Weit nach vorne gesprintet So beschleunigt Single Pair Ethernet die industrielle Kommunikation

Feldbusse wurden aus dem industriellen Anlagenfeld vom SPE-Vorgänger, dem traditionellen Ethernet, vielfach verdrängt. Die Vorteile einer durchgängigen IP-basierten Kommunikation vom Sensor bis zur Cloud kann kein klassischer Feldbus bieten. Mit Ethernet lassen sich dank eigens entwickelter Protokolle und definierter Reaktionszeiten sichere Anwendungen genauso problemlos realisieren wie Echtzeitlösungen. Die entsprechende Sensorik und Aktorik steht für das Anlagenfeld zur Verfügung. So kann beispielsweise das Signal eines Füllstandsensors nicht nur für die Anlagensteuerung genutzt werden, sondern steht gleichzeitig auch konzernweit zur Verfügung, etwa für einen Einkäufer auf einem anderen Kontinent.

Doch da herkömmliche Ethernet-Standards auf typische IT-Anwendungen abgestimmt sind, stößt es im industriellen Umfeld immer wieder an seine Grenzen. Die Industrie fordert in einigen Bereichen miniaturisierte Steckverbindungen, längere Übertragungsstrecken und eine vereinfachte Verkabelungsstruktur. Selbst intelligente Sensorik in modernen Industrieanlagen benötigt nur einen Bruchteil der Datenmenge, die etwa eine Videokonferenz erzeugt.

Zukunftssicher und durchgängig vernetzen

Hier soll Single Pair Ethernet ansetzen und eine durchgängige, skalierbare und deterministische Vernetzung von der Sensorik bis in die Cloud ermöglichen. Und das in jeder Anwendung, ob in der Industrie, in der Logistik, im Gebäude oder wo auch immer Daten anfallen. Das Konzept dahinter ist eine Erweiterung von Ethernet bis in die Sensorik, also überall dorthin, wo es keine Datenautobahnen, sondern „Feldwege“ bis in den letzten Winkel des Anlagenfeldes braucht – kompakt, flexibel und mit hoher Reichweite.

Bisherige Lösungen benötigen zwei (Fast Ethernet) beziehungsweise vier Adernpaare (Gigabit-Ethernet und höher), während Single Pair Ethernet nur noch ein Adernpaar benötigt. Gleichzeitig soll die Single-Pair-Ethernet-Technologie neben Daten auch Leistung zur Verfügung stellen. Laut Hersteller ermöglicht sie eine wirtschaftliche, zukunftssichere und durchgängige Vernetzung einer Vielzahl an Endgeräten – von der Geräteschnittstelle bis zur aktiven Vernetzung intelligenter Geräte sowie von der Gebäudetechnik bis zur Sensorik im Feld ohne zusätzliche Gateways.

Standards für höhere Reichweiten

Die physikalischen Eigenschaften und Übertragungsraten werden international von dem Standardisierungsgremium IEEE definiert. Diese neuen Varianten des Ethernets stoßen auch in der Automatisierungstechnik auf großes Interesse, denn SPE erfüllt alle Voraussetzungen für die Industriekommunikation im Zeitalter der Digitalisierung. Die Übertragungsraten von 10 Mbit/s bei einer Übertragungslänge von bis zu 1.000 mn bis hin zu 1 Gbit/s mit einer Übertragungslänge von 40 m sind selbst für eine anspruchsvolle Sensorik oftmals ausreichend. Zudem gibt es Ansätze, bei den SPE-Standards die Reichweiten und Übertragungsgeschwindigkeiten weiter zu erhöhen. Auch Scanner und Kameras zur Überwachung lassen sich so durchgängig mit Ethernet in das Netzwerk integrieren. Die realisierbaren Reaktionszeiten lassen sogar Time-Sensitive-
Networking-Anwendungen zu.

Ein weiterer großer Vorteil von SPE ist die Möglichkeit, die Energieversorgung der angeschlossenen Peripherie via Power over Data Line (PoDL) zu realisieren. PoDL stellt hierbei bis zu 52 W Leistung am Power Device (PD) zur Verfügung. So lässt sich die Sensorik selbst unter äußerst beengten Verhältnissen sowohl mit Energie als auch mit einer Datenschnittstelle versorgen. Eine zusätzliche separate Zuleitung entfällt.

