Harting bietet mit dem T1 Industrial ein Single-Pair-Ethernet-Steckgesicht nach IEC 63171-6

SPE als Standard für die Feldebene

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Die Vision von industriellem Ethernet über alle Ebenen der Automatisierungspyramide hinweg, ist nicht neu. Mit Single Pair Ethernet (SPE) treiben Verkabelungs- und Interfacehersteller nun aber eine neue Technologie voran, die diese Vision Wirklichkeit werden lässt. Aktuell treiben mehrere Hersteller Vorschläge voran, was das Thema für Anwender unübersichtlich und unsicher macht. Steckgesichter gibt es mehrere. Genormte industrielle Schnittstellen, die international für Verkabelungsstandards und Übertragungsstandards als durchgängige Lösung festgelegt sind, gibt es nur eine – Harting T1 Industrial nach IEC 63171-6.

Jonas Diekmann, Technical Editor, Harting Electronics GmbH in Espelkamp

Inhaltsverzeichnis

1. Zusammenspiel der Normenkomitees
2. Verkabelungsstandards für SPE
3. Symmetrisches und HF optimiertes Steckgesicht nach IEC 63171-6
4. Migration mehrpaariger Verkabelungen
5. Time-Sensitive Network
6. Auch für weitere Anwender interessant
7. Robotik

Von der Cloud bis an den Sensor ist ein Claim, den man in den letzten Jahren vermehrt im Automatisierungumfeld gehört hat. In der Regel fiel er im Zusammenhang mit Megatrends wie IIoT und I4.0. Gemeint ist die durchgehende TCP/IP-basierte Kommunikation auf Ethernet-Basis, die gegenwärtig meist von Cloudanwendungen bis in die Verteilebene einer Produktion reicht. Wo dann bisher ein klassischer Bruch von Kommunikationssystemen aus Ethernet und Bus-Systemen bestand, bringen nun neue Komponenten schnelles Ethernet bis zu 1 GBit/s über nur noch ein verdrilltes Adernpaar bis an die kleinste Applikation. SPE ermöglicht so erstmals den durchgängigen Einsatz des TCP/IP Protokolls. Und das treibt die Entwicklung neuer Geräte und Anwendungsfelder gerade in Sensor/Aktornetzwerken voran. Der Sensor wird „intelligent“, Teil des Gesamtnetzwerkes und reduziert die Zeiten für Parametrierung, Initialisierung und Programmierung. Ob einfacher Zustandssensor oder modernes Vision System aus hochauflösender Kamera, mit SPE wird das Internet der Dinge Realität – die Feldebene wird intelligent.

Doch bis sich diese Infrastruktur und das damit verbundene Potenzial in der Fläche durchgesetzt hat, ist es noch ein weiter Weg. Aktuell sind am Markt mehrere Lösungen und verschiedene Normen im Gespräch, die besonders die Schnittstellen für SPE im Blick haben. Anwender fragen nun zu Recht, ob Hersteller eine durchgängige und kompatible Lösung auf Grundlage eines einheitlichen Standards entwickeln, oder ob es mehrere Lösungen und inkompatible Steckgesichter geben wird. Dazu muss man sich etwas genauer die Zusammenarbeit verschiedener, für die Ethernet-Kommunikation relevanter Normengremien ansehen.

Zusammenspiel der Normenkomitees

Zentrale Rolle bei der Normierung nimmt das Gremium ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3 ein. Hier werden, basierend auf den IEEE 802.3 Standards, die Verkabelungsnormen nach der ISO/IEC 11801 erstellt und gepflegt.

IEC63171 – Normung von SPE-Verbindungstechnik

Der erste SPE-Steckverbinder-Normenentwurf wurde bereits 2016 von Harting im IEC Gremium SC48B eingereicht und als IEC 61076-3-125 bis zum CD-Dokument publiziert. 2017 wurde von der Firma CommScope ein weiteres Steckgesicht zur Normung eingereicht und anschließend vom Gremium beschlossen, für alle SPE-Steckverbinder die Normenreihe IEC63171 zu erstellen. Die bis zu diesem Zeitpunkt bereits in Arbeit befindlichen Normen werden als in sich geschlossene Dokumente fertiggestellt und im Rahmen von Überarbeitungen in diese neue Normenreihe integriert.

