Matthias Fritsche, Senior-Experte für Ethernet-Kommunikation (r.) und Marian Dümke, Produkt Manager, Harting, erläutern, was hinter SPE steckt und das immense Potenzial. (Bild: Redaktion IEE)
Herr Fritsche, bitte fassen Sie die Idee hinter Single Pair Ethernet (SPE) kurz zusammen.
Matthias Fritsche: Es geht bei SPE darum, das Ethernet-Protokoll mit einer anderen Physik, eben mit nur einem Adernpaar, zu übertragen. So wie man heute vierpaarige Kupferkabel, fiberoptische Kabel oder Funk nutzt, ist SPE eine andere Form des Physical Layers, gedacht für die Kommunikation hinunter bis in die Feldebene.
Wann sind Sie auf das Thema SPE aufmerksam geworden?
Matthias Fritsche: Harting ist in der Normung international aktiv, auch im Bereich Ethernet Datenverkabelung. Im Rahmen dieser Normengremien kam 2014 das erste Mal das Thema SPE auf. Hier haben wir gemerkt, dass sich etwas Neues anbahnt.
Wie ging es dann weiter?
Matthias Fritsche: Richtig relevant ist das geworden, als die Automobilindustrie etwa 2013 SPE entdeckt und entschieden hat, damit den CAN-Bus im Fahrzeug abzulösen. Natürlich werden die Automobilhersteller nie einen rein proprietären Standard benutzen, sondern sie wollten eine stabile normative Basis haben mit der IEEE 802.3 als Startpunkt der internationalen Normung. Der erste Standard (IEEE 802.3bw) wurde 2015 verabschiedet und ist für 100 Mbit über 15 Meter für die Kommunikation im Fahrzeug ausgelegt. Dann ist auch die Industrie auf das Thema SPE aufmerksam geworden und hat sich mit der IEEE und den Automobilherstellern zusammengetan.
Anwender haben doch gelernt, dass die Übertragungslänge für Ethernet bei kupferbasierten Kabeln immer 100 Meter beträgt?
Matthias Fritsche: Bei SPE ist das etwas komplizierter. In Abhängigkeit von der Übertragungsgeschwindigkeit variiert die Übertragungslänge. Daher ist einer der kommenden Standards, an dem die Industrie aktiv mitgewirkt hat, 10 Mbit/s SPE über 1 Kilometer. Dieser Standard wurde im letzten Jahr verabschiedet und wurde am 23.01.2020 als IEEE 802.3cg final veröffentlicht. Der Grundgedanke dazu ist bereits 20 Jahre alt: Seit dem Jahr 2000, als die PNO Ethernet in die Industrie brachte, hat man immer gesagt, man will Ethernet von der Steuerungsebene bis runter zur Sensorebene. Dieser 10 Mbit-Standard ist die Technologie, um diese Idee nun real umzusetzen.
Welche Standards sind noch in Arbeit?
Single Pair Ethernet – Status Quo der Normung
Stecker mit Kabel für Single Pair Ethernet (SPE) Harting
Matthias Fritsche: Bereits veröffentlicht ist auch IEEE 802.3bp für die Übertagung von Gigabit über 40 Meter für den Einsatz in größeren Nutzfahrzeugen sowie für die Bahn und das Flugzeug. Und natürlich auch in Automatisierungsanwendungen.
Es wird auch an höheren Geschwindigkeiten gearbeitet. Das nennt sich dann Multi-Gig, weil der Standard IEEE 802.3ch gleich mehrere Geschwindigkeiten umfasst 2,5 Gbit/s, 5 Gbit/s und 10 Gbit/s. Wir erwarten, dass dieser Standard 2020 fertiggestellt wird. Dann leider wieder nur für eine Übertragungslänge von 15 Meter. Das hat zum einen damit zu tun, dass der Treiber dahinter die Automobilindustrie ist. Zweiter Punkt sind aber auch die technischen Möglichkeiten, weil je höher die Übertragungsrate umso höher die Frequenzen. Da stößt man irgendwann an Grenzen – vor allem wirtschaftliche.
Und hardwareseitig ist die Basis für all diese Übertragungslängen und Datenraten jeweils der T1-Stecker, den Harting unterstützt?
