Datenkommunikation vom Gerät bis ins Feld

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Enabler der Konstruktion Datenkommunikation vom Gerät bis ins Feld

20.02.2020

Single Pair Ethernet verspricht eine durchgängige Ethernet-Verbindung vom Sensor in die Cloud. Die Automatisierungsbranche ist begeistert, fordert aber Standards.

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Weidmüller Interface GmbH & Co. KG

Mit Single Pair Ethernet (SPE) soll es gelingen, eine einheitliche, IP-basierte Kommunikationsinfrastruktur vom Sensor bis in die Cloud zu schaffen. Weidmüller engagiert sich nicht nur in der Entwicklung entsprechender Anschlusslösungen, sondern treibt auch die internationale Standardisierung voran.
(Bild: ©This is brk - stock.adobe.com/Weidmüller)

Single Pair Ethernet (SPE) ist das Schlagwort, wenn es um die Netzwerkinfrastruktur für das Industrial Internet of Things (IIoT) geht. Anwender versprechen sich davon eine durchgängige Kommunikationsarchitektur und zwar in sämtlichen Applikationen, bei denen Daten anfallen. Dahinter verbirgt sich das Konzept, Ethernet bis zur Sensorik zu erweitern. Das heißt, überall dorthin, wo keine Datenautobahnen vorherrschen und man dennoch eine kompakte Datenübertragung mit hoher Reichweite benötigt.

Die Industrial-Ethernet-Vernetzung wird in industriellen Anwendungen zwar genutzt und bringt durch die Echtzeit-Übertragung viele Vorteile mit sich. Allerdings ist die Technologie zu aufwändig für einfache Sensor-Anwendungen. „Auf der Sensor-Aktor-Ebene wird nach wie vor mit einer Bus-Architektur gearbeitet. Wir wollen nun eine IP-basierte Kommunikationsinfrastruktur mit einem einheitlichen Kommunikationsprotokoll vom Sensor bis in die Cloud schaffen“, erklärt Simon Seereiner, Head of Product Management SAI & IE bei Weidmüller.

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Enabler der Konstruktion: Datenkommunikation

Simulation, Leichtbau, smarte Komponenten – welche Entwicklungen werden sich durchsetzen? konstruktionspraxis hat mit den „Enablern der Konstruktion“ Unternehmen ausgezeichnet, deren Lösungen Konstruktion und Entwicklung nachhaltig verändern können.

Herausforderung: Durch die Digitalisierung und Industrie 4.0 werden immer häufiger Daten gesammelt, analysiert, ausgewertet. Dabei gilt es, den enormen Datenfluss schnell und zuverlässig zu gestalten – und zwar vom Sensor bis zur Cloud. Dafür bestehen noch keine einheitlichen Standards, was eine durchgängige Kommunikationsarchitektur erschwert.

Lösung: In der industriellen Kommunikationsinfrastruktur ist vor allem Single Pair Ethernet (SPE) ein Megatrend, der sich zunehmend durchsetzt. SPE benötigt nur noch ein Adernpaar zur Übertragung von Daten und Power (Power over Dataline PoDL). Weidmüller engagiert sich in Technologiepartnerschaften mit anderen Unternehmen, um die Normierung der Technologie voranzutreiben.

Was bringt’s: SPE ermöglicht eine Datenübertragung bis in den letzten Winkel des Anlagenfeldes und erschließt so auch Anwendungen, für die das Industrial Ethernet überdimensioniert wäre. SPE erfüllt somit eine wesentliche Anforderung für IIoT-Anwendungen.

Auf überdimensionierte Datenübertragungsraten verzichten

Mit Single Pair Ethernet soll dies gelingen. Denn SPE verzichtet auf überdimensionierte Datenübertragungsraten, kann dafür größere Distanzen überbrücken und das bei einer kompakteren Bauform. Denn die Verbindungstechnologie benötigt – anders als bisherige Ethernet-Verkabelungen – lediglich ein Adernpaar anstelle von zwei beziehungsweise vier Paaren.

Dies ist der Entwicklung aus der Automobilbranche heraus zu verdanken. Denn dort spielen Platz- und Gewichtseinsparungen eine große Rolle. Man benötigt eine Infrastruktur mit möglichst wenig Kabel, die aber dank der zunehmend autonomen Fahreigenschaften viel leisten müssen. „Aus diesen Gründen haben die Automobilbauer bereits 2012 begonnen, mit dem Normungsgremium IEEE ein Protokoll für Single Pair Ethernet zu entwickeln“, erklärt Seereiner.

