SPE ermöglicht die Übertragung von Daten über ein kupferbasiertes Adernpaar, was eine Reduzierung der Kosten und des Platzbedarfs ermöglicht. Die Technologie bündelt unterschiedliche Kommunikationsstandards und reicht von 10 Mbit/s mit 1000 m Reichweite bis zu 25 Gbit/s mit 11 m Reichweite, wodurch sich SPE insbesondere für Anwendungen in der Fabrikautomatisierung und anderen industriellen Bereichen eignet. Die physikalischen Eigenschaften werden durch die IEEE-Standards definiert.

Die Standardisierung für SPE beginnt bei der IEEE 802.3 mit der Definition der SPE-Kommunikationsstandards in unterschiedlichen Arbeitsgruppen. Die aktuellen Standards decken verschiedene Anwendungen und Übertragungs- geschwindigkeiten ab. Zwei Standards, an denen aktuell noch gearbeitet wird, sind perspektivisch für die industrielle Kommunikation besonders relevant: der 10BASE-T1M (Arbeitsgruppe DA) und der Standard 100BASE-T1L (Arbeitsgruppe DG), deren Veröffentlichung für 2026 geplant ist.

Herausforderungen bei der Implementierung

Die Umsetzung von SPE in industriellen Anwendungen bringt Herausforderungen mit sich. Diese sind:

Der Autor: Tim Kindermann ist Senior Specialist Single Pair Ethernet in der BU Field Device Connections bei Phoenix Contact in Blomberg. © Phoenix Contact

• Normung und Interoperabilität: Obwohl es Fortschritte bei der Normung gibt, müssen weitere Standards entwickelt und verabschiedet werden. Nur so wird die vollständige Interoperabilität zwischen verschiedenen Herstellern und Geräten gewährleistet. Unterschiedliche Interpretationen der Normen können zu Kompatibilitätsproblemen führen.
• Infrastruktur und Verkabelung: Die Umstellung auf SPE erfordert eine Anpassung der bestehenden Infrastruktur, was insbesondere in großen und komplexen Anlagen mit erheblichen Kosten und Aufwand verbunden sein kann. Eine Nutzung vorhandener Verkabelungsstrukturen bedarf einer individuellen Prüfung der Tauglichkeit für SPE, ist jedoch grundsätzlich möglich.
• Zuverlässigkeit und Robustheit: SPE-Komponenten müssen in rauen Industrieumgebungen zuverlässig funktionieren, so dass eine hohe mechanische Stabilität und Widerstandsfähigkeit gegenüber Umwelteinflüssen wie Vibrationen, Feuchtigkeit und Temperaturschwankungen ein Muss sind. Entwicklung und Prüfung solcher robusten Komponenten sind zeitaufwändig und kostspielig.
• Sicherheit: Die Sicherheit der Datenübertragung ist ein kritischer Faktor. SPE muss sicherstellen, dass die Datenintegrität und -vertraulichkeit gewahrt bleiben. Dies erfordert die Implementierung geeigneter Sicherheitsprotokolle und -mechanismen. Ethernet bietet beim Thema Security die notwendigen Voraussetzungen und hat gegenüber veralteten Bussystemen signifikante Vorteile.
• Schulung und Wissenstransfer: Techniker und Ingenieure müssen in der neuen Technologie geschult werden, um sie effektiv implementieren und warten zu können. Dies erfordert Investitionen in Schulungsprogramme und den Wissenstransfer innerhalb der Organisationen. Durch SPE können jedoch viele veraltete Feldbusse ersetzt werden, eine Schulung neuer Mitarbeiter für diese alten Systeme entfällt.
• Marktakzeptanz: Die Akzeptanz von SPE auf dem Markt stellt eine Herausforderung dar. Unternehmen müssen von den Vorteilen der Technologie überzeugt werden. Es kann dauern, bis SPE als Standard in der Industrie etabliert ist.
• Kosten: Obwohl SPE langfristig Kosteneinsparungen bieten kann, müssen anfänglich Investitionen in neue Komponenten und Infrastruktur getätigt werden. Unternehmen müssen anhand einer Kosten-Nutzen-Analyse abwägen, bevor sie in die Implementierung von SPE investieren. Dabei ist wichtig zu berücksichtigen, welche Mehrwerte die Technologie in Gegenwart und Zukunft bringen kann.

Die Autorin: Verena Neuhaus ist Produktmanagerin Datensteckverbinder in der BU Field Device Connections bei Phoenix Contact in Blomberg. © Phoenix Contact

Mit kontinuierlichen Fortschritten bei der Normung, der Entwicklung robuster Komponenten und der Schulung von Fachkräften können diese Herausforderungen überwunden werden, um die Vorteile von SPE voll auszuschöpfen.

Das Steckgesicht

Ein einheitliches Steckgesicht für SPE ist von großer Bedeutung für die Fabrikautomatisierung, ermöglicht es doch die einfache und flexible Verbindung von Geräten und Systemen. Auf der SPS 2024 hat die PI (Profibus & Profinet International; Profibus Nutzerorganisation) ein einheitliches SPE-Steck- gesicht vorgestellt und dieses zur Normung bei der IEC eingereicht.

