Grund ist: Es gibt zwei Firmen-Netzwerke, die unterschiedliche Steckgesichter favorisieren. Single Pair Ethernet (SPE) ist kein Zufallsprodukt, sondern Antwort auf die Frage, wie zukünftige Automatisierungslösungen aussehen müssen, damit sie am Markt erfolgreich sein können. 

Die Frage hat drei Branchen besonders umgetrieben: die Automobilindustrie, die Industrieautomatisierung und die Gebäudeautomatisierung. Alle drei Anwendungsfelder benötigen für den nächsten Schritt in den jeweiligen Automatisierungslösungen ungehinderten Zugang zu Sensor-/Aktornetzwerken. Nur so lässt sich im Auto autonomes Fahren umsetzen, in der Industrie der durchgängige Herstellungsprozess nach Industrie 4.0 und in der Gebäudeautomation das intelligente Gebäude realisieren.

Diese Überlegungen treiben die Entwicklung von SPE voran – und nichts anderes! Dass hierbei die Verkabelung einfacher und Steckverbinder kleiner ­werden, ist ein zusätzlicher positiver Effekt, aber nicht die Ursache für die Innovation SPE.

Wie aber wird die Umsetzung beziehungsweise die Implementierung von SPE in diesen drei Anwendungsfeldern aussehen und was bedeutet das für die Verkabelung?

Drei große Anwendungsfelder

Im Auto muss SPE einfach, schnell und trotzdem stabil sowie bei zum Teil extremen Betriebsbedingungen implementiert werden. Für die Autobauer heißt das: einfache Ansteuerung aller relevanten Komponenten mittels SPE. Die Verkabelung dazu wird im Allgemeinen ungeschirmt und mit eigens entwickelter Verbindungstechnik erfolgen. Diese Verbindungstechnik ist geprägt von einfachem Design, welches Vorteile von Steckverbindern und Klemmentechnik vereint und sehr platzsparend in Blöcken zusammengefasst werden kann. Schon jetzt werden erste Modellreihen mit SPE ausgeliefert. In zehn Jahren wird diese Technik Standard sein und den heutigen CAN Bus oder vergleichbare Lösungen vollständig abgelöst haben.

Bei der Industrieautomatisierung sieht es im Grunde ähnlich aus. Auch hier spielen extreme Bedingungen wie große abzudeckende Temperaturbereiche, Schock und Vibration aber auch der IPx-Schutz vor Staub und Nässe eine wichtige Rolle beim Design der Verbindungstechnik. Allerdings werden in der Industrie zum überwiegenden Teil geschirmte Verkabelungen eingesetzt, um hohe Störfestigkeit im Bereich der EMV zu garantieren. Somit orientiert sich das Design der Steckverbinder für SPE in der Industrieautomatisierung an robusten geschirmten IP20-Verbindern bis hin zu IP65/67-geschützten Varianten in den weit verbreiteten M12- beziehungsweise M8 Bauformen.

Was bewirkt SPE in der Gebäudeautomatisierung? Hier ist wohl noch die spannendste Geschichte zu erwarten. Das hat damit zu tun, dass es bei den Systemen zur Gebäudeautomatisierung Lösungen wie KNX, LON, EchoNet und TRON gibt. Deren Akteure müssen sich strategisch entscheiden, wie und in welchem Umfang sie zukünftig SPE nutzen wollen.
Dank des Innovationsdruckes von SPE in der Sensortechnik werden sie an der Technologie SPE nicht vorbeikommen. Ob sie diesen Technologiewechsel aber auch für weitreichendere Veränderungen bis hin zu komplett Ethernet-basierten Systemen nutzen werden, bleibt abzuwarten. Bei der Verkabelung kommen ungeschirmte und geschirmte Lösungen zum Einsatz, die im Allgemeinen im Innenbereich installiert sind und somit bei weitem nicht die Robustheit wie etwa in der Industrie aufweisen müssen.
RJ45 hat hier, wenn überhaupt, als Service- und Prüf-Interface eine Rolle gespielt. Ansonsten kommen als Anschlusstechnik besonders Terminalblöcke mit Schraub- oder Klemmtechnik zum Einsatz.

Fazit zur SPE Verbindungstechnik

Das ‚SPE Industrial Partner Network‘ wurde im Oktober 2019 ins Leben gerufen und hat seinen Sitz im westfälischen Rahden. Das Netzwerk ist ein gleichberechtigter Zusammenschluss der dargestellten Unternehmen, die die Single-Pair-Ethernet-Steckgesicht-Technologie von Harting als Grundlage für ein schnelles und erfolgreiches Wachstum des IIoT vorantreiben. Die Bündelung von Kompetenzen der Einzelunternehmen soll Anwendern eine Investitionssicherheit geben, in diese Technologie zu setzen. Weitere interessierte Unternehmen sind gerne als neue Mitglieder gesehen.