"Jeder tut gut daran, sich mit der Technik hinter SPE zu beschäftigen." Matthias Fritsche, Senior-Experte für Ethernet-Kommunikation von Harting Redaktion IEE
Matthias Fritsche: Ja, unser T1 Industrial Steckgesicht ist für alle diese SPE Geschwindigkeiten geeignet und in der Norm für die 10 Mbit/s über 1 km als mögliches Steckgesicht spezifiziert, da hier der Fokus auf der Automatisierung liegt. In den älteren SPE Normen hat die IEEE 802.3 sich mit Blick auf die Wünsche der Automobilhersteller nicht auf ein SPE Steckverbinder festgelegt. Hintergrund ist, dass es im Fahrzeug wenig Standards gibt, denn die großen Hersteller nutzen ihre eigenen Plattformstandards.
Übrigens, die zweite Option ist der LC Style Steckverbinder basierend auf dem Normenvorschlag der Firma CommScope, die im Datencenter sehr präsent sind. Und diese beiden Stecker, also der T1 Industrial und der LC Style, sind in der IEEE 802.3cg als Vorzugstypen genannt.
Sie sagen, der T1 Industrial ist jetzt standardisiert, was passiert mit anderen Steckervarianten, die noch im Normungsprozess stecken?
Matthias Fritsche: Im Rahmen dieser Steckernormungsgruppe bei IEC, das ist das SC 48B, wird alles genormt, was eingereicht und nicht abgelehnt wird. Harting hat den ersten Normenvorschlag für einen SPE Steckverbinder bereits 2016 eingereicht. Nachdem weitere Normenvorschläge hinzukamen, wurde entschieden, für die SPE-Steckverbinder die Normenreihe IEC63171-x zu erstellen. Unser Vorschlag hat final alle Instanzen mit 100 % Zustimmung aller IEC-Länder (National Committee‘s) durchlaufen und wurde im Januar dieses Jahres als IEC 63171-6 bekannt gemacht. Alle anderen Varianten sind noch im Entwurfsstadium und haben noch einen langen Weg vor sich, der erfahrungsgemäß noch ein bis zwei Jahre in Anspruch nehmen wird. Erst dann kann jeder, der nicht in den Standardisierungsgremien mit-arbeitet, diese Standards auch einsehen.
Ihr Vorteil ist demnach, dass der Vorschlag fertig ist, und dass er von den Verkabelungsgremien empfohlen wird?
"Die Geschichte des CAN-Bus aus den 80ern wird sich wiederholen." Matthias Fritsche, Senior-Experte für Ethernet-Kommunikation von Harting Redaktion IEE
Matthias Fritsche: Nicht nur empfohlen. Bei ISO/IEC heißt es sogar: wenn du normenkonform zu der ISO/IEC 11801-3 verkabeln willst, musst du den T1 Industrial einsetzen. Auch bei TIA entsteht so eine Verkabelungsnorm mit klarer Aussage zu den einzusetzenden Steckgesichtern. Die eindeutige Referenzierung des T1 Steckgesichts in internationalen Verkabelungsnormen – das ist der große Unterschied.
Wenn man einen anderen Stecker nimmt, was natürlich jeder tun kann, muss man aber die Funktionalität der gesamten Übertragungsstrecke separat nachweisen. Das ist im Allgemeinen ziemlich aufwendige Angelegenheit und gerade für Anwender mit erheblichen Risiken verbunden.
Für Außenstehende sieht das nach einer klassischen Konkurrenzsituation in der Normung aus.
Marian Dümke: Diese Situation wollen wir eigentlich vermeiden. Vielmehr soll es einen Standard geben, an dem sich der Anwender orientiert und der es dem Markt erlaubt, sich schnell zu entwickeln. Die angesprochene Konkurrenzsituation ist aber etwas ganz Normales und sorgt dafür, dass sich der Beste durchsetzt – auch in der Normung. Deswegen: normativ ist mittlerweile alles klar.
Zurück zur Hardware. Wie lief die Entwicklung des T1 Industrial?
