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Single Pair Ethernet (SPE) beschleunigt Industrie 4.0

Datenkommunikation
Single Pair Ethernet beschleunigt Industrie 4.0

Mit Single Pair Ethernet (SPE) hält derzeit ein Ethernet-Bus und Übertragungsprotokoll in die Industrielandschaft Einzug, das nicht nur durch geringe Maße zu überzeugen weiß, sondern auch durch seine hervorragenden Übertragungseigenschaften. Damit beseitigt SPE einen Schwachpunkt bei der Etablierung des IIoT – die Datenübertragung. In den seltensten Fällen eignen sich existierende Ethernet-Busse flächendeckend für den Einsatz bis hin zu den Feldgeräten. All das kann sich mit SPE jetzt ändern und Themen adressieren wie Standardisierung, Verlässlichkeit komplexer (IT-)Systeme und die Beherrschung der steigenden Komplexität.

Rainer Rössel, Leiter Geschäftsbereich Chainflex Leitungen, Igus GmbH, Köln

Inhaltsverzeichnis

1. Wenn es eng wird: SPE als moderne Datenleitung fürs Feld
2. SPE: kleine Technologie ganz groß
3. SPE-Leitungen bieten hohe Leistung
4. Einpaarig-geschirmte Ethernet-Verkabelung
5. Know-how sinnvoll bündeln: das SPE-Netzwerk
6. Normung macht SPE herstellerübergreifend nutzbar
7. Fazit

Ethernet ist zurzeit das zur Datenübertragung meistgenutzte System. Für den Einsatz in der Feldebene ist es aber nur bedingt geeignet. Die Ursache: die räumlichen Verhältnisse für komplexe Businstallationen und die im Feld vorherrschenden Umgebungsparameter lassen klassische Ethernet-Busse kaum zu. Bisher ist in der Konzeption einer neuen Fertigungslinie, bei Upgrades von Anlagen oder Retrofittings das Manufacturing Execution System (MES) das Zentrum, um die Parameter in der Feldebene zu monitoren und bei Bedarf einzugreifen. SPE als neue End-to-End-Verbindung kann das jetzt ändern und die Industrie einen großen Schritt in Richtung Industrie 4.0 bringen. Mit Single Pair Ethernet (SPE) kann sich ein Ethernet-Bus etablieren, der auf Themen wie Standardisierung oder Komplexität einzahlt und die Industrie verhältnismäßig einfach und schnell auf den hohen Vernetzungsgrad von Smart Factories vorbereiten kann.

Wenn es eng wird: SPE als moderne Datenleitung fürs Feld

Single Pair Ethernet – vereinfacht SPE – ist eine Technologie, welche die Datenübertragung über nur ein Adernpaar realisiert. In klassischen Ethernet-Bussen finden sich meist vier Adernpaare. Mit SPE lässt sich so die sichere Datenübertragung auch auf kleinstmöglichem Raum wie in der Feldebene umsetzen. In bestehende Bus-Technologien der Unternehmen integrierbar, ist SPE damit die aktuell innovativste Übertragungsmöglichkeit, mit der sich Kosten reduzieren lassen und parallel das technische Niveau heben lässt. Denn: Schnittstellen und Kopplungssysteme für verschiedene Datenleitungen vom Feld zur Leitebene können dank SPE entfallen. Das senkt die gesamten Kosten, minimiert die Fehleranfälligkeit und sichert die Prozesse. Wer heute Fertigungsanlagen in Richtung Smart Factory ausrüsten und die Einbindung in Cyberphysische Systeme (CPS) sicherstellen möchte – respektive bestehende Anlagen auf- oder umrüsten will –, profitiert von der Hebelwirkung einer Investition in SPE: Die einfache Anschaffung und Installation und der unmittelbare Nutzen durch die schnell verfügbaren Daten haben einen großen Hebel.

SPE: kleine Technologie ganz groß

Bereits aus der technischen Umsetzung und einem einzigen Adernpaar resultieren Vorteile: Zwar ist die Datenrate aufgrund der Bauform bzw. der Kabelstruktur reduziert, angesichts der Verhältnisse in der Feldebene spielen die etwas kürzeren Übertragungsentfernungen aber eine eher untergeordnete Rolle. Unabhängig ob fest oder beweglich installiert, profitiert die Fertigung vom niedrigen Gewicht und der reduzierten Baugröße einer solchen SPE-Busleitung.