© Harting

In allen drei Bereichen – Auto, Industrie und Gebäude – spielt die Steckverbindung RJ45 bei der Einführung von SPE keine Rolle. In allen drei Bereichen gibt es auch keine RJ45-Historie, die bei der Einführung von SPE berücksichtigt werden müsste. Somit sind Überlegungen zur Rückwärtskompatibilität von SPE-Verbindungstechnik zu RJ45-Verkabelungen natürlich zulässig, aber nicht wirklich sinnvoll. Es fehlen schlichtweg die Anwendungen.

Die Hypothese Nummer 1 – ein SPE-Steckgesicht muss RJ45-rückwärtskompatibel sein – ist somit obsolet. Aber, auch das zeigt die kurze Betrachtung der SPE-Anwendungsbereiche: Jeder hat seine eigene Historie und vor allem, jeder hat sein ganz spezielles Anforderungsprofil. Das führt entsprechend zu speziellen Designs in der SPE-Anschlusstechnik, sprich bei den SPE-Steckgesichtern. So wird es nicht die eine Lösung geben, die von verschiedenen Seiten immer wieder eingefordert wird. Oder anders: Es wird keinen SPE-Alleskönner-Stecker geben! Vielmehr kristallisiert sich heraus, dass es drei Lösungen an SPE-Steckgesichtern geben wird:

• eine für das Auto (oder auch mehrere, je nach Hersteller)

• eine für die Industrie

• und eine für die Gebäudeinstallation

Um der Frage auf den Grund zu gehen, warum sich die Steckerhersteller nicht auf ein gemeinsames Steckgesicht ‚einigen‘ können, seien die Applikationsfelder Industrie und Gebäude näher betrachtet. Diese beiden Anwendungsfelder treffen sich seit einiger Zeit – zumindest was die Verkabelung betrifft – in der Normenreihe ISO/IEC 11801. Dort gibt es mit der ISO/IEC 11801-3 einen Industrieteil und mit der ISO/IEC 11801-6 einen Teil für die Gebäudeautomation.

Diese Tatsache hat die IEEE dazu veranlasst, die ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3 (Verkabelungs-Standardisierungsgruppe, die auch die 11801-Papiere entwickelt) nach einer Empfehlung für ein SPE-Steckgesicht zu befragen, was innerhalb der SC 25/WG 3 Anfang 2018 zu einem Auswahlprozess führte.

Als Basis für diesen Auswahlprozess wurde von der SC 25/WG 3 ein Anforderungsprofil für SPE-Steckgesichter erstellt. Teil dieser Anforderung war die Zusicherung aller Hersteller/Bewerber, das selbst eingereichte Steckgesicht bei Erfolg auch zu normen, um Steckkompatibilität zu gewährleisten und eine Patentfreiheit sicherzustellen.

An diesem Auswahlprozess nahmen diverse Hersteller – die allesamt auch in der internationalen Normung aktiv sind – teil, stellten ihre Konzepte vor und brachten ihr Know-how in die Diskussion ein. Am Ende dieses Prozesses stellten sich alle SPE-Steckgesichterkonzepte einer Wahl.

Diese Wahl – International Ballot – wurde nach den Regeln der ISO/IEC durchgeführt und 25 Länder beteiligten sich durch ihre National Commitees daran. Dabei hat jedes Land jeweils nur eine Stimme.
Ergebnis im Juni 2018:  Es gab für das SPE-Industriesteckgesicht nach IEC 63171-6 (Harting-Konzept) eine absolute Mehrheit genauso wie für das Steckgesicht nach IEC 63171-1 (CommScope-Konzept) für die Gebäudeinstalla­tion.

Die Hypothese Nummer 2: „Die Steckverbinderhersteller können sich nicht auf ein SPE-Steckgesicht einigen“, stimmt also nicht. Über die internationale Normung bei ISO/IEC hat eine solche Einigung bereits Mitte 2018 stattgefunden. 

Mit der Festlegung der ISO/IEC auf ein SPE-Steckgesicht für die Industrie (IEC 63171-6) und ein Steckgesicht für die Gebäudeinstallation (IEC 63171-1) gehen die Arbeiten an den weiterführenden Verkabelungsnormen nun sukzessive weiter. Dabei werden die Beschlüsse zum SPE-Steckgesicht in die entsprechenden Papiere von ISO/IEC, TIA und IEEE eingearbeitet. 

