Schlüsseltechnologie für die digitale Transformation

SPE kann mehr

Die Welt verändert sich in den Sektoren Energie, Industrie und Gebäudetechnik. Dabei spielt die Digitalisierung eine entscheidende Rolle. Zwei essenzielle Aspekte zeichnen diese Transformation aus: digitales Erfassen von elektrischen Daten inklusive deren Verarbeitung und ihre effiziente Kommunikation. SPE bildet eine entscheidende Schlüsseltechnologie für zukunftsfähige Systeme.
Single Pair Ethernet bietet in vielen Anwendungsbereichen mit seinen Leistungsparametern neue Lösungsansätze für eine erfolgreiche Digitalisierung.
Single Pair Ethernet bietet in vielen Anwendungsbereichen mit seinen Leistungsparametern neue Lösungsansätze für eine erfolgreiche Digitalisierung.Bild: Phoenix Contact GmbH & Co. KG

Moderne Systeme wie das Internet of Things oder auch das industrielle Pendant IIoT wachsen stetig – im Streben nach mehr Leistungsfähigkeit, vernetzten Anwendungen und optimierter Effizienz. Kommunikation inklusive der zugehörigen technischen Infrastruktur kommt dabei eine entscheidende Bedeutung zu. Mit dem Ethernet etablierte sich bereits seit Jahrzehnten eine Technik für die Verbindung von Datennetzen und die Anbindung von Geräten. Doch mit SPE wurde eine Technik entwickelt, die auf die Anforderung heutiger Einsatzgebiete ausgelegt ist. Deren Eigenschaften bieten einen echten Mehrwert für moderne Kommunikationsinfrastrukturen. Phoenix Contact hält dazu mit einem umfassenden Produktportfolio technische Lösungen und die branchenübergreifende Expertise bereit.

Mit nur einem Adernpaar überträgt SPE Daten und Leistung.
Mit nur einem Adernpaar überträgt SPE Daten und Leistung.Bild: Phoenix Contact GmbH & Co. KG

Ethernet vs. Single Pair Ethernet

Ethernet-Lösungen, so wie sie bislang in unterschiedlichen Industrien genutzt werden, erfordern traditionell zwei bzw. bei Gigabit-Ethernet und höheren Datenübertragungsraten sogar vier Adernpaare. Bei SPE dagegen reicht ein Adernpaar – und es kann damit sogar Daten und Leistung übertragen. Die möglichen Übertragungsraten reichen dabei von 10MBit/s bei einer maximalen Übertragungslänge von 1.000m bis hin zu 1GBit/s bei maximal 40m. Damit sind sogar anspruchsvolle Aufgaben beim Einsatz von vernetzter Sensorik mit Scannern oder Kameras realisierbar. Viele Anwendungsfälle, die bislang aufgrund der erforderlichen Datenraten, Reichweiten und nahtloser Kommunikation an die Grenzen der technischen bzw. wirtschaftlichen Umsetzbarkeit stießen, können nun mit SPE Realität werden.

Durch die hohen Datenübertragungsraten eignet sich SPE für kontinuierliche Echtzeit-Kommunikation.
Durch die hohen Datenübertragungsraten eignet sich SPE für kontinuierliche Echtzeit-Kommunikation.Bild: Phoenix Contact GmbH & Co. KG

Übertragungen bis zu 1.000m

Sollten bislang Punkt-zu-Punkt-Verbindungen z.B. bei Fließ- und Förderbändern mit Distanzen größer als 100m realisiert werden, kamen herkömmliche Standard-Ethernet-Lösungen an ihre Grenzen. Mit Repeatern oder Switches, die eingesetzt wurden, um die limitierte Reichweite zu erweitern, holte man sich aber potenzielle Fehlerquellen ins System und erhöhte den Wartungsbedarf. Steigt die Zahl der Schnittstellen, so steigt die Anfälligkeit für Störungen. Mit der SPE können hingegen Entfernungen bis zu 1.000m bei einer Übertragungsgeschwindigkeit von 10MBit/s realisiert werden – ohne zusätzliche Geräte. Optional können die verbundenen Geräte zudem die Power-over-Data-Line-Technologie (PoDL) nutzen. Aktuell noch eingesetzte Feldbustechnologien sind so zukünftig durch SPE-Lösungen mit Datenraten bis 10MBit/s ersetzbar. SPE eignet sich dabei auch für komplexe Netzwerktopologien. Über Gateways lassen sich Verbindungen zu unterschiedlichen Systemen aufbauen und mit einheitlichen Ethernet-Diensten betreiben. Unterschiedliche Anwendungen können in der Praxis umgesetzt werden. Aktuell wird in den IEEE802.3-Konsortien über SPE-Standards mit erweiterten Leistungsrahmen diskutiert. So könnten auch höhere Datenraten mit 10GBit/s und mehr für kurze Distanzen (<15m) sowie 100MBit/s bzw. 1GBit/s mit einer Länge von bis zu 500m möglich werden. Das wiederum würde ganz neue Applikationsbereiche erschließen.

