Kabel und Leitungen

Single Pair Ethernet – die DNA des IIoT

| Autor / Redakteur: Dipl.-Wirt.-Ing. Verena Neuhaus / Sandra Häuslein

Single Pair Ethernet unterstützt den Trend zu kompakten, dezentralen Geräten in der industriellen Automatisierung – kann also anwendungsneutral zur DNA des Industrial Internet of Things (IIoT) werden.
Single Pair Ethernet unterstützt den Trend zu kompakten, dezentralen Geräten in der industriellen Automatisierung – kann also anwendungsneutral zur DNA des Industrial Internet of Things (IIoT) werden. (Bilder: Phoenix Contact)

Single Pair Ethernet ist einer der Mega-Trends der industriellen Datenübertragung. Wer die Anwendungen und Vorteile der auf ein einziges Aderpaar reduzierten Datenverkabelung verstehen will, kommt an der Geschichte des Ethernet und der industriellen Automatisierung nicht vorbei.

Als nicht-standardisiertes Software-Protokoll ist das Ethernet in den 1970er-Jahren zur firmeninternen und lokal begrenzten Übertragung von Datenpaketen in kabelgebundenen Computernetzwerken (LAN – Local Area Network) entwickelt worden. Das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) spezifizierte das Software-Protokoll sowie den Physical Layer – darunter die physikalischen Schnittstellen wie Steckverbinder und Kabel – und legte mit der Einführung unterschiedlicher Protokolle wie 802.4 (Token Bus), 802.5 (Token Ring) und schließlich 802.11 (WLAN) den Grundstein für das moderne Internet.

Parallele Entwicklung der Feldbustechnik

Parallel dazu entwickelte sich – getrieben durch den verstärkten Einsatz elektrischer Automatisierungstechnik – in den 1980er-Jahren die Feldbustechnik. Der Grundgedanke war der gleiche: Unterschiedliche Kommunikationsteilnehmer sollten geordnet und in einer gemeinsamen Systematik miteinander kommunizieren. Die verschiedenen Feldbus-Protokolle wie Interbus, Devicenet oder Profibus dienten aber nicht zur Vernetzung von Computern der Unternehmensebene, sondern zur seriellen oder parallelen Anbindung von Sensoren und Aktoren an die Steuerungs- und Leitebene.

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Letztlich begründet diese parallele Entwicklung der beiden Übertragungsprotokolle die Form der noch heute gültigen Automatisierungspyramide. Die obersten Ebenen repräsentieren lokal begrenzte Computernetzwerke, über die die Produktionsgrob- und –feinplanung erfolgt. Die unteren Ebenen umfassen die Signal-, Daten- und Leistungsübertragung zur Erfassung, Steuerung und Regelung des physikalischen Produktionsprozesses.

Die Form der Pyramide ergab sich primär aus der hierarchisch-logischen Anordnung der Ebenen. Sie repräsentiert aber ebenso die bisher gültigen Rahmenbedingungen für die industrielle Datenübertragung: Hohe Übertragungsraten und geringe Strecken mittels Ethernet, geringe Übertragungsraten und hohe Strecken mittels Feldbus.

Single Pair Ethernet stellt Automatisierungspyramide auf den Kopf

Warum nun dieser Exkurs? Das industrielle Ethernet und vor allem das Single Pair Ethernet stellen diese Automatisierungspyramide auf den Kopf. Mit der Entwicklung Ethernet-basierter Protokolle wie Ethernet/IP, Profinet oder Ether-Cat zog die Echtzeit-Datenübertragung von der Unternehmens- in die Feldebene ein.

Die physikalischen Schnittstellen wurden leistungsfähiger, aber auch elektrotechnisch komplexer, da die Datenübertragung vor Störeinflüssen wie Schmutz, Vibration und elektromagnetischer Strahlung geschützt werden musste. Hersteller von Verbindungstechnik entwickelten daher spezielle, IP6x-geschützte Ethernet-Schnittstellen, um diese gesteigerten Anforderungen der Feldebene zu erfüllen. Für die Spitze der Automatisierungspyramide – die Unternehmens- und Betriebsebene – reichten IP20-Lösungen weiterhin aus.

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Anwendungsgerecht reduzierte Verkabelung

Bislang beschränkten sich die Standardisierungsbemühungen auf stets höhere Datenraten und höhere Anforderungen an die Verkabelungstechnik. Diese Anforderungen wurden durch immer höhere Leistungsklassen in der kupferbasierten Verkabelung – die Categories – festgeschrieben.

