Warum Single Pair Ethernet für die Industrie zwingend ist

Single Pair Ethernet soll das derzeit gebräuchliche Industrial Ethernet ablösen. Der größte Vorteil: Das Single Pair Ethernet ermöglicht es, die zunehmende Datenflut meist durch mehr Sensoren im Rahmen des IIOT ohne Schnittstellen bis in die unterste Feldebene zu handeln. Zudem glänzt es durch dünnere Kabel und kleinere Steckverbinder - und bietet Power over Data Line. Nur ein Adernpaar reicht bei der Verkabelung aus - bei der Form der Steckverbinder herrscht hingegen noch Uneinigkeit. Genau genommen herrscht genau deswegen ein Wettbewerb zwischen dem SPE Industrial Partner Network und der SPE System Alliance.

Verkabelung: SPE-Kanäle basieren auf nur einem Adernpaar - und kleineren Steckern

Single Pair Ethernet ist eine grundsätzliche Kommunikationsarchitektur auf Basis einheitlich standardisierter IP-basierter Kommunikation. "Klassisch funktioniert das Ethernet auf vier oder acht Adern. SPE ist eigentlich das Gleiche mit einem anderen Modulationsverfahren, das aber nur noch auf zwei Adern basiert. Daher sind die Einsatzmöglichkeiten, wie wir sie aus dem heutigen Ethernet kennen erst einmal grundsätzlich gegeben", beschreibt Simon Seereiner, Leiter Produkt-Management IE und SAI bei Weidmüller.

Neue Möglichkeiten durch Single Pair Ethernet in industriellen Anwendungem

Deutlich kleinere, kompakte Bauformen seien im Vergleich zu bestehenden RJ 45-Systemen möglich ebenso wie Industrietauglichkeit -  "gleichermaßen wie wir das vom heutigen Rundsteckverbindersystem kennen", sagt Seereiner. Auch eine durchgängige Übertragungsperformance auf Basis IP-basierter Kommunikationsinfrastrukturen sei gegeben.

"Gleichzeitig baue ich durch die Zweiadrigkeit kleiner und habe auch nur zwei Kontakte. In Summe entstehen Kostenvorteile bezüglich heutiger bestehender Systeme", verdeutlicht Seereiner. Die Steckverbinder seien auch kleiner und mittlerweile genormt. Die Steckgesichter sind in der Normenreihe der IEC 63171 beschrieben.

Durchgängige Kompatibilität durch Fast Ethernet

Kilian Schmale, Head of Industry Segment Management & Marketing bei Harting, sieht einen der großen Vorteile darin, dass die anstehenden Transformationen wie IIOT und Industrie 4.0 mit SPE beschleunigt umgesetzt werden können. Als Beispiel greift er Predictive Maintenance und Machine Learning heraus - also alle Anwendungen, die die Unternehmen im Bereich Industrial Internet of Things und Industrie 4.0 haben werden.

"Dabei gilt zu bedenken, dass dazu die Anzahl der notwendigen Sensoren steigt – und die müssen alle richtig kommunizieren können. Das geht eben mit SPE. Damit kann ich auch relativ kostengünstig im Vergleich zu heutigen Ethernet-Standards analoge Kommunikationswege und Bussysteme proprietärer Natur überflüssig machen. Ich brauche eine viel geringere Anzahl von Gateways und Übersetzern zwischen verschiedenen Protokollen", so Schmale.

SPE-Standard bringt Durchgängigkeit

Einrichtung und Parametrierung auf der untersten Feldebene wären viel einfacher und es gebe nur noch eine Sprache sozusagen, "und diese Sprache ist Ethernet vom Sensor bis in die Cloud. Es gibt somit keine Medienbrüche mehr und klar zugewiesene IP-Adressen pro Netzwerkteilnehmer", stellt Schmale klar.

Mehr Industrial Ethernet: Datenübertragung ist hoch

Die Industrie habe im Übrigen ein vergleichbares Problem wie die Autoindustrie mit ihren Automobilen und der zunehmenden Sensorik, denn aufgrund von Industrie 4.0 sollen ja hunderte von Sensoren eingebunden und die Daten übertragen werden, wie Seereiner darlegt. "Denn die Industrie will ja genau mithilfe von Data Analytics wissen, wie der Zustand der Geräte ist." Unternehmen könnten vielleicht zukünftig kein Gerät, sondern seine Nutzungs-/Wirkzeit verkaufen. Dazu müsse man den genauen Zustand der Gerätschaft kennen.