Matthias Fritsche: Wir haben bei dem Konzept geschaut, was in den letzten Jahrzehnten passiert ist und wie der ideale Steckverbinder auf der „grünen Wiese“ aussehen sollte. Dafür haben wir uns die Pain Points zum Beispiel des RJ45 angesehen. Man kennt es: Er ist groß, wackelig und den Clip hat sicher jeder schon mal abgebrochen. Zudem hat er nur zwei Kontaktflächen, die aufeinander reiben. Wir setzen stattdessen auf ein Stift-Buchse-System, wie es bei vielen Industriesteckverbindern etabliert ist. Zudem ermöglichen wir eine sichere Verrastung, damit bei Schock und Vibration die Datenübertragung nicht abbrechen kann.
Marian Dühmke: Bei den Gehäusen haben wir uns auf das konzentriert, was der Markt benutzt, also M12-/M8-Strukturen. Das hat den Vorteil, dass alle, die diese Produkte zukünftig bauen wollen, auf einen bekannten Fundus zurückgreifen können. Man hat lediglich eine neue Kodierung integriert, wie man in der Vergangenheit D- und X-kodiert für Daten hatte. So gibt es dann in der M8/M12-Steckverbinderfamilie eine SPE/T1-Kodierung.
Wie unterscheiden sich die Varianten?
Matthias Fritsche: Es gibt ein Insert, das immer wieder genutzt wird. Wir haben also ein Steckgesicht für alle Varianten, unabhängig davon ob IP20 oder IP67, M8 oder M12. Ein Vorteil davon ist, dass der Servicetechniker im Feld bei einer IP65/67-Buchse in M12 sein IP20-Patchboard verwenden kann, um Konfigurationen oder Servicearbeiten zu erledigen. Zudem sind all diese Varianten bereits in der IEC 63171-6 enthalten.
Welche Modelle gibt es bereits?
Marian Dümke: Wir starten mit den IP20-Varianten. Im Feld konfektionierbar mit einem Crimpanschluss und auf der Kabelseite auch als umspritzte Variante für Patchkabel, wie man es vom RJ45 kennt, und eben auch mit einer IP20-Buchse. Anschließend kommen die wasser- und staubdichten Varianten. Da wird es dann vorrangig die M12-Version geben in Schraube und Push/Pull. Der M12 ist im Bereich der Sensorik und Aktorik der Steckverbinder überhaupt. Später kommt dann auch der M8.
Welchen Nutzen haben Anwender, wenn sie von der klassischen Ethernet-Verkabelung weggehen in Richtung Zweidraht?
Marian Dümke: Die Idee hinter SPE ist nicht, dass man die vierpaarige oder zweipaarige Ethernetwelt ablöst, sondern SPE soll Ethernet dahin bringen, wo es noch gar nicht vorhanden ist, und zwar in die Feldebene. Da sind ja heute vorrangig proprietäre Bussysteme oder analoge Systeme wie 4 bis 20 mA zu finden. Hier setzt SPE an, um günstig, Ethernet in die Feldebene zu bringen, um beispielsweise die Sensorik direkt ans Ethernet der höheren Netzebenen anzubinden.
Wie sieht es mit der weiteren Infrastruktur aus?
"Normativ ist aus unserer Sicht alles klar." Marian Dümke, Produkt Manager, von Harting Redaktion IEE
Marian Dümke: Wir sprechen bei SPE von einer neuen Technologie. Daher können wir viele bestehende Komponenten, die es heute aus der mehrpaarigen Ethernetwelt gibt, gar nicht verwenden. Somit brauchen wir neue Elektronikkomponenten auf der Leiterplatte wie Chips, PHYs und Magnetics. Damit lassen sich aktive Geräte entwickeln zum Beispiel neue Sensoren oder Router, die alle die Fähigkeit haben, über SPE zu kommunizieren.
