Single Pair Ethernet

Andreas Mühlbauer,

Eines wird gewinnen

Single Pair Ethernet ist die Technologie, die eine Migration von verschiedenen Legacy-Netzwerken zu einer universellen physikalischen Schicht ermöglicht. Damit ist ein weiterer Schritt getan, Daten vom einzelnen Edge-Sensor über die Fertigung bis hin zum Desktop oder Laptop bereitzustellen.

Single Pair Ethernet (SPE) erweitert die Ressourcen des Industriellen Internet der Dinge (IIoT) und hilft Unternehmen, beschleunigt auf Ethernet-basierte Betriebstechnologien (OT) zu migrieren. © Panduit

Single Pair Ethernet (SPE) erweitert die Ressourcen des Industriellen Internet der Dinge (IIoT) und hilft Unternehmen, beschleunigt auf Ethernet-basierte Betriebstechnologien (OT) zu migrieren. Es bietet gemeinsame Kommunikationsprotokolle an, die mit dem Netzwerk der IT kompatibel sind. Diese Erweiterung umfasst End-to-End-Lösungen einschließlich Switch, Kabel und Sensor. Ziel der Bestrebungen ist es, die notwendigen Änderungen zur Harmonisierung von OT- und IT-Operationen auf dem aktuell effektivsten Protokoll durchzuführen. Zur Zeit entsteht ein komplettes Ökosystem aus Standards, Komponenten, Endgeräten und Anwendungen, um die SPE-Vorteile umfassend zu nutzen.

Zusammen mit ergänzenden IP-basierten Protokollen ist das Ethernet zur dominierenden Datenkommunikationsplattform geworden. Allerdings überwiegen nach wie vor andere, spezielle Protokolle dort, wo die Anforderungen der Anwendung bisher noch nicht von Ethernet erfüllt werden konnten. Mehrere parallel laufende Protokolle erhöhen Kosten und Komplexität von Bestands-Umgebungen. Zudem benötigt man für solche Umgebungen erfahrenes Installations- und Wartungspersonal. KI und Digitalisierung führen verstärkt zum Einsatz datenbasierter Prozesse oder Machine Learning. Diese Optionen gibt es zwar schon länger. Der Vorteil ist jetzt, dass die technologische Dynamik einer Einzeltechnologie ganze System-Topologien zusammenführt. Dies hat dazu geführt, dass industrielles Ethernet im Jahr 2018 zum ersten Mal traditionelle Feldbusse überholt hat. SPE ermöglicht eine homogene All-Ethernet-Netzwerklösung. Das Netzwerk lässt sich somit einfacher implementieren und verwalten. Dabei sorgt das Single-Protocol-Netzwerk für mehr Datentransparenz und erhöht die Sicherheit. Der ursprüngliche Single-Pair-IEEE-Standard 802.3cg-2019 wurde Anfang 2020 verabschiedet. Parallel wurden Gerätechips zur Unterstützung aller SPE-Anwendungen in der Automatisierung eingeführt.

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Daten und Energie über eine Leitung

Durch die reduzierte Anzahl von Aderpaaren für die Kommunikation verringern sich Kabel- und Steckergröße. Dabei erfolgen Strom- und Datentransport an Edge-Geräte über eine einzige Verbindung. Der IP20-SPE-Steckverbinder gemäß IEC 63171-1 Typ 1 von Panduit ist ein kleinformatiges Modul mit der Hälfte der Grundfläche eines RJ45-Anschlusses und verfügt über eine positive Verriegelung für sichere Verbindungen. Im Vergleich zur Terminierung eines 4-paarigen Kabels nach TIA-568A/B-Standard ist der Abschluss eines 1-paarigen Kabels mit dem LC-Stecker vor Ort schneller und einfacher. Mit handelsüblichen Werkzeugen kann ein Techniker eine SPE-Steckverbinder in der Hälfte der Zeit am Kabel fixieren. Zudem werden 1-paarige 18-AWG-Kabel verwendet, die leichter und dünner sind. Der Anschluss des SPE-Steckverbinders ist dabei auch weniger fehleranfällig.

Der Nutzen, Daten und Strom über SPE parallel zu übertragen, ist enorm. Der IEEE-802.3bu-Standard sieht eine dezentrale Gleichstromversorgung über die SPE-Verbindung vor, die als Power-over-Data-Line oder PoDL bezeichnet wird. PoDL ist vergleichbar mit der Power-over-Ethernet- (PoE-)Technologie für Standard-Ethernet, welche die Stromversorgung der Datenkommunikations-Infrastruktur in Gebäuden bereits entscheidend verändert hat. Maschinen, Anlagen und Gebäude verfügen über einpaarige verdrillte Kabel-Topologien, die sich jetzt als SPE-Kabelmedien nutzen lassen. Beispielsweise besitzen viele RS-485-Kabel den Querschnitt 18 AWG. Diese Kabel müssen natürlich getestet werden, um sicherzustellen, dass sie den TIA-568.5-Standard für eine 10BASE-T1L-Übertragung erfüllen.

