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Industrielle Kommunikationstechnik Single Pair Ethernet – Wann kommt der Durchbruch?

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

Die heiße Phase der Prototypen für SPE hat längst begonnen – PHYs, Kabel und Steckverbinder sind am Markt verfügbar. Gibt es in Zukunft nur den einen SPE-Steckverbinder? Oder unterschiedliche Standards für unterschiedliche Applikation?

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Durchgängige Vernetzung vom Sensor bis zur Cloud: 
Mit Single Pair Ethernet wird der Anspruch zur Realität.
Durchgängige Vernetzung vom Sensor bis zur Cloud: 
Mit Single Pair Ethernet wird der Anspruch zur Realität.
(Bild: Phoenix Contact)

Geht es um die moderne industrielle Kommunikationstechnik, führt kein Weg am Trendthema Single Pair Ethernet vorbei. Erste Komponenten wie Steckverbinder, Kabel und PHYs (Physical Layers) sind seit ein paar Monaten verfügbar.

Gerätehersteller können nun die ersten Prototypen herstellen, um die durchgängige Ethernet-basierte Kommunikation aufzubauen und den viel zitierten Slogan „Vom Sensor bis zur Cloud“ Realität werden zu lassen.

Verfügbare Komponenten für Single Pair Ethernet

Die Kabel für Single Pair Ethernet – oder kurz SPE – werden in den Normen IEC 61156-11/-12/-13 und -14 beschrieben. Diese vier neuen Standards für SPE-Leitungen definieren sowohl die feste als auch die flexible Verlegung.

Zum jetzigen Zeitpunkt sind die Standards 61156-11 und 61156-12 bereits veröffentlicht. Sie definieren die Anforderungen für Übertragungsfrequenzen bis 600 MHz bei einer Übertragungslänge bis 40 m – und sind geeignet für die Standards 100BASE-T1 und 1000BASE-T1.

Seit Herbst 2020 bietet Phoenix Contact die ersten Steckverbinder für die durchgängige Verbindungstechnik für Single Pair Ethernet an. Das Programm umfasst sowohl kompakte IP20-Steckverbinder als auch IP-geschützte M8-Steckverbinder für den Anschluss von Sensoren.

Um diese beiden Welten miteinander zu verbinden, wurde ein durchgängiges Steckgesicht konzipiert. Das erspart dem Anwender Adapter sowie zusätzliche Kosten und wird somit den Kernzielen von Single Pair Ethernet „Kompaktheit und Durchgängigkeit“ vollständig gerecht (Bild 1).

Bild 1: Phoenix Contact bietet ein durchgängiges, kompaktes und robustes Programm an SPE-Steckverbindern – standardisiert nach IEC 63171-2 (IP20) und IEC63171-5 (M8).
Bild 1: Phoenix Contact bietet ein durchgängiges, kompaktes und robustes Programm an SPE-Steckverbindern – standardisiert nach IEC 63171-2 (IP20) und IEC63171-5 (M8).
(Bild: Phoenix Contact)

Die IP20-Steckverbinder, die nach der IEC 63171-2 normiert sind, bilden das wohl kompakteste Steckgesicht der gesamten Normenreihe für SPE-Steckverbinder. Das IP20-Programm umfasst sowohl vorkonfektionierte Patch-Kabel in verschiedenen Längen als auch kompakte Geräteanschlüsse für den Reflow-Lötprozess in unterschiedlichen Bauformen.

Mitte des Jahres kommt ein feldkonfektionierbarer Steckverbinder mit Schneidklemmanschluss (IDC – Insulation Displacement Connector) auf den Markt. Der IDC-Steckverbinder mit einem Gehäuse aus Zinkdruckguss wird den robusten Anforderungen in industriellen Applikationen gerecht.

Somit wird die Verkabelung im Feld komfortabler und flexibler hinsichtlich der Kabelauswahl.

M8-Format: SPE-Steckverbinder und -Patch-Kabel

Das IP-geschützte Produktprogramm in der Bauform M8 ist nach der IEC 63171-5 normiert und umfasst ebenfalls vorkonfektionierte Patch-Kabel mit unterschiedlichen Kabeltypen für unterschiedliche Applikationen und Geräteanschlüsse in der Standard-M8-Bauform.

Bild 2: Die M8-Gerätesteckverbinder ermöglichen einen kompakten und standardisierten Anschluss für zum Beispiel SPE-Switches oder Sensoren im Feld.
Bild 2: Die M8-Gerätesteckverbinder ermöglichen einen kompakten und standardisierten Anschluss für zum Beispiel SPE-Switches oder Sensoren im Feld.
(Bild: Phoenix Contact)

Standard-M8-Komponenten bieten dem Gerätehersteller ein einfaches Design-in und eine höhere Flexibilität in der Verkabelung. Vorhandene Gehäuse-Geometrien und Wanddurchführungen können übernommen und mit SPE-Inserts bestückt werden. Diese Inserts stehen in gerader und gewinkelter Ausführung sowie für unterschiedliche Lötverfahren – THR und SMD – zur Verfügung. Mit dem Launch des M8-Programms im Herbst 2020 sind erstmals Serienartikel für die Verbindung von kompakten SPE-Sensoren am Markt verfügbar (Bild 2).

Netzwerke: Die SPE System Alliance

Schon zu Beginn der Entwicklungsaktivitäten rund um ein neues Steckgesicht für SPE wurde deutlich, dass Single Pair Ethernet nicht nur ein Steckerthema ist. Es geht vielmehr um alle betroffenen Infrastruktur-Komponenten: vom PHY über das Kabel bis hin zum Sensor.

