Nachhaltigkeit ist das zentrale Thema unserer Zeit, das es gilt, mit neuen Technologien umzusetzen. Eine interessante: Single Pair Ethernet (SPE), welches eine leistungsfähige Ethernet-Datenübertragung über nur ein Paar Kupferleitungen ermöglicht und damit einen entscheidenden Beitrag zu nachhaltigen Industrienetzen leistet. „Als wir vor rund sechs Jahren angefangen haben, uns mit der Technologie auseinanderzusetzen, hatten wir Nachhaltigkeit in dem Zusammenhang noch nicht im Augenmerk. Wir haben zunächst einmal gesehen, dass die Technologie das Potenzial als Gamechanger für die Industrie birgt“, erzählt Ralf Klein, Managing Director und Geschäftsführer bei Harting Electronics. Warum? Er sieht in zwei Punkten den Haupthebel, warum diese Technologie so viel verändern kann: Zum einen spricht SPE innerhalb der traditionellen Automatisierungspyramide eine einheitliche, durchgängige Sprache. Zum anderen kann man direkt auf die IP-Adresse etwa eines Sensors in der Feldebene zugreifen und die Daten auswerten. „Somit bietet SPE eine optimale Sensor-to-Cloud-Kommunikation. Das war für uns am Anfang der Haupttreiber.“
Nachhaltiges Netzwerk: SPE spart Kupfer
Nun gewann das Thema Nachhaltigkeit insbesondere in den letzten drei Jahren an Fahrt, wodurch SPE auch zu einer unverzichtbaren Technologie wird, um dieses Ziel zu erreichen. Denn mit seinem Einsatz spart es gleichzeitig Kosten und Ressourcen, da weniger Kupfer verbraucht wird. Mit der Umsetzung von IIoT müssen die Datennetzwerke weiter ausgebaut werden, braucht es ein Mehr an notwendiger Infrastruktur. Müsste dabei jede Bus-Leitung – die durch Ethernet-Kabel ersetzt wird mit vier oder achtadrigen Kabeln – ersetzt werden, würde dies einen immensen Materialaufwand bedeuten. Vier Kupferdrähte werden heute für Fast Ethernet mit einer Datenrate von 100Mbit über eine Distanz bis zu 100m benötigt. Gigabit Ethernet benötigt acht Adern.
Single Pair Ethernet löst diese Aufgabe mit einem Bruchteil an notwendigen Ressourcen. Denn die Technologie kommt mit nur einem Adernpaar aus, auch für Gigabit. „Das heißt, der Umstieg von Fast Ethernet auf SPE spart allein rund 50 Prozent Kupfer, von Gigabit Ethernet traditionell auf SPE sogar 75 Prozent“, zeigt Ralf Klein auf. Führt man sich vor Augen, dass es Ethernet heute eigentlich überall gibt – im Gebäude, im Shopfloor in der Fertigung, zuhause – lässt sich erwarten, dass für das Thema Nachhaltigkeit großes Potenzial schlummert.
Partnerprogamm für ein ganzes Ökosystem
Grund genug für Harting, sich dafür zu engagieren, SPE nutzbar zu machen. „Teil unserer Unternehmensvision ist es, die Zukunft mit Technologien für Menschen gestalten zu wollen“, sagt Klein. Dabei sei der Steckverbinder eine Schlüsselkomponente, um diese Technologie zu ermöglichen, aber nicht die einzige. Vielmehr gilt es, das ganze Ökosystem – Komponenten, Standards, Protokolle bis zur Lösung in den Branchen – weiterzuentwickeln. „Wenn ein neuer IIoT-Standard entsteht, wie wir hoffen und dran glauben, dann muss man das gemeinsam mit Partnern machen“, führt der Geschäftsführer weiter aus. Dafür wurde vor über drei Jahren ein Partnerprogramm ins Leben gerufen, das inzwischen rund 60 Mitglieder weltweit hat. „Wir sind überzeugt, dass Komponenten einfach austauschbar sein müssen und dazu ist es wichtig, dass der Steckverbinder und die Connectivity einheitlich sind“, erklärt Ralf Klein. Die Mitgliedsunternehmen aus Europa, den USA und Asien unterstützen verschiedene Teile des Ökosystems.
