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Industrielle Verbindungstechnik Single Pair Ethernet für das zuverlässige IIoT

Autor / Redakteur: Martin Kandziora [Red.: Kristin Rinortner] / Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

Single Pair Ethernet ist die Plattform, die eine Migration von mehreren Legacy-Netzwerken zu einer universellen physikalischen Schicht ermöglicht – und ist damit essentiell für Industrie 4.0. Steigende Anforderungen an die Interoperabilität der Automatisierungsinfrastruktur steigern die Chancen für den Durchbruch der SPE-Technik.

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Single Pair Ethernet: 
Steigende Anforderungen an die Interoperabilität der Automatisierungsinfrastruktur steigern die Chancen für den Durchbruch der SPE-Technik.
Single Pair Ethernet: 
Steigende Anforderungen an die Interoperabilität der Automatisierungsinfrastruktur steigern die Chancen für den Durchbruch der SPE-Technik.
(Bild: Panduit)

Die aktuelle Entwicklung in der Ethernet-Datenkommunikation sind die erweiterten Möglichkeiten über Zweidrahtleitungen. So lassen sich mit Single Pair Ethernet (SPE) z.B. Gebäudeautomationssysteme, Maschinen und älteren Industrienetzwerke migrieren zu einer einzigen Ethernet-Netzwerktechnologie. Der Vorteil: Dabei können gleichzeitig Strom und Daten zu und von Edge-Geräten geliefert werden.

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Dabei erweitert SPE die Ressourcen des Industriellen Internet der Dinge (IIoT) und hilft Unternehmen beschleunigt auf Ethernet-basierte Betriebstechnologien (Operation Technology – OT) zu migrieren. Es bietet gemeinsame Kommunikationsprotokolle an, die mit dem Netzwerk der Informationstechnologie (IT) kompatibel sind. Diese Erweiterung umfasst End-to-End-Lösungen einschließlich Switches, Kabel und Sensoren, die von zahlreichen Anbietern entwickelt wurden.

Ziel der Bestrebungen ist die notwendigen Änderungen zur Harmonisierung von OT- und IT-Operationen auf dem aktuell effektivsten Protokoll durchzuführen. Zur Zeit entsteht ein komplettes Ökosystem, um die Single-Pair-Ethernet-Vorteile umfassend zu nutzen: Standards, Komponenten, Endgeräte und Anwendungen.

Das Ethernet hat seit ca. 20 Jahren auch im industriellen Markt bereits große Anteile gewonnen und ist in einer Vielzahl von Varianten verfügbar – z.B. Profinet, EtherNet/IP oder EtherCAT. Zusammen mit ergänzenden IP-basierten Protokollen ist die Technik jetzt zu einer dominierenden Datenkommunikationsplattform avanciert.

Allerdings überwiegen nach wie vor andere, spezielle Protokolle dort, wo die Anforderungen der Anwendung bisher noch nicht von Ethernet erfüllt werden konnten. Dieses Szenario mit mehreren parallel laufenden Protokollen erhöht die Kosten und die Komplexität von Bestandsumgebungen. Zudem benötigt man für solche unterschiedlichen Umgebungen ein so genanntes Multiprotokoll erfahrenes Installations- und Wartungspersonal.

Künstliche Intelligenz und die zunehmende Digitalisierung führen verstärkt zum Einsatz datenbasierter Prozesse oder Machine Learning. Diese Möglichkeiten gibt es zwar schon länger, doch der Vorteil ist jetzt, dass die technologische Dynamik einer Einzeltechnologie ganze System-Topologien zusammenführt – mit einer Fülle an Möglichkeiten.

Da immer mehr Fertigungs- und Industrieanlagen und -geräte in die IT eingebunden wurden und werden, haben sich OT-Netzwerke zu einem Verbund aus Ethernet und älteren Feldbusprotokollen entwickelt. In Bezug auf die neu installierten Knoten kommt eine aktuelle Studie zu dem Ergebnis, dass industrielles Ethernet im Jahr 2018 zum ersten Mal die traditionellen Feldbusse überholt hat, und dieser Fortschritt setzte sich auch im Jahr 2019 fort.