Seit über einem Jahr besteht das von Phoenix Contact mitgegründete Netzwerk der SPE System Alliance. Führende Technologieunternehmen aus verschiedenen Branchen und Anwendungsbereichen haben sich in einem eingetragenen Verein zusammengeschlossen, um ihr Know-how zu bündeln und zielorientiert auszutauschen.

Durch die Ausrichtung zu einer branchen- und applikationsübergreifenden Austauschplattform kommen Unternehmen aus allen Bereichen des SPE-Ökosystems zusammen. Alle Partner der Allianz verfolgen gemeinsam das Ziel, SPE für das Industrial Internet of Things (IIoT) weiter voran zu treiben.

SPE-Ökosystem für unterschiedliche Applikationen

So steht die SPE System Alliance nicht für ein bestimmtes Steckersystem oder Produkt. Unabhängig von den Einzelpositionen der Mitglieder der System Alliance wahrt der Verein in Bezug auf Produkte generell seine Neutralität und Herstellerunabhängigkeit. Die Zielsetzung der Aktivitäten der System Alliance richtet sich vielmehr auf die Beförderung der SPE-Technologie.

Der Verein konzentriert sich auf das gesamte zukünftige SPE-Ökosystem sowie auf alle offenen Fragen in diesem Kontext. Dies umfasst weit mehr als nur physische Komponenten wie Kabel, PHYs, Steckverbinder, Sensoren oder Switches.

So geht es zum Beispiel auch um Fragen nach Topologien, Standardisierungsvorhaben oder Szenarien für ganz unterschiedliche Applikationsbereiche. Diese breite Aufstellung manifestiert sich auch in diversen Arbeitsgruppen innerhalb der System Alliance, die wiederum an unterschiedlichen Fragestellungen arbeiten.

Die verabschiedeten Standards der IEEE 802.3 für SPE umfassen Datenraten von 10 MBit/s bis 10 GBit/s und Distanzen bis zu 1000 m. Getrieben durch den Automotive-Bereich wurden inzwischen die ersten Standards verabschiedet, die kürzere Distanzen abdecken.

SPE: Neue IEEE-Standards in den Startlöchern

Die Standards 100BASE-T1 und 1000BASE-T1 übertragen auf der Distanz von bis zu 40 m (geschirmt) Datenraten von 100 MBit/s bzw. 1 GBit/s. Anwender aus der Fabrik- und Gebäudeautomation schauen gespannt auf die weitere Verfügbarkeit der Komponenten für die Standards 10BASE-T1L und 10BASE-T1S aus der Working Group „cg“.

Mit diesen Standards ist es erstmals möglich, bei einer Datenrate von 10 MBit/s Informationen über eine Distanz bis 1000 m zu übertragen. Mit der Ausprägung T1S sind erstmals auch Multidrop-Applikationen möglich.

Alle anderen Standards gehen von der klassischen Point-to-Point-Verkabelung aus. Diese Multidrop-Anwendungen möchte man in der neuesten Working Group „da“ noch erweitern – und schaut auf Reichweiten, die über die 25 m des derzeitigen T1S-Standards hinausgehen.

Neuester verabschiedeter Standard aus der Working Group „ch“ ist der MultiGigBASE-T1 mit einer Datenrate von 10 GBit/s und einer Reichweite von 15 m.

Bild 3: Die unterschiedlichen SPE-Standards aus der IEEE 802.3 in der Übersicht.
Bild 3: Die unterschiedlichen SPE-Standards aus der IEEE 802.3 in der Übersicht.
(Bild: Phoenix Contact)

Daneben gibt es die Spezifikation Power over Dataline(PoDL), mit der SPE-Applikationen zusätzlich Leistung bis 50 W über die Datenleitung übertragen. Ausgenommen von dieser Funktion sind noch die Multidrop-Standards (Bild 3).

SPE: Wann kommen die ersten Geräte?

Die heiße Phase der Prototypen für SPE hat längst begonnen – PHYs, Kabel und Steckverbinder sind am Markt verfügbar. Jetzt heißt es, die Systeme aufeinander abzustimmen und die Bedürfnisse der industriellen Umgebungsbedingungen auf SPE zu übertragen.

Eine der Herausforderungen ist der Störschutz im Gesamtsystem, da sich das industrielle Umfeld stark vom Applikationsbereich des Automotive-Ethernet unterscheidet. Im Gegensatz zum Automobil sind Störungen je nach Anwendung nicht vorhersehbar und zudem oftmals deutlich komplexer.

Auch bei der Standardisierung bleibt es spannend. Derzeit gibt es innerhalb der Normenreihe für SPE-Steckverbinder (IEC 63171) sechs unterschiedliche Standards für Steckverbinder – der siebte Standard ist in Vorbereitung. Gibt es in Zukunft nur den einen SPE-Steckverbinder? Oder unterschiedliche Standards für unterschiedliche Applikation?

Das werden die Nutzerorganisationen wie PNO oder ODVA maßgeblich mitentscheiden, die sich derzeit intensiv mit dem Thema SPE beschäftigen. Hier wird sich dann zeigen, wie und wann der Slogan „Vom Sensor bis zur Cloud“ auch wirklich greift.

Über die Autorin

Dipl.-Ing. Verena Neuhaus arbeitet im Product Management Data Connectors in der Business Unit Field Device Connectors bei Phoenix Contact in Blomberg.

Dieser Beitrag stammt von unserem Schwesterportal Elektronikpraxis.

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