Bei der Entwicklung und Förderung des Standards engagiert sich unter anderem Phoenix Contact maßgeblich. Der aktuelle Stand zeigt, dass durch die enge Zusammenarbeit mit anderen Industriepartnern, Nutzerorganisationen und Normungsgremien eine breite Einigung auf ein einheitliches Steckgesicht in greifbarer Nähe ist. Die Norm IEC 63171-7, die in der zweiten Edition bereits in Arbeit ist, definiert die mechanischen Anforderungen an SPE-Steckverbinder und bildet somit die Grundlage für ein einheitliches Steckgesicht. Die Norm stellt sicher, dass SPE-Steckverbinder eine hohe mechanische Stabilität und Zuverlässigkeit bieten und gleichzeitig eine einfache Handhabung ermöglichen. Zahlreiche Hersteller haben bereits angekündigt, zeitnah erste Geräte zertifizieren zu wollen

Mehrwert von SPE anhand spezifischer Anwendungsfälle

SPE wird eine zentrale Rolle in der Vernetzung von Maschinen, Sensoren und Aktoren in intelligenten Fabriken spielen. Die Fähigkeit, Daten über lange Strecken und mit hoher Zuverlässigkeit zu übertragen, macht SPE ideal für die Fabrikautomatisierung. Doch neben den Bereichen Fabrikautomatisierung und Automotive kann SPE seine Stärken auch in vielen weiteren Branchen ausspielen:

• Vernetzte Gebäude: Durch den Einsatz eines einheitlichen, durchgängigen IP-Protokolls lassen sich zum Beispiel Sensoren, Schalter oder Thermostate über das lokale Datennetz und die Cloud mit dem Gebäudemanagementsystem barrierefrei verbinden. Bei der Vernetzung und Steuerung von Beleuchtungssystemen erlaubt SPE eine flexible und energieeffiziente Lichtsteuerung. Bei Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HVAC) sorgt SPE für präzise Steuerung und Überwachung der Systeme. Auch Sicherheits- und Zugangskontrollsysteme sind ein wichtiges Thema in öffentlichen Gebäuden, wo SPE etwa in Überwachungskameras, Zugangskontrollen und Alarmsystemen eine zuverlässige und schnelle Datenübertragung ermöglicht. In der Gebäudeleittechnik integriert SPE verschiedene Gebäudeleitsysteme für eine zentrale Überwachung und Steuerung aller gebäudetechnischen Anlagen. Beim Energie- und Lastmanagement überwacht und steuert SPE den Energieverbrauch, was zu effizienterer Energienutzung und Kosteneinsparungen führt.
• Auch im Bereich der erneuerbaren Energien hebt SPE die Vernetzung und Steuerung auf ein neues Level: In Windenergieanlagen vernetzt SPE Sensoren und Steuerungssysteme, um die Leistung zu überwachen und die Wartung zu optimieren. In Solaranlagen unterstützt SPE die Überwachung und Steuerung von Photovoltaikanlagen, indem es Daten von Solarmodulen und Wechselrichtern überträgt. Dank der erhöhten Reichweite bietet SPE hier eine Alternative zur Glasfaser. In Batteriespeichersystemen überwacht SPE den Lade- und Entladezustand und maximiert die Effizienz. In Smart Grids ermöglicht SPE die Integration von erneuerbaren Energiequellen, was eine bessere Steuerung und Verteilung der Energie ermöglicht. Und auch in Ladestationen für Elektrofahrzeuge, Wasserkraftwerken und Biogasanlagen dient SPE zur Vernetzung und Steuerung.
• In die Agrartechnik zieht immer mehr intelligente Sensorik und Kommunikation ein. In landwirtschaftlichen Bereichen liegen die Herausforderungen oftmals in extremen Umgebungsbedingungen. Dank robuster Komponenten ermöglicht SPE die Vernetzung von Sensoren und Geräten, die beispielsweise zur Überwachung von Bodenfeuchtigkeit, Nährstoffgehalt und Wetterbedingungen eingesetzt werden, um den Ertrag zu maximieren. Aber auch in intelligenten Bewässerungssystemen stellt SPE eine effiziente Wassernutzung sicher. In der Maschinensteuerung unterstützt SPE die Vernetzung und Steuerung von landwirtschaftlichen Maschinen wie Traktoren, Mähdreschern und Pflanzmaschinen. SPE bildet hier bereits die Grundlage für den neuen ‚High Speed Isobus‘, der für die Datenkommunikation von landwirtschaftlichen Maschinen entwickelt wurde. Weitere Anwendungen für SPE finden sich in den Bereichen Tierüberwachung, Lager- und Silomanagement sowie bei Drohnen und landwirtschaftlichen Robotern.
• Im Bereich der Prozessautomatisierung punktet SPE in den Bereichen Sensorik, Messsysteme, Steuerungssysteme sowie bei der Kommunikation von Feldgeräten wie Ventilen, Pumpen und Motoren. Darüber hinaus ermöglicht SPE die kontinuierliche Überwachung von Anlagenzuständen (Condition Monitoring) und die frühzeitige Erkennung von Wartungsbedarf. SPE dient auch zur Fernüberwachung und -steuerung von Prozessen, was besonders in abgelegenen oder schwer zugänglichen Anlagen von Vorteil ist. Mit Ethernet-APL ist SPE bereits als Nachfolger für 4 bis 20 mA, HART oder Profibus-PA-Systeme gesetzt. Es basiert auf dem 10BASE-T1L-Standard (10 Mbit/s, 1000 m Reichweite) und erfüllt zusätzlich die Anforderungen der Prozessindustrie in puncto Eigensicherheit in explosionsgefährdeten Bereichen.