Lütze
Aus vier mach eins
Intelligente, digital vernetzte Systeme sind Kennzeichen der Industrie 4.0. Deren weitgehend selbstorganisierte Produktion beruht auf einer ständigen Interaktion zwischen Menschen und Maschinen. Eine gute Basis dafür ist Single Pair Ethernet.
Für die Automatisierungsbranche bedeutet die sich selbst regulierende Fabrik, dass die unterschiedlichen Schnittstellen in Echtzeit interagieren müssen. Die Verschmelzung der physischen und digitalen Welt erfolgt überwiegend durch die Digitalisierung der Produktion und erfordert einen hohen Vernetzungsgrad. Da das produzierte Datenvolumen im Zuge von Industrie 4.0 aktuell sehr stark wächst, spielt die Übertragung immer größerer Datenvolumen mit immer höheren Übertragungsraten eine besonders wichtige Rolle.
Dieser ‚Vernetzungsboom‘ ist die Grundlage für den extrem schnellen Zuwachs von Industrial Ethernet. Allein in den letzten vier Jahren ist der Marktanteil der Ethernet-Knoten für industrielle Anwendungen um mehr als 50 % gestiegen. Diese neu erstellten Netze ermöglichen Datenraten von bis zu 10 Gbit Ethernet über Distanzen bis zu 100 m. Allerdings geht dieses Wachstum zu Lasten von Feldbus-Technologien wie Interbus, Devicenet oder Profibus. 2018 überholte Industrial Ethernet die traditionellen Feldbusse bezüglich der neu installierten Knoten in der Fabrikautomation, 2019 wiesen Feldbusse zum ersten Mal ein negatives Wachstum auf.
Aber: Bis dato war Ethernet mit den bisherigen Technologien nicht in der Lage, in alle Anwendungsbereiche der Feldbus-Technologie vorzudringen – sei es die Prozesstechnik mit Distanzen bis zu 1 km, sei es die Übermittlung einfacher Statusmeldungen im Bereich kurzer Distanzen, zum Beispiel innerhalb eines Schaltschrankes. Für den erstgenannten Anwendungsfall fehlte die Technologie, der zweite Fall ließ sich zwar technisch, nicht aber wirtschaftlich realisieren.
Doch der Trend hin zu kompakten Geräten mit Echtzeit-Übertragung setzt sich über die Jahre mehr und mehr durch, auch das Argument der Platzersparnis gewinnt weiter an Bedeutung. Die Tendenz zur Miniaturisierung hat zur Folge, dass immer kleinere Volumina für die Netzwerk-Technik und die verwendeten Kabel zur Verfügung stehen. Zeitgleich steigt die Anforderung an die möglichen Datenübertragungsraten. Eine Antwort auf diese Anforderungen liefert Single Pair Ethernet, kurz SPE.
Industrial-Ethernet-Leitungen
Um die Anwendungen und Vorteile der auf ein einziges Aderpaar reduzierten Datenverkabelung zu verstehen, ist ein Blick in die Geschichte des Ethernets und der industriellen Automatisierung hilfreich: In den 80er-Jahren entwickelte sich die Feldbus-Technik. Die verschiedenen Feldbus-Protokolle dienten nicht zur Vernetzung von Computern, sondern zur seriellen Anbindung von Sensoren und Aktoren an die Steuerungs- und Leitebene. Mit der Entwicklung Ethernet-basierter Protokolle wie Ethernet/IP, Profinet oder Ethercat zog die Echtzeit-Datenübertragung von der Bürokommunikation in die industrielle Umgebung ein. Aber: Die Datenübertragung beschränkt sich weiterhin auf eine Reichweite von 100 m.
Ethernet ist in einer Reihe von IEEE-802.3-Standards definiert. Diese Standards definieren die Spezifikationen der physikalischen und der Datenverbindungsschicht für Ethernet. Die wichtigsten 802.3-Standards sind:
• 10Base-T (IEEE 802.3): 10 Mbps mit Twisted-Pair-Verkabelung der Kategorie 3
• 100Base-TX (IEEE 802.3u): Fast Ethernet, verwendet Twisted-Pair-Verkabelung der Kategorie 5, 5E oder 6.
• 1000Base-T (IEEE 802.3ab): Gigabit-Ethernet, verwendet TP-Verkabelung der Kategorie 5.
