Chancen und Herausforderungen des neuen Standards

SPE: Die Zukunft des IIoT?

Im industriellen Internet der Dinge gibt es bisher einen Systembruch: Während in der Leit- und der Steuerungsebene der Automatisierungspyramide Ethernet als Kommunikationsstandard schon lange etabliert ist, dominieren in der Feldebene andere Standards. Dort, wo Sensoren und Aktoren vernetzt werden, herrschen Feldbus-Systeme. Damit die Versprechen von Industrie 4.0 aber Wirklichkeit werden können, ist eine nahtlose Kommunikation über alle Ebenen hinweg unumgänglich. Dazu braucht es auf der Feldebene eine neue Infrastruktur.
Abb. 1: Single Pair Ethernet ermöglicht durchgängige Ethernet-Kommunikation – Bild: U.I. Lapp GmbH

Die Industrie hat dazu einen neuen Standard geschaffen: Single Pair Ethernet (SPE). SPE-Leitungen haben nur noch ein verdrilltes Adernpaar, normalerweise haben Ethernet-Leitungen zwei oder gar vier Aderpaare. SPE gelingt damit die Quadratur des Kreises: Es ist annähernd so leistungsfähig wie Multi Pair Ethernet, erlaubt jedoch viel größere Distanzen, ist kompakter und erfordert weniger Aufwand bei der Installation. Für die Anwender bringt das viele Vorteile, allerdings müssen sie einige Aspekte bereits jetzt beachten. Denn die Normung für SPE ist weit gediehen, und es gibt erste Produkte auf dem Markt. Für Betriebe ist es deshalb gut ratsam, SPE bereits jetzt in ihre Planungen einzubeziehen.

Normung weit gediehen, aber nicht abgeschlossen

Damit sich eine Technologie breit am Markt etablieren kann, sind Normen notwendig. So kann sich der Kunde darauf verlassen, dass alle Komponenten miteinander funktionieren, egal von welchem Hersteller sie stammen. Bei den Feldbussen ist dies meist nur innerhalb eines Systems der Fall. Dort gibt es mehr als ein Dutzend unterschiedliche Systeme, die nicht ohne weiteres kompatibel sind. Die Mitglieder des SPE Industrial Partner Network sind sich einig, dass das bei SPE nicht passieren soll. Sie arbeiten daher derzeit an System- und Komponenten-Standardisierung. Während die Normung bei den Systemeigenschaften abgeschlossen ist, gibt es bei den Komponenten, besonders bei den Steckverbindern, noch Beratungen.

Es wurden im Wesentlichen vier Leistungsklassen mit unterschiedlicher Datenrate und Link-Länge (Gesamtleitungslänge zwischen zwei aktiven Geräten inklusive maximal vier Steckverbindungen) definiert. Bei den Link-Längen wird nach ungeschirmten und geschirmten Leitungen differenziert. Für die Industrieanwendungen sind überwiegend die geschirmten relevant, da sie höhere Leitungslängen sowie den notwendigen Schutz gegen elektromagnetische Störungen ermöglichen (Abb. 2).

Game Changer in der Vernetzung?

