Single Pair Ethernet passt in das große Bild der industriellen Kommunikation.

Single Pair Ethernet passt in das große Bild der industriellen Kommunikation. (Quelle: Profibus)

| von Xaver Schmidt

Single Pair Ethernet passt in das „Big Picture“ der PI-Technologien und kann helfen, die Automation der vielfältigen Fertigung zu verbessern oder zu ergänzen. Jedoch: SPE ist kein Selbstläufer, sondern benötigt zunächst die Definition von Use Cases und deren technische Evaluierung.

Seit jeher treibt Profibus & Profinet International (PI) die Digitalisierung und Industrie 4.0-Anwendungen voran. Längst geht es dabei nicht mehr nur um Kommunikationsprotokolle. Es gilt das Gesamtbild im Blick zu behalten. So wurden in kurzer Zeit Time Sensitive Networking (TSN), OPC UA oder Advanced Physical Layer (APL) in den Technologie-Set von PI integriert. Dabei geht es im Kern immer darum:

  • die Digitalisierung voranzutreiben,
  • dem Anwender in der Praxis wirklichen Nutzen zu bringen und
  • die bestehende industrielle Kommunikation um neue Technologien mit Potenzial für Verbesserungen sinnvoll zu ergänzen.

Die Entwicklungen und Standardisierungen rund um SPE erfüllen diese Kriterien: Eine einzige Twisted-Pair-Leitung in einem Kabel dient zur Datenübertragung und optional zur Spannungsversorgung. Single Pair Ethernet könnte mit nur einem Adern-Paar Daten mit Geschwindigkeiten von 10 Mbit/s bis zu 10 GBit/s übertragen, benötigt aber deutlich weniger Platz im Kabel und wesentlich kleineren Anschlussraum. Initiiert wurde diese Technologie für den Einsatzzweck von immer leistungsfähigeren Ethernet-Bordnetze in Fahrzeugen mit einer aber trotzdem einfache Verkabelungsausführung.
Für die industrielle Automation, aber auch für intelligente Gebäudenetzwerke oder IoT-Anwendungen, ist SPE deshalb interessant, weil sich hier die Endgeräte – Sensoren oder Aktoren - in der unteren Feldebene mit ausreichender Datenbandbreite kostengünstig betreiben und diese barrierefrei an bestehende IT-Netze andocken lassen. Viele sehen SPE daher auch als ‚Enabler‘ für IoT-Anwendungen.

Ein ähnliches Prinzip verfolgt die Prozessindustrie mit Ethernet-APL. Dort suchte man vor allem einen einfachen Weg, um erweiterte Funktionalitäten, wie Diagnosemechanismen, und eine schnellere Parametrierung in bestehende und neue Anlagen integrieren zu können – auf Basis der bekannten 2-adrigen Leitungen. Der folgerichtige Schritt war, die Profinet-Funktionalität direkt auf die PA-Feldgeräte zu bringen mit obligatorischen Anforderung Zwei-Draht-Anschluss inklusive Stromversorgung. Ethernet-APL setzt nun auf einen SPE-Standard und ergänzt diesen mit PA-spezifischen Erweiterungen für die Explosions­sicherheit und Versorgung. Der Weg für Profinet in den explosionsgeschützten Bereich der Prozessautomation ist damit frei.

Für Anwender ist es von Vorteil, wenn sie die Stabilität auf Applikationsebene mit der Flexibilität auf der Anschlussebene (Physical Layer) nach Bedarf kombinieren können.
Für Anwender ist es von Vorteil, wenn sie die Stabilität auf Applikationsebene mit der Flexibilität auf der Anschlussebene (Physical Layer) nach Bedarf kombinieren können. (Quelle: Profibus)

Neue Fragestellungen in der Fabrikautomation

Wenn es darum geht, einfache wie auch komplexere Sensoren auf dem letzten Meter innerhalb der Fabrikautomatisierung anzubinden, erfüllt bisher IO-Link diese Rolle. Allerdings stellen die Entwicklungen rund um das Thema Smart Factory immer wieder neue Anforderungen bezüglich der Art, wie Geräte miteinander kommunizieren. Aus Sicht von IO-Link waren beispielsweise Erweiterungen im Hinblick auf Safety-Anwendungen oder der drahtlosen Kommunikation nötig.

Nun ergibt sich wieder eine neue Fragestellung: Mit der dem dynamischen Ausbau des Portfolios an IO-Link Geräten und der damit einhergehenden Ausweitung der potenziellen Anwendungsfelder, stößt IO-Link teilweise an technologische Grenzen. Beispielsweise bestehen durchaus Anforderungen, IO-Link über größere Distanzen als die aktuell spezifizierten 20 m zu übertragen. Single Pair Ethernet stößt genau in diese Lücke und könnte solche Aufgaben übernehmen.

Die interessanten Use-Cases für SPE aus Sicht von PI.
Die interessanten Use-Cases für SPE aus Sicht von PI. (Quelle: Profibus)

SPE ist ein Sammelbegriff

Das Problem: SPE bündelt eine Reihe an Standards, die auf den Vorgaben der IEEE 802.3-Familie aufbauen.