• 10GBase-T (802.3.an): 10-Gbit/s-Verbindungen über Twisted-Pair-Kabel der Kategorien 6A und 7.
Alle diese Standards sind für Übertragungslängen von maximal 100 m spezifiziert.
Die Entwicklung der Normenlage spiegelt die steigenden Übertragungsraten wider. Und warum nun Single Pair Ethernet?
Der Ursprung des Single Pair Ethernet
Ursprünglich für die Automobilindustrie mit dem Hintergrund einer Gewichts- und Kostenreduzierung bei gleichzeitig gesteigerter Performance im Vergleich zum CAN-Bus entwickelt, setzt sich Single Pair Ethernet inzwischen auch als Trend für Industrieanwendungen durch. Denn in der Tat fordert der zunehmende Automatisierungs- und Digitalisierungsgrad von Industrieanlagen eine schnelle und zukunftssichere Weiterentwicklung bestehender Ethernet-Verbindungslösungen. Die SPE-Technologie ermöglicht über ein verseiltes Aderpaar aus Kupfer eine durchgängige Verbindung vom Sensor bis zur Cloud – in Anwendungen in der Fertigung, der Logistik oder auch der Gebäudeautomatisierung. Unter anderen können über SPE Sensoren vom Laptop aus konfiguriert werden, unabhängig von deren geografischer Lage.
SPE unterstützt eine standardisierte Hochleistungsdaten- und Energieübertragung über nur ein Aderpaar. Das Konzept dahinter ist eine Erweiterung von Industrial Ethernet (Standard sind vier verdrillte Paare) um einen zusätzlichen Physical Layer nach unten bis in die Sensorik. Anstelle der üblichen Kupferdatenkabel mit zwei oder vier Aderpaaren ermöglicht SPE das Senden und Empfangen von Daten in einem Aderpaar. Neben der Datenübertragung erlaubt die Zweidraht-Technologie zudem die Versorgung von Endgeräten (Power over Data Line – PoDL). Hier greift der Standard IEEE 802.3bu. Er spezifiziert in Analogie zu Power over Ethernet (PoE) die parallele Bereitstellung von Energie bis zu 50 W über einpaarige Ethernet-Kanäle.
Für Single Pair Ethernet gelten folgende Normen:
Bereits seit 2019 ist die schleppkettenfähige Single-Pair-Ethernet-Leitung ‚Superflex‘ von Lütze lieferbar.
© Lütze• 100BASE-T1 (IEEE 802.3bw-2015 Clause 96): Technologien wie teilautonomes Fahren erfordern jedoch noch höhere Datenraten, sodass dem SPE-Standard für 100 Mbit/s schnell auch die Gigabit-Variante folgte.
• 1000BASE-T1 (IEEE 802.3bp): Ende 2019 wurde der Standard für die Übertragung von 1 GBit/s über bis zu 15 m (ungeschirmte Kabel) beziehungsweise 40 m (geschirmte Kabel) abgeschlossen.
• 10BASE-T1 (IEEE 802.3cg): Der Standard, der 2019 verabschiedet und am 23.01.2020 final veröffentlicht wurde, ermöglicht einer Übertragungsrate von bis zu 10 Mbit/s über eine Distanz von maximal 1000 m.
Speziell der Standard 10BASE-T1 (IEEE 802.3cg) hat für viele Bereiche der Industrie besondere Relevanz, da sich mit diesen Eckdaten nahezu alle Feldbusse durch SPE ersetzen lassen.
Für die Realisierung der Standards 100BASE-T1 und 1000BASE-T1 ist es erforderlich, die Bandbreite gegenüber herkömmlichen Industrial-Ethernet-Cat-5e-Datenleitungen stark zu erhöhen, um die Datenraten über nur ein Paar umzusetzen. Aus diesem Grund sind die Leitungen für eine Frequenz von bis zu 600 MHz spezifiziert. Derzeit sind Übertragungsraten bis 1 GBit/s (40 m beziehungsweise 10 m) realisierbar. Ebenso ist die Echtzeit-Datenübertragung möglich.
In der SPE-Technologie spielen die Leitungen eine wesentliche Rolle. Unterschieden wird zwischen fester Verlegung und bewegten Anwendungen. Der Standard IEC 61156 unterteilt die Single-Pair-Ethernet-Leitungen nach der Art der Verlegung, der maximalen Einsatzlänge und der Datenübertragungsrate. Die IEC-Normen definieren die Anforderungen für die Übertragung.