Mit der 52-W-Marke ist noch nicht das Ende der Fahnenstange erreicht: Die Phoenix Contact-Gruppe hat einen Entwicklungsvertrag mit TE Connectivity unterzeichnet. Die Zusammenarbeit sieht die gemeinsame Entwicklung von neuen SPE-M12-Hybridsteckverbindern nach IEC 63171-7 vor. Der Standard wurde Anfang 2021 auf Vorschlag von TE in die IEC-Norm eingebracht. Die Norm IEC 63171-7 spezifiziert hybride Schnittstellen mit SPE- und Power-Kontakten im M12-Format. Der Standard beschreibt sieben Kodierungen für unterschiedliche Applikationen mit Leistungsklassen von 8 bis 16 A und von 50 bis 600 V. Die Entwicklungsaktivitäten fokussieren sich im ersten Schritt auf die Kodierung 2 (2 x 8 A / 63 V DC). Erste Serienprodukte werden für Anfang 2023 erwartet.

Bei der Kommunikation Machine-to-Machine ermöglicht SPE neue Herangehensweisen, da die Technik intelligente Maschinen vernetzen kann. Ohne Gateways oder viele unterschiedliche Kommunikationsarten lassen sich Prozesse über die gesamte Anlage hinweg wirtschaftlich visualisieren und verbessern. Besonders beim Einsatz von Robotik kann SPE seine Vorteile ausspielen, denn hier ist eine äußerst flexible und platzsparende Verdrahtung in Kombination mit kürzesten Reaktionszeiten gefragt.

Neue Steckverbinder erleichtern Installation

Phoenix Contact hat bereits Steckverbinder für SPE entsprechend der IEC 63171-2 für die Umgebung IP20 und der IEC 63171-5 in M8- und M12-Ausführungen für die Umgebung IP67 entwickelt und erweitert das Produktportfolio kontinuierlich. Mit dem Fokus auf Querschnitte im Bereich AWG 26 bis AWG 22 sind besonders anwenderfreundliche Steckverbinder bereits verfügbar, die sowohl als Patch-Kabel aber auch als frei konfektionierbare Varianten realisiert werden. Die Steckverbinder erfüllen alle Anforderungen an Impedanz, Spannungsfestigkeit, Rückfluss- und Kopplungsdämpfung, die in einer Industrieumgebung gefragt sind. Das Steckgesicht kann aufgrund seiner HF-Performance auch applikationsunabhängig vom Arbeitsplatz über Rechenzentren und Industrieverkabelung bis zur Cloud genutzt werden. Ein robuster Verriegelungsmechanismus soll eine uneingeschränkte Industrietauglichkeit auch bei IP20-Varianten garantieren, die Ausziehkraft beträgt mindestens 50 N. Durch die Doppelkontaktierung des Steckverbinders werden auch bestehende Ansprüche an Schock- und Vibrationsfestigkeit erfüllt.

Der sehr kompakte IP20-Steckverbinder ist mit einem Rastermaß von 7,62 Millimn nur halb so groß wie ein RJ45-Verbinder. Somit können in der Baugröße eines RJ45-Leiterplattenverbinders zwei Single-Pair-Ethernet-Ports verbaut werden, was die Portdichte auf den Geräten verdoppelt. Betrachtet man das Volumen der Geräteschnittstelle, wird nur noch ein Volumen von etwa 20 Prozent im Vergleich zu einem RJ45 benötigt. Damit stehen deutlich kompaktere IP20-Geräteschnittstellen für Single Pair Ethernet zur Verfügung, die wiederum entsprechend kompaktere Geräte ermöglichen.

Die IP20- und IP65/67-Steckverbinder der Normen nach IEC63171-2 und -5 haben ein einheitliches Steckgesicht. Ein IP20-Patchkabel der -2 passt ohne Adapter in einen M8- oder M12-Anschluss, der in der -5 beschrieben ist. Das reduziert die Komplexität für den Anwender und erleichtert Service- und Installationsarbeiten. Die robusten feldkonfektionierbaren IP20-Steckverbinder lassen sich dank IDC-Anschluss sehr einfach konfektionieren – auch direkt im Anlagenfeld.

Durch die Verwendung von standardisierten M8- und M12-Gehäuseverschraubungen lassen sich auch bestehende Gehäusekonturen weiternutzen und der Design-In Prozess wird deutlich vereinfacht. Das erleichtert den Wechsel von bisherigen Ethernet- beziehungsweise Bussystemen. Die Steckverbinder eignen sich für Datenübertragungsraten bis in den Gigabit-Bereich und decken auch Anforderungen zukünftiger SPE-Standards ab. Damit möchte der Hersteller Phoenix Contact starke Impulse für den Einsatz von SPE in Industrie-4.0-Umgebungen und vielen weiteren Applikationsfeldern setzen.