Normiert in die Zukunft mit SPE

Quo vadis Ethernet?

Die technologischen Vorteile einer reduzierten Verkabelung treten immer deutlicher zu Tage. Sein Potenzial kann das Single Pair Ethernet (SPE) aber nur als herstellerunabhängiger und normierter Teil einer neuen Netzwerkarchitektur ausschöpfen. Gemeinsam mit Marktbegleitern treibt Phoenix Contact die Entwicklung und Standardisierung von geschützten und ungeschützten Steckgesichtern voran.
Aspekte der industriellen Vernetzung: Auch SPE wird künftig eine wichtige Rolle spielen.
Aspekte der industriellen Vernetzung: Auch SPE wird künftig eine wichtige Rolle spielen.Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH

Mit den Trends ist es manchmal so eine Sache. Jeder hat schon davon gehört, viele reden darüber, aber kaum einer weiß wirklich Bescheid. Das gilt auch für das Single Pair Ethernet (SPE). Dessen Vorteile liegen sprichwörtlich auf der Hand und sind bereits vielfach kommuniziert worden: weniger Rohstoffeinsatz bei den Kupferadern, geringeres Gewicht in der Handhabung, kompaktere Kabeltrassen in der Gebäude- und Anlagenverkabelung. All das sind unbestreitbar echte Vorteile – gegenüber dem achtadrigen Ethernet oder der Feldbusverkabelung. Aber in welchen Szenarien kommen diese Vorteile zum Tragen? Was ist wirklich erforderlich, damit SPE zur DNA des Industrial Internet of Things (IIoT) werden kann?

Zukunft der industriellen Kommunikation

Das IIoT ist die Vision einer vollständig vernetzten industriellen Produktion. Alles ist mit Allem verbunden und tauscht fleißig Daten aus: Menschen mit Maschinen; Maschinen mit Roh-, Zwischen- und Endprodukten; Endprodukte mit anderen Endprodukten. Und das alles quer über Branchen und Anwendungsbereiche hinweg. Dabei wird schnell klar, dass nicht nur die Anzahl der Teilnehmer in diesem industriellen Netz der Dinge potenziell unendlich ist. Auch die relevanten Datenmengen wachsen in kaum vorstellbare Dimensionen hinein. Nahezu unendlich viele Teilnehmer und unendlich viele Daten – da könnte man auch an ein Chaos babylonischen Ausmaßes denken. Man stelle sich nur eine riesige ‚Talkrunde‘ vor, in der jeder einzelne Mensch auf der Erde gleichzeitig in seiner Sprache versuchen würde, sich allen anderen Zeitgenossen mitzuteilen. Undenkbar ohne eine gemeinsame Sprache, ohne gemeinsames Regelwerk und ohne genau definierte Ordnung, wer wann wie lange und mit wem spricht. Das Industrial Internet of Things kennt jedoch eine derartige Ordnung: das Ethernet-Protokoll. Als Kommunikationsprotokoll für den Datenaustausch definiert es exakt die oben genannten Rahmenbedingungen. Bereits seit den 1970er Jahren ist das Ethernet zur firmeninternen und lokal begrenzten Übertragung von Datenpaketen in kabelgebundenen Computernetzwerken (LAN – Local Area Network) etabliert. Bisher drang es jedoch nicht in die letzte Feldebene vor. Vor diesem Hintergrund wurden die bestehende Feldverkabelung, die Geräteschnittstellen sowie die Geräte selbst hardwareseitig für die Feldbus-Kommunikation ausgelegt.