Um die Entwicklung gemeinsamer Komponenten und deren Normierung für das Single Pair Ethernet zu entwickeln, haben sich namhafte Unternehmen zusammengeschlossen. (Phoenix Contact)

In der Industrie tritt aufgrund der Digitalisierung nun die gleiche Thematik auf: Da immer mehr Sensorik in Maschinen und Anlagen eingebunden wird, muss die Verkabelung entsprechend industrietauglich und kompakt aufgebaut sein. Single Pair Ethernet gilt dabei als Schlüsseltechnologie, die IoT-Anwendungen in der Industrie ermöglicht: Übertragungsraten von 10 Mbits/s bei einer Übertragungslänge von 1000 m bis hin zu 1 Gbit/s mit einer Länge von bis zu 40 m sind selbst für eine anspruchsvolle Sensorik ausreichend. Auch Scanner und Kameras zur Überwachung oder zum Erfassen von Typ und Lage eines Bauteils lassen sich so durchgängig mit Ethernet in das Netzwerk integrieren.

Konstruktionspraxis-Podcast

Folge 2: Datenübertragung

Der konstruktionspraxis-Podcast, das Fachmagazin zum Hören, informiert schnell und unterhaltsam über spannende Technikthemen. In dieser Folge reden wir mit Simon Seereiner von Weidmüller, über Single Pair Ethernet.

Daten- und Energieversorgung in einem

Dank Power over Data Line (PoDL) lässt sich mit Single Pair Ethernet auch die Energieversorgung der angeschlossenen Komponente sicherstellen. Bis zu 60 W können bei gleichzeitiger Datenübertragung von 100 Mbit/s zu einer Schnittstelle geführt werden. „Das ermöglicht, einen Sensor mit nur einem Zweidrahtkabel sowohl mit Energie als auch mit Daten zu versorgen. Und das alles über eine kleine, kompakte Bauform“, erläutert Seereiner. Eine zusätzliche Leitung zur Energieversorgung entfällt, was Vorteile bei engen Platzverhältnissen bringt.

In den Standards ist die Energieübertragung bei gleichzeitiger Datenübertragung verankert. Die IEEE hat hierzu eine Einteilung in unterschiedliche Power Classes definiert. Da die Klassen 1-9 bereits durch Power over Ethernet (PoE) vergeben sind, starten bei PoDL die Power-Klassen bei 10.

Weidmüller unterstützt die Steckverbinderentwicklung mit Variante IEC 63171-2 für die Umgebung IP20 und der Variante IEC 63171-5 für die Umgebung IP67.
(Bild: Weidmüller)

Steckverbinder der Normenreihe IEC 63171

Weidmüller hat bereits jetzt zwei Steckverbinder für die Single-Pair-Ethernet-Technologie im Portfolio. Eine Variante in Schutzklasse IP20 und eine Variante in Schutzklasse IP67. Beide Varianten gehören der Normenreihe IEC 63171 an, in der Steckverbinder für das Single Pair Ethernet definiert sind.

Aufgrund des robusten Verriegelungsmechanismus – ähnlich dem des RJ45-Steckverbinders, einer Ausziehkraft von mindestens 50 N und einer industriellen Spannungsfestigkeit von 2,25 kV DC, weisen die neuen SPE-Steckverbinder ideale Eigenschaften für den industriellen Einsatz auf. Die hohe Packungsdichte sorgt dafür, dass im Vergleich zum RJ45-Steckverbinder im IP20-Umfeld bis zu 50 % weniger Platz benötigt wird. Zudem sind die SPE-Steckverbinder auch im Feld einfach und schnell konfektionierbar und für die Verkabelung im Bereich AWG 26 bis AWG 22 geeignet.

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Weidmüller – Partner für Industrial Connectivity

Mit erfahrenen Experten unterstützt Weidmüller seine Kunden und Partner auf der ganzen Welt mit Produkten, Lösungen und Services im industriellen Umfeld von Energie, Signalen und Daten. Dabei kennt das Unternehmen die Branchen und Märkte sowie die technologischen Herausforderungen von morgen. Immer wieder entwickelt Weidmüller innovative, nachhaltige und wertschöpfende Lösungen für die individuellen Anforderungen der Kunden. Mit ihnen gemeinsam möchte das Unternehmen Maßstäbe in der Industrial Connectivity setzen.

Die Unternehmensgruppe Weidmüller verfügt über Produktionsstätten, Vertriebsgesellschaften und Vertretungen in mehr als 80 Ländern.

Im Geschäftsjahr 2018 erzielte Weidmüller einen Umsatz von 823 Mio. Euro mit rund 4900 Mitarbeitern.

