Die Vorteile von Single Pair Ethernet (SPE)

Martin Kandziora, Senior Manager Marketing EMEA, Panduit GmbH, Schwalbach

Inhaltsverzeichnis

1. Ethernet-Technologie ist dominierende Datenkommunikationsplattform
2. Single Pair Ethernet ermöglicht Single-Protokoll-Netzwerk
3. SPE-Kabel und -Steckverbinder sind schlanker
4. SPE ermöglicht auch die Stromversorgung
5. Kabelmedien lassen sich wiederverwenden
6. Panduit treibt Standardisierung voran
7. SPE reduziert weitere Aufwände
8. Schnell und anwenderfreundlich
9. Ausgelegt auf die Ausweitung der Datenerfassungsfunktionen
10. Fazit
11. Anwendungsfelder für SPE

SPE (Single Pair Ethernet) erweitert die Ressourcen des Industriellen Internet der Dinge (IIoT) und hilft Unternehmen, beschleunigt auf Ethernet-basierte Betriebstechnologien (Operation Technology – OT) zu migrieren. Es bietet gemeinsame Kommunikationsprotokolle an, die mit dem Netzwerk der Informationstechnologie (IT) kompatibel sind. Diese Erweiterung umfasst End-to-End-Lösungen einschließlich Switch, Kabel und Sensor, die von zahlreichen Anbietern entwickelt wurden. Ziel der Bestrebungen ist, die notwendigen Änderungen zur Harmonisierung von OT- und IT-Operationen auf dem aktuell effektivsten Protokoll durchzuführen. Zur Zeit entsteht ein komplettes Ökosystem, um die SPE-Vorteile umfassend zu nutzen: Standards, Komponenten, Endgeräte und Anwendungen.

Ethernet-Technologie ist dominierende Datenkommunikationsplattform

Zusammen mit ergänzenden IP-basierten Protokollen ist die Ethernet-Technologie zur dominierenden Datenkommunikationsplattform geworden. Allerdings überwiegt in Anwendungen wie der Automatisierung noch der Einsatz spezieller Kommunikations-Protokolle. Das daraus resultierende Szenario einer Multiprotokoll-Umgebung mit mehreren parallel laufenden Protokollen verursacht Kosten, erhöht die Komplexität und erfordert erfahrenes Installations- und Wartungspersonal.

Parallel führen Künstliche Intelligenz (KI) und Digitalisierung schon seit einiger Zeit verstärkt zur Realisierung datenbasierter Prozesse – etwa beim Machine Learning (ML). Die Ethernet-Technologie bietet hier den Vorteil, dass sich ganze System-Topologien zusammenführen lassen – mit einer Fülle von Vorteilen. 2018 war deshalb erstmals der Marktanteil von Industrial-Ethernet-Lösungen größer als der traditioneller Feldbusse. Und die Wachstumsrate beim Industrial Ethernet liegt weiter hoch.

Single Pair Ethernet ermöglicht Single-Protokoll-Netzwerk

SPE ermöglicht nun auf den Vorteilen der Ethernet-Kommunikation aufbauend die Realisierung einer homogenen ‚All-Ethernet-Netzwerklösung‘. Der Nutzen für die Anwender liegt klar auf der Hand: Das Netzwerk lässt sich einfacher implementieren und verwalten – und insbesondere aufgrund des durchgängigen Single-Protokoll-Netzwerks bietet es künftig mehr Datentransparenz und eine höhere Sicherheit.

Der ursprüngliche Single-Pair-IEEE-Standard 802.3cg-2019 wurde Anfang 2020 verabschiedet. Parallel wurden Gerätechips zur Unterstützung aller SPE-Anwendungen in der Prozess-, Industrie- und Gebäudeautomation eingeführt.

SPE-Kabel und -Steckverbinder sind schlanker

Durch die reduzierte Anzahl von Paaren, die für die Kommunikation verwendet werden, verringern sich Kabel- und Steckergröße. Dennoch können über das eine Adernpaar sowohl Strom als auch Daten an Edge-Geräte geliefert werden. Der IP20-SPE-Steckverbinder gemäß IEC 63171-1 Typ 1 (Bild 1) von Panduit ist ein kleinformatiges Modul mit der Hälfte der Grundfläche eines RJ45-Anschlusses und verfügt über eine positive Verriegelung für sichere Verbindungen – ideal zum Beispiel für die Gebäudeautomation.

Im Vergleich zur Terminierung eines 4-paarigen Kabels nach TIA-568A/B-Standard ist der Kabelabschluß eines 1-paarigen Kabels mit dem LC-Stecker vor Ort schneller und einfacher. Mit handelsüblichen Werkzeugen kann ein Techniker einen SPE-Steckverbinder in der Hälfte der Zeit am Kabel fixieren, die sonst für eine 4-paarige Terminierung benötigt wird. Zudem werden einpaarige 18-AWG-Kabel (ca. 1 mm² Durchmesser je Ader) verwendet, die leichter und schmaler sind. Der Anschluss des SPE-Steckverbinders ist dabei auch weniger fehleranfällig, was Nacharbeiten minimiert. Durch das geringere Gewicht und die geringere Größe können mehrere Kabelstränge zusammengezogen werden, was die Implementierung weiter vereinfacht.