Aktueller Standard
Damit dies alles auch wirklich miteinander funktioniert, müssen die Übertragungsprotokolle standardisiert sein. Eine Übertragungsrate von 1Gbit/s via SPE ist aktuell in der IEEE802.3bp standardisiert und auf 15m begrenzt. Die für Anwender gewohnte Übertragungslänge für Ethernet liegt aktuell in der Regel bei 100m. Durch seinen Ursprung im Automobil, sind die Distanzen für SPE gegenwärtig noch an fahrzeugtypischen Längen ausgerichtet. In der Prozessautomatisierung liegt die Übertragungslänge bei bis zu 1.000m, die Übertragungsrate beträgt dafür aber nur 10Mbit/s. Basierend auf diesen Standards können Unternehmen heute die notwendige Hardware, wie Chips und Komponenten, entwickeln.
Standards zu SPE weiterentwickeln
Was jetzt noch fehlt, um die Technologie auch insbesondere in den Bereich der Fabrikautomatisierung zu bringen, sind die Übertragungsprotokolle für Fast Ethernet (100Mbit/s über 100m). „Harting engagiert sich in der IEEE802.3, um diese Protokolle zu entwickeln und voranzutreiben“, berichtet Ralf Klein und ist überzeugt, dass dies die Akzeptanz für SPE im Markt noch einmal vergrößert. Im ersten Schritt erarbeitet die IEEE802.3dg-Arbeitsgruppe ein Ethernet-Protokoll für 100Mbit/s über 500m Übertragungslänge. „Das wird der erste Benefit sein im Vergleich zu Fast Ethernet, das heute nur bis 100m geht. Neben den anderen genannten Vorteilen der Zweidrahttechnik, Einheitlichkeit der Sprache und direktes Ansteuern der IP-Adresse“ erläutert Klein weiter. Allerdings ist das ein Prozess, der noch zwei bis drei Jahre dauern wird, schätzt er und wirft gleich noch einen weiteren Blick in die Zukunft: „Der nächste Schritt, den wir unterstützen, ehrlicherweise sogar einfordern, um das ganze Potenzial ausspielen zu können ist, Gigabit über mindestens 100m oder bis zu 250m. Die Technologie gibt das bereits her, jetzt brauchen wir noch die entsprechenden Protokolle.“
Pushing Technology to the Limit
Und was die Technologie bereits hergibt, was die Hardware heute schon kann, wo die technisch zuverlässigen Grenzen in der Übertragungslänge liegen – das untersuchen aktuell Arbeitskreise in der Normung, wie auch Infrastrukturanbieter. Harting und Belden Hirschmann zeigen dazu auf der Hannover Messe eine Video-Liveübertragung via 1Gbit/s SPE. Im letzten Jahr hatte bereits eine Übertragungsstrecke über 40m mit 100Mbit/s funktioniert. In diesem Jahr will man mit ‚Pushing Technology to the Limit‘ noch einen Schritt weiter gehen: „Wir wollen die Technologie mit einer Gigabit-Datenübertragungsstrecke an ihr heutiges Limit pushen, um zu ermitteln, wieviel sie mit der heute verfügbaren Hardware hergibt“, freut sich der Fachmann. Und ist gespannt, wie nah man an die 100m herankommen wird. „Ich denke, wir werden eine signifikante Steigerung im Vergleich zu den 40m schaffen.“
Erste SPE-Produktdatenbank online
Die Potenziale, die die Forschungsumgebung im Thema SPE sehen, sind das eine. Das andere ist die Praxis. Wer die Entwicklungen zur SPE-Technologie verfolgt, wird sich fragen, welche Komponenten und Produkte es dafür schon am Markt gibt. Wer bietet diese an und wo sind die Informationen erhältlich? Denn auf SPE zu setzen, bedeutet auch, dass die vorhandene Netzwerkinfrastruktur, die heute installiert ist, nicht verwendbar ist. Alle Komponenten – von den Halbleitern, über die passiven Bauelemente und Infrastrukturkomponenten bis hin zu den Endgeräten wie Switches und Sensoren werden neu gebraucht. Kurz gesagt: Der Markt braucht SPE-fähige Geräte.
Erste Produkte gibt es bereits und der Markt für SPE-Netzwerktechnik wächst. Deshalb hat das SPE Industrial Partner Network im September letzten Jahres die weltweit erste, herstellerneutrale Produktdatenbank (product.single-pair-ethernet.com) für SPE-fähige Produkte veröffentlicht. Sie gibt Anwendern eine Übersicht über alle aktuell verfügbaren Komponenten. Aus aktuell schon mehr als 320 Produkten von rund 20 Herstellern, inklusive Halbleiterhersteller, können Entwickler sich alles auswählen, was sie für die Entwicklung von Prototypen oder den Serieneinsatz benötigen.