Mit diesen Neuentwicklungen nimmt Weidmüller eine Vorreiterrolle ein, denn die Technologie ist in der Industrie noch lange nicht angekommen. Dieser Pioniergeist liegt dem Unternehmen in der DNA. Mit seinen Erfindungen hat Weidmüller schon immer die Branche der Verbindungs- und Geräteanschlusstechnik mitgestaltet. Daher hat sich das Unternehmen auch schon früh mit den Themen Industrie 4.0 und Digitalisierung beschäftigt. Die Basis der digitalen Transformation bildet das IIoT, das den ständigen Datenaustausch zwischen allen Bauteilen, Komponenten und Geräten ermöglicht. Für Weidmüller ist daher schon lange klar, wo die Reise hingeht und wie das Unternehmen die digitale Transformation mit industrieller Verbindungs- und Anschlusstechnik mitgestalten kann.

Pioniergeist liegt Weidmüller in der DNA. Mit seinen Erfindungen hat das Unternehmen schon immer die Branche der Verbindungs- und Geräteanschlusstechnik mitgestaltet. Daher hat sich das Unternehmen auch schon früh mit den Themen Industrie 4.0 und Digitalisierung beschäftigt.
(Bild: Weidmüller)

Erfahrungen und Know-how bündeln

Um Single Pair Ethernet für die Industrie weiter voranzutreiben, haben sich viele Experten aus den Bereichen Steckverbinder- und Anschlusstechnik, Automatisierungstechnik sowie der Kabelindustrie zusammengeschlossen, um international geltende Standards für die Technologie zu entwickeln.

Auch Weidmüller engagiert sich von Beginn an in einer solchen Technologiepartnerschaft. „Wir wollen das Thema Single Pair Ethernet auf eine möglichst breite Basis stellen, daher arbeiten in unserem Netzwerk sowohl Hersteller von Sensoren, Kabeln, Steckverbindern, Messgeräten und Chips als auch von Endgeräten zusammen, um dort ihre Kompetenzen zu bündeln“, beschreibt Seereiner die Partnerschaft.

Dank der hohen Packungsdichte benötigen die SPE-Steckverbinder von Weidmüller bis zu 50 % weniger Platz im Vergleich zum RJ45-Steckverbinder (im Bild links) im IP20-Umfeld.
(Bild: Weidmüller/Studio Hesterbrink)

Damit wurde eine Plattform geschaffen, auf der sich alle beteiligten Unternehmen austauschen können. „Man profitiert von den Erfahrungen der anderen, beispielsweise wenn es um die Implementierung neuer Produkte geht“, sagt Seereiner. Ziel der Technologiepartnerschaft ist es, eine aufeinander abgestimmte Infrastruktur für Geräte, Steckverbinder, Kabel und Messtechnik zu gewährleisten.

Internationale Standardisierung als Grundlage

Die Grundlage für eine solche einheitliche und durchgängige Infrastruktur bildet eine internationale Standardisierung. Daran sind bei einer derart bedeutsamen Technologie unterschiedlichste Vereinigungen beteiligt, u. a. die IEEE. Für das Projekt IEEE 802.3cg wurden erstmals in der IEEE-Umgebung Steckverbinder mit deren elektrischen Eigenschaften definiert. Es können alle Steckverbinder verwendet werden, die die elektrischen Eigenschaften der Norm erfüllen.

Die Steckverbinder für Single Pair Ethernet sind in der Normenserie IEC 63171-X definiert. Die Ausführung der Steckgesichter und die mechanischen Anforderungen an die Steckverbinder sind in den untergeordneten Normenreihen beschrieben. Weidmüllers SPE-Steckverbinder gehören beispielsweise zur Variante IEC 63171-2 für die Umgebung IP20 und zur Variante IEC 63171-5 für die Umgebung IP67.

Derzeit plant Weidmüller eine 4-Kammer-Variante auf den Markt zu bringen, mit der sich über ein Interface vier SPE- Verkabelungen realisieren lassen.
(Bild: Weidmüller/Studio Hesterbrink)

SPE-Steckverbinder mit vier Kammern

Auf der Hannover Messe stellt das Unternehmen seine beiden Steckerlösungen für Single Pair Ethernet vor. „Beide Steckgesichter – für IP20 und IP67 – sind miteinander steckkompatibel. Das ist vor allem in der Feldmesstechnik von Vorteil. Dort können Anwender mit einem IP20-Messsteckverbinder einfach Geräte mit IP67-Schnittstelle anschließen und umgekehrt“, verrät Seereiner im Vorfeld. Und weiter: „Neben den Einzelsteckern ist eine 4-Kammer-Variante geplant.“ Damit lassen sich über ein Interface vier SPE-Verkabelungen auf kompakter Baugröße realisieren: Das Gehäuse unterschreitet die Größe eines herkömmlichen RJ45-Gehäuses. Weidmüller arbeitet also auf Hochtouren an weiteren Lösungen, die eine Infrastruktur für die SPE-Technologie ermöglichen.