Seit den 1990er Jahren kommen Verkabelungen auf Basis symmetrischer Twisted-Pair-Leitungen und -Glasfasern zum Einsatz. Bei ihnen wurden anfänglich zweipaarige Kabel eingesetzt. Ein Adernpaar fungiert als Sende- und das andere als Empfangsleitung. Dieses Prinzip ist das vorherrschende Übertragungsprinzip in der Industrie. Um höhere Geschwindigkeiten von 1 und 10 Gbit/s zu realisieren, wurde ein Verfahren entwickelt, das vier symmetrische Paare in Verbindung mit achtpoligen Steckverbindern benötigt. Jetzt rückt eine Ethernet-Technologie in den Vordergrund, die nur noch ein Paar zur Datenübertragung benötigt: Single Pair Ethernet (SPE).
Ausgangspunkt für die Entwicklung von SPE ist der BroadR-Reach-Standard. Nachdem ihn die Automobilindustrie als Nachfolger für den CAN-Bus auserkoren hatte, wurde er von der IEEE 802.3 als Standard 100BASE-T1 in IEEE 802.3bw-2015 Clause 96 veröffentlicht.
Das aufkommende Autonome Fahren erfordert jedoch höhere Datenraten. Deshalb folgte nach dem SPE-Standard für 100 Mbit/s schnell auch die Gigabitversion. Die bereits zur Verfügung stehende Ethernet-Technologie nach IEEE 802.3bp 1000BASE-T1 liefert Übertragungsgeschwindigkeit von 1 Gbit/s über eine Kupferverkabelung mit nur einer Doppelader. Aktuell wird bei dem IEEE an dem Standard IEEE 802.3ch für noch höhere Datenraten bis 10 Gbit/s gearbeitet, der für hochauflösende Sensoren und Videoübertragungen benötigt wird. Außerdem wird der Standard
IEEE 802.3cg für nur 10 Mbit/s vorbereitet, der aber Übertragungsstrecken bis 1.000 m erlauben soll.
Analog zu Power over Ethernet (PoE) gibt es auch für SPE einen Standard zur Fernspeisung, genannt Power over Data Line, kurz PoDL (IEEE 802.3bu). Diese Kombination von Daten und Power unterstützt die aktuellen Trends der Miniaturisierung, die höheren Datenraten und die Modularisierung.
Voraussetzung für den erfolgreichen und großflächigen Einsatz von SPE ist die durchgängige Kompatibilität von Geräten, Kabeln und Steckverbindern. Genormte und einheitliche Schnittstellen sind der Schlüssel für alle Hersteller, um gemeinsam das SPE-Ökosystem bestehend aus Sensoren, Aktoren, Steuerungen und Verbindungstechnik entwickeln zu können. Anwender erhalten dadurch Investitionssicherheit.
Zwei Gesichter normiert
Bei der Normierungsauswahl haben sich zwei Steckgesichter durchgesetzt:
Für die Gebäudeverkabelung das Steckgesicht nach IEC 63171-1: Es basiert auf dem Vorschlag der Firma CommScope und ist unter dem Synonym Variante 1 (LC Style) für M1I1C1E1-Umgebungen bekannt.
Für die Industrie und industrienahe Anwendungen wird das Steckgesicht nach IEC 63171-6 (bisher IEC 61076-3-125) empfohlen: Es basiert auf dem Vorschlag von Harting, ist speziell für den Einsatz in bis zu M3I3C3E3-Umgebungsbedingungen konzipiert und als Variante 2 (Industrial Style) bekannt.
Kernelement der T1-Industrial-Steckverbinderfamilie von Harting ist ein einheitliches SPE-Steckgesicht, das für alle Varianten von IP20 bis zu IP65 und IP67 verwendet wird. Harting hat sein Steckverbinderkonzept speziell darauf ausgerichtet und kann sowohl 1 Gbit/s bei kürzeren Strecken als auch 10 Mbit/s über weite Distanzen mit einem untereinander kompatiblen Steckgesicht realisieren. Dabei können dünne flexible Kabel mit 2 x AWG26/7 bis hin zu sehr dicken Kabeln mit 2 x AWG18/1 verwendet werden.
