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Aus vier mach eins

15. Oktober 2020, 09:02 Uhr   |  Inka Krischke

Aus vier mach eins
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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?

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1. Aus vier mach eins
2. Der Ursprung des Single Pair Ethernet
3. SPE-Anwendungen

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