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Single Pair Ethernet: IP-geschützte Lösungen bieten viele Vorteile

| Autor / Redakteur: Manuel Rüter * / Kristin Rinortner

Die Netzwerkstruktur von der Gebäudeautomatisierung über die Fabrikautomation bis hin zur Prozessautomation wird von Single Pair Ethernet (SPE) beeinflusst. Der Artikel gibt einen Überblick zu den Möglichkeiten von SPE.

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SPE gewinnt das Rennen um die 
Ethernet-Kommunikation der Zukunft: 
Modularität bei voller Steckkompatibilität stehen für den technologischen Vorsprung.
SPE gewinnt das Rennen um die 
Ethernet-Kommunikation der Zukunft: 
Modularität bei voller Steckkompatibilität stehen für den technologischen Vorsprung.
(Bild: Phoenix Contact)

Die Zukunft der industriellen Kommunikation heißt Single Pair Ethernet (SPE) – da gibt es keinen Zweifel. Neben der Sicherheit, die eine standardisierte Lösung den Anwendern bietet, spielen applikationsspezifische Kundenanforderungen dabei eine signifikante Rolle. Mit seinem Engagement in der Single Pair Ethernet System Alliance hat Phoenix Contact sich die Einführung dieser beiden Aspekte zur Aufgabe gemacht.

Die vorherrschenden Trends und Innovationen in Zeiten des IIoT (Industrial Internet of Things) haben alle den Anspruch, Produktfunktionen und Lösungen vor dem Hintergrund der digitalen Transformationen noch besser zu verzahnen.

Wird Single Pair Ethernet unter diesem Aspekt genauer beleuchtet, fallen schnell Schlagworte wie: Reichweiten bis zu 1000 m, hohe Datenübertragungsraten über Twisted Pair, Miniaturisierung am Gerät und im Feld sowie – last but not least – erhebliche Kosteneinsparungen. Diese Aspekte bringen viele Vorteile mit sich – und sprechen für einen umfassenden und zukunftssicheren Einsatz von SPE.

Und hinter allen Vorteilen verbergen sich zahllose Kunden- und Applikationsanforderungen. Die hohe Kunst des Komponentenanbieters besteht nun darin, alles unter einen Hut zu bringen. Wenn dies nicht gelingt, weil spezifische Kundenanforderungen dabei nicht umgesetzt werden, generiert sich sukzessive mit der Zeit ein Steckverbinder-Standard, den die Welt nicht braucht. Daher beschäftigen sich zahlreiche große und kleine Unternehmen mit der zweckdienlichen Umsetzung dieser Technologie.

Herstellerübergreifender Kommunikationsstandard für die industrielle Automatisierung

Das Grundgerüst für die Zukunft der industriellen Kommunikationstechnik entsteht parallel in unterschiedlichen Gremien und Projekten. Neue Kommunikationsstandards wie die Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA), Time-Sensitive Networking (TSN) oder 5G sind die Basis für die durchgängige Vernetzung vom Sensor über die Maschine und übergeordnete Systeme bis in die Cloud.

Die neuen Standards werden bisherigen Protokollen und Schnittstellen in Bezug auf Kosten, Datendurchsatz, Latenz und Deterministik um einiges überlegen sein. Als Technologieführer mit mehr als 30 Jahren Erfahrung in der industriellen Kommunikation engagiert sich Phoenix Contact daher in allen relevanten Standardisierungsgremien. Das Ziel: nicht weniger als ein neuer, herstellerübergreifender Kommunikationsstandard für die industrielle Automatisierung.

Bereits heute dient OPC UA als überlagerter Kommunikationsstandard in Anlagen. Nun wird OPC UA sukzessive um standardisierte Anwendungsprofile im Feld erweitert – beispielweise für I/O-, Sicherheits- oder Antriebs-Anwendungen. Darüber hinaus werden standardisierte Gerätemodelle für eine einheitliche Konfiguration und eine einheitliche Diagnose der Geräte im Netzwerk definiert.

Basics einer durchgängigen Ethernet-Kommunikation

Das übergeordnete Ziel einer durchgängigen Ethernet-Kommunikation ist immer die IP-basierte Einbindung aller Komponenten in ein Kommunikationssystem. Ein großer Anteil der heute eingesetzten Sensoren ist nicht IP-fähig, sie müssen über andere Systeme, wie IO-Link, in das Kommunikationssystem integriert werden. Mit Blick auf Industrie 4.0 und predictive Maintenance stellt ein durchgängiges Ethernet-Kommunikationssystem einen signifikanten Vorteil gegenüber bestehenden Insellösungen dar.

Bild 1: Für Außengewinde und Stecker-Kontakt auf der Sensorseite gedacht, vereinfachen Buchsen-Kontakte die Integration in die Sensor-Infrastruktur in der Feldverkabelung.
Bild 1: Für Außengewinde und Stecker-Kontakt auf der Sensorseite gedacht, vereinfachen Buchsen-Kontakte die Integration in die Sensor-Infrastruktur in der Feldverkabelung.
(Bild: Phoenix Contact)

Die gängige Anschlusstechnik in der Industrie-Automation sind der M8- oder M12-Steckverbinder. Als Beleg für diese Aussage dienen die Kodierungen für Ethernet-Systeme im Bereich der Rundsteckverbinder – beim M12 sind es die D- und X-Kodierungen, beim M8 ist es die D-Kodierung. Im Vordergrund steht in diesem Zusammenhang die einfache Integration in Standard-Sensorgehäuse bei höchstmöglicher Robustheit.