Einheitliches Steckgesicht für SPE
SPE und dafür normierte Steckverbinder fließen auch in die aktuellen Verkabelungsstandards mit ein. International betrifft das vor allem die Normenreihe für strukturierte Verkabelung nach ISO/IEC 11801:2017 und die europäische Normenreihe im CENELEC nach EN 50173. Hier wird SPE über Anhänge (Amendements) zuerst in den Teil 3 Industrieverkabelung und Teil 6 Gebäudedienste und -automatisierung einfließen. Zentrales Dokument für diese Anhänge ist das ISO/IEC 11801 TR9906 „TECHNICAL REPORT: Balanced 1-pair cabling channels up to 600 MHz“. Parallel dazu werden auch die Installationsstandards für die Industrie als Basis für die Verkabelung von Automatisierungslösungen nach IEC 61918 entsprechend angepasst.
In Verbindung mit den Standards zu Steckverbindern und Kabeln erhalten alle Anwender für SPE klare Richtlinien zum Aufbau und zur Überprüfung von entsprechenden Übertragungsstrecken. Diese Verkabelungen bleiben für SPE mit 1 Gbit/s erst einmal auf eine Reichweite von 40 m beschränkt. Für die Variante mit 10 Mbit/s sind Reichweiten von mehr als 1.000 m realisierbar.
Reichweite von über 1.000 m
Inwieweit das auch die Automatisierungsprofile beeinflusst, bleibt abzuwarten. Sicher ist, dass sich PI, mit PROFINET nach IEC 61784-5-3, und ODVA, mit EtherNet/IP nach IEC 61784-5-2, aktiv an der Weiterentwicklung und Implementierung von Standards zu SPE beteiligen. Weitere Papiere zu SPE-Verkabelungen relevant für die USA einschließlich Kanada und Mexiko werden bei ANSI/TIA-568.5 und TIA TR42.7 vorbereitet.
Wenn hohe Datenraten über nur ein Twisted Pair möglich sind, drängt sich der Gedanke auf, vorhandene 4-paarige Verkabelungen auch für SPE zu benutzen. Diese Art „Cable Sharing“ mehrpaariger Verkabelungen (Multi Pair Ethernet, MPE) ist grundsätzlich nicht neu, hat sich aber noch nie durchgesetzt.
SPE-Verkabelungen sind im Vergleich zu MPE für höhere Bandbreiten ausgelegt und auch weitere Anforderungen an das Übertragungsverhalten weichen von MPE-Verkabelungen maßgeblich ab. 1000BASE-T1 für geschirmte Kabel ermöglicht 40 m Übertragungslänge im Vergleich zu den üblichen 100 m bei MPE. Damit muss in diesem Migrationsszenario der Anwender die installierten MPE-Verkabelungen Strecke für Strecke für SPE überprüfen. Damit ist die wirtschaftliche Sinnhaftigkeit solcher Nutzungskonzepte fraglich.
Um etwa eine installierte Cat.-6A-Verkabelung für 1000BASE-T1 zu qualifizieren, darf die Übertragungslänge 40 m nicht überschreiten und die HF-Parameter müssen bis 600 MHz qualifiziert werden. Selbst wenn das alles optimal passt, lässt sich dann mit SPE lediglich viermal 1 Gbit/s übertragen, während die Cat-6A-Verkabelungsstrecken aktuell bereits mit 10 Gbit/s MPE genutzt werden können.
Spannende Einblicke in die SPE-Technologie haben wir auch vor Ort bei Harting erfahren. Lesen Sie in unserem Titelinterview der E&E 2.2019 mehr dazu.