SPE-Anwendungen
Häufig spielen in der Industrie aber gar nicht die hohen Datenraten die Hauptrolle. Wichtiger sind oft große Übertragungslängen, einfache Handhabung und IP-Schutzklassen. Die SPE-Technologie hat das Potenzial, die Lücke zwischen der Steuerungs- und der Feldebene, also den Sensor-/Aktor-Netzwerken, zu schließen und die Feldbus-Kabel nahezu vollständig zu ersetzen. Mit ihren unterschiedlichen Standards hat die SPE-Technologie die Möglichkeit, zwei verschiedene Anwendungsbereiche abzudecken: sowohl hohe Übertragungsraten über kurze Strecken als auch mittlere Übertragungsraten über lange Strecken.
Typische Anwendungen von Single Pair Ethernet finden sich in den folgenden Bereichen:
• Automatisierungstechnik mit Anwendungen bei Kamerasystemen zur Qualitätsüberwachung, Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M) innerhalb einer Anlage oder bei der Sensor- beziehungsweise Aktor-Anbindung im Sinne der Industrie 4.0 (1 Gbit/s über 40 m, Leiter AWG 22, laut IEC 61156-12, flexible Anwendung).
• In der Robotik, wo dünnere Kabel mehr Torsions-/Hubzyklen und die Verbindung bis in die Feldebene bieten und ein Remote Control des Roboters ermöglichen (1 Gbit/s über 15 m, Leiter AWG 26).
• Im Schaltschrank lässt sich bei Nutzung entsprechender Komponenten eine platzsparende Dateninfrastruktur und damit sichere Kommunikation realisieren.
• In der Bahntechnik bieten das reduzierte Gewicht und der geringere Platzbedarf wesentliche Vorteile (1 Gbit/s über 40 m, Leiter AWG 22.)
• In der Prozessindustrie in den sogenannten Ex-Bereichen, wie in der Chemischen Industrie oder bei Food&Beverage. Die Prozessindustrie erhält eine Möglichkeit, Ethernet über bis zu 1000 m zu übertragen. In diesem Bereich hat die SPE-Technologie das größte Potenzial, die Feldbus-Technologie beziehungsweise analoge Technologie zu ersetzen (10 Mbits/s über 1000 m, Leiter AWG 18).
• Automobilindustrie (1 Gbit/s über 15 m, Leiter AWG 26).
Die Vorteile einer Reduktion des Innenlebens eines Kabels um mehr als drei Viertel und im Resultat ein halb so schweres Kabel im Vergleich zu herkömmlichen vierpaarigen Datenleitungen liegen auf der Hand: geringeres Gewicht und weniger Platzbedarf, niedrigere Kosten sowie eine einfachere und robustere Verkabelung. So lassen sich SPE-Kabel auch dort verlegen, wo wenig Bauraum für die Kabel zur Verfügung steht – zum Beispiel in einer Schleppkette, in einem Roboter oder einem Schaltschrank. Der Trend zum Downsizing setzt sich bei Kabeln und Steckern fort. Darüber hinaus ermöglicht SPE den Einsatz eines einzigen Systems mit Ethernet als einheitlicher Sprache. Analoge Kommunikationswege und Bussysteme werden überflüssig, Gateways und Übersetzer nicht mehr notwendig und die Einrichtung und Parametrierung deutlich vereinfacht.
Viele Industrie-4.0- und IIoT-Anwendungen sind nur mit SPE als Schlüsseltechnologie überhaupt erst möglich. Beispielsweise erfordert Predictive Maintenance eine große Anzahl an zusätzlichen Sensoren, die effizient angesprochen werden sollen. SPE bietet hier eine Lösung dank der Echtzeit-Datenübertragung von bis zu 1 Gbit und der gleichzeitigen Stromversorgung bis zu 50 W mit Power Over Dataline (PoDL) über eine einzige Leitung und ein gemeinsames Protokoll.
Mit SPE wird Ethernet vom Sensor bis in die Cloud durchgängig. Zudem wird die Nutzung von Time Sensitive Network (TSN) möglich und eine Übertragung der Daten bis in die Feldebene somit echtzeitfähig.
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