Industrielles Ethernet hat weiterhin eine stetige Wachstumsrate von 20 Prozent und macht nun 59 Prozent des globalen Marktes aus, ein Anstieg von 7 Prozent. Weltweit ist Ethernet/IP das größte industrielle Ethernet-Netzwerk mit 15 Prozent Marktanteil, dicht gefolgt von Profinet mit 14 Prozent. Vor allem war 2019 das erste Jahr, in dem die Zahl der neuen Feldbusknoten um 5 Prozent zurückging, verglichen mit einem Wachstum von 6 Prozent noch im Jahr 2018.

Single Pair Ethernet beschleunigt die Migration

Die Möglichkeiten von SPE erhöhen das Engagement für eine All-Ethernet-Netzwerklösung. Der Nutzen für die Anwender: Das Netzwerk lässt sich einfacher implementieren und verwalten. Dabei sorgt das Single-Protocol-Netzwerk künftig für mehr Datentransparenz und erhöht die Sicherheit. Das Wachstum des IIoT und die Digitalisierung der industriellen Prozesse erfordern ein nahtloses Informationssystem im Unternehmen und treiben die Konvergenz auf der Ethernet-Plattform voran.

Der ursprüngliche Single-Pair-IEEE-Standard 802.3cg-2019 wurde Anfang 2020 verabschiedet. Parallel wurden Gerätechips zur Unterstützung aller SPE-Anwendungen in der Prozess-, Industrie- und Gebäudeautomation eingeführt.

Durch die reduzierte Anzahl von Paaren, die für die Kommunikation verwendet werden, verringert sich der Kabel- und Steckerumfang, während die Technologie sowohl Strom als auch Daten an Edge-Geräte innerhalb einer einzigen Verbindung liefert. Der IP20-SPE-Steckverbinder gemäß IEC 63171-1 Typ 1 (Bild 3) von Panduit ist ein kleinformatiges Modul mit der Hälfte der Grundfläche eines RJ45-Anschlusses und verfügt über eine positive Verriegelung für sichere Verbindungen. Die integrierte Strom- und Datenversorgung macht lokale Batterien oder Netzteile überflüssig. Damit wird die Stromversorgung vereinfacht, während gleichzeitig die Installationszeit reduziert und die Wartung optimiert wird.

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Im Vergleich zur Terminierung eines vierpaarigen Kabels nach TIA-568A/B-Standard ist der Kabelabschluss eines einpaarigen Kabels mit dem LC-Stecker vor Ort schneller und einfacher zu machen. Mit handelsüblichen Werkzeugen kann ein Techniker eine SPE-Steckverbinder in der Hälfte der Zeit am Kabel fixieren, die sonst für eine vierpaarige Terminierung benötigt wird. Zudem werden einpaarige 18 AWG-Kabel (ca. 1 mm2 Durchmesser je Ader) verwendet, die leichter und schmaler sind.

Der Anschluss des SPE-Steckverbinders ist dabei auch weniger fehleranfällig, was Nacharbeiten minimiert. Durch das geringere Gewicht und die geringere Größe können mehrere Kabelstränge zusammengezogen werden, was die Implementierung vereinfacht. Der Nutzen, Daten und Strom über SPE an entfernte Geräte 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-Technologie (PoE) für Standard-Ethernet, welche die Stromversorgung der Datenkommunikations-Infrastruktur in Gebäuden bereits entscheidend verändert hat.

Der weitere Vorteil von SPE ist: Vorhandene Kabelmedien lassen sich wiederverwenden. Maschinen und Anlagen verfügen über einpaarige verdrillte Kabel-Topologien, die sich jetzt als SPE-Kabelmedien nutzen lassen. Beispielsweise besitzen viele RS-485-Kabel, die in Gebrauch oder redundant verlegt sind, den Querschnitt 18 AWG – eine nutzbare Alternative für den Technologie-Switch.