Aufgrund der deutlich günstigeren Integration von Stiftkontakten und einem Außengewinde auf der Sensorseite, macht es Sinn, die SPE-Feldseite mit Buchsenkontakten auszustatten. Sensorhersteller können durch diese Beibehaltung eine einfache Integration in den Sensor vornehmen (Bild 1).

Stecker und Buchse und die Vorteile im Feld

Die Beibehaltung des Sensoranschlusses hat nicht nur für den jeweiligen Hersteller Vorteile, die Vorteile zeigen sich auch deutlich bei der Verkabelung im Feld. Bei den heutigen M8- und M12-Installationen ist häufig von der so genannten fliegenden Verbindung oder auch Feldkupplung die Rede. Aus diesem Grund sind heutige Sensor-/Aktor-Verkabelungen größtenteils als Stecker-/Buchse-Variante ausgeführt.

Daraus folgt, dass die eine Seite mit Stift- und die andere Seite mit Buchsenkontakten bestückt ist.

Bild 2: 
Mit voller IP20-Kompatibilität eignet sich der M8-Steckverbinder auch für schnellen Service-Einsatz.
Bild 2: 
Mit voller IP20-Kompatibilität eignet sich der M8-Steckverbinder auch für schnellen Service-Einsatz.
(Bild: Phoenix Contact)

Gleichwohl hat dies zur Folge, dass eine Seite mit einem Außengewinde und mit einem Innengewinde ausgestattet sein muss. Kabel können auf diese Weise verlängert werden, ohne dass ein Buchse-/Buchse- oder ein Stecker-/Stecker-Adapter – wie es beispielsweise beim RJ45 üblich ist – verwendet werden muss.

Diese Art der Verkabelungstopologie ermöglicht den Anwender im Feld genauso wie den SPE-Integratoren eine hohe Flexibilität. Die vollständige Kompatibilität zum SPE-Steckverbinder in der Schutzart IP20 gewährleistet gleichzeitig einen schnellen Einsatz im Service-Fall (Bild 2).

Miniaturisierung – aber nicht um jeden Preis

Als Standard für kompakte Anschlüsse hat sich die M8-Variante des beliebten M12-Steckverbinders etabliert: Um ein Drittel kleiner als der M12 bietet der M8 dennoch industrie­taugliche Eigenschaften – und ist dabei immer noch gut zu handhaben.

Insbesondere die Anbindung kompakter Sensoren in Maschinen, um prozessbegleitende Informationen zu ermitteln oder kleine Geräte mit Leistung zu versorgen – in vielen Bereichen wird der M8 erfolgreich eingesetzt und ist bereits heute durchgängig akzeptiert.

Obwohl die Miniaturisierung auch in der Industrie-Verkabelung zu den Megatrends gehört, muss genau eruiert werden, wie und wo dieses Thema sinnvoll umgesetzt werden kann.

Besonderheiten in der Prozess-Automation

Während in der Industrie-Automation größtenteils Kabel zwischen AWG (american wire gauge) 22 und 26 verwendet werden, stellt sich in der Prozessautomation ein anderes Bild dar. Hier werden aufgrund der großen Entfernungen deutlich dickere Kabel eingesetzt, die sich im Bereich AWG 16 bis 18 bewegen. So kommt ein Kabel im Prozessumfeld schnell auf einen Außendurchmesser von 7,5 bis 8,5 mm. Das Kabel erreicht in diesem Fall leicht den Außendurchmesser des Steckverbinders. Einen miniaturisierten Steckverbinder an ein solches Kabel anzuschließen erscheint in mehrfacher Hinsicht als nicht sinnvoll.

Diese Sichtweise gilt natürlich nicht nur für geschützte Steckverbinder, sondern auch für Steckverbinder im Bereich IP20. Die Anforderung, einen möglichst kleinen Footprint auf der Platine umzusetzen und die Port-Dichte im Vergleich zum RJ45 deutlich zu erhöhen, erscheint unter dem oben genannten Bedingungen ebenfalls als nicht sinnvoll.

Aus diesem Grund startet der Produkt-Launch mit konfektionierten Leitungen im Bereich AWG 22. Für die Geräteintegration stehen sowohl IP20- als auch IP65/67-Varianten zur Verfügung. Der kontinuierliche Ausbau des Produktprogramms gewährleistet eine durchgängige Nutzung in allen Applikationsfeldern. Die Durchgängigkeit auf der einen und die praktikable Umsetzung auf der anderen Seite sind das Ziel der Single Pair Ethernet System Alliance.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 12/2020 (Download PDF)

Fazit: Phoenix Contact arbeitet weiterhin konsequent an SPE – mit dem Ziel, diese evolutionäre neue Technik für eine möglichst große Zahl von Anwendungsszenarien zu ertüchtigen. Die Vorteile – Gewichtsreduktion der Kabel, Miniaturisierung und Vereinfachung der Anschlusstechnik – kommen erst mit der Durchgängigkeit der gesamten Infrastruktur zum Tragen.

Die Netzwerkstruktur in allen Applikationsbereichen, von der Gebäudeautomatisierung über die Fabrikautomation bis hin zur Prozessautomation, wird von dieser Innovation beeinflusst. Niemand sollte in diesem Kontext außer Acht lassen, dass es sich bereits heute entscheidet, wohin das Ethernet in Zukunft geht.

* Manuel Rüter arbeitet als Produktmanager Industrial Field Connectivity bei Phoenix Contact in Blomberg.

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