Single Pair Ethernet (SPE) gehört zu den Trends der Automatisierungstechnik in den kommenden Jahren. Die Vorteile die sich durch den Einsatz eines einfachen verdrillten Kabels als Kommunikationsmedium ergeben, bieten erhebliches Potenzial zur Kostenreduzierung und zur Platzeinsparung. Auch die Möglichkeit bereits installierte Busleitungen weiter zu verwenden, bietet die Chance zu Modernisierung und Upgrade bestehender Anlagen und Maschinen, um Funktionen wie die Zustandsüberwachung und vorausschauende Instandhaltung zu integrieren.
Der Standard
Ursprünglich entwickelt für den Automobilbereich, um Ethernet als Bordnetz in Fahrzeuge zu bringen, wird SPE oder T1-Ethernet inzwischen großes Potenzial für die Vernetzung von Sensoren und Aktoren in der Industrie- und Gebäudeautomatisierung zugesprochen. Neben der Reduzierung der Verkabelung, bietet die SPE-Technologie die Möglichkeit, eine vollständig IP-basierte transparente Kommunikationsstrecke vom Sensor bis in die Cloud aufzubauen. Proprietäre Bussysteme und Übertragungstechnologien und die damit erforderlichen Gateways sind in zukünftigen IIoT-Anwendungen somit obsolet. Für den Anwender ändert sich durch die Kompatibilität zum klassischen Ethernet auf Protokolllevel bis auf die reduzierte Verkabelung kaum etwas.
Durch die IEEE werden unterschiedliche Single-Pair-Ethernet-Varianten spezifiziert. Diese unterscheiden sich für den Anwender hauptsächlich in der zur Verfügung stehenden Datenübertragungsrate und der maximalen Leitungslänge. Ein entscheidender Vorteil, der häufig aufgeführt wird ist, dass für die Datenübertragung ein ungeschirmtes 1-paariges Twisted-Pair-Kabel ausreichend ist, mit dem sich Daten über eine Entfernung von mindestens 15m mit 100MBit/s übertragen lassen (IEEE 802.3bw 100Base-T1). Ein einfaches Kabel bietet die großen Vorzüge, dass es günstiger ist und sich durch den kleineren Durchmesser und Biegeradius einfach verlegen lässt.
Störfeuer auf das Netzwerk
In industriellen Anwendungen treten jedoch naturgemäß Störfaktoren auf, die das Netzwerk und die Kommunikation negativ beeinflussen und erheblichen Einfluss auf die Zuverlässigkeit, Übertragungsqualität und -sicherheit haben können. Vor allem an den Anschlusspunkten, an denen Steckverbinder, Kabel und Geräte aufeinandertreffen, ist das Risiko von Störungen durch Vibrationen, Schmutz, Feuchtigkeit sowie durch äußere elektromagnetische Einflüsse hoch. Genau an diesem Punkt unterscheiden sich die Anwendungsfälle in der Industrie von denen im Automobilbereich. Währende beim Einsatz von SPE als Bordnetz ein klar definiertes gekapseltes System vorliegt, in dem alle Komponenten aufeinander abgestimmt sind und elektromagnetische Störungen kaum eine Rolle spielen, sieht es in der Industrie vollkommen anders aus.
Bei ungeschirmten Kabeln stellen insbesondere die externen EMV-Einflüsse ein potenzielles Problem dar. Durch gestrahlte oder leitungsgeführte Störungen kann es zu Datenverlusten oder im schlimmsten Fall zur Beschädigung oder Zerstörung von Komponenten kommen. Bei klassischen Industrial-Ethernet-Applikationen werden diese Störungen über den Schirm des vierpaarigen Twisted-Pair-Kabels abgeführt.
Beim Einsatz von SPE gilt es also in jedem Fall zu prüfen, ob und welche Störungen in der jeweiligen Anwendung auftreten können und ob diese zu Problemen führen können. Insbesondere bei einem Technologiewechsel und der Migration von Industrial Ethernet zu Industrial Single Pair Ethernet gilt es mehr denn je, robuste und zuverlässigen Komponenten einzusetzen. SPE-Switches stellen einen integralen Bestandteil jeder modernen Kommunikationsstrecke dar, und auch bei neuen Installationen wird das Thema Dezentralisierung und die damit einhergehenden Anforderung an eine hohe Schutzart eine große Rolle spielen.
Robust ins Feld
Terz hat jetzt mit dem T1-XS einen unmanaged SPE/T1 Industrial Ethernet Switch in Schutzart IP65/67 im Programm. Mit diesem Switch ist eine schaltschranklose Vernetzung direkt im Feld mit nur einem Adernpaar möglich. Der neue Switch mit vibrationssicherer M12-Anschlusstechnik auf fünf Ports wurde speziell für den Einsatz in rauen industriellen Umgebungen außerhalb des Schaltschranks mit einem erweiterten Temperaturbereich von -40 bis +70°C designt und entwickelt. Das robuste IP65/67-Metallgehäuse ist staubdicht und schützt gegen das Eindringen von Wasser.
Der Standard IEC63171 definiert Steckverbinder für SPE-Kabel und -Geräte. Dabei werden sowohl die Varianten für den Schaltschrank mit geringer Schutzart (IP20) als auch Feldgeräte mit hoher Schutzart (IP65/67) definiert. Im Gegensatz zum Standard kommen in aktuellen Terz-Switches standardisierte M12 D-kodierte Steckverbinder, die sich im Markt für die Ethernet-Kommunikation etabliert haben und flächendeckend verfügbar sind, zum Einsatz. Für die physikalische Datenübertragung entstehen hierdurch keinerlei Nachteile. Für die Datenübertragung werden nur zwei der vier vorhandenen Kontakte verwendet. In Zukunft wird es auf die Zielmärkte zugeschnittene Lösung mit weiteren Anschlussmöglichkeiten geben. Die Daten werden über einen X-kodierten M12-Uplink-Anschluss mit Gigabitgeschwindigkeit weitergeleitet. Durch die hohe Bandbreite auf dem Uplink-Port besteht ausreichend Reserve für moderne Kameras und Sensoren der nächsten Generation. Alle Ports bieten dabei auch die Möglichkeit für den Anschluss eines vollgeschirmten Kabels, um auch den EMV-Anforderungen in der Industrie gerecht zu werden.
Gute Aussichten
SPE bietet ohne Frage viel Potenzial, die Kommunikationslandschaft in der Automatisierungstechnik in den kommenden Jahren entscheidend mitzugestalten. Der Aspekt, bestehende Standard-Industrial-Ethernet-Anwendungen zu ersetzen, ist dabei viel weniger ausschlaggebend als die Erschließung völlig neuer Anwendungsfelder und die Eroberung der Feldebene. Welche Anforderungen abseits der IEEE zum Tragen kommen, wird sich in den kommenden Monaten entscheiden. Mit den heute am Markt erhältlichen Komponenten lassen sich aber bereits erste Applikationen und Anwendungen realisieren.
