Automatisierung

Single Pair Ethernet (SPE): Durchgängigkeit von der Cloud bis an den Sensor

8 Experten über SPE als die Technologie für das IIoT

28.02.2022 - Warum Single Pair Ethernet als Zukunft der industriellen Kommunikation gilt, dem Trend zur Miniaturisierung in die Karten spielt und sich vor allem für ­kostensensible IIoT-Geräte eignet, erklären Ihnen unsere Experten.

„Hohe Datenraten barrierefrei von der Steuerungsebene in die Sensor-/Aktor-Ebene“

Die Digitalisierung ist in vollem Gange und Schlagwörter wie Industrie 4.0, IIoT sowie M2M-Kommunikation oder Cloud-Lösungen sind in aller Munde. So unterschiedlich die einzelnen Ansätze auch sein mögen, haben sie alle eine Gemeinsamkeit. Das Schlüsselwort für ihren Erfolg lautet Datenqualität. Während aktuelle industrielle Kommunikationsnetzwerke noch einigermaßen fehlertolerant sind, werden sich Produktionsprozesse in Zukunft nur über eine sichere und zuverlässige Verkabelung umsetzen lassen. Mit den stetig steigenden Anforderungen an die Netzwerk-Performance steigen parallel die Anforderungen an Steckverbinder und Kabel. Die Infrastruktur muss auch in Grenzbereichen der zukünftigen Technologien noch leistungsfähig genug sein, um eine hohe Verfügbarkeit und Robustheit der Daten zu gewährleisten – ohne dass es zu Netzwerkausfällen oder Performance-Einbußen kommt. Single Pair Ethernet (SPE) wird ein wesentlicher Baustein sein. Dieser eröffnet die Möglichkeit – mit einem vergleichsweise kompakten Interface – hohe Datenraten barrierefrei von der Steuerungsebene in die Sensor-/Aktor-Ebene zu bringen. Im Gegensatz zu aktuellen Lösungen mit zwei oder vier vierdrillten Adernpaaren setzt SPE auf lediglich ein verdrilltes Adernpaar. Dadurch entsteht zukünftig eine vergleichsweise gewichtsparende Infrastrukturlösung für IIoT- und Industrie 4.0-Applikationen.

„SPE als Physical Layer für eine fortschreitende Miniaturisierung“

Die Grundanforderung an Geräte im IIOT ist die Möglichkeit, untereinander vernetzt zu agieren. Informationen zu empfangen, bereitzustellen und vor allem zu interpretieren, das sind die Herausforderungen für alle Teilnehmer im IIoT. Um das zu ermöglichen, bedarf es sowohl einer einheitlichen Syntax als auch einer durchgängigen Semantik. Unabhängig davon, wie diese Sprache aufgebaut ist, kommt es auf jeden Fall zu einer intensiven Kommunikation zwischen Geräten bis in die Feldebene hinein, also bis zum Sensor und Aktor. Die großen Datenmengen bedürfen auch hoher Übertragungsgeschwindigkeiten, damit eine reibungslose und unmittelbare Interaktion zwischen den Teilnehmern eines Netzwerkes möglich ist. Unnötige Übersetzungsprozesse zwischen verschiedenen Übertragungsprotokollen beziehungsweise technischer Systeme sollten idealerweise vermieden werden. Die Ethernet-basierte Kommunikation bietet hier ein hohes Lösungspotential, das ist klar und nicht neu. Aber das heute gängige vieradrige oder achtadrige Ethernet hat seine Herausforderungen. Zum einen gehören die geräteseitigen Steckverbinder basierend auf RJ45 heute bereits zu den größten Bauteilen auf der Leiterplatte. Dazu kommt, begründet durch die hohe Anzahl von zu beschaltenden Adern, ein nicht unerheblicher Platzbedarf für Bauelemente im Gerät hinzu. Dem Einzug in die Sensorik oder Feldgeräte kleinerer Bauform steht also die notwendige fortschreitende Miniaturisierung entgegen. Single Pair Ethernet, als möglicher Physical Layer, liefert hier eine Technologie mit disruptivem Potential. Kleine mechanische Schnittstellen, geringer Platzbedarf auf dem PCB durch nur zwei Adern, Ethernet-basierte durchgängige Kommunikation vom Sensor bis zur Cloud und nicht zuletzt ein einfaches Handling durch den Anwender beim Aufbau der Infrastruktur – all das spricht für Single Pair Ethernet als Technologie für IIoT.

