Single Pair Ethernet : Von der Technologiepartnerschaft zur Allianz

Die Technologiepartnerschaft der Unternehmen Phoenix Contact, Weidmüller, Reichle & De Massari (R&M), Fluke Networks sowie Telegärtner für das Single Pair Ethernet (SPE) hat sich zu einer SPE System Alliance weiterentwickelt. In dieser Gruppe haben sich führende Technologieunternehmen aus verschiedenen Branchen und Anwendungsbereichen zusammengeschlossen, die ihr SPE-Know-how bündeln und zielorientiert austauschen wollen. Die Partner der System Alliance verfolgen das Ziel, SPE für das Industrial Internet of Things (IIoT) weiter voran zu treiben und allenfalls in angrenzende Bereiche einzuführen. Der System Alliance sind in den fünf Monaten seit der Gründung auch Dätwyler, Kyland, Microchip Technology, Rosenberger, Sick, O-Ring, Draka/Prysmian Group und University4Industry beigetreten. Jüngster Zugewinn ist Hirschmann Automation and Control, eine Marke des Signalübertragungskonzerns Belden. Hirschmann gehört zu den Technologie- und Marktführern im Bereich der industriellen Vernetzung, und wird durch seine Forschungs- und Entwicklungsprogramme die SPE Technologie auch weiterhin weltweit fördern.

Das Netzwerk dient der Zusammenarbeit an technologischen Herausforderungen bei der Umsetzung von SPE in IIoT-Anwendungen. Die Unternehmen haben das Ziel, den eigenen Know-how-Aufbau für die SPE-Technologie zu beschleunigen und darüber eine schnellere und zuverlässigere Implementierung in ihre Produkte zu ermöglichen. Durch die Ausrichtung zu einer branchen- und applikationsübergreifende Austauschplattform kommen Unternehmen aus allen zukünftigen SPE-Ecosystemen zusammen. Der Blick ist dabei nicht auf Einzelaspekte wie die Anschlusstechnik fokussiert. Es geht um Fragenstellungen und Herausforderungen, die im Zusammenhang mit SPE bei vielen Marktteilnehmern nach wie vor bestehen. Regelaustauschformate und gemeinsame Projektaktivitäten bieten Raum für enge Kooperationen. Die Mitglieder arbeiten bereits in ersten Subcommunities zusammen, unter anderem in den Bereichen der Anschlusstechnik, Normung, SPE-Use-Case-Beschreibung oder auch für Kabellösungen.

Die Mitglieder des SPE Industrial Partner Network bilden eine Partnerschaft von technologisch führenden Unternehmen, die auf die T1 Industrial-Schnittstelle setzen, die 2018 in den Standards ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3 und TIA TR-42 gemäß IEC 63171-6 als einheitliche, medienabhängige Schnittstelle (MDI) definiert wurde. Single Pair Ethernet ist ein zentrales Element für die Umsetzung von Industrie 4.0, da mit dieser Technologie moderne Netzwerke aufgebaut werden können, die von Industriemaschinen bis hinunter zur Sensor- und Aktorebene reichen. So lassen sich Daten von der Feldebene bis in die Cloud übertragen, was sowohl Anwendungen zur Analyse des Betriebs und der Fertigung als auch Mehrwertdienste ermöglicht. Durch die breite Aufstellung der SPE System Alliance werden eine Vielzahl von Anwendungsfällen und Applikationsfeldern bereits abgedeckt.

In den heutigen Fahrzeuggenerationen werden Ethernet-Systeme in wachsendem Maße verbaut. Durch die Vernetzung von Steuergeräten und Sensoren lassen sich weitere Innovationen in den Bereichen Fahrerassistenzsysteme, wie LiDAR, hochauflösende Displays, autonomes Fahren, 4K Kameras und Infotainment realisieren.

Die Entwicklung des automobilen Ethernets hat zu zwei IEEE-Standards geführt: 100BASE-T1 (100 Mbit/s basierend auf BroadR-Reach-Technologie) sowie 1000BASE-T1 (1 Gbit/s). Aus den Anforderungen an den Gesamtkanal wurden Grenzwerte für die Steckverbinder und Kabel sowie damit einhergehende Messverfahren definiert. Das Partnerunternehmen Rosenberger beteiligte sich federführend an der Standardisierung in beiden Gremien in den Bereichen Automotive-Steckverbinder-Design, Signalintegrität und EMV.

