Von der Fabrik bis zum Auto: Single Pair Ethernet und industrielle Automatisierung
Die Single Pair Ethernet (SPE)-Technologie mag durch die Ermöglichung vernetzter Fahrzeuge an Bedeutung gewonnen haben, wird aber jetzt eingesetzt, um die Industrial Ethernet-Kommunikation auf Feldgeräte in der Fabrikhalle auszuweiten.
Während bei Standard-Ethernet zwei oder vier Adernpaare verwendet werden, wird bei SPE ein einzelnes verdrilltes Kabelpaar verwendet.
Frühe SPE-Projekte wie IEEE 802.3bw für 100 Mb/s (veröffentlicht in 2015) und IEEE 802.3bp für 1 Gb/s (veröffentlicht in 2016), konzentrierten sich auf die Automobilindustrie und ihren Bedarf an platzsparender, leichter und kostengünstiger Ethernet-Verkabelung zur Datenübertragung von Wireless-Sensornetzwerken in neuen Fahrzeugen.
Jüngste Single-Pair-Ethernet-Standardisierungsprojekte konzentrierten sich auf industrielle Anforderungen, aber es gibt andere Industriesektoren, die andere Anforderungen haben.
Langsamer, aber stetiger SPE-Fortschritt
Während IEEE 802.3bp im Jahr 2016 veröffentlicht wurde und ein Segment mit einer Reichweite von bis zu 40 m vorsah, um Branchen außerhalb der Automobilindustrie zu unterstützen, wie z. B. die diskrete Fertigung und andere Arten des Transportwesens, konzentrierten sich die Chiphersteller weiterhin auf die Automobilindustrie, da dort die Nachfrage am größten war.
Industrielle Umgebungen mögen für SPE damals nicht im Vordergrund gestanden haben, aber der Fortschritt ging weiter.
So wurde beispielsweise 2019 IEEE 802.3cg für 10 Mb/s veröffentlicht, das ein geschirmtes 1.000-m-Segment (10BASE-T1L) für die Prozessindustrie enthält. (Dazu gehörte auch ein ungeschirmtes 15-m-Automobilsegment [10BASE-T1S].)
Durch die Definition von zwei Signalpegeln ermöglicht 10BASE-T1L den Einsatz von Ethernet in explosionsgefährdeten Bereichen und bildet damit eine geeignete Basis für Ethernet Advanced Physical Layer (Ethernet-APL), das 2021 speziell für die Anforderungen der Prozessindustrie entwickelt wurde.
Die Kombination aus der Segmentlänge von 1.000 m und der Bandbreite von 10 Mb/s sowie der Stromversorgung über die durch Ethernet-APL definierte Datenleitung überbrückt die Entfernung zwischen den Instrumenten (z. B. zwischen Sensoren und einem Aggregationspunkt oder Kontrollraum) und überträgt Daten mit einer höheren Bandbreite als herkömmliche Feldbusse. Dies ermöglicht Funktionen wie die vorausschauende Wartung.
Das laufende Projekt IEEE 802.3dg 100 Mb/s, das voraussichtlich im Jahr 2025 abgeschlossen sein wird, wird auch von Anwendungen außerhalb der Automobilindustrie vorangetrieben. Für die Prozessindustrie ist beispielsweise ein 500-m-Segment mit 100 Mb/s eine gute Ergänzung zu 10BASE-T1L für Geräte mit hohem Bandbreitenbedarf.
Für die diskrete Fertigung, die sich traditionell auf 100 Mb/s konzentriert, würde ein 100-m-Segment ausreichen, um eine Alternative zu bestehenden Multi-Pair-Ethernet-Lösungen zu bieten.
Wie sich die Netzwerkanforderungen für die industrielle Automatisierung unterscheiden
Neben den unterschiedlichen Bereichen unterscheiden sich die Anforderungen der Prozess- und Transportindustrie auch in einem weiteren Punkt: der zulässigen Latenz.
Die Latenz muss gering sein, insbesondere für Motion-Control-Anwendungen in der diskreten Fertigung. Diese Anforderung hat einen Einfluss auf die wesentliche Spezifikation in IEEE 802.3dg, ob FEC (Forward Error Correction) bereitgestellt werden kann, um die erforderliche Bitfehlerrate gemäß der Definition für 10BASE-T1L zu erreichen.