Der Vorteil: Die bisherigen Strukturen des Ethernet-Frames bleiben unangetastet. ‚Lediglich‘ der Physical Layer, die Verbindungsebene, das heißt Leitungen, Anschlusstechnik und die elektrischen Signale, wird neu definiert. Aufgrund der technischen Randbedingungen der anvisieren Zielmärkte und der Implementierungsmöglichkeiten wurden verschiedene Sub-Standards entwickelt, die sich vor allem hinsichtlich Datenrate und möglicher Leitungslänge unterscheiden. Außerdem stehen verschiedene Leistungsklassen für die Stromversorgung zur Verfügung. Demzufolge wird es nicht nur eine Integration geben, sondern es wird die jeweils beste Lösung für die Anwendung zum Einsatz kommen.

Hier liegt aber auch die Crux: Die Anbieter von Sensoren und Aktoren adressieren mit ihren Komponenten in aller Regel mehrere Zielbranchen. Sollen sie nun jedes Gerät mit unterschiedlicher Implementierung entwickeln, prüfen, zulassen, produzieren und aufs Lager legen?

Unbestritten sind die Vorteile auf Anwenderseite: SPE verbessert die Geräteanbindung, allein schon wegen der integrierten Spannungsversorgung. Dies ist etwa für die Sensor-Verdrahtung interessant. Ebenso lassen sich mit SPE robustere Anschlüsse und kleinere Geräte realisieren. Gleichzeitig werden auch neue Verdrahtungslösungen möglich. Von dem dünneren Kabel werden wiederum vor allem Roboter und Kräne profitieren.

Switch Cabinet
Switch Cabinet. (Quelle: Profibus)

Erst sortieren und bewerten, dann umsetzen

Immer, wenn eine neue Technologie eingeführt wird, bedeutet dies für Anwender zunächst zusätzliche Technik. Damit einher geht immer auch ein höherer Einarbeitungsaufwand.

Hinzu kommt, dass SPE aus mehreren Technologien besteht, die verschiedene Kabellängen und -typen, Geschwindigkeiten umfassen. Daraus ergeben sich vielfältige Kombinationsmöglichkeiten, die aber nicht alle gleichzeitig vorangetrieben, entwickelt und implementiert werden können. PI bewertet die Technologien daher auf der Grundlage von Anwendungsfällen.

Im Augenblick betrachtet PI verschiedene Use Cases von SPE:
Generelle Verbesserung vorhandener Verdrahtungslösungen, zum Beispiel robustere Anschlussmöglichkeiten als RJ45: Die vorgestellten SPE-Stecker sind per Design robust und für Industrieanwendungen entwickelt. Dies umfasst unter anderem einen sicheren Kontaktübergang, ein durchgängiges Schirmungskonzept und einen starken Verriegelungsmechanismus.
Ein weiteres Argument: Bei der Steckerkonfektionierung sind nur zwei Drähte anstatt vier (100 Mbit/s) oder acht (Gbit/s) Litzen anzuschließen.

Verbesserung existierender Geräte-Lösungen, etwa Geräte mit integrierter Stromversorgung: Ein separater Anschluss für die Stromversorgung kannbei SPE je nach Leistungsbedarf und Versorgungskonzept entfallen. Das spart entsprechende
Leitungen und Stecker ein, sowie deren Konfektionierung. Insbesondere bei IP65-geschützten Geräten ist die Kosten­einsparung nachweisbar.

Verdrahtungslösungen über längere Distanzen: Ein Substandard von SPE ermöglicht Leitungslängen bis zu 1000 m bei
10 Mbit/s Übertragungsrate. Diese Spezifikation nutzt Ethernet-APL und ermöglicht es, Switch-Kaskaden oder bislang notwendige Glasfaser-Strecken zu ersetzen.

Lösungen für kleinere I/O-Devices: Der geringere Foot-Print aufgrund des kleineren Steckers und die Integration der Stromversorgung ermöglicht kleinere und robuste Gehäuse für Geräte und Sensoren. Damit eröffnet sich für zusätzliche Geräte in den Maschinen und Anlagen eine Anschlussmöglichkeit und eine Erfassung von zusätzlichen Daten für I4.0-Use Cases.

Für eine erfolgreiche Umsetzung einer neuen Technologie wie SPE, muss der bei PI bewährte Validierungs- und Einführungs-Prozess beibehalten werden. Gleichzeitig steht die PI bereits in Kontakt mit anderen Nutzerorganisation, um Standardisierungsfragen zu klären, etwa bei Aspekten der Verkabelung oder des Anschlusses. Im Laufe des Prozesses folgen die Spezifikation von Diagnose und Konfiguration, die Zertifizierung der Geräte sowie die Erstellung von Guidelines in Bezug auf Installation, Inbetriebnahme und Validierung.
Dieser Prozess mag auf den ersten Blick sehr aufwändig sein; er hat sich in der Vergangenheit aber bewährt. An Ende steht dann eine verlässliche und praxisnahe Technologie. Genau das erwarten die Anwender.

Autor:

Xaver Schmidt,
Leiter der Projektgruppe Industrie 4.0 bei Profibus & Profinet International (PI) in Karlsruhe.

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