Folgende Normenprojekte für SPE-Steckgesichter sind derzeit in Arbeit:

  • IEC 63171 – Basisnorm mit allen notwendigen Spezifikationen und Prüfsequenzen (CD in Vorbereitung)
  • IEC 63171-1 – Vorschlag der Firma CommScope auf Basis der LC-Verriegelung für M1I1C1E1 Anwendungen (CDV verfügbar)
  • IEC 63171-2 – Vorschlag der Firma Reichle & De-Massari für M1I1C1E1-Anwendungen (CD verfügbar)
  • IEC 63171-3 – Vorschlag der Firma Siemon basierend auf einem Paar des bekannten Tera-Steckverbinders für M1I1C1E1 Anwendungen (NP verfügbar)
  • IEC 63171-4 – Vorschlag der Firma BKS für M1I1C1E1 Anwendungen (NP verfügbar)
  • IEC 63171-5 – Vorschlag der Firma Phoenix Contact basierend auf dem IEC 63171-2 Steckgesicht für M2I2C2E2 und M3I3C3E3 Anwendungen (CD verfügbar)
  • IEC 63171-6 (bisher IEC 61076-3-125) – Vorschlag der Firmen Harting, Hirose und TE Connectivity für M2I2C2E2 und M3I3C3E3 Anwendungen (CDV verfügbar, FDIS in Vorbereitung und finale Veröffentlichung 2019)

Verkabelungsstandards für SPE

SPE und dafür normierte Steckverbinder fließen in die aktuellen Verkabelungsstandards mit ein. International betrifft das die Normenreihe für strukturierte Verkabelung nach ISO/IEC 11801:2017 und auch die europäische Normenreihe im Cenelec nach EN 50173. Die Implementierung von SPE in die ISO/IEC11801 Dokumente ist deshalb so wichtig, da nur in dieser Norm die Verkabelungskanäle mit allen notwendigen Parametern (Länge, Anzahl Verbindungen, Bandbreite und das komplette Set an übertragungstechnischen Parametern einschließlich NEXT, FEXT, Schirmungseigenschaften usw.) mit Relation zur Umgebung – MICE beschrieben werden und damit dann auch nach Installation messtechnisch für den Anwender überprüfbar sind.

Parallel dazu werden auch die Installationsstandards für die Industrie als Basis für die Verkabelung von Automatisierungslösungen nach IEC61918 (IEC SC65C) entsprechend angepasst. Sicher ist, dass sich Profinet International mit Profinet nach IEC61784-5-3 und ODVA mit Ethernet/IP nach IEC61784-5-2 aktiv an der Weiterentwicklung und Implementierung von Standards zu SPE beteiligen. Für die Märkte USA einschließlich Kanada und Mexiko werden bei ANSI/TIA-568.5 und TIA TR42.7 Normen vorbereitet. In den TIA-42-Papieren wird das über das Addendum TIA-1005-A-3 aktualisiert.

In Verbindung mit den Standards zu Steckverbindern und Kabeln liefern diese Verkabelungsnormen dem Anwender klare Richtlinien über die Struktur der Verkabelung, die einzusetzenden Komponenten zur Erreichung der Leistungsvorgaben und die Grenzwerte zur Überprüfung der Verkabelung. Somit sind sie wichtigstes Instrument zum Aufbau und Betrieb von SPE-Verkabelungen. Gleichzeitig stellen sie über die Referenzen zu den Komponentenstandards (z.B. Steckverbinder nach IEC63171-6 Harting T1 Industrial) die Kompatibilität zwischen Geräten und Verkabelung sicher. Diese Kompatibilität ist Grundvoraussetzung für die Funktion von Netzwerken und Verbindungen auf der Basis von SPE und damit Basis für IIoT. Der Einsatz anderer Verkabelungskomponenten, als in ISO/IEC11801-3 Amd.1, ist zwar grundsätzlich möglich, allerdings nicht mehr normkonform und birgt das Risiko von Inkompatibilitäten und Funktionseinbußen.

Deshalb haben ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3 und TIA 42 Anfang 2018 internationale Auswahlprozesse zur Festlegung einheitlicher Schnittstellen gestartet. Diese wurden von der IEEE 802.3 mit initiiert, indem von dort eine Empfehlung für ein SPE MDI (Media Depended Interface / Geräteschnittstelle) von ISO/IEC und TIA erbeten wurde.

