Von der Fabrik bis zum Auto: Single Pair Ethernet und industrielle Automatisierung

Single Pair Ethernet (SPE) technology may have gained traction by enabling connected cars, but it’s now being used to extend Industrial Ethernet communications to field-level devices on the plant floor.

While standard Ethernet uses two or four pairs of wires, SPE uses a single twisted pair of wires.

Early SPE projects, such as IEEE 802.3bw for 100 Mb/s (published in 2015) and IEEE 802.3bp for 1 Gb/s (published in 2016), were focused on the automotive industry and its need for space-saving, lightweight and cost-effective Ethernet cabling to transmit data from wireless sensor networks in new vehicles.

Recent Single Pair Ethernet standardization projects have focused on industrial requirements, but there other industrial sectors have different requirements.  

Slow But Steady SPE Progress

While IEEE 802.3bp was released in 2016 and included a segment with a reach up to 40m to support industries beyond automotive, such as discrete manufacturing and other types of transportation, chip manufacturers continued to focus their efforts on the automotive industry since demand was the highest there.

Industrial environments may not have been top of mind for SPE at the time, but progress still continued.

For example, IEEE 802.3cg for 10 Mb/s was published in 2019, featuring a shielded 1,000 m segment (10BASE-T1L) for the process industry. (It also included an unshielded 15 m automotive segment [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 , dessen Abschluss für 2025 erwartet wird, wird auch von Anwendungen jenseits des Automobilbereichs 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 Einfluss auf die wesentliche Spezifikation in IEEE 802.3dg, ob FEC (Vorwärtsfehlerkorrektur) 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 Markteinführung von Endgeräten— von Instrumenten bis zu Schaltern. 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 von IEEE 802.3cg spezifizierten Form (auch als SPoE oder Single Pair Power over Ethernet bezeichnet) verwendet werden.

Abhängig vom angeschlossenen Gerät’ Aufgrund der Leistungsaufnahme und der SPoE-Klasse sind für größere Entfernungen Kabeldurchmesser von bis zu 16 AWG erforderlich.

SPoE gemäß IEEE 802.3cg ist aufgrund der Bezugnahme auf maximale Schleifenwiderstände direkt auf das 100 Mb/s-Segment aus IEEE 802.3dg anwendbar.

SPE in der diskreten Fertigung

Für die Anbindung von Sensoren und Aktoren stellt das 10 Mb/s-Segment der IEEE 802.3cg eine Alternative dar IO-Link.

Es’ Sie müssen anhand eines Vergleichs der Vorteile von SPE (Reichweite zwischen Ethernet und Sensor, Bandbreite usw.) und IO-Link (ungeschirmte Kabel, geringere Anschaffungskosten usw.) entscheiden, was für Ihre Anwendung am besten geeignet ist.

Mit dem 100 Mb/s-Segment aus IEEE 802.3dg bildet SPE, die Realisierung akzeptabler Latenzzeiten vorausgesetzt, eine Alternative zu Multi-Pair-Ethernet im Industrial Ethernet.

SPE in industriellen Umgebungen

Belden unterstützt die Anbindung industrieller Umgebungen an Single Pair Ethernet, sodass Anlagen von der Vorteile der Automatisierung Es bietet.

Unser SPE-Portfolio optimiert Ethernet-Verbindungen in industriellen Betrieben. Da SPE den Markt immer stärker durchdringt und an Dynamik gewinnt,’ Wir halten Sie weiterhin auf dem Laufenden.

Erfahren Sie mehr über Single Pair Ethernet.

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