Der Bedarf der Automobilindustrie, die SPE in ihre Fahrzeuge einbauen wird, ist ein Riesenvorteil für den gesamten SPE Markt. Die Automatisierung wird davon profitieren können. So wurden im letzten Jahr etwa 80 Millionen Fahrzeuge verkauft, mit einer Unmenge an Kommunikations-Knoten. Was dort in nur ein bis zwei Wochen an Halbleitern verbaut wird, entspricht dem Jahres-bedarf der Automatisierungsindustrie. Daher sind alle namhaften Halbleiterhersteller dabei. Das wird dazu führen, dass sehr viele Varianten an Halbleitern, PHYs und Chipsätzen für die Switches verfügbar sein werden und die Kosten massiv runtergehen. Und das ist ein wichtiger Punkt für die Anwender. Sie können sich dann aus diesem Fundus an günstigen Halbleitern bedienen und ihre Geräte bauen. Es wird auch sicher Microcontroller mit SPE-Schnittstelle geben.
Wir hatten etwas ähnliches bereits in den 80er Jahren mit dem CAN-Bus. Der wurde von Bosch rein fürs Automobil entwickelt. Heute haben wir ihn als DeviceNet und andere Derivate überall und die meisten Microcontroller haben eine CAN-Bus-Schnittstelle. Das wird sich mit SPE wiederholen.
Umkehrschluss, die Industrie hat noch einige Jahre Zeit, bis die PHYs verfügbar und die Preise soweit gefallen sind?
Matthias Fritsche: Es gibt frei verfügbare PHYs für 100 Mbit und auch die ersten für Gbit. Auf der SPS 2019 gab es bereits Prototypen für 10 Mbit. Diese werden im Laufe des Jahres ausgerollt. Daher tut jeder aus unserer Sicht gut daran, sich mit der Technik zu beschäftigen und erste Produkte auf den Weg zu bringen. Es braucht sicher ein bis fünf Jahre, bis Produkte fertig und im Markt etabliert sind. Also ist Warten keine Option, sondern man sollte sich, nein ‒ man muss sich sogar mit SPE befassen.
Marian Dümke: Man darf auch nicht vergessen, dass es nicht nur die klassische Automatisierung als Zielmarkt gibt. In Zukunft wird SPE überall da eine günstige Lösung sein, wo es bisher noch kein Ethernet gibt. Einen anderen Vorteil sieht man bei der Robotik, wo hohe Torsionskräfte auf die Kabel wirken. Durch die reduzierte Adernanzahl haben wir deutlich dünnere und flexiblere Kabel, was deren Lebensdauer erhöht. Ein weiterer Charme der Technik. Oder der Bahnmarkt; Dünnere Kabel wiegen auch weniger und benötigen weniger Platz. Die Brandlast verringert sich und die Installation wird einfacher.
Können Sie hier Zahlen nennen?
Marian Dümke: Ein Ethernet-Kabel wiegt etwa 4,6 kg pro 100 Meter. Ein SPE-Kabel hingegen nur 3 kg. Unsere Marktspezialisten haben nachgehorcht und Hersteller rechnen bei einem Waggon mit einer Lebensdauer von 40 Jahren. Auf diese 40 Jahre bringt ein Kilogramm weniger Gewicht ein Einsparpotenzial von 14 000 Euro. Demnach spart man bei 100 Meter Kabel bereits über 22 000 Euro. Überlegt man sich, dass es mehr als einen Waggon gibt und wie viele Kilometer Kabel in so einem Zug für Entertainment, Sicherheits- und Steuerungstechnik stecken, dann wird klar, wie groß das Einsparpotenzial allein schon durch das geringere Gewicht ist.
Und das Kabel ist auch günstiger?
Matthias Fritsche: Sicher, denn ich brauche nur ein Viertel des Kupfers und auch der Ressourcenverbrauch ist geringer, was sich wiederum positiv auf die Umweltbilanz auswirkt.
Welches Feedback haben Sie auf der SPS bekommen?
Marian Dümke: Die SPS war für uns wirklich ein riesiger Erfolg. Wir sind gestartet mit der Vorstellung unseres Partnernetzwerks. Die Pressekonferenz war sehr gut besucht. Das hat dazu geführt, dass das Interesse an dieser Plattform gewachsen ist. Wir haben auch viel positives Feedback bekommen, dass es jetzt so einen Zusammenschluss mehrerer großer, namhafter Firmen gibt, die in einem Verein gebündelt sind. Gerade vor dem Hintergrund der ganzen Diskussionen zu den einzelnen Steckgesichtern zeichnet sich jetzt eine klare Linie ab. Wir versuchen mit dem Partnernetzwerk gemeinsam in eine Richtung zu gehen und das Ganze, offen und transparent zu gestalten. So bekommen wir die PS auf die Straße.