Steckverbindungen mit neuem Standard

"Man muss natürlich jede Menge Sensorik und jede Menge Daten in dem Gerät vorhalten und erzeugen, aber auch transportieren. Dazu bietet SPE eine unheimlich gute Möglichkeit, dies auch in der Industrie zu nutzen", so Seereiner. Laut Schmale sei auch der technologische Bedarf da, "das haben wir in der Kommunikation festgestellt. Ein Markt im Sinne von Abnahmemärkten entwickelt sich ja gerade."

Wie läuft die Umstellung auf das Single Pair Ethernet in einer Brownfield-Anlage ab?

Wird die neue Technologie in einer bestehenden Anlage eingeführt, dann "könnte man beispielsweise eine Automobilanlage, die einen Golf 7 produziert, durch Single Pair Ethernet ergänzen. So gäbe es eine deutliche Minimierung der Gateways und die gesamte Sensorik könnte somit mittelfristig einheitlich IP basiert kommunizieren." Das sei das Ziel.

"Daraus ergibt sich natürlich ein Kostenvorteil, den ein Volkswagen hat, ein Trumpf bei seinen Maschinen oder BASF bei seinen Anlagen", verdeutlicht Seereiner. Der Druck sei somit im Markt entstanden, solch eine Technologie zu entwickeln.

Ethernet-basierte Prozesse erweitert

Ein Abschalten einer Anlage benötige es nicht. Dazu erklärt Jonas Diekmann, technischer Redakteur bei Harting: "Single Pair Ethernet kommt einfach dazu. Denn momentan reicht ja Ethernet bis an die Feldebene heran. Und dann wandert SPE Schritt für Schritt in die einzelnen Maschinen und Applikationen hinein.

Dieser Punkt schließlich, wo SPE dann vorgedrungen ist - auch wenn die Kommunikation zu weiteren, noch proprietären Systemen vorhanden ist - entspricht auch der Realität von heute, indem wir von Ethernet auf ein Bussystem übersetzen, nur dass SPE schon deutlich weiter in die Feldebene hineinreicht." Irgendwann werde sich dieser Wechsel komplett vollzogen haben.

Neue Verbindung noch ohne Markt

Auf die Frage, welche Hürden es noch bei der Einführung gibt, meint Seereiner trocken: "Das ist ganz einfach: Es gibt noch keinen richtigen Markt. Im Moment sind wir eben noch in der Phase der Technologiedefinition. Es sind halt mehrere Firmen dabei, die ihre ersten Prototypen und auch erste Serienteile vorlegen."

Dazu ergänzt Schmale, dass eine neue Infrastruktur letztendlich auch immer neuer Geräte bedarf. Das sei lediglich eine Hürde auf einer Zeitachse, die natürlich auch mit Investment zu tun habe. Dann gelte es noch zu kontrollieren, was wo funktioniere, denn es gebe ja verschiedene Anwendungskriterien.

"Da gibt es die 40 Meter Reichweite. Oder wie zukunftssicher möchte ich mich aufstellen – etwa ob ich mich gleich Richtung ein GigaBit entwickle. Oder benötige ich zehn MBit auf 1000 Meter, was in der Prozessautomatisierung sicherlich wichtig ist", denkt Schmale laut nach.

Standard der SPE Steckverbinder - Stromversorgung inklusive

Laut Seereiner gelte Standard-Ethernet IEEE 802.3 als Übertragungsmedium: "Das ist aber nur das Protokoll, jetzt reden wir noch nicht über Kabel oder Stecker. Beim 802.3 bp handelt es sich um Gigabit-Ethernet auf zwei Adern. IEEE 802.3 bu (Power over SPE) – damit kann man gleichzeitig 60 Watt übertragen. Beim IEEE 802.3 cg können zehn Mbit auf Größendistanz bis zu 1000 Meter übertragen werden. Das sind die Standards, an denen man sich justiert. Damit haben wir quasi die zehn Mbit, die 100 Mbit als auch die GigaBit entsprechend beschrieben."

Steckverbinder auf dem Prüfstand: M8, M12, beide?