Die gute Nachricht für alle Anwender: Das einheitliche SPE-Steckgesicht für die Industrie nach IEC 63171-6 wird in alle relevanten Verkabelungsnormen übernommen und dort verbindlich vorgeschrieben. Das betrifft im einzelnen:

• ISO/IEC 11801-3 AMD-1: Information technology – Generic cabling for customer premises (Strukturierte Verkabelung) Teil 3: Industrie, AMD-1: SPE

• ANSI/TIA-1005-B Telecommunications Infrastructure Standard for Industrial Premises – SPE cabling

• IEC 61918 Ed 4.0 AMD-1: Industrial communication networks – Installation of communication networks in industrial premises, AMD-1 SPE

Die Prozessautomation

Rainer Schmidt ist Business Development ­Manager bei Cable Systems, Harting Electronics.

© Harting

Es gibt noch eine weitere Diskussion: Die Bedeutung von SPE für die Prozessautomation (PA). Hier gibt es das Argument, dass bei der Prozessautomation ja alles komplett anders sei.

Richtig ist, dass die PA eine gewisse Sonderstellung innerhalb des breiten Spektrums an Industrieautomation einnimmt. So hat die Prozessautomation mit ihren Anwendungsbereichen von der in Öl- und Gasindustrie, über die Chemie- und Pharmabranche bis hin zum Bergbau ein spezielles Anforderungsprofil. Dieses Anforderungsprofil wird unter anderem von großen Entfernungen geprägt, daher auch die 1000 m Kabellänge in der IEEE802.3cg. Dies hat wiederum Auswirkungen auf die Querschnitte der Kupferkabel, AWG 16, AWG 18 und sieht somit neben klassischen Steckverbindungen für SPE auch Anschlussblöcke (Klemmentechnik) vor. 

Weiterhin spielt das Thema Ex-Schutz nach IEC/EN 60079-0 und IEC/EN 60079-7 eine wichtige Rolle. Somit muss die Anschlusstechnik in einigen Einsatzfällen der PA den Vorschriften zur Eigensicherheit genügen, was wiederum ein spezielles Design nach sich zieht. Auch Lösungen zur Fernspeisung sind davon betroffen. Vernetzungskonzepte mit SPE in der PA sehen etwa den Betrieb von SPE Switchen in ex-geschützten Bereichen vor. Das bedeutet wiederum höhere Leistungsanforderungen, die von PoDL nicht oder nur teilweise erfüllt werden können. Somit werden Anbieter von PA-Lösungen auch auf eigene Fernspeisungskonzepte zurückgreifen.

Nun ist allerdings die Frage, welche Marktrelevanz die Prozessautomatisierung für die Entwicklung von IIoT und SPE hat: Die Prozessautomation stellt im Konzert der Lösungen für die Industrieautomation einen einstelligen Prozentanteil dar. Der Sonderfall Ex-Schutz darunter wiederum nur einen Bruchteil.

Und damit sei auch die letzte Hypothese – die Prozessautomation bestimme den Werdegang von SPE – widerlegt.

Die Prozessautomation ist nur ein An­wendungsfall für SPE in der Industrie. Aufgrund der speziellen Anforderungen der PA sind teilweise auch Anpassungen bei SPE-Komponenten erforderlich. Somit ist die PA nicht der Schrittmacher für SPE, sondern umgekehrt. SPE gibt der PA die Möglichkeit, die Innovation bei der Entwicklung von TCP/IP-Netzen umzu­setzen.

Lange wurde diskutiert und viele Hypothesen aufgestellt, die für Verunsicherung sorgen. Es ist Zeit mit diesen Hypothesen aufzuräumen.

• SPE und SPE-Steckgesichter haben nichts mit RJ45 zu tun.

• In der Standardisierung wurde aus den verschiedenen Hersteller-Konzepten ein Steckgesicht für  SPE-Anwendungen in der Industrie gewählt – IEC 63171-6.

• Die Prozessautomatisierung bestimmt nicht die Entwicklung von SPE, sondern es ist genau umgekehrt.

Notiz: Eine zweite SPE-Allianz

Die Technologiepartnerschaft der Unternehmen Phoenix Contact, Weidmüller, Reichle & De Massari (R&M), Fluke Networks sowie Telegärtner für das Single Pair Ethernet (SPE) hat sich zu einer SPE System Alliance entwickelt. Sie unterstützen die ebenfalls zur Normung eingebrachte Steckgesicht-Technologie von Phoenix Contact. Der System Alliance sind in diesem Jahr auch Dätwyler, Kyland, Microchip Technology, Rosenberger, Sick, O-Ring, Draka/Prysmian Group und University4Industry beigetreten.