SPE ist heute richtungsweisend

Es zeigt sich also deutlich, dass es sich beim Single Pair Ethernet noch um eine Zukunftsvision handelt – aber auch beim Konzept des IIoT steht das Visionäre ja noch im Vordergrund. Die kommenden drei bis fünf Jahre werden allerdings richtungsweisend für beide Visionen sein. Und in der Tat bedingen sich beide gegenseitig. Denn das Single Pair Ethernet umfasst, wie aufgezeigt, nicht nur das softwareseitige Kommunikationsprotokoll, sondern auch dessen physikalische Übertragungswege – den so genannten Physical Layer. Ähnliche Definitionen werden nicht nur für das Single Pair Ethernet erarbeitet, sondern auch für andere Anwendungen wie beispielsweise die Funkübertragung (5G), die Datenübertragung in der Prozessindustrie und im Großanlagenbau (APL – advanced physical layer) oder Echtzeitkommunikation (TSN – time sensitive networking). Damit wird schon heute der Grundstein für eine ganz neue Netzwerkarchitektur gelegt.

 Einpaarige und vierpaarige MICE-Schnittstellen werden für IP20- und IP6x-Anwendungen konzipiert.
Einpaarige und vierpaarige MICE-Schnittstellen werden für IP20- und IP6x-Anwendungen konzipiert.Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH

Erst die Normierung schafft Sicherheit

Ausgangspunkt für die aktuell entwickelten SPE-Normen ist der offene BroadR-Reach-Standard von 2011. Ursprünglich von der Broadcom Corporation entwickelt und an Teilnehmer der Open Alliance SIG lizensiert, beschreibt der Standard physikalische Schnittstellen und Übertragungsmedien in Automobilanwendungen. Im Kern geht es dabei um die Datenübertragung über ein einziges, verdrilltes Aderpaar. Hier liegt also die eigentliche Geburtsstunde des Single Pair Ethernet – wenn auch noch nicht unter diesem Namen. Die IEEE 802.3 hat bezüglich der Normierung der Steckverbinder für das Single Pair Ethernet der ISO/IEC JTC 1/SC 25 WG 3 einen Arbeitsauftrag erteilt, um entsprechende Steckverbinder vorzuschlagen und zu standardisieren. Dabei kommt es darauf an, die entsprechenden MICE-Klassen für die unterschiedlichen Applikationen in Büro- und Industrieumgebung zu berücksichtigen. MICE beschreibt die mechanischen Eigenschaften, die Dichtigkeitseigenschaften, die klimatischen Eigenschaften und die elektromagnetischen Eigenschaften der Steckverbinder und Kabel (MICE-Klassen: Mechanical, Ingress, Climatic, Electromagnetic). Seit 2017 wurden dann in der Normenreihe IEC63171 neue Normen zusammengefasst, die physikalische Schnittstellen für unterschiedliche IP-Schutzarten und damit unterschiedliche Einsatzbereiche in der industriellen und semi-industriellen Automatisierung beschreiben. Die IEC63171 umfasst eine Basisnorm, die alle Steckverbinder erfüllen müssen. Darunter gliedert sich die Norm in aktuell sechs Standardisierungsvarianten mit unterschiedlichen Steckverbindern, die allesamt für das Single Pair Ethernet geeignet und zugelassen sind. Keiner dieser Standards wurde bereits veröffentlicht. Daher kann in Bezug auf deren Definitionsrahmen – die physikalischen Übertragungswege – derzeit auch noch nicht von einem Standard gesprochen werden. Eine Empfehlung der IEEE für zwei dieser Standards in Kombination mit dem entsprechenden Einsatzgebiet – Gebäude- und industrielle Verkabelung – wurde jüngst wieder revidiert. Erst mit Prüfung und Veröffentlichung der endgültigen Norm sowie der breiten Akzeptanz am Markt kann sich hier ein Standard etablieren.

 Neue Kommunikationsstandards sind die Basis für die durchgängige Vernetzung vom Sensor über die Maschine und übergeordnete 
Systeme bis in die Cloud hinein.
Neue Kommunikationsstandards sind die Basis für die durchgängige Vernetzung vom Sensor über die Maschine und übergeordnete Systeme bis in die Cloud hinein.Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH

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