Single-Pair Ethernet (SPE) – Ethernet über Kupferkabel mit einem verdrillten Adernpaar (Twisted Pair) – ist eine Technologie für die physikalische Schicht, die von der Arbeitsgruppe IEEE 802.3 durch mehrere Projekte für verschiedene Kombinationen von Segmentlängen und Bandbreiten standardisiert wird. Speziell an diesen Projekten ist, dass diese – im Gegensatz zu früheren Ethernet-Projekten – einem konkreten Applikationsfokus folgen und erstmals industrielle Umgebungsanforderungen in ihren Spezifikationen berücksichtigen. So wurden die ersten Projekte 802.3bw zu 100 Mbit/s und 802.3bp zu 1 Gbit/s, die in den Jahren 2015 und 2016 veröffentlicht wurden, getrieben durch den Bedarf der Automobilindustrie nach einer platzsparenden, leichtgewichtigen und kosteneffizienten Ethernet-Verkabelung im Fahrzeug. Diese Projekte spezifizierten daher 15 m-Segmente mit ungeschirmten Kabeln und wichen somit von den etablierten generischen 100 m-Definitionen für Kupferkabel ab.

Andere Branchen wie die diskrete Fertigung und das Transportwesen jenseits des Automobils – etwa Landmaschinen und Lastkraftwagen – sollten durch die Ergänzung eines 40 m-Segmentes mit geschirmten Kabeln in 802.3bp bedient werden, jedoch ignorierten die Chip-Hersteller dieses Segment weitgehend bei der Spezifikation der SPE-Transceiver, da die Verkaufsvolumen von der Nachfrage aus der Automobilbranche dominiert wurden.

Applikationsschwerpunkte

Die unterschiedlichen Applikationsschwerpunkte spiegeln sich auch in dem im Jahr 2019 veröffentlichten Standard IEEE 802.3cg zu 10 Mbit/s wider. Neben einem ungeschirmten 15 m-Automobilsegment 10BASE-T1S spezifiziert dieser Standard ein 1000 m-Segment 10BASE-T1L, das geschirmte Kabel nutzt und vorrangig von der Prozessindustrie getrieben wurde. 10BASE-T1L ermöglicht durch die Definition zweier Signalpegel eine Nutzung auch in explosionsgefährdeten Bereichen und bildete somit für diese Branche eine geeignete Basis zur Entwicklung von Ethernet-APL, dessen Veröffentlichung nach Ergänzung weiterer Spezifikationen, zum Beispiel zu Konformitätsprüfungen, im Jahr 2021 erfolgte. Die Kombination aus der Segmentlänge von 1000 m und der Bandbreite von 10 Mbit/s sowie dem durch Ethernet-APL festgelegten Schema zur Stromversorgung über die Datenleitung ist ideal, um die relativ großen Entfernungen zwischen Instrumenten wie Sensoren zur Erfassung von Drücken, Temperaturen und Durchflüssen und einem Aggregationspunkt oder Kontrollraum zu überbrücken, und gleichzeitig Daten mit hoher Bandbreite – im Vergleich zu den traditionellen Feldbussen – zu übertragen. Dies ermöglicht neben der Messwerterfassung auch Mehrwertdienste wie eine vorausschauende Wartung. Zu erwähnen ist noch, dass die Stromversorgung über die Datenleitung bei Ethernet-APL zwecks Realisierung der Eigensicherheit nach IEC 60079-11 von den Festlegungen in 802.3bu und 802.3cg (Power over Data Line, PoDL) abweicht und den Definitionen aus der neuen IEC TS 60079-47 zu einem eigensicheren 2-Draht-Ethernet-System (2WISE) folgt.

