Herangehensweisen und Lösungen als andere Umgebungen. SPE kann zwar zusätzliche Funktionen und Vorteile bieten, aber es ist wichtig, dass Anlagenbetreiber ihre Anforderungen, Einschränkungen und Ziele verstehen, wenn sie die SPE-Technologie in Betracht ziehen und entscheiden müssen, ob sie für ihre Anwendung einen Return on Investment (ROI) bieten kann.
Hilfestellung bei Brownfield-Installationen
Bei der Implementierung der SPE-Technologie für vernetzte Geräte in industriellen Anwendungen gibt es zwei Integrationsarten: Brownfield und Greenfield. Die Brownfield-Integration bezieht sich auf ein SPE-Netzwerk, das auf bereits vorhandene Geräten, Anlagen oder Ressourcen aufsetzt. Oft ist hier das Standard-Ethernet bereits vorhanden und die Anlagen verfügen möglicherweise bereits über Ressourcen, die für SPE genutzt werden können, darunter Kabel, Anschlüsse und Steuerungen.
Es ist wichtig, eine Bestandsaufnahme der vorhandenen Geräte durchzuführen, da einige davon bei der Installation der SPE-Technologie wiederverwendet werden können. Dies kann den Investitionsaufwand und die Einrichtungszeit für die Installation reduzieren. Jedoch können die Altsysteme, fehlende Komponenten und hochgradig angepasste Subsysteme die Komplexität der Integration und das Implementierungsrisiko erhöhen.
Technische Aspekte bei der SPE-Greenfield-Implementierung
Eine Greenfield-Integration hingegen wirft völlig andere Fragen auf, da keine bestehenden Verbindungen oder Steuerungen zu berücksichtigen sind. Sie erfordert eine größere Vorabinvestition, um die richtigen Sensoren und Steuerungen für die Konnektivität zu installieren. Zudem ist ein größeres Verständnis der SPE-Standards erforderlich, denn es trägt maßgeblich dazu bei, dass die Konformität und Interoperabilität mit Geräten und Anlagen sichergestellt werden kann.
Außerdem ist es notwendig, einen umfassenden Plan für die Bereitstellung der SPE-Infrastruktur, einschließlich Kabeltrassen, Anschlusspunkte und Netzwerktopologie zu entwickeln. Hierbei müssen Entfernungsbeschränkungen, Anforderungen an die Kabelführung und potenzielle Störquellen in industriellen Umgebungen berücksichtigt werden. Erst dann können die geeigneten SPE-Kabel entsprechend den Anwendungsanforderungen sowie SPE-fähige Geräte und Komponenten ausgewählt werden, darunter Sensoren, Aktoren, Schalter und Steuerungen.
Wichtig ist, dass die Geräte die gewünschten Kommunikationsprotokolle unterstützen können und innerhalb des SPE-Netzwerks interoperabel sind. Gegenfalls ist sinnvoll herauszufinden, ob eine Power over Data Line (PoDL) Funktionalität für die Anwendung erforderlich ist. PoDL ermöglicht es, dass Geräte über dasselbe Kabel, das für die Datenübertragung verwendet wird, mit Strom versorgt werden, was die Verkabelung vereinfacht und die Installationskosten senkt.
Robuste Netzwerkverwaltungstools und ein entsprechender Konfigurationsplan – einschließlich IP-Adressierung, VLANs und Netzwerksegmentierung – können dabei helfen, die Leistung, Sicherheit und Verwaltbarkeit zu verbessern und Fehler zu beheben. Grundsätzlich sollte eine SPE-Infrastruktur mit Blick auf zukünftige Skalierbarkeit und Flexibilität entworfen werden, damit eine einfache Erweiterung und Anpassung an sich ändernde technologische Anforderungen und Geschäftsanforderungen ermöglicht werden kann.
Manuel Rüter ist Senior Principal of Technology, Standardization und Consortia bei TE Connectivity.
Ivan Ruiz Stubelj ist Senior Manager Global Product Management bei TE Connectivity.