Wo liegen die Ziele des Vereins?
Matthias Fritsche: Wir sehen in dem Thema SPE eine Riesenchance für die Zukunft. Das kann kein Harting oder eine andere Firma alleine stemmen. Daher vereinigen wir starke Marken unter einem Dach. Alle Beteiligten arbeiten zusammen, um diese Technologie am Markt zu etablieren und auch Treiber dafür zu sein, dass man dieses Thema SPE für den Anwender verständlich macht. Es geht um den Aufbau eines vollständigen Ökosystems mit allen Komponenten für die Geräteintegration, die Verkabelung bis hin zu notwendiger Feldmesstechnik.
Wie wollen Sie diese hochgesteckten Ziele erreichen?
Marian Dümke: Wir wollen ein SPE-Ökosystem anbieten, indem wir nicht nur Kompetenz von Infrastrukturanbietern bündeln, sondern auch geräteseitig die Leute zusammenbringen. Wir sprechen uns für ein in sich konsistentes Lösungspaket aus und bieten so dem Anwender eine solide Entscheidungsgrundlage. Wenn also jemand investieren möchte, dann weiß er, dass es immer mehrere Anbieter gibt, deren Lösungen zusammen funktionieren, da sie sich gemeinsam für einen Standard aussprechen und für diesen Weg auch einstehen. Damit wollen wir erreichen, dass Anwender guten Gewissens ihre Investitionsentscheidungen zu SPE fällen können und das Risiko dabei minimal ist.
Bisher gehören aber beispielsweise keine Sensorikhersteller zum Netzwerk.
Marian Dümke: Wir sprechen natürlich mit vielen Firmen aus allen Bereichen dieses Ökosystems. Es gibt viele Interessenten, auch aus anderen Bereichen, die kurzfristig zu unserem Netzwerk dazustoßen werden. Wichtig ist, dass sich all diese Unternehmen darauf verständigt haben, das Harting T1 industrial style Steckgesicht zu unterstützen.
Wie stellen sich die klassischen Feldbusorganisationen, etwa die PNO auf, die ebenfalls Kabel zertifizieren?
Matthias Fritsche: Wir kümmern uns primär um den Layer 0, also um die reine physikalische Ebene. Selbstverständlich sind wir mit allen Feldbusorganisationen im Gespräch. Wir haben das Partnernetzwerk auch schon bei der PNO vorgestellt, wir werden das auch bei weiteren Gruppen machen. Wir wollen Partner der Feldbusorganisationen sein, um sie bei der Transformation zu SPE zu unterstützen. Auch die Feldbusorganisation und Industrial-Ethernet-Nutzergruppen haben ein Interesse daran, dass es eine einheitliche Infrastruktur gibt und sie die Chancen von SPE nicht verpassen. All diese Vorteile bieten wir mit unserem Netzwerk.
Wie lautet Ihre Prognose für SPE?
Matthias Fritsche: Allgemein ist das Thema letztes Jahr ziemlich eingeschlagen. Egal, wo ich hingekommen bin, auch bei auf den ersten Blick eher unbeteiligte Unternehmen, ist SPE ein Thema. Hat man dann nachgefragt, konnte fast jeder etwas mit dem Thema anfangen und viele haben bestätigt, dass sie bereits schon konkrete Projekte haben und daran arbeiten. Das hat uns auf jeden Fall gezeigt, dass wir auf dem richtigen Weg sind und die Leute verstehen, das ist nicht nur irgendwie eine neue Ethernet-Schnittstelle. Es ist eine komplett neue Welt, in der ein unwahrscheinlich großes Potenzial steckt. Spinnt man den Gedanken einfach mal weiter, dass SPE bis in die Feldebene reicht, könnte SPE zukünftig die Bussysteme fast vollständig ersetzen. Die machen heutzutage immerhin noch etwa ein Drittel aller industriellen Netzwerke aus. SPE ist somit die Infrastruktur der Zukunft für das IoT beziehungsweise das IIoT.
(ml)