SPE erleichtert die Vernetzung von Sensoren und Aktoren auf der Feldebene. Die dünneren Leitungen sparen Platz, außerdem lassen sie sich in engeren Biegeradien verlegen. Da die Zahl der Komponenten, die auf der Feldebene vernetzt werden, rasant ansteigt, rücken die Montagezeiten vermehrt in den Fokus der Anwender. Weil der Monteur bei SPE statt acht Adern nur noch zwei anschließen muss, kann er damit Arbeitszeit sparen und der Betrieb spürbar seine Arbeitskosten senken. Die Dauer für die Inbetriebnahme von Maschinen und Anlagen kann ebenfalls reduziert werden, weil weniger Probleme durch Anschlussfehler oder schlechte Kontaktierung entstehen. Hinzu kommt, dass an den bisherigen Systemgrenzen zwischen Leit- und Steuerungsebene zur Feldebene heute Übersetzer und Gateways zum Einsatz kommen, die eine Verbindung zur Feldebene herstellen. Mit SPE fallen diese weg, es versorgt eine Vielzahl von Feldkomponenten platzsparend und kostengünstig. Des Weiteren benötigt SPE weniger passive Bauelemente für die Ethernet Schnittstelle, wodurch sich die Fläche auf der Leiterplatte der Geräte auf nur noch ein Viertel reduziert. Künftige Switches werden also deutlich kompakter, was Platz an der Maschine und im Schaltschrank spart und letztlich Produktionsanlagen verschlankt. Ein großer Pluspunkt von SPE ist die größere Leitungslänge von bis zu 1.000m. Das ist das Zehnfache der Distanz, die bisherige Ethernet-Leitungen überbrücken können. Damit wird industrielles Ethernet auch für Betriebe interessant, die ausgedehnte Anlagen betreiben, z.B. in der chemischen Industrie, wo eine einzelne Prozesslinie mehrere Fußballfelder abdecken kann. Bisher wurden Sensoren oder Aktoren dort über langsame analoge Leitungen oder über Funk angebunden, wobei aber der Reichweite und der Störfestigkeit Grenzen gesetzt sind, zudem braucht es bei Funk immer noch ein Kabel zur Stromversorgung. SPE vereint alles in einem: Hohe Zuverlässigkeit der Verbindung und Geschwindigkeit über große Distanzen. Gleichzeitig stellt PoDL (Power over Dataline) die Stromversorgung über das gleiche Kabel sicher.

Abb. 2: Übersicht der IEEE-Normen für Single Pair Ethernet – Bild: U.I. Lapp GmbH

In letzter Zeit ist im Zusammenhang von Fabriken viel von Funktechnologien die Rede, vor allem von 5G. Tatsächlich haben Wireless-Technologien Vorteile, wenn es um die Datenkommunikation in smarten Fabriken geht, vor allem dort, wo häufig wechselnde und mobile Anlagen zum Einsatz kommen und wo größere Distanzen überbrückt werden müssen. Funktechnologien haben aber auch Nachteile: Sie übertragen keine elektrische Energie, es braucht also immer noch Leitungen zur Stromversorgung und in dicht gepackten Anlagen gibt es Funkschatten ohne Empfang. SPE kennt diese Einschränkungen nicht. Die dünnen Leitungen kommen in noch so enge Lücken und bringen die Stromversorgung gleich mit. Mit 1.000m Leitungslänge bietet SPE auch spezielle Standards für Langstreckenfunk Paroli. Und der Anwender hat die Garantie, dass alle Daten immer und vollständig dort ankommen, egal welche Störungen es gibt. SPE verleiht dem Kupferkabel neue Möglichkeiten, es macht sowohl Funkstandards als auch der Glasfaser Konkurrenz, welche heute zur Überbrückung höherer Distanzen genutzt wird.

Klar ist aber auch: SPE ist nicht die Lösung für alles, es wird die etablierten Standards für Industrial Ethernet mit vier Aderpaaren nicht überflüssig machen. Die haben nach wie vor ihre Daseinsberechtigung in der Leit- und Steuerungsebene der Automatisierungspyramide, wo es auf hohe Datenübertragungsraten und eine Steckkompatibilität zur Office-IT ankommt. ‚One fits all‘ funktioniert auch hier nicht. SPE lässt sich nicht an Geräte mit herkömmlicher Ethernet-Schnittstelle wie PCs oder Server anschließen. Auch erlaubt Power over Ethernet in Multi-Pair-Ethernet-Leitungen mit 95W etwas höhere Leistungen als die 50W bei SPE. Hinzu kommt der Vorteil, dass Multi-Pair-Leitungen Autonegotiation beherrschen. Damit können zwei miteinander verbundene Ethernet-Netzwerkports selbstständig die maximale Übertragungsgeschwindigkeit aushandeln. Aktuell ist dies mit SPE nur möglich, wenn alle Chips vom gleichen Hersteller kommen. Eine anwenderfreundliche Standardisierung ist bereits angedacht, womit diese Funktion dann auch herstellerübergreifend zur Verfügung steht.

Das komplette Whitepaper finden Sie unter dem Link.

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