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Single Pair Ethernet revolutioniert die industrielle Kommunikation

Redakteur: Kristin Rinortner

Mit Single Pair Ethernet lassen sich einfache, günstige und robuste Verkabelungsstrukturen realisieren, die das Potenzial haben, Feldbusse auf absehbare Zeit abzulösen. Ein Überblick zum Stand der Technik und zu neuen Anwendungsbereichen.

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Single Pair Ethernet: SPE hat das Potenzial, alle heute verwendeten Feldbusse auf lange Sicht vollständig abzulösen. Die Daten- und Energieübertragung erfolgt mit Geschwindigkeiten zwischen 10 MBit/s und mehreren GBit/s über ein einziges verdrilltes Aderpaar.
Single Pair Ethernet: SPE hat das Potenzial, alle heute verwendeten Feldbusse auf lange Sicht vollständig abzulösen. Die Daten- und Energieübertragung erfolgt mit Geschwindigkeiten zwischen 10 MBit/s und mehreren GBit/s über ein einziges verdrilltes Aderpaar.
(Bild: Weidmüller)

Als Robert Metcalfe in den 1970-er Jahren sein proprietäres Netzwerk in den Xerox-Labs in Palo Alto aus armdicken, an der Decke entlanglaufenden Kabeln Ethernet taufte, ahnte er höchstwahrscheinlich nicht, welche Bedeutung dieses LAN-Netzwerk einmal erlangen würde. Allerdings zeigt die Namensgebung schon die Intention: Die Bezeichnung Ethernet geht zurück auf den im 17. Jahrhundert geprägten Begriff Äther, einem „allgegenwärtigen Medium“, mit dem die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen wie Licht erklärt wurde.

Die „Äther-Erklärung“ wurde später verworfen, das Ethernet von Xerox, Intel und DEC zu einem offenen Standard weiterentwickelt, der die Basis für den aktuellen Standard IEEE 802.3 bildete.

Ursprünglich für Büroumgebungen mit RJ45-Steckverbindern konzipiert, werden Varianten des Ethernets heute unter dem Oberbegriff Industrial Ethernet in der Industrieautomation auch für zeitkritische Anwendungen wie schnelllaufende Maschinen genutzt.

Sensoren und Aktoren lassen sich hier allerdings nur schwer implementieren, da Büro-RJ45-Steckverbinder und -Kabel für die Industrieumgebung nur bedingt geeignet sind. Für die rauen Umgebungsbedingungen werden sie meist gekapselt oder eingehaust und benötigen daher viel Platz. Hohe Datenraten wie in der Büroumgebung spielen dagegen in der Industrie eine eher untergeordnete Rolle. Wichtig sind große Übertragungslängen, einfache Handhabung und IP-Schutzklassen.

Diese Randbedingungen forcierten Anstrengungen, das Industrial Ethernet (Standard sind vier verdrillte Paare) um einen zusätzlichen Physical Layer quasi „nach unten“ zu erweitern. Die Vorlage gaben Entwicklungen aus der Automobilindustrie, die auf einem verdrillten Aderpaar aus Kupfer basieren: dem Single Pair Ethernet, kurz SPE. Spezifiziert bei den Automobilisten ist ein Vorschlag der Firma Broadcom (BroadR-Reach-Automobilspezifikation).

Single Pair Ethernet: Das Potenzial in der Industrie

In der Industrie hat das Ethernet mit SPE das Potenzial, die Lücke zwischen Steuerungsebene und Feldebene, also den Sensor-/Aktor-Netzwerken, zu schließen. Eine durchgängige Ethernet-Verbindung bis auf die untere Feldebene bietet technische und wirtschaftliche Vorteile: SPE-Leitungen und -Steckverbinder sind deutlich kleiner, leichter und einfacher zu installieren. Das kostengünstige SPE punktet vor allem bei kompakten I/O-Schnittstellen.

Derzeit sind Übertragungsraten von 10 MBit/s (1000 m) bis 1 GBit/s (40 m bzw. 10 m) realisierbar. Auch die zeitsynchrone, deterministische Übertragung von Daten, TSN (Time-Sensitive Networking), ist möglich. Günstig ist weiterhin, dass die Sensorik (Peripherie) mit Strom / Spannung mit Leistungen bis 50 W über das gleiche Aderpaar (Power over Data Line – PoDL, ausgesprochen „Pudel“) gespeist werden kann.