„Die Zukunft der Fabrikvernetzung heißt Single Pair Ethernet“

Platzsparend, einfach anzuschließen und Leitungslängen bis 1.000 Meter: Single Pair Ethernet ist der kommende Verbindungsstandard in Fabriken. Er baut die Brücke von Sensoren und Aktoren der Feldbus­ebene zu den darüberliegenden Ebenen der Automatisierungspyramide und bringt das industrielle Internet der Dinge erst richtig in Schwung. SPE-Leitungen haben nur noch ein verdrilltes Aderpaar anstatt vier Paaren. Dadurch sind sie kompakter, was vor allem in engen Maschinen von Vorteil ist, und sie erfordern weniger Aufwand bei der Installation. Dennoch ist SPE annähernd so schnell wie Multi Pair Ethernet und echtzeitfähig. Es erlaubt sogar Distanzen bis 1.000 Meter, während bei herkömmlichem Ethernet spätestens bei 100 Metern Schluss ist. Zudem versorgt SPE Endgeräte mit Strom. Damit ist SPE interessant etwa in der chemischen Industrie, wo Anlagen viele Hektar groß sein können. Die Fertigungsindustrie profitiert insbesondere von dem reduzierten Verkabelungsaufwand bei Sensoren und Aktoren. Aber auch in Bussen und Bahnen oder in der Gebäudeautomatisierung hat SPE großes Potenzial.
Jetzt sind die Hersteller gefragt. Sie müssen einen Marktstandard schaffen und einen Wildwuchs wie bei den Feldbussen vermeiden. Die Leitungen und Steckverbinder sind bereits international genormt, jedoch wurden bei den Steckverbindern mehrere unterschiedliche Steckgesichter normiert. Im SPE Industrial Partner Network haben sich dazu zahlreiche, namhafte Komponentenhersteller zusammengetan, um Single Pair Ethernet unter Verwendung des IEC 63171-6 Steckverbinders in der Industrie zu verbreiten. Lapp hat bereits SPE-Leitungen im Angebot. Anwender sollten sich daher schon heute mit SPE befassen.

„SPE ist die Zukunft des IIoT und ­verändert die industrielle Vernetzung“

Single pair Ethernet (SPE) gilt als die Zukunft der industriellen Kommunikation. SPE schafft eine kostengünstige Basis für verschiedene Anwendungen und ermöglicht eine leichte Anbindung von Sensoren. Besonders vorteilhaft dabei ist, dass diese zusätzlich mit Spannung versorgt werden können. Zudem gilt SPE als Innovationstechnologie und Ergänzung zu 2- und 4-paarigen Ethernet-Verbindungen.
Durch das Engagement von Lütze im SPE Industrial Partner Network kann die Standardisierung gemeinsam vorangetrieben werden. So ist es uns möglich, Kabel beziehungsweise Leitungen im SPE-Bereich weiterzuentwickeln. Dabei ist die Kompatibilität das zentrale Thema. Genormte Steckverbinder sind eine der wichtigsten Voraussetzungen für die erfolgreiche Markteinführung jeder neuen Netzwerktechnologie. Dies ist auch bei Single Pair Ethernet nicht anders. Die Nennung des von Harting entwickelten T1-Industrial-Steckverbinders im IEC 63171-6 Standard als das einzige für die industrielle Kommunikation normierte Steckgesicht war schließlich der Auslöser für Lütze dem SPE Industrial Partner Network beizutreten und diese Technologie zu unterstützen. Lütze hat eine schleppkettentaugliche Single-Pair-Ethernet-Leitung im Produkt- und Lagerportfolio. Zeitnah wird das Sortiment noch mit weiteren SPE-Produkten ergänzt, um möglichst ein breitgefächertes Produktangebot für den Kunden anbieten zu können. Die Leitungen werden in unterschiedlichen Anwendungen der Industrie eingesetzt.