Diese Kabel müssen natürlich getestet werden. Damit kann man sicherstellen, dass sie die elektrische Leistung in Bezug auf den TIA-568.5-Standard für eine 10BASE-T1L-Übertragung erfüllen.

Die kommenden Standard für Single Pair Ethernet

Als Global Player von innovativen Lösungen im Bereich physikalische und elektrische Infrastruktur ist Panduit führend in der Entwicklung dieses zukünftigen Kommunikationsstandards. Bob Voss, Senior Principal Engineer in der Forschung und Entwicklungsabteilung von Panduit, ist Vorsitzender des „Single-Pair Ethernet Subcommittee“ bei der Ethernet Alliance.

Das von ihm geleitete 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 Vier-Paar-Ethernet bereits gut etabliert ist und höhere Ebenen in industriellen Netzwerken unterstützt, ist es für viele kleinere Edge-Geräte nicht kosteneffizient. SPE ist deutlich kostengünstiger Lösung für eine viel breitere Implementierung von kostensensiblen IIoT-Geräten. Systeme, die derzeit die serielle RS-485-Kommunikation nutzen, können mit geringen Änderungen aufgerüstet und in das Ethernet-Netzwerk eingebunden werden.

SPE: Schnell und anwenderfreundlich

SPE bietet eine erhöhte Bandbreite mit höheren Datenraten von bis zu 10 MBit/s bei Entfernungen bis zu von 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.

Komfort, Kosten und Funktionalität von SPE bieten einen kostengünstigen Zugang für die Migration oder den schrittweisen Einsatz von SPE in einer industriellen Umgebung. Die Technologie ist auf die Ausweitung der Datenerfassungsfunktionen auf viel mehr Edge-Geräte ausgerichtet, für die ein schneller Datenzugang bisher unerschwinglich war. Die M8-Steckverbinder (Bild 4) gemäß MICE2/3-Klasse bieten die hohe Schutzart IP67 gegen Staub sowie Wasser. Da die Pin-Kodierung identisch ist mit bestehenden Sensor- und Feldbussystemen, wird der Umstieg wesentlich erleichtert.

SPE: Aktelle Anwendungen in der Automatisierungstechnik

Zu den frühen Anwendungen für SPE gehören:

  • Anschluss von Skid- und Maschinen-E/A-Blöcken zum Ethernet-Netzwerk
  • Verbindung maschineninterner Geräte an einen maschineninternen oder zellularen industriellen Netzwerk-Switch
  • Anschluss von Feldsensoren und Aktoren an industriellen Netzwerk-Switch über Punkt-zu-Punkt oder strukturierte Kabel-Link-Kanäle, beides mit Längen bis zu 1 km (also weit über der aktuellen 100 m Grenze)
  • Verbindung von Feldgeräten mit eingebetteten 2-Kanal-Schaltern in einer Daisy-Chain
  • Verbindung von Remote-I/O-Modulen untereinander, mit dem Netzwerk-Switch oder mit der Steuerung
  • Anschluss von Schaltschrank-Einbaugeräten untereinander über ein einzelnes Kabel in Multi-drop Topologie (10BASE-T1S).

Der Siegeszug des Internet der Dinge hängt stark von einer kosteneffektiven Technologie in Verbindung mit kostengünstigen Sensoren ab, um die Durchgängigkeit sowie die Skalierung voranzutreiben. Automatisierungs-Massenprodukte werden sich wahrscheinlich zuerst ändern, während spezialisierte Geräte mit älteren Protokollen länger brauchen bis sie ersetzt werden.

Wenn Anwender den Wettbewerbsvorteil durch SPE realisieren, dann wird die Implementierung der zugehörigen Geräte drastisch zunehmen und durch die Konvergenz auf Ethernet die Komplexität des Netzwerks reduzieren.

Über den Autor

Martin Kandziora ist Senior Manager Marketing EMEA bei Panduit in Schwalbach.

Dieser Beitrag stammt von unserem Schwesterportal Elektronikpraxis.

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