Single Pair Ethernet – kurz SPE – ist zurzeit einer der Mega-Trends der industriellen Datenübertragung. Wer die Anwendungen und Vorteile der auf ein einziges Adernpaar reduzierten Datenverkabelung verstehen will, kommt an der Geschichte des Ethernets und der industriellen Automatisierung nicht vorbei.

Als nicht-standardisiertes Softwareprotokoll ist das Ethernet in den 1970er Jahren zur firmeninternen und lokal begrenzten Übertragung von Datenpaketen in kabelgebundenen Computernetzwerken (LANs) entstanden. Das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) spezifizierte das Softwareprotokoll sowie den Physical Layer – darunter die physischen Schnittstellen wie Steckverbinder und Kabel – in den folgenden beiden Jahrzehnten weiter und legte mit der Einführung unterschiedlicher Protokolle wie 802.4 (Token Bus), 802.5 (Token Ring) und schließlich 802.11 (WLAN) den Grundstein für das moderne Internet.

Gemeinsame Sprache

Parallel dazu entwickelte sich – getrieben durch den verstärkten Einsatz elektrischer Automatisierungstechnik – in den 1980er Jahren die Feldbustechnik. Der Grundgedanke war der gleiche: Unterschiedliche Kommunikationsteilnehmer sollten geordnet und in einer gemeinsamen Systematik miteinander kommunizieren. Die verschiedenen Feldbus-Protokolle wie Interbus, DeviceNet oder Profibus dienten jedoch nicht zur Vernetzung von Computern der Unternehmensebene, sondern zur seriellen oder parallelen Anbindung von Sensoren und Aktoren an die Steuerungs- und Leit­ebene.

Letztlich begründete so die parallele Entwicklung der beiden Übertragungsprotokolle die Form der noch heute gültigen Automatisierungspyramide. Die obersten Ebenen repräsentieren lokal begrenzte Computernetzwerke, über die die Produktionsgrob- und -feinplanung erfolgt. Die unteren Ebenen umfassen die Signal-, Daten- und Leistungsübertragung zur Erfassung, Steuerung und Regelung des physischen Produktionsprozesses.

Die Form der Pyramide ergab sich primär aus der hierarchisch-logischen Anordnung der unterschiedlichen Ebenen. Sie repräsentiert jedoch ebenso die bisher gültigen Rahmenbedingungen für die industrielle Datenübertragung: hohe Übertragungsraten und geringe Strecken mittels Ethernet, geringe Übertragungsraten und lange Strecken mittels Feldbus.

Auf den Kopf gestellt

Warum nun dieser Exkurs? Das industrielle Ethernet und vor allem das Single Pair Ethernet stellen diese Automatisierungspyramide auf den Kopf. Mit der Entwicklung Ethernet-basierender Protokolle wie EtherNet/IP, Profinet oder EtherCAT zog die Echtzeit-Datenübertragung von der Unternehmens- in die Feldebene ein.

Paradigmenwechsel: SPE stellt die herkömmliche Automatisierungspyramide auf den Kopf. Bild: Phoenix Contact

Die physischen Schnittstellen wurden leistungsfähiger, aber auch elektrotechnisch komplexer, da die Datenübertragung vor Störeinflüssen wie Schmutz, Vibration und elektromagnetischer Strahlung geschützt werden musste. Hersteller von Verbindungstechnik entwickelten daher spezielle, IP6x-geschützte Ethernet-Schnittstellen, um diese gesteigerten Anforderungen der Feldebene zu erfüllen. Für die Spitze der Automatisierungspyramide – die Unternehmens- und Betriebsebene – reichten IP20-Lösungen weiterhin aus.

Datenübertragung hoch zwei

Bislang beschränkten sich die Standardisierungsbemühungen auf stets höhere Datenraten und höhere Anforderungen an die Verkabelungstechnik. Diese Anforderungen sind durch immer höhere Leistungsklassen in der kupferbasierten Verkabelung – die Kategorien – festgeschrieben.

Normierung: Die Datenübertragungsraten in der Feldebene und in Rechenzentren zeigen sich sukzessive immer weiter standardisiert. Bild: Phoenix Contact

Das Single Pair Ethernet definiert nicht erneut höhere Bandbreiten oder Übertragungsstrecken, sondern bildet den normativen Rahmen für eine anwendungsgerecht reduzierte Verkabelung. Mit den Standards IEC 63171-2 (IP20) und IEC 63171-5 (IP67) rücken geringere Übertragungsraten von 10 bis 100 MBit/s in den Fokus. Die Datenverkabelung mit nur einem Adernpaar ermöglicht dennoch Übertragungsstrecken von bis zu 1.000 Metern. Damit erlaubt SPE erstmals Einsatzgebiete und Anwendungen, die das konventionelle Ethernet bis dato nicht zuließ, wie etwa in der Prozesstechnik. Der Vorteil für Anlagenbetreiber: Die Datenverkabelung lässt sich auf Basis des Ethernet-Protokolls durchgängig bewerkstelligen, baugleiche Schnittstellen und Steckgesichter können also in unterschiedlichen Umgebungen arbeiten.