Bei Robotern punktet SPE mit seiner Leistungsfähigkeit und dem geringen Platzbedarf.
Bei Robotern punktet SPE mit seiner Leistungsfähigkeit und dem geringen Platzbedarf.Bild: Phoenix Contact GmbH & Co. KG

SPE-Anwendungsbereiche im industriellen Umfeld

In klassischen Industrieanwendungen kommen z.B. bislang häufig Ethernet-Netzwerke sowie Feldbussysteme auf der Feldebene zum Einsatz. Durch den Einzug von anspruchsvollen Anwendungen für das IIoT werden effizientere Kommunikationssysteme als die bisherigen Feldbusse notwendig. Überall dort, wo eine lückenlose Kommunikation zwischen Sensoren und/oder Netzwerken erforderlich wird, kommen solche Bestandssysteme schnell an ihre Grenzen. Dabei sind eine nahtlose und sichere Datenverbindung bei solchen Anwendungen entscheidend. Ein Terabyte Daten entstehen ungefähr in einer durchschnittlichen Fabrik pro Tag, Tendenz steigend. Um dieses Datenvolumen zu verarbeiten, ist eine kontinuierliche Kommunikation notwendig. Hierbei kann über SPE eine durchgängige Systemlösung vom Sensor bis zur Cloud erfolgen. Vor dem Hintergrund einer immer komplexeren Infrastruktur, was Netzwerk, Sensorik und intelligente Endgeräte betrifft, kann mit SPE ein leistungsstarkes Gesamtsystem entstehen. Sicher, einfach, kompakt und kosteneffektiv: Die Vorteile sind dabei vielfältig, zudem werden die SPE-Systeme künftig wesentlich kostensparender als die aktuellen Bestandslösungen aus Bus- und Ethernet-Komponenten.

SPE-Anwendungsfall Roboter

Kommen autonome und kollaborative Roboter zum Einsatz, so bietet sich auch hierbei eine Lösung mit SPE an. Dank der hohen Datenübertragungsraten kann die Kommunikation zwischen Roboter und Steuerungseinheit gesteigerte Abtastraten und größeres Datenaufkommen bewältigen. Über PoDL kann zudem eine vereinfachte Verkabelung mit Daten und Energie in einer Bahn erfolgen. Was über die Leistungsanforderungen bei den bisher definierten PoDL-Standards hinausgeht, ist zukünftig über hybride SPE-Lösungen mit Daten- und Leistungskontakten in einem Steckverbinder realisierbar. Dabei wirken sich weniger Kabel und Verbindungen positiv auf die Ausfallsicherheit, z.B. durch Materialermüdung, aus. Zudem werden die Wartung und ebenfalls eine mögliche Fehlerbehebung vereinfacht. Im Vergleich zu bisherigen Automatisierungskabeln kann SPE zudem geringere Biegeradien realisieren, was gerade bei der Auslegung des Roboterhandlings mehr Spielraum ermöglicht.

Prozessautomation mit SPE und SPE/APL

Wenn es um Prozessautomation geht, wird gerade bei Extrembeispielen deutlich, wie leistungsfähig SPE ist. Unternehmen im Öl- oder Gassektor müssen z.B. ihre riesigen Areale mit sehr großen Gebäuden oder Tanks sicher vernetzen. Gerade wenn vollständige Statusberichte und Fernsteuerung ggf. sogar aller weltweiten Standorte erforderlich werden, muss ein konsistenter Datenfluss sichergestellt werden. Es gibt bei vielen Unternehmen die Anforderungen, dass Daten zuverlässig und mit hoher Taktung vom Sensor bis in die Cloud oder ins ERP-System gelangen müssen. Bei solchen Anforderungen sorgt SPE für effiziente Netzwerke. Dabei kann auf zusätzliche Netzwerkgeräte zur Signalmodulation oder Gateways verzichtet werden. Die simultane Daten- und Leistungsübertragung per PoDL ist dabei ggf. ein weiterer Vorteil.

Um auch im explosionsgeschützten Bereich (Zonen 0, 1 und 2), etwa in der Prozessindustrie, die hohen Anforderungen an die Daten- und Leistungsübertragung erfüllen zu können, existiert mit Advanced Physical Layer (APL) ein eigener SPE-Standard. So sind Methoden des Explosionsschutzes inklusive der Eigensicherheit sichergestellt. Mit dieser Technologie können auch große Distanzen (Trunk-Länge bis 1.000m, Spurs bis 200m) überbrückt werden. Zudem stellt die Interoperabilität von Geräten und Systemen verschiedener Hersteller kein Problem dar.

Vorteile für zahlreiche Anwendungsfälle

SPE bietet dank seiner Leistungskennzahlen und -rahmenbedingungen also in vielen Anwendungsbereichen Vorteile. Dabei ist der Einsatz nicht nur auf neugeplante Systemkonstruktionen beschränkt, es können auch bestehende Strukturen in der IP-basierten Kommunikation modernisiert werden. SPE überzeugt dabei mit seiner Datenübertragung, Reichweite und Potenzial zur hohen Anschlussdichte. Phoenix Contact hat schon früh die Möglichkeiten erkannt und durch proaktive Entwicklungsarbeit und zahlreiche Kundenprojekte einen umfassenden Erfahrungsschatz in unterschiedlichen Anwendungsfällen aufgebaut. Als Partner für die Integration von SPE bietet das Unternehmen zahlreiche Services zur Technologie. Es gibt bereits verlässliche SPE-Lösungen, die kompatibel sind und ihre Leistungsfähigkeit nachgewiesen haben. Mit dem M12-Hybridsteckverbinder der Serie Onepair für SPE wurde noch eine Lösung für anspruchsvolle IIoT-Anwendungen nachgelegt. Er kombiniert Daten und Leistung in einem System und es sind Übertragungsraten sogar bis zu 1GBit/s möglich.

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