Durchgängige Vernetzung über alle Ebenen

Damit ermöglicht SPE die durchgängige intelligente, skalierbare deterministische Vernetzung einer Anwendung über alle Ebenen. Verschiedene Unternehmen entwickeln bereits Produkte (Leitungen, Steckverbinder, Switches, E/A-Module etc.), die aktuelle und zukünftige SPE-Standards umsetzen. Um die Kompatibilität zwischen den proprietären Geräten, Leitungen und Steckverbindern der verschiedenen Hersteller zu gewährleisten, haben die Beteiligten die internationale Standardisierung vorangetrieben, allen voran Harting. Nebenbei sollte die Halbleiterindustrie motiviert werden, neue PHY-Chipsätze zu entwickeln. Das hat beispielsweise Analog Devices mit der Chronous-Reihe inzwischen getan.

Standardisierung durch IEEE, ISO/IEC und TIA

Das Komitee IEEE802.3 hat ISO/IEC JTC 1/SC 25 WG 3 und TIA vor einiger Zeit damit beauftragt, Steckverbinder vorzuschlagen und zu standardisieren. An diesem Auswahlverfahren haben sich zahlreiche namhafte Hersteller und Gremien beteiligt.

Die IEEE802.3 definiert Applikation und Übertragungskanal. Die ISO/IEC JTC 1 SC25 WG3 beschreibt die Übertragungsanforderung und die Parameter der passiven Verkabelungsstrukturen in Industrie, Gebäuden, Smart Home und Rechenzentren. Die elektrischen und mechanischen Parameter legen die IEC SC 48B (Steckverbinder) und die IEC SC 46C (Kabel) fest. Die aktuelle Version des Dokuments beschreibt mögliche Steckverbinder, die am MDI (Medium Dependent Interface) verwendet werden können. Diese SPE-Steckverbinder sind in den Normenreihen IEC 63171-X beschrieben. Sie unterscheiden sich hinsichtlich Steckgesicht, Abmessungen und mechanischen Eigenschaften.

In der IEEE 802.3cg (SPE 10 MBit/s, 1000 m) werden zum ersten Mal die elektrischen Eigenschaften von Steckverbindern unter dem Punkt MDI erläutert. Dort sind, neben Klemmen, Steckverbinder nach IEC 63171-1 (LC style) und IEC 63171-6 (T1 industrial style) als MDI benannt.

IEC 63171: Die Basisnorm für SPE-Steckverbinder

Die Anfang 2018 von den Normungsgremien ISO/IEC geprüften Vorschläge zu Steckverbindern mussten Grundanforderungen erfüllen, die in der Basisnorm SPE-Steckverbinder IEC 63171 „General Requirements and Test“ definiert sind. Seit dem 23. Januar 2020 ist mit der IEC 63171-6 die erste Norm für industrielle SPE Steckgesichter veröffentlicht und verfügbar. Die Normungsarbeiten sind jedoch noch nicht abgeschlossen.

Auch Nutzerorganisationen wie PI (PROFIBUS und PROFINET International) und ODVA evaluieren derzeit das Thema.

Der erste Entwurf zu SPE-Steckverbindern für Industrie- und industrienahe Anwendungen basiert auf einem Steckgesicht von Harting (Entwicklung begonnen 2014), der 2016 bei SC48B eingereicht und als IEC 61076-3-125 bis zum CD-Status (Committee Draft for comments) publiziert wurde. Es folgten CommScope (IEC 63171-1) und Reichle & De Massari (IEC 63171-2) für M1I1C1E1-Anwendungen (Gebäudeverkabelung).

Die IEC 61076-3-125 wurde in Zusammenarbeit mit TE Connectivity zur IEC 63171-6 für M2I2C2E2- und M3I3C3E3-Anwendungen aktualisiert und ist am 23. Januar 2020 als Norm veröffentlicht worden. Für Anwendungen in der Industrie ist auch die IEC 63171-5 für M2I2C2E2- und M3I3C3E3-Anwendungen in Arbeit, die auf dem Steckgesicht von Phoenix Contact basiert (CD-Status), eine Veröffentlichung der Norm ist für Mai 2020 avisiert.

Technische Lösungen in der Praxis

In der Praxis sieht es so aus, dass zwei Konsortien technische Lösungen voranbringen wollen. Das sind auf der einen Seite das „SPE Industrial Partner Network“, zu dem neben den Gründungsmitgliedern Harting, TE Connectivity, Hirose, Würth Elektronik, Leoni, Murrelektronik und Softing IT Networks mittlerweile weitere 9 Partner gehören, die man in Kürze bekannt geben will. Auf der anderen Seite gibt es das „SPE Technology Cluster“, bestehend aus Phoenix Contact, Weidmüller, Reichle & De Massari, Telegärtner, Belden, Rosenberger und Fluke Networks.