Smarte Gebäude und Fabriken lassen sich durch das Internet of Things (IoT) einfacher und günstiger realisieren. Mit dem IP-Protokoll werden LED-Lampen, Schalter, Sensoren, Thermostate, Maschinensteuerungen oder Motoren für Jalousien über das lokale Datennetz und die Cloud mit dem Gebäudemanagementsystem verbunden. Anwendungsspezifische Feldbus-Systeme entfallen und damit auch Gateways, komplexe Schnittstellen und unterschiedliche Protokolle. Mit der strukturierten Deckenverkabelung (Digital Ceiling) lässt sich die intelligente Gebäudeautomation nahtlos via IP vereinen. Das vereinfacht Installation, Wartung und Netzwerkmanagement. Hohe Datenraten werden meist nicht benötigt, dafür eine hohe Anschlussdichte. SPE wird als ideale Ergänzung zur strukturierten Deckenverkabelung angesehen. Die existierende Verkabelung kann einfach mit SPE erweitert werden, um eine höhere Anschlussdichte für Geräte zu erreichen. R&M und Telegärtner bieten Lösungen für die strukturierte Deckenverkabelung an und können aufzeigen, wie sich SPE in eine solche Lösung integrieren lässt.

SPE bietet die durchgängige IP-Kommunikation von der Feld- bis in die Unternehmensebene und damit vom Sensor bis in die Cloud. Als Alternative zu den heutigen Feldbussen wird die Technologie die industrielle Datenübertragung revolutionieren. Die Grundlage für die barrierefreie Vernetzung verschiedener Komponenten und Geräte bilden normierte Steckgesichter. Phoenix Contact, Weidmüller, R&M, Rosenberger und Telegärtner entwickeln kompakte Geräte- und Kabelsteckverbinder nach den normierten und vollständig kompatiblen Schnittstellen nach IEC 63171-2 (IP20) und 63171-5 (IP67). Das Steckgesicht kann in alle marktgängigen und normierten Steckervarianten (M8/M12) integriert werden und erlaubt durch hohe Packungsdichte und geringen Platzbedarf eine effiziente und zukunftssichere Verkabelung.

Sensoren als intelligente Datenlieferanten werden neben der klassischen Automatisierungstechnik heute immer mehr über Ethernet-Netzwerke in IIoT-Applikationen eingebunden. Durch die mit SPE einhergehende Miniaturisierung der Anschlusstechnik können auch kleinere und kompakte Sensoren an Ethernet-Netzwerke angeschlossen werden. Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch die Kombination von SPE mit der Energieeinspeisung über die Datenleitungen. Zusätzlichen Steckverbindungen zur Spannungsversorgung können hierbei entfallen. Der Einsatz von SPE als Standardschnittstelle ermöglicht es den Geräteherstellern zudem, ein schlankes Geräteportfolio mit weniger Varianten anzubieten. Sensoren in einer Maschine oder Anlage lassen sich einfacher verkabeln und reduzieren beim Anwender Installationsaufwände.

In den Anwendungsbereichen von SPE werden die Übertragungskanäle aus verschiedenen Kabeln und einer unterschiedlichen Anzahl von Steckverbindungen erstellt. Während die Übertragungskanäle mit den Übertragungsparametern wie Bandbreite, Dämpfung, Rückflussdämpfung und Schirmungsmaß in den Systemnormen festgelegt werden (z.B. ISO/IEC Normenreihe 11801), müssen Steckverbinder und Kabel angepasst an den jeweiligen Kanal zugeschnitten werden. Führend sind hier die Arbeiten im Komitee IEC46C. Kabel mit 20 MHz Bandbreite für die feste Verlegung und Anschlussleitungen passend zu den 10BaseT1-Kanälen sowie Kabel mit 600 MHz Bandbreite für 100BaseT1 und 1000BaseT1 stehen zur Verfügung (Normenreihe IEC 61156-11 und folgende).

Ein Vorteil von SPE ist die gleichzeitige Übertragung von Signalen und von Leistung auf der 1-paarigen Leitung, etwa vom Switch zum Sensor. In der Gebäudeverkabelung als PoE bekannt wird bei SPE die 1-paarige Leitung als PoDL (Power over Data Line) benannt. Abgestimmt auf die Querschnitte und Kanallängen sind mit PoDL Leistungen bis ca. 15W übertragbar. Aus den unterschiedlichen Umgebungsbedingungen in der Industrie und im Gebäude ergeben sich Anforderungen an die mechanische, chemische, thermische, brandtechnische oder auch elektromagnetische Widerstandsfähigkeit. Datwyler und die Draka Prysmian Group sind hier die Systempartner, die ihre Erfahrungen einbringen.

Die SPE System Alliance etabliert sich damit weiter als offene Plattform für Unternehmen, die die SPE-Technologie im Markt voranbringen wollen. Die Mitglieder betonen auch nach der Erweiterung, dass sie an neuen Partnern im Sinne einer tieferen Marktdurchdringung interessiert sind.