Entwicklung branchenspezifischer Segmente setzt sich fort

Bild 1: Die Zeitleiste der Erstellung der SPE-Standards durch IEEE 802.3

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Das laufende Projekt 802.3dg zu 100 Mbit/s, dessen Abschluss im Jahr 2025 erwartet wird, ist ebenfalls durch unterschiedliche Applikationsschwerpunkte geprägt. Für die Prozessindustrie ist ein 500 m-Segment mit 100 Mbps eine gute Ergänzung zu 10BASE-T1L für Instrumente mit höherem Bandbreitenbedarf. Für die diskrete Fertigung, die sich traditionell auf 100 Mbit/s konzentriert, wäre ein 100 m-Segment ausreichend, um einen alternativen Einsatz zu bestehenden Multi-Pair Ethernet-Lösungen zu gewährleisten. Neben den verschiedenen Reichweiten unterscheiden sich die Anforderungen der beiden Branchen in einem weiteren wesentlichen Punkt: der zulässigen Latenz, die speziell für die Bewegungssteuerungsapplikationen der diskreten Fertigung gering sein muss. Diese Anforderung hat Einfluss auf die wesentliche Festlegung in 802.3dg, ob zur Erreichung der geforderten Bitfehlerrate eine Vorwärtsfehlerkorrektur (englisch: Forward Error Correction, FEC) vorzusehen ist, wie sie für 10BASE-T1L definiert wurde. Die FEC ist aus Sicht der Prozessautomatisierung notwendig, da über die Distanz von 500 m eine ausreichende Übertragungsqualität aufgrund von elektromagnetischer Störeinstrahlung nicht gewährleistet ist. Die FEC erhöht jedoch die Latenz und ist somit aus Sicht der diskreten Fertigung zu vermeiden, was mit einer Reduktion auf 100 m und der Wahl eines geeigneten Kodierungsverfahrens zu erreichen wäre. Ob die FEC als optionales Feature spezifiziert wird oder ob es sogar zwei Segment-Definitionen geben wird, ist zum Zeitpunkt des Verfassens dieses Artikels noch nicht absehbar. Fest steht jedoch, dass es auch hier eine Diversifizierung nach Branchen geben wird.

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SPE in der Prozessindustrie

Die umfassende Spezifikation von Ethernet-APL, inklusive Konformitätsprüfungen für die Daten- und Leistungsübertragung, ermöglicht die Entwicklung von Endgeräten – von Instrumenten und Switches – und den Marktzugang für diese. Anforderungen an Kabel sind sowohl für eine bestehende als auch neu zu verlegende Verkabelungen via IEC 61156 mit Aderndurchmessern von AWG 26 (0,14 mm2) bis AWG 14 (2,5 mm2) spezifiziert, wobei die Kabel mit AWG 18 bis AWG 14 vorrangig für die Realisierung des „Trunks“, sprich für die Verbindung von APL Field Switches mit dem APL Power Switch, vorgesehen sind. Die Ethernet-APL-Spezifikation enthält darüber hinaus Festlegungen für Steckverbinder sowie Schraub- und Klemmterminals. Für das 100 Mbit/s-Segment aus 802.3dg lassen sich entsprechende Festlegungen übernehmen oder adaptieren.

SPE in der hybriden Fertigung

Ethernet-APL verbindet die Anforderungen der Prozessindustrie an eine Kommunikationstechnologie mit den Herausforderungen für explosionsgefährdete Umgebungen. Darüber hinaus existieren solche Anlagen auch mit ungefährlichen Umgebungen, beispielsweise im Bereich der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie. Hier entfällt die Anforderung der Eigensicherheit, und es kann somit PoDL in der von 802.3cg spezifizierten Form – heute auch als SPoE (Single-Pair Power over Ethernet) bezeichnet – angewendet werden. Abhängig von der Stromaufnahme des angeschlossenen Endgerätes und der daraus resultierenden SPoE-Klasse sind Aderndurchmesser bis AWG 18 und teilweise AWG 16 für größere Distanzen nötig. SPoE nach 802.3cg ist durch seinen Bezug zu maximalen Schleifenwiderständen direkt auf das 100 Mbit/s-Segment aus 802.3dg anwendbar.

SPE in der diskreten Fertigung

Für die diskrete Fertigung stellt das 10 Mbit/s-Segment aus 802.3cg eine Alternative zur Anbindung von Sensoren und Aktoren im Wesentlichen zu IO-Link dar. Dem Nutzer ist überlassen, für seinen individuellen Anwendungsfall eine Wahl auf Basis der Vorteile von SPE beispielsweise Ethernet bis zum Sensor, Reichweite, Bandbreite und IO-Link – ungeschirmte Kabel, geringere Kosten für das Endgerät – zu treffen unter der Voraussetzung, dass ein Sensor mit beiden Optionen verfügbar ist.