Auf dem Markt verfügbar sind SPE-Busleitungen aktuell in unterschiedlichen Ausführungen wie etwa als Chainflex-Leitung CFBUS.PUR.042 Single Pair Ethernet, die Igus für den Einsatz in der Energiekette im Portfolio hat. Die um 25 % reduzierte Baugröße ermöglicht beispielsweise die unkomplizierte Installation in der Energiekette und eine sichere Übertragung von Datenraten zwischen 10 Mbit/s bis zu 1 Gbit/s von der Energiekette zum übergeordneten System. Das hebt SPE nicht nur auf das Niveau einer Initiatorleitung, sondern macht sie zur kosteneffizienten und zukunftsfähigen Alternative zu klassisch seriellen Bussystemen, wie sie in Branchen wie etwa Automotive, der Bahntechnik oder auch in der Robotik unzählige Male zum Einsatz kommen.

Ist SPE nur ein Steckerthema?

SPE-Leitungen bieten hohe Leistung

Den Nachweis für die Leistungsfähigkeit erbringen Hersteller wie Igus über umfangreiche Tests. So wird beispielsweise die ölbeständige und flammwidrige SPE-Leitung CFBUS.PUR.042 in einem 3.800 m² großen Testlabor auf Funktionalität und Lebensdauer geprüft. Weiteres Plus: der Anwender erhält für seine online berechenbare SPE-Busleitung eine Garantie für 10 Millionen Doppelhübe oder bis zu 36 Monate. Neben der deutlich reduzierten Größe ist die passgenaue Konstruktion für die T1-Stecker-Schnittstelle Garant für eine zügige intuitive Installation. Daraus resultieren eine zuverlässige Übergabe des haltbaren Schirms und eine immens hohe elektromagnetische Verträglichkeit (EMV).

Einpaarig-geschirmte Ethernet-Verkabelung

SPE-Busleitungen eignen sich aufgrund der beschriebenen Eigenschaften und der Fähigkeit einer schnellen, platzsparenden und kostengünstigen Implementierung auch für den Einsatz in der Gebäudeautomatisierung. Charakteristisch für die SPE-Technologie ist das genormte Steckgesicht, was sich in der Größe an etablierte Gehäuse wie M8 oder M12 anlehnt. Die symmetrische Konstruktion mindert Störeinflüsse oder Laufzeitunterschiede auf den Kontakten. Robuste metallische Verriegelungen mit PCB-Buchse und beispielsweise ein hochabriebfester, kerbzäher PUR-Mantel, wie er bei der Chainflex-Leitung zum Einsatz kommt, machen SPE zu einer zukunftsweisenden Technologie für den anspruchsvollen Einsatz in der Feldebene.

Know-how sinnvoll bündeln: das SPE-Netzwerk

Um die neue SPE-Technologie weiter voranzutreiben und damit das Fundament für den weiteren Ausbau des IIoT zu stärken, gründeten einige Unternehmen das SPE Industrial Partner Network. In einem gleichberechtigten Zusammenschluss wollen die Firmen Kompetenzen bündeln und Anwendern vor allem Investitionssicherheit geben. Wertvolle Synergien entstehen unter anderem in einer Kooperation zwischen Igus und Harting. Beide Unternehmen arbeiten schon lange zusammen: Harting beliefert Igus mit Steckern für eine Vielzahl von Leitungen. Gemeinsam treiben sie jetzt auch das Projekt SPE voran. Das Ziel: genormte und einheitliche Lösungen, die ihrerseits Grundstein sind, um das sogenannte SPE-Ecosystem weiter zu entwickeln, das Industriekunden künftig noch mehr passende Automatisierungslösungen bereitstellen soll.

Normung macht SPE herstellerübergreifend nutzbar

Da es sich bei SPE nicht um eine klassische neue Schnittstelle für Ethernet-Verbindungen handelt, sondern um eine neue Technologie für eine End-to-End-Verbindung sind verschiedene Normen für Schnittstellen, Leitungen und einen neuen Übertragungsstandard von Normengremien zu definieren. Harting hat hier den ‚T1 Industrial Style‘ in die Normung eingebracht hat. Durch die Veröffentlichung des IEC-Normungskomitees gilt T1 Industrial Style als internationaler Standard für Ethernet-Schnittstellen über nur noch ein Adernpaar.