Das Single Pair Ethernet definiert nicht erneut höhere Bandbreiten oder Übertragungsstrecken, sondern bildet den normativen Rahmen für eine anwendungsgerecht reduzierte Verkabelung. Mit den Standards IEC 63171-2 (IP20) und IEC 63171-5 (IP67) rücken geringere Übertragungsraten von 10 MBit/s bis 100 MBit/s in den Fokus. Die Datenverkabelung mit nur einem Aderpaar ermöglicht dennoch Übertragungsstrecken von bis zu 1000 m. Damit erlaubt SPE erstmals Anwendungen, die das konventionelle Ethernet bis dato nicht zuließ, wie etwa in der Prozesstechnik. Der Vorteil für Anlagenbetreiber: die Datenverkabelung kann auf Basis des Ethernet-Protokolls durchgängig erfolgen, baugleiche Schnittstellen und Steckgesichter lassen sich in unterschiedlichen Umgebungen verwenden.

Verkabelungssysteme für Industrial Ethernet

Steckverbinder

Verkabelungssysteme für Industrial Ethernet

16.11.16 - Neue Anwendungsbereiche erfordern eine permanente Weiterentwicklung der Verkabelungstechnik für Industrial Ethernet. Dabei schaffen neue Ethernet-Standards ein Gleichgewicht zwischen den Datenübertragungsraten und den applikationsspezifischen Anforderungen an die kupferbasierten Verkabelungssysteme. lesen

Einpaarige Schnittstellen kompakter als zwei- oder vierpaarige Varianten

Vorteilhaft ist auch, dass einpaarige Schnittstellen deutlich kompakter sind als zwei- oder vierpaarige Geräte- und Kabelsteckverbinder. Damit unterstützt SPE den anhaltenden Trend zu kompakten, dezentralen Geräten in der industriellen Automatisierung, der Prozesstechnik, der Gebäudeautomation sowie in Telekommunikations- und Infrastrukturanwendungen. SPE kann also anwendungsneutral zur DNA des Industrial Internet of Things (IIoT) werden.

Für eine durchgängige Kompatibilität aller Schnittstellen hat das IEEE Arbeitsgruppen zur normativen Beschreibung unterschiedlicher Anwendungen mit Übertragungsraten von 10 Mbit/s, 100 Mbit/s und 1000 Mbit/s gebildet. Für 100-Base-T1 und 1000-Base-T1 wurden bereits entsprechende Standards verabschiedet, 10-Base-T1-Standards sollen bis zum 3. Quartal 2019 folgen.

Ergänzendes zum Thema
 
Single Pair Ethernet – auf einen Blick

Neue Steckgesichter für einpaarige und vierpaarige Leitungen

Phoenix Contact treibt die Normierung der entsprechenden Schnittstellen voran. Gemeinsam mit den Marktbegleitern Reichle & De-Massari und Weidmüller entwickelt der Anschlusstechnik-Spezialist geschützte und ungeschützte Steckgesichter für einpaarige und vierpaarige Leitungen. Das MICE-Modell beschreibt deren mechanische Robustheit (M1 bzw. M2/3), IP-Schutz (I1 bzw. I2/3), chemische und klimatische Resistenz (C1 bzw. C2/3) sowie die elektro-magnetische Sicherheit (E1 bzw. E2/3).

Die Steckgesichter eignen sich zur effizienten Verkabelung zahlreicher Kommunikationsteilnehmer – entweder über ein einzelnes Aderpaar oder über vier Aderpaare für vier Teilnehmer, die sich eine gemeinsame Leitung und Schnittstelle teilen. Aufgrund der gemeinsamen Schnittstelle können ein- und vierpaarige Verkabelungskonzepte miteinander gemischt werden wie IP20- und IP6x-Lösungen. Mögliche Anwendungen sind das Aufsplitten achtadriger Verkabelungskonzepte in vier einzelne SPE-Stränge für vier unterschiedliche Kommunikationsteilnehmer oder das Bemessen einzelner Paare innerhalb der achtadrigen Geräteschnittstellen. Die Zweidrahttechnologie erlaubt zudem die Versorgung der Endgeräte mit Leistungen bis zu 60 W über das gleiche Aderpaar (Power over Data Line - PoDL).

Als ein Mega-Trend der industriellen Datenübertragung kann SPE aber nicht unabhängig von anderen Standardisierungsbemühungen gesehen werden. Das Grundgerüst für die Zukunft der industriellen Kommunikationstechnik entsteht parallel in unterschiedlichen Gremien und Projekten.

Hannover Messe 2019: Halle 9, Stand F40

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* Dipl.-Wirt.-Ing. Verena Neuhaus, Product Marketing Data Connectors, Phoenix Contact GmbH & Co. KG, Blomberg

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