Panduit entwickelt zukünftige Kommunikationsstandards. Bob Voss, Senior Principal Engineer in der Forschungs- und Entwicklungsabteilung von Panduit, ist Vorsitzender des „Single-Pair Ethernet Subcommittee“ bei der Ethernet Alliance. Das Unterkomitee hat die Aufgabe, die Entwicklung einer kohärenten Roadmap für BASE-T1-Ethernet als bevorzugte Netzwerkimplementierung in einer einzigen Netzwerkinfrastruktur voranzutreiben, die industrielle Netzwerke in die Ethernet-Umgebung integriert. Diese Entwicklung wird anfällige ältere Protokolle durch robuste IP-Netzwerke ersetzen, die höhere Datengeschwindigkeiten, Übertragungsdistanzen und Vorteile bei der Daten- und Netzwerksicherheit bieten. Durch die Vorteile von Ethernet- und IP-basierten Netzwerken reduziert die Konsolidierung auf SPE-Umgebungen auch Aufwände, die nicht unmittelbar mit der Datenübertragung zusammenhängen. Ethernet-Netzwerke sind schneller und bieten erweiterte Techniken wie Time Sensitive Networking (TSN) und Software Defined Networking (SDN).

Während das 4-Paar-Ethernet bereits gut etabliert ist und höhere Ebenen in industriellen Netzwerken unterstützt, ist es für viele Edge-Geräte nicht kosteneffizient. SPE ist kostengünstiger für eine breitere Implementierung von IIoT-Geräten. Systeme, die derzeit die serielle RS-485-Kommunikation nutzen, lassen sich mit geringen Änderungen aufrüsten und in das Ethernet-Netzwerk einbinden. SPE bietet eine erhöhte Bandbreite mit Datenraten von bis zu 10 Mbit/s bei Entfernungen bis zu 1.000 m. Verglichen mit älteren Protokollen, die auf RS-485 basieren und eine Verbindungsgeschwindigkeit von nur 31,2 kBit/s für die gleichen 1.000 m anbieten, ist die Übertragunsgeschwindigkeit 300 mal schneller. SPE ist auf die Ausweitung der Datenerfassungsfunktionen auf viel mehr Edge-Geräte ausgerichtet, für die ein schneller Datenzugang bisher unerschwinglich war. Die Panduit M8-Steckverbinder gemäß MICE2/3-Klasse bieten die Schutzart IP67 gegen Staub sowie Wasser. Da die Pin-Codierung identisch mit bestehenden Sensor- und Feldbussystemen ist, wird der Umstieg wesentlich erleichtert.

SPE beschleunigt die Migration

Zu den frühen Anwendungen für SPE gehören:

  • Anschluss von Skid- und Maschinen-E/A-Blöcken an das Ethernet-Netzwerk,
  • Verbindung maschineninterner Geräte an einen Switch,
  • Anschluss von Sensoren und Aktoren an Netzwerk-Switch über Punkt-zu-Punkt oder strukturierte Kabel-Link-Kanäle, beides mit Längen bis zu 1 km,
  • Verbindung von Feldgeräten mit eingebetteten 2-Kanal-Schaltern in einer Daisy-Chain
  • Verbindung von Remote-I/O-Modulen untereinander, mit dem Switch oder mit der Steuerung
  • Anschluss von Schaltschrank-Einbaugeräten untereinander über ein einzelnes Kabel (10BASE-T1S).
  • SPE ist die Schlüsseltechnologie für Hersteller und Industrieanlagen:
  • Nahtlose Netzwerke mit hoher Transparenz,
  • Erhöhte Bandbreite am Netzwerkrand für die Implementierung erweiterter Diagnosemöglichkeiten,
  • Vereinfachung von Edge-Netzwerken durch den Wegfall von Protokollübersetzungs-Gateways,
  • Transformation und Vereinfachung der DC-Infrastruktur,
  • Verbesserung der Cyber-Sicherheit,
  • Verbindung von miniaturisierten Micro-IoT-Geräten,
  • Geringere „Total Cost of Ownership“

Der Siegeszug des IoT hängt stark von einer kosteneffektiven Technologie in Verbindung mit kostengünstigen Sensoren ab, um die Durchgängigkeit und die Skalierung voranzutreiben. Automatisierungs-Massenprodukte werden zuerst Änderungen erfahren, während spezialisierte Geräte mit älteren Protokollen länger brauchen, bis sie ersetzt werden. Wenn Anwender den Wettbewerbsvorteil durch SPE sehen, wird die Implementierung der zugehörigen Geräte drastisch zunehmen und durch die Konvergenz auf Ethernet die Komplexität des Netzwerks reduziert.

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