Inwieweit lässt sich nun beispielsweise das 'Harting-Steckgesicht' in einen Standard M8 integrieren - und ist diese Integrierung auch kodiert? Dazu Schmale: "Wir werden das 63171-6 definierte Steckgesicht in einen M12 einbauen, es als IP20 Stecker haben und es als IP65 M8 Snap-In Stecker haben." Das Steck-Interface bleibe immer gleich.

Dazu ergänzt Diekmann: "Der Stecker ist auch definitiv im Steckgesicht kodiert und kann somit nicht fälschlicherweise verbunden werden. Unsere Norm ist aktuell auch die einzige Norm, die M12-Gehäuse integriert. Das haben die Mitbewerber nicht. M8 ja, M12 nein", betont Diekmann. So würden in Zukunft SPE-Steckgesichter in M12-Gehäusen einen guten zahlenmäßigen Anwendungsschnitt in Automatisierungsumgebungen stellen. "Diese sind nur normkonform, wenn sie mit der IEC 63171-6-Schnittstelle bestückt werden", betont Diekmann.

Miniaturisierung der Steckverbinder

Hinsichtlich der Miniaturisierung biete die IEC 63171-2 und -5 laut Seereiner großes Einsparpotenzial. "Unser Steckgesicht ist so ausgelegt, dass ich - wo heutzutage ein RJ 45 ist - genau zwei Ports von Single Pair Ethernet einstecken kann. Ich habe demnach die Portdichte verdoppelt und damit deutlich mehr Bauraum. Baue ich demnach einen klassischen 5 Port Switch auf, dann kann ich bei gleicher Baugröße anstatt 5 Ethernet-Ports mit unserer Schnittstelle zehn unterbringen", rechnet Seereiner vor.

Stecker der Hersteller unterscheiden sich

Diekmann fügt hinzu: "Aufs Zehntel genau haben wir diese Analysen nicht gefahren. Die Baugröße ist zwar ein wichtiger Punkt, für den einen wichtiger als für den anderen – sie ist aber nicht maßgeblich. Denn wir integrieren unser SPE-Steckgesicht auch in weitere Rundsteckverbinder, um dort Stabilität im Markt zu geben. Und wenn ich mich entscheide einen M12-basierten SPE-Switch mit unserem Interface zu bauen, ist die Platzersparnis auf Seiten des Interfaces weg, denn ein M12 bleibt ein M12", stellt Diekmann klar.

Information zur Markteinführung

Bei der Markteinführung geht Seereiner davon aus, dass es "mit der IIOT-Verkabelung vergleichsweise schnell geht und wir in einem Zeitraum von vier bis sieben Jahren diese Technologie breit in den Markt streuen. Wir bewerben uns nun quasi bei großen Automatisierern." Wichtig bei der Realisierung eines breiten Marktstandards sei eine Entscheidung von großen Automatisierungsfirmen sowie Nutzerorganisationen.

"Wir glauben aufgrund der technischen Vorteile unseres Systems fest daran hier entsprechend berücksichtigt zu werden", zeigt sich Seereiner zuversichtlich.

Partnernetzwerk für Steckverbinder

Als Vertreter der SPE System Alliance, also dem Zusammenschluss führender Technologieunternehmen wie unter anderem Weidmüller, Phoenix Contact, Rosenberger und Telegärtner, sagt Seereiner: "Diese Partner haben die Mission, Single Pair Ethernet als durchgängige Infrastruktur in den Markt zu bringen."

Das sagt der Wettbewerb

Angesprochen auf den Wettbewerb meint Schmale, dass unabhängig von diesem der nächste Schritt wie immer die Zusammenarbeit mit den Nutzerorganisationen a la PNO, ETG, ODVA etc. sei. Diese hätten natürlich auch ein gesteigertes Interesse an dieser Technologie.

"Denn sie wissen, wenn sich die neue Technologie bis ins Feld durchsetzt, dann sieht diese Welt auch ganz anders aus. Am Ende des Tages entscheidet natürlich die große, OEM-Weite der Automatisierungstechnik, welches Steckgesicht sich durchsetzt. Nur sagt diese Industrie auch, dass sie keine proprietären sondern standardisierte Lösungen haben will, um sich unabhängig von einzelnen Zulieferern zu machen. Da setzen wir mit unserem SPE Industrial Partner Network an", gibt Schmale zu verstehen.