Mit dem 100 Mbit/s-Segment aus 802.3dg – unter der Annahme der Realisierung einer akzeptablen Latenz – bildet SPE dann auch eine Alternative für Multi Pair Ethernet, das heißt im klassischen Applikationsbereich von Industrial Ethernet.

Weitere Einsatzgebiete für SPE

Bild 2: Beispiel-Evaluierung der Vorteile von SPE anhand eines Spinnennetzdiagrammes

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Neben der Prozessindustrie und der diskreten Fertigung sind die Gebäudeautomatisierung inklusive der Optimierung der Technischen Gebäudeausrüstung und Gebäudeüberwachung, Warenlager mit ihren Hochregalen und Förderbändern, Güter- und Personenzüge als weitere mögliche Applikationsbereiche für SPE zu nennen. In allen Fällen sind die Vorteile von SPE gegenüber aktuell eingesetzten Technologien zu beleuchten und vor dem Hintergrund von Kundenanforderungen – und speziell sogenannten Pain Points – zu bewerten. Grundsätzlich kann eine Evaluierung anhand der folgenden fünf technischen Merkmale und eines Spinnennetzdiagramms (Bild 2) vorgenommen werden:

• Nahtlose Kommunikation: Ein transparentes Netzwerk auf Ethernet-Basis ermöglicht eine IP-basierte Kommunikation zwischen den Endknoten. Heterogene Netzwerke benötigen Gateways zur Verknüpfung von Netzwerksegmenten, die die Sichtbarkeit und Erreichbarkeit der Endknoten limitieren.
• Bandbreite: Datendurchsatz, für SPE aktuell 10 Mbit/s bis 1000 Mbit/s bei verschiedenen zu realisierenden Distanzen.
• Reichweite: Zu realisierende Distanzen, stehen im Zusammenhang mit der Bandbreite – häufig wird auch vom Bandbreiten-Reichweiten-Produkt gesprochen.
• Remote Power: Möglichkeit, über die Datenadern oder zusätzliche Adern eines Hybridkabels Leistung zu übertragen.
• Physikalische Eigenschaften wie Größe, Gewicht oder Flexibilität der Kabel aufgrund kleinerer Querschnitte.

Einige Vorteilskombinationen sind auch mittels Nicht-SPE-Ethernet-Systeme darstellbar, etwa 1+2+3 durch Ethernet über Glasfaser und 1+2+4 durch Ethernet über Kupferadern. Erst durch die Hinzunahme eines weiteren Merkmals mit hoher Relevanz werden die Vorteile von SPE offensichtlich, 1+2+3+4 stellt etwa die Vorteilskombination von Ethernet-APL dar. In Bereichen mit limitiertem Raum ist die Kombination 1+2+5 relevant. Im Ergebnis könnte entweder das 1000 Mbit/s/40 m-Segment, das 10 Mbit/s/1000 m-Segment oder das 100 Mbit/s-Segment geeignet sein.

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SPE und TSN

Cornelia Eitel ist Senior System Architect, CTO Office, Belden.

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SPE ermöglicht ein starkes Wachstum an Ethernet-fähigen Geräten und offenen Netzstrukturen. Vor allem durch den Ersatz von spezialisierten Gateways und den Einsatz von Switches werden verschiedene Verkehrsarten mit unterschiedlichen Anforderungen an Quality of Service (QoS) gemischt. Zum Beispiel können durch SPE-Überwachungskameras für Prozesse und Gebäudesicherheit die gleiche Infrastruktur nutzen wie im Steuerungsprozess integrierte Sensoren und Aktoren. Allerdings: Vor allem bei langsameren Bandbreiten und gemischten Verkehrsklassen ist es schwer, die gewünschten QoS-Anforderungen zu erfüllen. Auch bisherige industrielle Ethernet-Protokolle sind davon betroffen, weswegen die TSN-Entwicklung in der IEEE 802.1 gestartet wurde.