SPE ermöglicht auch die Stromversorgung

Zudem ist der Nutzen, Daten und Strom über SPE an entfernte Geräte parallel zu übertragen, enorm. Der IEEE-802.3bu-Standard sieht eine dezentrale Gleichstromversorgung über die SPE-Verbindung vor, die als Power-over-Data-Line oder PoDL bezeichnet wird. PoDL ist vergleichbar mit der Power-over-Ethernet-Technologie (PoE) für Standard-Ethernet, welche die Stromversorgung der Datenkommunikations-Infrastruktur in Gebäuden bereits entscheidend verändert hat.

Ist SPE nur ein Steckerthema?

Kabelmedien lassen sich wiederverwenden

Der weitere Vorteil von SPE: Vorhandene Kabelmedien lassen sich wiederverwenden. Maschinen, Anlagen und Gebäude verfügen über einpaarige verdrillte Kabel-Topologien, die sich jetzt als SPE-Kabelmedien nutzt lassen. Beispielsweise besitzen viele RS-485-Kabel, die in Gebrauch oder redundant verlegt sind, den Querschnitt 18 AWG – eine nutzbare Alternative für den Technologie-Switch. Diese Kabel müssen natürlich getestet werden. Damit kann man sicherstellen, dass sie die elektrische Leistung in Bezug auf den TIA-568.5-Standard für eine 10BASE-T1L-Übertragung erfüllen.

Panduit treibt Standardisierung voran

Als Global Player von innovativen Lösungen im Bereich physikalische und elektrische Infrastruktur ist Panduit führend in der Entwicklung dieser zukünftiger Kommunikationsstandards. Bob Voss, Senior Principal Engineer in der Forschung und Entwicklungsabteilung von Panduit, ist Vorsitzender des ‚Single-Pair Ethernet Subcommittee‘ bei der Ethernet Alliance. Das von ihm geleitete Unterkomitee hat die Aufgabe, die Entwicklung einer kohärenten Roadmap für BASE-T1-Ethernet als bevorzugte Netzwerkimplementierung in einer einzigen Netzwerkinfrastruktur voranzutreiben, die industrielle Netzwerke in die Ethernet-Umgebung integriert. Diese Entwicklung wird anfällige ältere Protokolle durch robuste IP-Netzwerke ersetzen, die höhere Datengeschwindigkeiten, Übertragungsdistanzen und Vorteile bei der Daten- und Netzwerksicherheit bieten.

SPE reduziert weitere Aufwände

Durch die Vorteile von Ethernet- und IP-basierten Netzwerken reduziert die Konsolidierung auf SPE-Umgebungen auch Aufwände, die nicht unmittelbar mit der Datenübertragung zusammenhängen. Ethernet-Netzwerke sind schneller und bieten erweiterte Techniken wie Time-Sensitive Networking (TSN) und Software-Defined Networking (SDN). Während das 4-Paar-Ethernet bereits gut etabliert ist und höhere Ebenen in industriellen Netzwerken unterstützt, ist es für viele kleinere Edge-Geräte nicht kosteneffizient. SPE ist deutlich kostengünstiger Lösung für eine viel breitere Implementierung von kostensensiblen IIoT-Geräten. Systeme, die derzeit die serielle RS-485-Kommunikation nutzen, können mit geringen Änderungen aufgerüstet und in das Ethernet-Netzwerk eingebunden werden.

Schnell und anwenderfreundlich

SPE bietet eine erhöhte Bandbreite mit höheren Datenraten von bis zu 10 Mbit/s bei Entfernungen von bis zu 1.000 m. Verglichen mit älteren Protokollen, die auf RS-485 basieren und nur eine Verbindungsgeschwindigkeit von 31,2 kbit/s (für 1.000 m) anbieten, ist die Übertragunsgeschwindigkeit 300 mal schneller.

Ausgelegt auf die Ausweitung der Datenerfassungsfunktionen

Komfort, Kosten und Funktionalität von SPE bieten somit einen kostengünstigen Zugang für die Migration oder den schrittweisen Einsatz von SPE in einer industriellen Umgebung. Die Technologie ist auf die Ausweitung der Datenerfassungsfunktionen auf viel mehr Edge-Geräte ausgerichtet, für die ein schneller Datenzugang bisher unerschwinglich war. Die Panduit M8-Steckverbinder gemäß MICE2/3-Klasse (Bild 2) bieten die hohe Schutzart IP67 gegen Staub sowie Wasser. Da die Pin-Kodierung identisch ist mit bestehenden Sensor- und Feldbussystemen, wird der Umstieg wesentlich erleichtert.

Fazit

Der Siegeszug des Internet der Dinge hängt stark von einer kosteneffektiven Technologie in Verbindung mit kostengünstigen Sensoren ab, um die Durchgängigkeit sowie die Skalierung voranzutreiben. Automatisierungs-Massenprodukte werden sich wahrscheinlich zuerst ändern, während spezialisierte Geräte mit älteren Protokollen länger brauchen, bis sie ersetzt werden. Wenn Anwender den Wettbewerbsvorteil durch SPE realisieren, dann wird die Implementierung der zugehörigen Geräte drastisch zunehmen und durch die Konvergenz auf Ethernet die Komplexität des Netzwerks reduziert. (co)

www.panduit.de

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