„SPE eignet sich für Edge-Anwendungen und kostensensible IIoT-Geräte“

Single Pair Ethernet (SPE) bringt die industrielle Vernetzung auf ein neues Niveau und ist damit essenziell für das Industrial Internet of Things (IIoT). SPE schafft durchgängige Kommunikation, hohe Funktionalität, Diagnosemöglichkeiten bei gleichzeitiger Kosteneffizienz im Vergleich zu Gigabit-Anwendungen. Für letztere sind heute vier Aderpaare notwendig. Dies bedeutet für Anwender und Hersteller konfektionierter Leitungen einen sehr hohen Aufwand und ein großes Maß an Genauigkeit beim Anschluss der Steckverbinder. Der zur Verfügung stehende Bauraum ist gerade bei M12-Steckverbindern begrenzt und jede Ungenauigkeit bei der Konfektionierung bedeutet Performance-Verluste. Hier zeigt die SPE-Zwei-Draht-Technologie ihre wahre Stärke, denn zwei Adern anzuschließen ist wesentlich einfacher, schneller, fehlertoleranter und damit kostengünstiger. Damit bietet sich SPE besonders für Edge-Anwendungen und kostensensible IIoT-Geräte an, für die das Vier-Paar-Ethernet schlichtweg zu teuer ist. So schließt SPE eine Lücke und schafft durchgängige Ethernet-Kommunikation. Zusätzlich eröffnen sich Möglichkeiten in Bezug auf Hybrid-Steckverbinder, indem man den gewonnenen Bauraum im Steckgesicht für eine integrierte Spannungsversorgung nutzt. Daten und Power sind in einem Steckverbinder integriert, was den Installationsaufwand abermals reduziert. Und weil die Verbreitung von IIoT stark von kostengünstigen Technologien abhängt, wird SPE die industrielle Vernetzung, in Kombination mit der bereits installierten Ethernet-Basis, auf ein neues Niveau heben

„Ein durchgängiges Kommunikationsprotokoll statt vieler verschiedener Feldbussysteme“

Single Pair Ethernet hat seinen Ursprung in der Automobilindustrie: Ein durchgängiges Kommunikationsprotokoll statt vieler verschiedener Feldbussysteme spart Gateways, Verkabelung und auch Gewicht. Viele dieser Vorteile lassen sich auch auf industrielle Anwendungen übertragen.
Auch für Phoenix Contact ergeben sich durch SPE viele Aktivitäten – nicht nur im Bereich der Verbindungstechnik, sondern auch im Geschäftsbereich der aktiven Komponenten. SPE bietet viele Vorteile innerhalb der Netzwerk-Infrastruktur für die Industrie 4.0 und das Industrial Internet of Things (IIoT). Das IIoT bringt immer mehr Kommunikationsteilnehmer, die miteinander vernetzt werden wollen. Und SPE bringt viele Vorteile im Bereich der industriellen Kommunikation in diese neue vernetzte Welt. Da wäre zum einen die Miniaturisierung, die Durchgängigkeit des Kommunikationsprotokolls vom Sensor bis zur Cloud, die größere Reichweite des Ethernet-Protokolls bis zu 1.000 Metern, aber auch die vereinfachte Verkabelung mit nur zwei Adern und die Möglichkeit, Energie und Daten gleichzeitig zu übertragen. Phoenix Contact hat dafür ein neues Steckverbinderprogramm entwickelt: Onepair. Die Anwendungsbereiche für diese Steckverbinder sind sehr breit und die Ziele sind Fabrikautomatisierung, Gebäudeautomatisierung und Prozessautomatisierung. Das Onepair-Portfolio ist nach IEC 63171 genormt und umfasst sowohl Steckverbinder für den Einsatz in IP20-Anwendungen – also mehr in der Schaltschrankverkabelung, als auch Steckverbinder für den rauen Feldeinsatz in der Bauform M8 und M12.