Time Sensitive Networking (TSN) ist eine Serie von Erweiterungen der Ethernet-Standards, die darauf abzielen, deterministische Kommunikation über Ethernet-Netzwerke zu ermöglichen. TSN bietet Mechanismen, um die Übertragung von Daten mit strengen Zeitvorgaben und geringer Latenz zu gewährleisten, was es ideal für Echtzeitanwendungen in verschiedenen Branchen macht. Wie Multi-Pair Ethernet profitiert auch SPE von diesen Erweiterungen:

• Verbesserter Determinismus: TSN führt Mechanismen ein, welche die Übertragung von zeitkritischen Paketen deterministischer als mit bisher verfügbaren Priorisierungsschemata gestalten. Ebenso bringt eine einheitliche Zeitsynchronisation Vorteile für Steuerungsprozesse sowie für die netzwerkweite Analyse von Sensordaten und Logs.
• Robustheit und Zuverlässigkeit: Neue und vereinheitlichte Redundanz- und Filtermechanismen fördern die Robustheit für kritische Netzwerksegmente und spezifische Applikationen.
• Transparenz und Skalierbarkeit: Ethernet-Netzwerke haben den großen Vorteil, dass theoretisch alle Geräte direkt adressiert werden können. Gleichzeitig bietet die Unterteilung in einzelne TSN-Konfigurationsdomänen den Vorteil der klaren Zuordnung und anwendungsspezifischen Konfiguration zur Gewährleistung der Skalierbarkeit.

Diversifizierung von TSN durch Profile

Lukas Bechtel ist Technology Architect, CTO Office, Belden.

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Um die Komplexität der neuen Standards so gering wie möglich zu halten, werden verschiedene branchenspezifische TSN-Profile entwickelt. Das IEC/IEEE 60802 TSN-Profil ist speziell für die Automatisierung in der diskreten Fertigung konzipiert und bildet eine solide Grundlage für deren Implementierung in industriellen Umgebungen. Das IEEE 802.1DG Automotive-Profil und das IEEE 802.1DP Aerospace-Profil erweitern die Anwendbarkeit von TSN auf die spezifischen Anforderungen und Herausforderungen in den Bereichen Automotive und Aviation. Neben der Komplexitätsreduzierung werden auch spezifische Eigenschaften für die einzelnen Branchen standardisiert. So wird zum Beispiel in der aktuellen Version des IEC/IEEE 60802 Profils ein einheitliches Netzwerkmanagement mittels NETCONF und eine einheitliche Topologie Erkennung durch LLDP definiert.

Hersteller suchen Synergien

Ein Beispiel für ein Vorgehen gemäß Punkt c ist eine Aktivität in einer Profinet-Arbeitsgruppe, die darauf abzielt, Geräte aus Ethernet-APL, deren Leistungseinspeisung nicht SPoE-konform ist, durch Switches mit SPoE-Schnittstellen zu versorgen. Eine entsprechende prototypische Implementierung wird aktuell von Belden auf Basis eines Lumberg Automation Beetle SPE Light Managed Switches vorgenommen und auf der Hannover Messe 2024 auf dem Stand der Profibus & Profinet International vorgestellt.

Dr. Michael Hilgner ist Senior Technology Architect, CTO Office, Belden.

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Die Diversifizierung, die mit der Standardisierung von branchenspezifischen SPE-Varianten bei IEEE 802.3 beginnt und sich in der Folge durch die Berücksichtigung von Kundenanforderungen aus verschiedenen Branchen manifestiert, können Hersteller handhabbar machen, indem sie:

• branchenübergreifende Gemeinsamkeiten identifizieren,
• Geräte modular konzipieren mit dem Ziel der maximalen Wiederverwendbarkeit von Komponenten für verschiedene Einsatzgebiete und/oder
• Standards erweitern, so dass Geräte auch den Anforderungen anderer Branchen genügen.

Diesen Beitrag lesen Sie auch auf Seite 54 im E-Paper unserer Ausgabe 4/24

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