Steigende Anforderungen an die Interoperabilität der Automatisierungsinfrastruktur steigern die Chancen für den Durchbruch der SPE Technik. Es ist die Technologie-Plattform, die eine Migration von verschiedenen Legacy-Netzwerken zu einer universellen physikalischen Schicht ermöglicht. Damit ist Industrie 4.0 einen weiteren Schritt näher, durch eine einzige Technologie - Daten vom einzelnen Edge-Sensor über die Fertigung bis hin zum Desktop oder Laptop bereitgestellt zu werden.
Single-Pair-Ethernet (SPE) erweitert 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 Switch, Kabel und Sensor, 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.
Zusammen mit ergänzenden IP-basierten Protokollen ist das Ethernet zur dominierenden Datenkommunikationsplattform geworden. 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 Bestands-Umgebungen. Zudem benötigt man für solche unterschiedlichen Umgebungen ein so genanntes Multiprotokoll erfahrenes Installations- und Wartungspersonals. Künstliche Intelligenz und Digitalisierung führen verstärkt zum Einsatz datenbasierter Prozesse oder Machine-Learning. Diese Optionen gibt es zwar schon länger. Der Vorteil ist jetzt, dass die technologische Dynamik einer Einzeltechnologie ganze System-Topologien zusammenführt - mit einer Fülle an Vorteilen. Diese Vorteile haben dazu geführt, dass industrielles Ethernet im Jahr 2018 zum ersten Mal traditionelle Feldbusse überholt hat - mit einer stetigen Wachstumsrate von 20 Prozent.
Durch SPE führt man zu einer homogenen 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. 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 Kabel- und Steckergröße. Dabei können sowohl Strom als auch Daten an Edge-Geräte innerhalb einer einzigen Verbindung geliefert werden. Der IP20-SPE-Steckverbinder gemäß IEC 63171-1 Typ 1 von Panduit ist ein kleinformatiges Modul mit der Hälfte der Grundfläche eines RJ45-Anschlusses und verfügt über eine positive Verriegelung für sichere Verbindungen - ideal z.B. für die Gebäudeautomation.
Im Vergleich zur Terminierung eines 4-paarigen Kabels nach TIA-568A/B-Standard ist der Kabelabschluß eines 1-paarigen Kabels mit dem LC-Stecker vor Ort schneller und einfacher. Mit handelsüblichen Werkzeugen kann ein Techniker eine SPE-Steckverbinder in der Hälfte der Zeit am Kabel fixieren, die sonst für eine 4-paarige Terminierung benötigt wird. Zudem werden einpaarige 18 AWG-Kabel (ca. 1 qmm 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 (PoE)-Technologie für Standard-Ethernet, welche die Stromversorgung der Datenkommunikations-Infrastruktur in Gebäuden bereits entscheidend verändert hat. Der weitere Vorteil von SPE: Vorhandener Kabelmedien lassen sich wiederverwenden. Maschinen, Anlagen und Gebäude verfügen über einpaarige verdrillte Kabel-Topologien, die sich jetzt als SPE-Kabelmedien nutzt lassen. Beispielsweise besitzen viele RS-485-Kabel, die in Gebrauch oder redundant verlegt sind, den Querschnitt 18 AWG - ein 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.
Als Global Player von innovativen Lösungen im Bereich physikalische und elektrische Infrastruktur ist Panduit führend in der Entwicklung dieser zukünftiger 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 4-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 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 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 Single-Pair-Ethernet 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 Panduit M8-Steckverbinder 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.
Zu den frühen Anwendungen für SPE gehören:
Single-Pair-Ethernet ist die Schlüsseltechnologie für Hersteller und Industrieanlagen:
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 zu 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 reduziert. Erfahren Sie mehr auf: https://www.panduit.com/emea/de/home.html