Effizient verkabelt: Einpaarige und vierpaarige MICE-Schnittstellen dienen der Verkabelung von IP20- und IP6x-Anwendungen. Bild: Phoenix Contact

Vorteilhaft ist auch, dass einpaarige Schnittstellen deutlich kompakter sind als zwei- oder vierpaarige Geräte- und Kabelsteckverbinder. Damit unterstützt SPE den anhaltenden Trend zu kompakten, dezentralen Geräten in der industriellen Automatisierung, der Prozesstechnik, der Gebäudeautomation sowie in Telekommunikations- und Infrastrukturanwendungen. SPE kann also anwendungsneutral zur DNA des Industrial Internet of Things (IIoT) werden.

Neues Steckgesicht, bekannte Zuverlässigkeit

Für eine durchgängige Kompatibilität aller Schnittstellen hat das IEEE Arbeitsgruppen zur normativen Beschreibung unterschiedlicher Anwendungen mit Übertragungsraten von 10, 100 und 1000 Mbit/s gebildet. Für 100-Base-T1 und 1000-Base-T1 wurden bereits entsprechende Standards verabschiedet, 10-Base-T1-Standards sollen bis zum 3. Quartal 2019 folgen.

Single Pair Ethernet – die relevanten Normen

– IEC 63171-2: SPE-Steckgesichter für IP20,

– IEC 63171-5: SPE-Steckgesichter für IP67 und

– ISO/IEC 11801-1: Allgemeine Anforderungen für Twisted-Pair- und Glasfaserkabel.

Der deutsche Anschlusstechnik-Spezialist Phoenix Contact treibt die Normierung der entsprechenden Schnittstellen maßgeblich voran. Gemeinsam mit anderen Unternehmen – Weidmüller, Reichle & De-Massari, Belden und Fluke Networks – entwickelt er geschützte und ungeschützte Steckgesichter für einpaarige und vierpaarige Leitungen. Das MICE-Modell beschreibt deren mechanische Robustheit (M1 oder M2/3), IP-Schutz (I1 oder I2/3), chemische und klimatische Resistenz (C1 oder C2/3) sowie die elektromagnetische Sicherheit (E1 oder E2/3).

Informations- (IT) und Betriebstechnik (OT): Neue Kommunikationsstandards sind die Basis für die durchgängige Vernetzung vom Sensor über die Maschine und übergeordnete Systeme bis in die Cloud. Bild: Phoenix Contact

Die kompakten Steckgesichter eignen sich ideal zur effizienten Verkabelung zahlreicher Kommunikationsteilnehmer – entweder über ein einzelnes Adernpaar oder über vier Adernpaare für vier Teilnehmer, die sich eine gemeinsame Leitung und Schnittstelle teilen. Dank der gemeinsamen Schnittstelle können ein- und vierpaarige Verkabelungskonzepte ebenso miteinander gemischt werden wie IP20- und IP6x-Lösungen. Mögliche Anwendungen sind das Aufsplitten achtadriger Verkabelungskonzepte in vier einzelne SPE-Stränge für vier unterschiedliche Kommunikationsteilnehmer oder das Bemessen einzelner Paare innerhalb der achtadrigen Geräteschnittstellen. Die Zweidrahttechnik erlaubt zudem die anwendungsgerechte Versorgung der Endgeräte mit Leistungen bis zu 60 Watt über das gleiche Adernpaar (Power over Data Line, PoDL).

Als ein Mega-Trend der industriellen Datenübertragung lässt sich SPE jedoch nicht unabhängig von anderen Standardisierungsbemühungen sehen. Das Grundgerüst für die Zukunft der industriellen Kommunikationstechnik entsteht parallel in unterschiedlichen Gremien und Projekten. Neue Kommunikationsstandards wie die Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA), Time-Sensitive Networking (TSN) oder 5G sind die Basis für die durchgängige Vernetzung vom Sensor über die Maschine und übergeordnete Systeme in die Cloud.

Die neuen Standards werden bisherigen Protokollen und Schnittstellen in Bezug auf Kosten, Datendurchsatz, Latenz und Deterministik überlegen sein. Hersteller wie Phoenix Contact mit mehr als 30 Jahren Erfahrung in der industriellen Kommunikation engagieren sich daher in allen relevanten Standardisierungsgremien. Das Ziel: nicht weniger als ein neuer, herstellerübergreifender Kommunikationsstandard für die Automatisierung.

Single Pair Ethernet – auf einen Blick

– Single Pair Ethernet (SPE) beschreibt die physischen Schnittstellen zur einpaarigen Übertragung von Daten und Leistung zwischen unterschiedlichen Kommunikationsteilnehmern.

– Das IEEE erarbeitet Normen für unterschiedliche Anwendungen mit Datenübertragungsraten von 10 (802.3 cg), 100 (802.3 bw) und 1000 MBit/s (802.3 bp) und Leitungslängen von 15 bis 1.000 Meter.

– Zusammen mit Weidmüller, Reichle & De-Massari, Belden und Fluke Networks entwickelt Phoenix Contact normierte Steckgesichter für IP20-und IP6x-Umgebungen.

Dipl.-Wirt.-Ing. Verena Neuhaus ist Manager Product Marketing Data Connectors bei Phoenix Contact in Blomberg, www.phoenixcontact.de.