An diesem Auswahlprozess haben sich über 20 internationale Expertengremien beteiligten. Im Ergebnis dieser Wahl haben sich zwei Steckgesichter durchgesetzt:

  • für die Gebäudeverkabelung (M1I1C1E1) das Steckgesicht nach IEC 63171-1: Firma CommScope;
  • für die Industrie und industrienahe Anwendungen (M2I2C2E2 und M3I3C3E3) das Steckgesicht nach IEC 63171-6 (bisher IEC 61076-3-125): Harting T1 Industrial.

TIA 42 hat die Ergebnisse von ISO/IEC bestätigt und damit besteht global große Einigkeit über die SPE-Schnittstellen. Diese gewählten Steckgesichter werden jetzt in die jeweiligen internationalen Verkabelungsnormen eingearbeitet.

Damit ist die Voraussetzung für den großflächigen Einsatz und somit für die erfolgreiche Vermarktung der SPE-Technologie mit der durchgängigen Kompatibilität von Geräten, Kabeln und Steckverbindern in unterschiedlichen Anwendungsfeldern gewährleistet und Planungssicherheit für alle Marktteilnehmer hergestellt.

Symmetrisches und HF optimiertes Steckgesicht nach IEC 63171-6

SPE nutzt zur Datenübertragung eine Vollduplex-Verbindung über ein differenzielles Adernpaar mit einer Impedanz von 100 Ohm. Um eine geringere Störempfindlichkeit insbesondere für den Einsatz in Elektrofahrzeugen zu realisieren, wurde für SPE eine geringere Kodierung mit PAM3 bis 1000BASE-T1 und PAM4 für 2,5/5/10GBASE-T1 gewählt. Dadurch erhöht sich im Vergleich zu „Mehrpaarigen Ethernet-Standards“ (MPE) der Bandbreitenbedarf enorm. So sind aktuell bei IEEE 802.3ch für MulitGigabit SPE bis zu 4 GHz bei 10GBASE-T1 (Vergleich bei 10GBASE-T nur 500 Mhz) in Diskussion. Damit steigen die HF-Anforderungen an die Kabel- und Verbindungstechnik und ein sehr symmetrischer Aufbau der Steckverbinder ist notwendig, um die HF-Anforderungen zuverlässig zu erfüllen. Aus diesem Grunde sind die Kontakte beim T1 Industrial Steckverbinder symmetrisch im vollständig geschlossenen Schirmgehäuse angeordnet. Somit sind die Koppelkapazitäten und -induktivitäten beider Leiter zur Schirmung oder der Leiterplatte identisch und die differentielle Datenübertragung wird nicht gestört. Ebenso sind beide Kontakte parallel zur Leiterplatte und nebeneinander angeordnet. Dadurch ist der Signalweg in beiden Leiterwegen identisch und Signallaufzeitunterschiede werden vermieden.

Migration mehrpaariger Verkabelungen

Hohe Datenraten über ein Adernpaar – Wieso also nicht 4 SPE-Strecken in bestehender Infrastruktur vereinen? Diese Idee, quasi 4-paarige Verkabelungen für SPE mittels „cable sharing“ zu benutzen, drängt sich ja geradezu auf. In Sonderfällen ist dies zwar möglich, aber technisch und wirtschaftlich nicht wirklich sinnvoll. Zum einen erfordert die Kommunikation über SPE höhere Bandbreiten, für die auch das Kabel ausgelegt sein muss. So kann es bei der Übertragung von SPE Protokoll in bestehender MPE Gbit-Infrastruktur schnell zu Übersprechen und Signalverlust kommen. Zudem gibt es im direkten Vergleich zu MPE mit 100 m Übertragungslänge, bei SPE erst kürzere Übertragungslängen von 40 m bei 1000BASE-T1 für geschirmte Kabel.