Das SPE Partner Network spricht sich für die von der ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3 und TIA42 im Jahr 2018 festgelegte Schnittstelle T1 Industrial nach IEC 63171-6 als einheitliches Media Depended Interface (MDI) aus. Für die zuverlässige Etablierung des gesamten zukünftigen SPE-Ecosystems werden auch Standards für Übertragungsprotokolle, Verkabelung und Gerätekomponenten gemeinsam genutzt.

Bild 2: Mit seinen grenzenlosen Möglichkeiten wird Single Pair Ethernet zur DNA des Industrial Internet of Things. Das normierte SPE-Steckverbinder-System von Phoenix Contact bietet Möglichkeiten für eine 
effiziente und platzsparende Anlagenverkabelung.
Bild 2: Mit seinen grenzenlosen Möglichkeiten wird Single Pair Ethernet zur DNA des Industrial Internet of Things. Das normierte SPE-Steckverbinder-System von Phoenix Contact bietet Möglichkeiten für eine 
effiziente und platzsparende Anlagenverkabelung.
(Bild: Phoenix Contact)

Das SPE Technology Cluster unterstützt die in die Normierung eingebrachten Steckgesichter der IEC 63171-2 (Büroumgebung) und IEC 63171-5 (Industrieumgebung) von Phoenix Contact. Sie definieren IP20- und IP65/67-Steckgesichter für die ein- und vierpaarige Datenübertragung via SPE mit dem Ziel, eine aufeinander abgestimmte Infrastruktur für Geräte, Steckverbinder, Leitungen und Messtechnik zu gewährleisten.

Single Pair Ethernet: Wie geht es weiter?

Genauso wie das klassische Ethernet ist Single Pair Ethernet keine statische Technologie, sie wird konsequent weiterentwickelt. Der Anwender darf auf zahlreiche Verbesserungen gespannt sein. Eines ist sicher: Mit SPE eröffnet sich eine große Anzahl von neuen Anwendungsmöglichkeiten für strukturierte Verkabelungen in der Automobilindustrie, in Anwendungen in der Industrie und Prozesssteuerung, aber auch in Büroumgebungen und Rechenzentren. Einen Zeithorizont für kommende Entwicklungen gibt Belden [3]: Der Automobilmarkt ist seit 2015 durch SPE erschlossen. Die Prozessindus­trie soll 2022 folgen; das Transportwesen 2025; Robotik und Fabrikautomatisierung 2025 und die Gebäudeautomatisierung 2028.

Bild 1: Das SPE-Portfolio von Weidmüller umfasst M8-Stecker und 
Buchsen mit einer deutlich höheren HF-Leistungsfähigkeit und im Vergleich 
zu RJ45-Steckverbindern doppelter Portdichte dank halbierter Baugröße. 
Implementiert ist mit dem ADIN1300ein PHY aus der Chronous-Reihe von ADI.
Bild 1: Das SPE-Portfolio von Weidmüller umfasst M8-Stecker und 
Buchsen mit einer deutlich höheren HF-Leistungsfähigkeit und im Vergleich 
zu RJ45-Steckverbindern doppelter Portdichte dank halbierter Baugröße. 
Implementiert ist mit dem ADIN1300ein PHY aus der Chronous-Reihe von ADI.
(Bild: Studio Hesterbrink / Weidmüller)

Der Markt für SPE in der Industrie wird gerade über Normen, Produktentwicklungen und Partnerschaften definiert. Die erste Norm hat das SPE Partner Network. Zur Hannover Messe soll die erste Mitgliederversammlung stattfinden, für das laufende Jahr sind Tech Days für Interessenten geplant.

Zur SPS haben Weidmüller und Phoenix Contact erste Prototypen (Basis IEC 63171-5) vorgestellt, die um den Faktor 0,5 kleiner als der RJ45 sind (IP20 bzw. IP67, Spannungsfestigkeit 2,25 kV). Zur Hannover Messe sollen fertige Serien für M8-Sensoranschlüsse in der Schutzklasse IP20 folgen.

Referenzen

[1] Whitepaper Single Pair Ethernet der Firma Harting

[2] Whitepaper Single Pair Ethernet der Firma Weidmüller

[3] Whitepaper Single Pair Ethernet der Firma Belden

Artikelfiles und Artikellinks

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