FEC ist für die Prozessautomatisierung notwendig, da eine ausreichende Übertragungsqualität über eine Distanz von 500 m aufgrund elektromagnetischer Störungen nicht gewährleistet werden kann. Da es jedoch die Latenz erhöht, sollte es in der diskreten Fertigung vermieden werden. Dies ist möglich, indem der Abstand auf 100 m reduziert und eine geeignete Kodierungsmethode gewählt wird.
Ob FEC als optionales Feature spezifiziert wird, oder ob es zwei Segmentdefinitionen geben wird, ist noch nicht bekannt. Sicher ist jedoch die Diversifizierung nach Sektoren.
SPE in der Prozessindustrie
Ethernet APL ermöglicht die Entwicklung und den Marktzugang von Endgeräten – von Instrumenten bis hin zu Switches. Die Kabelanforderungen für neue und bestehende Verkabelungen werden über IEC 61156 mit Durchmessern von 26 AWG bis 14 AWG festgelegt. Kabel mit Durchmessern zwischen 18 AWG und 14 AWG sind in erster Linie für die Implementierung der Leitung (Anschluss von APL-Feldswitches an APL-Stromswitches) vorgesehen.
Ethernet-APL enthält auch Spezifikationen für Steckverbinder sowie Schraub- und Klemmanschlüsse. Entsprechende Spezifikationen können für das 100 Mb/s-Segment aus IEEE 802.3dg übernommen bzw. angepasst werden.
SPE in der hybriden Fertigung
Ethernet-APL verbindet die Kommunikationsanforderungen der Prozessindustrie mit den Herausforderungen explosionsgefährdeter Umgebungen.
In nicht explosionsgefährdeten Umgebungen, wie z. B. in der Lebensmittel- und Getränkeherstellung, gelten keine Anforderungen an die Eigensicherheit. Dadurch kann PoDL (Power over Data Line) in der durch IEEE 802.3cg spezifizierten Form (auch als SPoE oder Single Pair Power over Ethernet bezeichnet) verwendet werden.
Je nach Stromverbrauch und SPoE-Klasse des angeschlossenen Gerätes sind für längere Strecken Leitungsdurchmesser von bis zu 16 AWG erforderlich.
SPoE ist gemäß IEEE 802.3cg aufgrund seiner Bezugnahme auf maximale Schleifenwiderstände direkt auf das 100-Mb/s-Segment von IEEE 802.3dg anwendbar.
SPE in der diskreten Fertigung
Für die Anbindung von Sensoren und Aktoren stellt das 10 Mb/s-Segment von IEEE 802.3cg eine Alternative zu IO-Link dar.
Es liegt an Ihnen, zu entscheiden, was für Ihre Anwendung am besten geeignet ist, indem Sie die Vorteile von SPE (Reichweite von Ethernet zum Sensor, Bandbreite usw.) und IO-Link (ungeschirmte Kabel, geringere Anschaffungskosten usw.) vergleichen.
Mit dem 100 Mb/s-Segment ab IEEE 802.3dg bildet SPE unter der Annahme der Realisierung einer akzeptablen Latenz eine Alternative zu Multi-Pair Ethernet im Industrial Ethernet.
SPE in industriellen Umgebungen
Belden hilft dabei, Industrieumgebungen mit Single Pair Ethernet zu verbinden, damit Anlagen von den Vorteilen der Automatisierung profitieren können, die diese Technologie bietet.
Unser SPE-Portfolio optimiert Ethernet-Verbindungen in industriellen Betrieben. Während SPE weiter den Markt durchdringt und an Dynamik gewinnt, werden wir Sie auf dem Laufenden halten.
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Über den Autor
Lukas Bechtel ist seit 2012 Jahren bei Belden und war in unserem CTO-Büro zunächst als Testautomatisierungsingenieur und dann als Technologiearchitekt tätig. Er ist außerdem Fakultätsmitglied und Forscher an der Hochschule Esslingen, wo er Studenten über IT- und Netzwerksicherheit und industrielle Netzwerke unterrichtet und Bereiche wie Industrie 4.0, Wireless- und industrielle Kommunikation sowie Sicherheit studiert.