Fazit

Industrie 4.0 und IIoT sind längst keine Buzzwords mehr. SPE-Busleitungen für den festen, aber auch für den beweglichen Einsatz an Feldgeräten stehen stellvertretend für die sukzessive Einführung verbesserter Übertragungsstandards, die Automatisierungslösungen in der industriellen Fertigung oder moderne Gebäudeleittechnik auf wettbewerbsfähiges Niveau heben helfen. Den Sensorherstellern bietet das Gewissheit und damit Sicherheit: Alle Informationen, die es in punkto Sensor, Mikroprozessor und vor allem Kommunikationseinheit für die Entwicklung smarter Sensorik braucht, sind jetzt vorhanden. Das ist Grundvoraussetzung, um neue Fähigkeiten wie Parametrierbarkeit und Diagnostizierbarkeit gewinnbringend nutzbar zu machen und smarte Sensoren und Aktoren zeitnah zu entwickeln und in die Fertigung einzubinden. In Summe steht der jetzt existierende neue Übertragungsstandard SPE damit stellvertretend für optimale technisch funktionale Rahmenbedingungen, die die Markteinführung modernster komplexer Produkte beschleunigen. Über kurz oder lang gibt es mit Blick auf die Datenübertragung keine Argumente, die etablierte Sensorik nicht durch smarte zu ersetzen. Perspektivisch wird das auch die Hierarchie der klassischen Automatisierungspyramide nachhaltig verändern: Wo bisher das MES für die Prozessautomatisierung und die Führung, Lenkung, Steuerung und Kontrolle der Feldgeräte nötig war, werden diese dank SPE autonomer und im Sinne einer Smart Factory agil und responsive agieren können. (co)

Details zu den Buskabeln für die Energiekette von Igus:
hier.pro/7ph2E

Kontakt:
Igus GmbH
Spicher Str. 1a
51147 Köln
Tel. +49 2203 9649-8201
info@igus.de
www.igus.de


Standardisierung schafft Sicherheit

IEC 63171-6: ein industrietaugliches einpaariges Steckgesicht
Die IEC 63171-6 wurde Anfang 2020 veröffentlicht und ist damit der weltweit erste und von allen wichtigen Normengremien beschlossene Standard für SPE-Verbindungen in industriellen Anwendungen. Bereits 2016 eingereicht, umfasst das vollständige Normendokument alle notwendigen Spezifikationen und Prüfsequenzen für die einfache und zuverlässige Implementierung.

ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG3 & TIA42 Verkabelungsstandards
Für eine sichere End-to-End Verbindung müssen alle Komponenten der Infrastruktur einheitlichen Standards entsprechen. So auch die Kabel. Die Verkabelungsnormen liefern dem Anwender Informationen über die Struktur der Verkabelung, die einzusetzenden Verkabelungskomponenten zur Erreichung der Leistungsvorgaben und die Grenzwerte zur Überprüfung der Verkabelung. Somit sind sie wichtige Instrumente zum Aufbau und zur Inbetriebnahme von SPE-Verkabelungen. Gleichzeitig stellen sie über die Referenzen zu den Komponentenstandards (z.B. Steckverbinder nach IEC 63171-6) die Kompatibilität zwischen Geräten und Verkabelung sicher. Diese Kompatibilität ist Grundvoraussetzung für die Funktion von Netzwerken und Verbindungen auf Basis SPE und damit Basis für IoT/IIoT. Der Einsatz anderer Verkabelungskomponenten, als z.B. in ISO/IEC 11801-3 Amd.1 beschrieben, ist zwar grundsätzlich möglich, allerdings dann nicht mehr normkonform und birgt das Risiko von Inkompatibilitäten und Funktionseinbußen.
Deshalb haben ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3 und TIA42 Anfang 2018 internationale Auswahlprozesse zur Festlegung einheitlicher Schnittstellen gestartet. Diese beiden Auswahlprozesse wurden von der IEEE 802.3 mit initiiert, indem von dort eine Empfehlung für ein SPE MDI (SPE Geräteschnittstelle) von ISO/IEC und TIA erbeten wurde. An diesem Auswahlprozess haben sich über 20 nationale Expertengremien beteiligt. Im Ergebnis dieser Wahl haben sich zwei Steckgesichter durchgesetzt:

  • Für die Gebäudeverkabelung (M1I1C1E1) das Steckgesicht nach IEC 63171-1. Dieses Steckgesicht basiert auf dem Vorschlag der Firma CommScope.
  • Für die Industrie und industrienahe Anwendungen (M2I2C2E2 und M3I3C3E3) das Steckgesicht nach IEC 63171-6 (bisher IEC 61076-3-125). Dieses Steckgesicht basiert auf dem Vorschlag des Harting T1 Industrial.

IEEE 802.3
Die Ethernet-Protokoll-Standards nach IEEE 802.3 definieren die technischen Rahmenbedingen für Ethernetübertragung über nur noch ein Adernpaar. Damit handelt es sich um ein wichtiges Gremium mit richtungsweisender Kompetenz – ohne einheitliches Protokoll kein offener Standard. Um dieses Zusammenspiel von normierten Komponenten für ein ganzheitliches Ecosystem zu unterstützen, schließt sich IEEE 802.3 den Empfehlungen von ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3 und TIA42 für ein einheitliches SPE-Interface an und empfiehlt ebenfalls den T1 Industrial style (IEC63171-6) als Standard-SPE-Schnittstelle für Industrieanwendungen.

Weitere Informationen liefert das SPE Industrial Partner Network:
www.single-pair-ethernet.com



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