Damit muss in diesem Migrationsszenario der Anwender die installierten Verkabelungen Strecke für Strecke neu für SPE überprüfen. Damit ist auch die wirtschaftliche Sinnhaftigkeit solcher Nutzungskonzepte fraglich. Um beispielsweise eine installierte Cat. 6A Verkabelung für 1000BASE-T1 zu qualifizieren, darf die Übertragungslänge 40 m nicht überschreiten und die entsprechenden HF-Parameter müssen bis 600 MHz qualifiziert werden. Selbst wenn das alles optimal passt, kann man dann mit SPE 4 x 1 Gbit/s übertragen, wobei doch diese Cat. 6A Verkabelungsstrecken heute mit 10 Gbit/s MPE genutzt werden können. Aus diesen Gründen sieht Harting die SPE Technologie, wie eingangs beschrieben, eher in der effizienten Anbindung der Feldebene, an TCP/IP basierte Kommunikation. Sprich Multipair Ethernet bleibt als bewährte und bestehende Infrastruktur bis oberhalb der Feldebene erhalten. Ab hier kommt dann die neue, schlanke und für eine Vielzahl von Feldteilnehmern sinnvolle SPE Infrastruktur zum Einsatz.

Time-Sensitive Network

TSN, also Time-Sensitive Network, ist ein Paket von Erweiterungen der IEEE802.1 Ethernet Standards zur Datenübertragung mit sehr geringer Reaktionszeit und hoher Verfügbarkeit. Mögliche Anwendungsbereiche sind konvergente Netzwerke mit Echtzeit-Audio/Video-Streams sowie insbesondere Echtzeit-Steuerungen (Controllstreams), wie sie in hochauflösender Kameraüberwachung Verwendung finden. Viele große Automatisierer sprechen sich mittlerweile für TSN und OPC-UA als das kommende Kommunikationssystem aus. SPE in Verbindung mit TSN ist damit die Technologie, um mit Ethernet flächendeckend in die Feldebene vorzudringen.

Auch für weitere Anwender interessant

Die Vorteile von SPE liegen nicht nur in der Erschließung weiterer Bereiche der industriellen Feldebene. Der offensichtliche Vorteil leichterer Infrastruktur spielt besonders im Bereich Transportation eine große Rolle. Auch wenn SPE ursprünglich aus dem Automotive-Bereich entstammt, waren hier Performance-Aspekte der Hauptgrund und nicht das Weniger an Gewicht. Da in modernen Zügen immer mehr Verkabelung für Bordelektronik und Unterhaltungssysteme verbaut werden, legt auch das Gewicht an verbauten Steckverbindern und Kabeln zu. Um hier gleichzeitig Gewicht zu sparen und trotzdem die gleichen Datenmengen bewältigen zu können, setzt Harting für die Bahntechnik zukünftig auf Ethernet über nur ein Single Twisted Pair Kabel und kleine T1 Industrial Steckverbinder. Ein handelsübliches Ethernetkabel mit vier Aderpaaren für 1/10Gbit/s Ethernet wiegt pro Kilometer etwa 45 kg. Ein einpaariges Kabel mit gleicher Bandbreite hingegen wiegt pro Kilometer nur 30 kg. Da allein in den Waggons von Personenzügen mehrere Kilometer Kabel verbaut werden, Loks oder Triebwagen mal ganz außen vorgelassen, besteht hier ein erhebliches Einsparpotenzial beim Fahrzeuggewicht. Gemäß den Berechnungen von Bahnbetreibern, ergeben sich so über eine durchschnittliche Lebensdauer von 40 Jahren ca. 14.000 Euro Ersparnis Pro Kilogramm.

Robotik

Auch in der Robotik spielt das Gewicht von Verkabelung eine Rolle, ein weitaus entscheidender Punkt der für den Einsatz von SPE in der Robotik spricht ist jedoch die Torsionsstabilität von Kabeln. Je dünner ein Kabel ausgelegt ist, desto robuster ist es gegenüber Biege- und Torsionsbelastungen. So können zukünftig die gleichen Datenraten über dünnere SPE-Kabel angeschlossen werden, die zusätzlich auch noch deutlich mehr Arbeitszyklen eines Roboters aushalten, bis sie vorsorglich getauscht werden müssen oder gar ausfallen. ge

www.harting.de

HARTING Electronics GmbH
Marienwerderstraße 3
32339 Espelkamp

Fon : +49 5772 47-97200

Geschäftsführer: Dipl.-Kfm. Edgar Peter Düning

Weitere Details zu SPE

http://hier.pro/qLWQn

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