Digitalisierung: Single Pair Ethernet als Schlüsseltechnologie

Bislang in unterschiedlichen Industrien genutzte Ethernet-Lösungen benötigen traditionell zwei, bei Gigabit-Ethernet und höheren Datenübertragungsraten sogar vier Adernpaare. Single Pair Ethernet hingegen funktioniert mit nur einem Adernpaar und kann dabei sowohl Daten als auch Leistung übertragen. Die Übertragungsraten dieser Technik – 10 Mbit/s bei einer maximalen Übertragungslänge von 1000 m bis hin zu 1 Gbit/s bei einer maximalen Übertragungslänge von 40 m – reichen selbst für anspruchsvollste Aufgaben aus, etwa bei  vernetzter Sensorik mit Scannern oder Kameras. Damit eignet sich Single Pair Ethernet zur Verwendung in vielen Bereichen, die zuvor von Limitierungen hinsichtlich Datenraten, Reichweiten und nahtloser Kommunikation betroffen waren.

Verbindungen von bis zu 1000 m

Als wesentliche Einschränkung herkömmlicher Standard-Ethernet-Lösungen gilt etwa die maximale Länge von 100 m für eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Um größere Distanzen in Industrieanlagen zu bewältigen, zum Beispiel bei Fließ- und Förderbändern, mussten bisher zusätzliche Repeater oder Switches eingebaut werden – störungsanfällige Schnittstellen, die zusätzlichen Wartungsaufwand bedeuten. Die SPE-Technologie dagegen ermöglicht es, Geräte mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 10 Mbit/s über eine Entfernung von bis zu 1000 m über ein Kabel zu verbinden und optional die Power-over-Data-Line (PoDL) -Technologie zu nutzen. Damit lassen sich auch spezifische Feldbus-Technologien künftig durch SPE-Lösungen mit Datenraten bis 10 Mbit/s ersetzen (Bild 2).

Geschwindigkeiten von bis zu 1 Gbit/s und mehr

Komplexe Netzwerk-Topologien mit Gateways zur Verbindung unterschiedlicher Systeme lassen sich mit Single Pair Ethernet durchgängig aufbauen und mit einheitlichen Ethernet-Diensten betreiben. Mit Übertragungsgeschwindigkeiten von 10 Mbit/s bis zu 1 Gbit/s kann SPE die Anforderungen unterschiedlichster Anwendungen erfüllen. Zudem diskutieren derzeit die IEEE-802.3-Konsortien weitergehende SPE-Standards für höhere Datenraten mit 10 Gbit/s und mehr für kurze Distanzen (<15 m), sowie 100 Mbit/s bzw. 1 Gbit/s mit einer Länge von bis zu 500 m. Diese neuen Standards öffnen das Spektrum von SPE für weitere Applikationsbereiche.

Lückenlose und sichere Datenkommunikation

Klassische Industrieanlagen verfügten bisher oft über ein Ethernet-Netzwerk sowie eine größere Zahl von Feldbus-Systemen auf der Feldebene. Das Aufkommen des Industrial Internet of Things (IIoT) mit der Notwendigkeit, Feldbusse durch effizientere Kommunikationssysteme zu ersetzen, lässt diese etablierten Anordnungen hinfällig werden. Eine ähnliche Verschiebung lässt sich in jedem Anwendungsbereich beobachten, der eine lückenlose Kommunikation zwischen Sensoren und/oder Netzwerken verlangt. Für solche Einsatzzwecke ist eine nahtlose, sichere Datenverbindung entscheidend.

Durchgängige Vernetzung vom Sensor bis zur Cloud

Bereits heute fällt in einer durchschnittlichen Fabrik etwa ein Terabyte Daten pro Tag an – Tendenz steigend. Für die effektive Auswertung von Daten ist eine kontinuierliche Kommunikation unabdingbar. Hier kann SPE für eine durchgängige Vernetzung vom Sensor bis zur Cloud sorgen. Auch angesichts von immer mehr Sensorik und intelligenter Endgeräte in Industrieanwendungen bietet SPE die ideale Verkabelung – einfach, sicher, kompakt und kosteneffektiv. Beim Aufbau von Infrastrukturen werden SPE-Lösungen künftig wesentlich günstiger sein als die heute üblichen Kombinationen von Bus- und Ethernet-Komponenten (Bild 3).

SPE und Roboter: Platzsparend und leistungsfähig

Beim Einsatz von autonomen und kollaborativen Robotern bietet SPE viele Vorteile. Durch die höhere Datenübertragungsrate als bei herkömmlichen Feldbussystemen funktioniert die Kommunikation zwischen Roboter und Steuerungseinheit mit gesteigerten Abtastraten und größerem Datenaufkommen. Hinzu kommt die vereinfachte Verkabelung mit Daten und Energie in einer Bahn. Für über die definierten PoDL-Standards hinausgehende Leistungsanforderungen werden künftig auch hybride SPE-Lösungen zur Verfügung stehen, mit Daten- und Leistungskontakten in einem Steckverbinder. Eine geringere Zahl an Kabeln und Verbindungen trägt zu weniger Ermüdungsausfällen, schnellerer Fehlerbehebung und einfacherer Wartung bei. Durch den geringeren Biegeradius kann SPE zudem eine wesentliche Optimierung bei der Auslegung des Roboterhandlings bewirken.

