Durchgängige Gerätekommunikation vom Sensor bis in die Cloud

Bestnoten für Single Pair Ethernet – als Treiber der digitalen Transformation

Die Eigenschaften von Single Pair Ethernet bieten echten Mehrwert für moderne Kommunikationsinfrastrukturen. Phoenix Contact will mit seinem SPE-Portfolio die technischen Lösungen und branchenübergreifende Expertise beisteuern.
 Single Pair Ethernet bietet neue Lösungsansätze für eine erfolgreiche Digitalisierung - etwa mit Klemmen für die Leiterplatte.
Single Pair Ethernet bietet neue Lösungsansätze für eine erfolgreiche Digitalisierung – etwa mit Klemmen für die Leiterplatte.Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH

Im Gegensatz zu herkömmlichen Ethernet-Lösungen, die traditionell zwei oder sogar vier Adernpaare benötigen, kommt SPE mit nur einem Adernpaar aus – und kann damit Daten und Leistung übertragen. Die Übertragungsraten dieser Technik – 10Mbit/s bei einer maximalen Übertragungslänge von 1.000m bis hin zu 1Gbit/s bei einer maximalen Übertragungslänge von 40m – reichen selbst für anspruchsvolle Aufgaben aus, etwa beim Einsatz vernetzter Sensorik mit Kameras. Damit eignet sich SPE in vielen Bereichen, die zuvor von Limitierungen hinsichtlich Datenraten, Reichweiten und nahtloser Kommunikation betroffen waren. Als wesentliche Einschränkung herkömmlicher Standard-Ethernet-Lösungen gilt etwa die maximale Länge von 100m für eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Um größere Distanzen in Industrieanlagen zu bewältigen, z.B. bei Fließ- und Förderbändern, mussten bisher zusätzliche Repeater oder Switches eingebaut werden – störungsanfällige Schnittstellen, die zusätzlichen Wartungsaufwand bedeuten. Die neue Technik dagegen ermöglicht es, Geräte mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 10Mbit/s über eine Entfernung von bis zu 1.000m über ein Kabel zu verbinden und optional die Power-over-Data-Line-Technologie (PoDL) zu nutzen. Damit lassen sich auch spezifische Feldbusse künftig durch SPE-Lösungen mit Datenraten bis 10Mbit/s ersetzen. Auch komplexe Netzwerktopologien sind somit realisierbar. Aktuell werden in den IEEE802.3-Konsortien SPE-Standards mit erweiterten Leistungsrahmen diskutiert. So könnten auch höhere Datenraten mit >= 10GBit/s für kurze Distanzen (<15m) sowie 1GBit/s bzw. 100MBit/s mit einer Länge von bis zu 500m möglich werden.

Lückenlose Datenkommunikation

Klassische Industrieanlagen verfügen bisher oft über ein Ethernet-Netzwerk sowie eine größere Zahl von Feldbus-Systemen auf der Feldebene. Das Aufkommen des IIoT mit der Notwendigkeit, Feldbusse durch effizientere Kommunikationssysteme zu ersetzen, lässt diese etablierten Anordnungen hinfällig werden. Eine ähnliche Verschiebung lässt sich in jedem Anwendungsbereich beobachten, der eine lückenlose Kommunikation zwischen Sensoren und/oder Netzwerken verlangt. Für solche Einsatzzwecke ist eine nahtlose, sichere Datenverbindung entscheidend.

Bereits heute fällt in einer durchschnittlichen Fabrik etwa ein Terabyte Daten pro Tag an – Tendenz steigend. Für die effektive Auswertung ist eine kontinuierliche Kommunikation unabdingbar. Hier kann SPE für eine durchgängige Vernetzung vom Sensor bis zur Cloud sorgen. Auch angesichts von immer mehr Sensorik und intelligenter Endgeräte bietet es die passende Verkabelung – einfach, sicher, kompakt und kosteneffektiv: Beim Aufbau von Infrastrukturen werden SPE-Lösungen künftig wesentlich günstiger sein als die heute üblichen Kombinationen von Bus- und Ethernet-Komponenten.

SPE punktet auch bei Robotern

Beim Einsatz von autonomen und kollaborativen Robotern bietet SPE viele Vorteile. Durch die höhere Datenübertragungsrate als bei herkömmlichen Feldbussystemen funktioniert die Kommunikation zwischen Roboter und Steuerungseinheit mit gesteigerten Abtastraten und größerem Datenaufkommen. Hinzu kommt die vereinfachte Verkabelung mit Daten und Energie in einer Bahn. Für über die definierten PoDL-Standards hinausgehende Leistungsanforderungen werden künftig auch hybride SPE-Lösungen zur Verfügung stehen, mit Daten- und Leistungskontakten in einem Steckverbinder. Eine geringere Zahl an Kabeln und Verbindungen trägt zu weniger Ermüdungsausfällen, schnellerer Fehlerbehebung und einfacherer Wartung bei. Durch den geringeren Biegeradius kann SPE zudem eine wesentliche Optimierung bei der Auslegung des Roboterhandlings bewirken.