„Konkrete Spezifikationsprojekte anhand von Use Cases“

Single Pair Ethernet passt vortrefflich in das Technologieportfolio von PI und wird dabei helfen, die Automation von bekannten Applikationen zu verbessern und neue Einsatzfelder zu erschließen oder diese zu ergänzen. Die Vorteile der Technik sind offensichtlich: Zusatzgeräte für ausführliche Datenanalysen können einfach integriert werden, bei kleinen Geräten ist nicht mehr die Steckergröße entscheidend, dünnere, flexiblere Kabel mit robuster Steckertechnik können installiert werden und das PoDL-Konzept ermöglicht 1-Kabel-Geräte. Es ist aber nicht zielführend, einfach mal auf gut Glück eine neue Technik einzuführen, zumal SPE im Detail betrachtet einige unterschiedliche Möglichkeiten bietet. Deswegen sammeln verschiedene PI-Arbeitsgruppen, mit den dahinterstehenden Mitgliedsfirmen, mögliche Use Cases, prüfen und evaluieren die Technik anhand der verfügbaren Hardware, um dann konkrete Spezifikationsprojekte damit anzustoßen. Die SPE-Basistechnologie ist im Rahmen des APL-Gemeinschaftsprojektes der Gamechanger für den Einsatz von Profinet in PA-Feldgeräten. Im FA-Umfeld werden zuerst Projekte und Produkte mit SPE-Technik kommen, die bei der bewährten Technik bezüglich des Handling und/oder der Geräteintegration an Grenzen stoßen. Entscheidend für Zukunft und Veränderung ist immer das Gesamtpaket. Neben der Basis-Ethernet-Technik müssen sowohl überlagerte offene Kommunikationsmechanismen als auch eine starke Community mitwirken.

„SPE mach kostspielige Gateway-Lösungen überflüssig“

Der Übergang zum Industrial Internet of Things (IIoT) in der Produktion wird immer anspruchsvoller, wenn es um die adäquate Netzwerktechnologie geht. Natürlich ist das Erfassen der Produktionsdaten in Echtzeit Grundvoraussetzung dafür, dass die Vorteile des IIoT überhaupt spürbar werden. Häufig haben wir es jedoch mit einer bestehenden Infrastruktur zu tun, welche die für die Umsetzung erforderliche Transparenz und barrierefreie Kommunikation nicht bereitstellen kann. Ich sehe die SPE-Technologie als die geeignete flexible und skalierbare Lösung, um diese Anforderungen zu erfüllen.
SPE ermöglicht die Verbindung der Geräte auf Feldebene mit dem Kommunikationsnetzwerk und trägt so dazu bei, Produktivität, Effizienz und Prozesssteuerung zu verbessern. Dabei lässt sich SPE in bestehende Ethernet-Infrastrukturen integrieren. Kostspielige Gateway-Lösungen, die zudem die Datentransparenz verringern und die Kommunikation verzögern würden, werden dadurch überflüssig. Zudem wird die Skalierung von Produktionsprozessen erleichtert, da SPE nicht nur Kabelkomplexität und damit verbundene Kosten reduziert, sondern auch den Einsatz kleinerer Bauformen ermöglicht bei weiterhin nahtloser Einbindung neuer Geräte in das Netzwerk.
Die Einführung einer industrieweiten Norm für SPE-Konnektivität wird dazu beitragen, die SPE-Technologie mit ihren überzeugenden Vorteilen in die Automatisierungswelt zu bringen. Das SPE Industrial Partner Network, ein Zusammenschluss von Unternehmen, die gemeinsam die SPE-Technologie als Grundlage für die IIoT-Implementierung vorantreiben, führt seit kurzem die Entwicklung des IEC 63171-7 Standards für hybride Schnittstellen an, um den Herstellern die Nutzung der Technologie zu erleichtern. Inzwischen unterstützen zahlreiche Fachgruppen und mehr als 80 Unternehmen diese Industrienorm – ein wichtiger Schritt für die Einführung der SPE-Technologie im Markt als Wegbereiter für die erfolgreiche Zukunft des IIoT.

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