Der ungebrochene Trend zur Digitalisierung und Vernetzung wird in absehbarer Zeit alle Bereiche im industriellen Umfeld, im Transportwesen und in der Gebäudetechnik erfassen. Das Cyber-Physical-System (CPS) ermöglicht die Verbindung von Informationen in Form von Software mit elektromechanischen Komponenten. Zur Realisierung eines CPS ist eine leistungsfähige und robuste Dateninfrastruktur nötig, welche über die Ethernet-Technologie nach IEEE 802.3 realisiert werden kann.

Das steckt hinter der Technologie

Tabelle 1: Die Ethernet IEEE 802.3-Standards für den industriellen Bereich.

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Seit der Veröffentlichung des ersten Ethernet-Standards 10BASE-T in den 1990er-Jahren durch die IEEE 802.3 hat sich die Ethernet-Technologie rasant entwickelt. Bereits 1995 kamen die ersten Ethernet-CAT 5-Kabel nach TIA-568 A/B mit einer Übertragungsrate von 100 Mbit/s auf den Markt und 1999 folgte der Standard 1000BASE-T. 1.000 MHz Leitungen entsprechend IEC 61156-5/-6 für 10GBASE-T gehören heute zum Stand der Technik in der Kabelindustrie.

Synchron zur technologischen Entwicklung der Ethernet-Technologie, welche hauptsächlich durch die Organisationen IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) und TIA (Telecommunications Industry Association) vorangetrieben werden, erarbeitet die IEC (International Electrotechnical Commission) und die angegliederten nationalen Normungskomitees einheitliche Standards für Komponenten, Geräte und Systemanforderungen. Time Sensitive Networking (TSN) nach IEEE 802.1 und IEEE 802.3 ermöglicht es, zeit- und unternehmenskritische Informationen mit definierten Reaktionszeiten zu übertragen und beschleunigt den Einsatz der Ethernet-Technologie im industriellen Umfeld. Die Möglichkeit, mit Power over DataLine (PoDL) Daten und Leistung über eine 1-paarige Datenleitung zu übertragen, die in der Zwischenzeit über IEEE 802.3bu- und IEEE 802.3cg-Standards für unterschiedliche Leistungsklassen spezifiziert ist (aktuell bis 52 W, Power Class 15 nach IEEE 802.3cg), erweitert den Nutzen und die Einsatzmöglichkeiten der Ethernet-Technologie. In Hinsicht auf die IEEE 802.3-Spezifikationen gibt es eine große Anzahl von System- und Produktnormen für SPE, welche die IEC-Standardisierungsgremien erarbeitet und veröffentlicht haben:

• IEC 61156-11; -12, -13, -14 (NP) für 1-pair-Leitungen
• IEC 63171-1; -2; -4; -5; -6; -7; Steckverbinder für 1-pair- Datenübertragung
• ISO/IEC 11801-1 & -3; generische Verkabelung; Anforderungen
• ISO/IEC TR 11801-9906; generische Verkabelung; symmetr. 1-pair Kanäle bis 600 MHz
• ISO/IEC TS 29125 AMD 1; Anforderungen an die Fernspeisung von Endgeräten
• IEC 61918 ED4.0; Installation von Kommunikationsnetzen in Industriegebäuden

Zum Anschluss der SPE-Leitungen an die Endgeräte sind Single Pair Ethernet Steckverbinder nötig. Um den unterschiedlichen Anforderungen in der Büro- und Industrieumgebung gerecht zu werden, sind Steckverbinder-Varianten entsprechend den in der ISO/IEC TR 29106 spezifizierten Umgebungsklassifikationen auszuwählen. IEC 61918 Edition 4.0 beinhaltet ergänzenden Anforderungen für die 1-Paar-Infrastruktur.

Spezifikationen in den Feldbus-Organisationen

Die zukünftige Infrastruktur für IIOT: Insbesondere die Steuerungsebene teilt sich auf in dezentrale Steuerungseinheiten direkt im Feld und virtuellen Steuerungen in der Cloud.

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Die Festlegung der Spezifikationen für Single Pair Ethernet in den Nutzerorganisationen wie PI, ODVA und OPCF sind weit fortgeschritten. Sobald diese Arbeiten abgeschlossen sind, werden die Spezifikationen der Nutzerorganisationen in die entsprechenden Teile der Normungsreihe IEC 61784-5 Feldbus-Profile aufgenommen.

Bereits verfügbar sind die Spezifikationen für Ethernet-APL, welche gemeinsam durch die Nutzerorganisationen PI, ODVA, OPC Foundation und FieldComm Group erstellt wurden. Ethernet-APL verwendet ebenfalls die 1-Pair-Ethernet-Technologie, die sowohl die Kommunikation mit 10 Mbit/s als auch die Energieversorgung von Geräten ermöglicht. Ethernet-APL unterstützt Ethernet-basierende Protokolle und ist hauptsächlich für den Anschluss von Feldgeräten, vorwiegend für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen in der Prozessindustrie an ein Automatisierungsnetzwerk vorgesehen. Dabei kann die Länge eines APL-Trunk-Segments bis zu 1.000 m betragen. Vorteil von Ethernet-APL ist, dass die bestehende Feldbus-Kabelinfrastruktur weiter genutzt werden kann. Als Kabel wird ein Feldbuskabel Typ A eingesetzt, welches in der IEC 61158-2 spezifiziert ist. Die Ethernet-APL Engineering-Richtlinie beschreibt die grundlegenden Systemvoraussetzung für Ethernet-APL. Die Single Pair Ethernet-Technologie wird kontinuierlich im Hinblick auf höhere Datenraten, Übertragungsstrecken und Leistungsklassen mit dem Ziel weiterentwickelt, dem Anwender weitere Anwendungsmöglichkeiten dieser neuen Technologie zu bieten.

Wandel der Automatisierungspyramide

SPE überwindet die Trenn- linie zur Feldebene, Feld-busse werden auf lange Sicht hin verschwinden.

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SPE ist eine Schlüsseltechnologie, um Informationen von der Feldebene dezentral mit der erforderlichen Bandbreite in die Cloud übertragen zu können. Mit SPE steht eine Ethernet-basierte Technologie zur Verfügung, die robust genug ist, in unmittelbarer Nähe der wertschöpfenden Prozesse unter hoher Belastung durch physische oder elektromagnetische Beanspruchung eingesetzt zu werden. Gleichzeitig bietet SPE im Vergleich zu den oft hier eingesetzten Feldbussen eine wesentlich höhere Übertragungsbandbreite und eine vollständige Durchgängigkeit der Kommunikationsinfrastruktur und den Protokollen vom Sensor bis in die (on-premise) Cloud. So werden weitergehende Wertschöpfungsprozesse wie eine umfassende Datenanalyse der Fertigungsprozesse oder moderne Maßnahmen zur Absicherung gegen Cyberangriffe ermöglicht.