Gebäudeautomation: Echtzeit-Steuerung mit SPE

Um die für „Intelligente Gebäude“ benötigten Daten in Echtzeit verarbeiten zu können, müssen IoT-Geräte wie Sensoren, Thermostate oder Kamerasysteme kontinuierlich mit der Cloud kommunizieren. Single Pair Ethernet eignet sich sehr gut, um die Daten zu bündeln und weiterzuleiten. SPE-Komponenten sind zudem wesentlich kompakter als die bisher gängigen RJ45-Steckverbinder. Der 10BASE-T1S-Standard mit Multidrop-Fähigkeit schließlich erlaubt es – analog zur traditionellen Busstruktur – eine Reihe von Sensoren als Linientopologie miteinander zu verbinden und somit von einem Gerät zum anderen „springen“ zu können, um alle mit dem Netzwerk zu verbinden. Dies schafft die Grundlage für die Netzwerkanbindung von Licht-, Temperatur-, Rauch- oder Luftsensoren sowie Steuerungen für Fenster und Rollläden. Die Vereinheitlichung von OT und IT auf derselben Plattform eröffnet eine größere Produktauswahl, vereinfacht die Wartung und senkt die Kosten.

SPE als Basis für nachhaltige Energie-Lösungen

Intelligentes Datenmanagement ist eine entscheidende Voraussetzung für nachhaltige Energie. SPE stellt eine praktikable Lösung für Verbindungen in Windkraft- und Solaranlagen dar. Auch in Solarparks oder „Power to Grid/Gas“-Anlagen bestehen oft Entfernungen von mehr als 100 m zwischen wichtigen Anschlusspunkten. Hier kann Single Pair Ethernet ebenfalls durch eine erhöhte Reichweite punkten.

Konsistenter, globaler Datenfluss: Prozessautomation und SPE

In der Prozessautomation, etwa im Öl- oder Gassektor, geht es oft um riesige Areale mit sehr großen Gebäuden oder Tanks. Die vollständige Statusübersicht und Fernsteuerung aller weltweiten Standorte mit konsistentem Datenfluss vom Sensor bis in die Cloud oder ERP-Systeme ist dabei für viele Unternehmen unabdingbar. SPE kann für effiziente Netzwerkstrukturen sorgen, ohne dass Netzwerkgeräte zur Signalmodulation oder Gateways dazwischengeschaltet werden müssen. Auch hier bietet Power over Data Line (PoDL) in Kombination mit SPE die Vorteile einer simultanen Daten- und Leistungsübertragung.

Sicher und effizient: Die auf SPE basierende APL-Technologie

Für den hochsensiblen Bereich der Automatisierung existiert mit Advanced Physical Layer (APL) ein eigener SPE-Standard. Er ist die Lösung für die Prozessindustrie, um die hohen Anforderungen an die Daten- und Leistungsübertragung auch im explosionsgeschützten Bereich (Zonen 0, 1 und 2) erfüllen zu können. APL verwendet den 10BASE-T1L-Standard aus der IEEE 802.3cg zusammen mit dem IEC TS 60079-47, 2021-03 (2-WISE) -Standard (2-WISE = 2-Wire Intrinsically Safe Ethernet) und unterstützt damit Methoden des Explosionsschutzes inklusive der Eigensicherheit. Die Technologie ermöglicht unter anderem die Überbrückung großer Distanzen (Trunk-Länge bis 1000 m, Spurs bis 200 m), die Interoperabilität von Geräten und Systemen verschiedener Hersteller sowie die Erfassung und Analyse zahlreicher Zusatzdaten für Maßnahmen wie Predictive Maintenance. Insbesondere für den Öl-, Gas- und Chemiesektor ergeben sich mit APL ganz neue Lösungen der effizienten, zukunftssicheren Strukturierung von Netzwerken – oder auch zur kostengünstigen Modernisierung von Anlagen unter Einbindung vorhandener Verkabelungen und Ethernet-Protokolle wie EtherNet/IP, HART-IP, OPC UA und Profinet.

Es existieren viele weitere Bereiche, in denen IP-basierte Netzwerke mit Single Pair Ethernet sinnvolle Ergänzungen oder Neukonstruktions-Lösungen darstellen können – im Prinzip alle Anwendungen, die eine durchgängige und IP-basierte Kommunikation bei hoher Reichweite und beschränktem Platzangebot verlangen. Die Möglichkeiten dieser Schlüsseltechnologie sind riesig. Im weitläufigen Gebiet der Digitalisierung bieten die Expertinnen und Experten bei Phoenix Contact das gewachsene Wissen, die passenden Tools und individuelle Services, um Single Pair Ethernet in den verschiedensten Bereichen um- und einzusetzen. (neu)