Prozessautomation mit SPE und APL

In der Prozessautomation geht es oft um riesige Areale mit sehr großen Gebäuden oder Tanks. Die vollständige Statusübersicht und Fernsteuerung aller weltweiten Standorte mit konsistentem Datenfluss vom Sensor bis in die Cloud oder ERP-Systeme ist dabei für viele Unternehmen unabdingbar. SPE kann für effiziente Netzwerkstrukturen sorgen, ohne dass Netzwerkgeräte zur Signalmodulation oder Gateways dazwischengeschaltet werden müssen. Auch hier bietet PoDL in Kombination mit SPE die Vorteile einer simultanen Daten- und Leistungsübertragung. Um auch im explosionsgeschützten Bereich (Zonen 0, 1 und 2) die hohen Anforderungen an die Daten- und Leistungsübertragung erfüllen zu können, existiert mit Advanced Physical Layer (APL) ein eigener SPE-Standard. Diese Lösung findet z.B. in der Prozessindustrie Anwendung. Dabei wird der 10Base-T1L-Standard aus der IEEE802.3cg zusammen mit dem Standard IECTS 60079-47, 2021-03 (2-WISE) verwendet. So sind Methoden des Explosionsschutzes inklusive der Eigensicherheit berücksichtigt. Damit lassen sich auch große Distanzen (Trunklänge bis 1000m, Spurs bis 200m) überbrücken. Zudem stellt die Interoperabilität von Geräten und Systemen verschiedener Hersteller kein Problem dar. So können zahlreiche Zusatzdaten z.B. für Maßnahmen wie Predictive Maintenance erfasst und analysiert werden. APL bietet zahlreiche Vorteile: Es lassen sich sichere und effiziente Netzwerke planen, die zukunftssicher sind. Aber es sind auch bestehende Anlagen unter Einbindung vorhandener Verkabelungen und Ethernet-Protokolle wie Ethernet/IP, Hart-IP, OPC UA und Profinet kostengünstig modernisierbar.

Reichweitenvorteile für den Energiesektor

Aber auch im Bereich regenerativer Energien spielt SPE seine Stärken aus. Diese Energiequellen unterliegen Schwankungen und erfordern einen smarten Umgang mit Energienetzen sowie mit der Energie selbst. Intelligentem Datenmanagement kommt dementsprechend eine hohe Bedeutung zu. Ob bei Windenergie- oder Photovoltaikanlagen, die erzeugte Energie muss zu jeder Zeit gemessen und intelligent ins Energienetz eingespeist werden. Dabei stellen sich besondere Anforderungen. Von der Gondel bis zum Boden sind z.B. bei modernen Windenergieanlagen oft über 100m zu überbrücken. Mit üblichen kupferbasierten Ethernet-Verbindungen ist diese Distanz nicht möglich. Betreiber weichen heutzutage daher noch auf Glasfaser- oder drahtlose Lösungen aus. Auch in Solarparks oder bei Power-to-Grid-/Gas-Anlagen kommen Entfernungen von mehr als 100m vor; durch seine erhöhte Reichweite punktet hier ebenfalls SPE.

SPE per Steckverbinder oder Klemme

Wo sich Geräte zu immer smarterer, kompakterer und mit komplexerer Funktionalität entwickeln, sei es in der Gebäudetechnik oder in industrieller Anwendung, da kann SPE seine Leistungsfähigkeit ausspielen. Doch genau hier müssen sich Gerätehersteller auch über die Anschlusstechnik Gedanken machen. Für Feldgeräte wird hierbei häufig ein IP-Schutz benötigt. Neben der Möglichkeit, einen IP-geschützten Steckverbinder an solchen Feldgeräten zu integrieren, besteht auch die Option mit einer Kabelverschraubung die gewünschte IP-Schutzart herzustellen. Im Inneren der Geräte können nun Leiterplattenklemmen zum Einsatz kommen, die für die SPE-Datenübertragung getestet und geeignet sind. Dies bietet viele Vorteile. Zu einem hat der Gerätehersteller den Freiraum die Position der kleinen SPE-Klemmen für ihn passend auf der Leiterplatte zu bestimmen. Zum anderem profitieren auch die Installateure vor Ort von der bekannten Schraub- oder Push-in-Anschlusstechnik. Je nachdem, wo solche Geräte installiert werden, stehen die Techniker vor verschiedenen Herausforderungen. Dank der eindeutigen Farbcodierung lassen sich auch in schwer zugänglichen Umgebungen oder welchen mit nicht optimalen Lichtverhältnissen die weiße und blaue Ader der SPE-Leitung eindeutig und intuitiv zuordnen, wodurch Fehler bei der Installation vermieden werden.

Platzsparende Anschlusstechnik

Neben der Installation von IP-geschützten Feldgeräten können die SPE-Leiterplattenklemmen auch in IP20-Umgebung ihre Stärken ausspielen, z.B. in der Gebäudetechnik, bei denen ein Steckverbinder aufgrund von Platzgründen nur bedingt einsetzbar ist. Anwendungsfälle könnten hierbei z.B. in einem Verteilerkasten oder auch in Unterputzdosen liegen. Genau hier bieten die Klemmen eine äußert platzsparende Alternative. So lassen sich die Unterputz- oder auch Hutschienengeräte direkt über ein SPE-Verlegekabel anschließen und ins Netzwerk integrieren.

Partner für SPE
Es existieren viele weitere Bereiche, in denen IP-basierte Netzwerke mit SPE sinnvolle Ergänzungen oder Neukonstruktionen darstellen können – im Prinzip alle Anwendungen, die eine durchgängige und IP-basierte Kommunikation bei hoher Reichweite und beschränktem Platzangebot verlangen. Phoenix Contact hat sich schon früh mit diesem Potential beschäftigt und bietet als Integrationspartner neben einem umfassenden Produktportfolio auch zahlreiche Services zur Technologie.

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