Die Ethernet-Vernetzung von Automatisierungssystemen hat sich längst mit all ihren Vorteilen in der Fabrikautomatisierung und Robotik etabliert. Mit Single Pair Ethernet kommen nun weitere Vorteile hinzu, durch die sich Investitionskosten, Installationsaufwand, Platzbedarf und Gewicht deutlich reduzieren lassen. Zudem ist damit eine vollständig digitale IP-basierte und transparente Vernetzung vom Sensor bis in die Cloud möglich. Auch die Möglichkeit bereits installierte Busleitungen weiter zu verwenden, bietet die Chance zu Modernisierung und Upgrade bestehender Anlagen und Maschinen, um Funktionen wie die Zustandsüberwachung und vorausschauende Instandhaltung zu integrieren. Doch nicht nur in der Fabrikautomatisierung könnte SPE zum Gamechanger werden, sondern auch bei der Vernetzung von Nutzfahrzeugen. So gibt es etwa neue Möglichkeiten für die Integration von Kameras und Sensoren, die hier eine wichtige Rolle spielen, insbesondere im Bereich der Fahrerassistenzsysteme und der Sicherheit.
Der Standard
Aber ist es wirklich so einfach oder gibt es auch Nachteile beim Einsatz von SPE? Ursprünglich entwickelt für den Automobilbereich, um Ethernet als Bordnetz in Fahrzeuge zu bringen, gilt SPE oder T1-Ethernet inzwischen als die Revolution für die Vernetzung von Sensoren und Aktoren in der Industrie- und Gebäudeautomatisierung. Proprietäre Bussysteme sowie Übertragungstechnologien und die damit erforderlichen Gateways sind in zukünftigen Industrie 4.0-Anwendungen obsolet. Für den Anwender ändert sich Dank der vollen Kompatibilität zum klassischen Ethernet auf Protokolllevel bis auf die reduzierte Verkabelung kaum etwas. Die IEEE spezifiziert die SPE-Varianten. Diese unterscheiden sich für den Anwender hauptsächlich in der Datenübertragungsrate und der maximalen Leitungslänge. Zwischen Standard Ethernet und SPE aber gibt es viele Unterschiede. Der ausfälligste und am häufigsten erwähnte ist die reduzierte Anzahl der benötigen Adernpaare. Für einen 100Mbit/s-Link ist nur noch ein 1-paariges Twisted-Pair-Kabel anstelle eines 2-paarigen Kabels erforderlich. Unterschiedliche Kabellängen sind abhängig von der Bandbreite, hier nicht immer zum Vorteil von SPE. Bei 100Mbit/s sind mit einem ungeschirmten Kabel 15m definiert, mit einem geschirmten Kabel lässt sich die maximal mögliche Länge deutlich erhöhen. Ein einfaches Kabel bietet einen Kostenvorteil und ist durch den kleineren Durchmesser und Biegeradius einfacher zu verlegen.
SPE: Kein Plug&Play
Gravierender fällt der Unterschied hinsichtlich der Plug&Play-Fähigkeit aus. Bei Standard-Ethernet-Komponenten werden Geschwindigkeit, Duplex-Modus sowie Sende- und Empfangsleitungen automatisch erkannt und entsprechend auf den Teilnehmern konfiguriert. So einfach geht es beim aktuellen IEEE802.3bw-Standard für SPE/T1 leider noch nicht. Dieser unterscheidet zwei Rollen, welche die Linkpartner einnehmen können: Master und Slave. Bei der Installation ist daher zu berücksichtigen, dass nur ein Link aufbaubar ist, wenn ein Master- mit einem Slave-Port verbunden wird. Eine Aushandlung der maximal möglichen Geschwindigkeit ist ebenfalls noch nicht vorgesehen. Zwar werden bei einigen verfügbaren SPE-Controllern entsprechende Funktionen unterstützt, allerdings arbeiten diese proprietär und nicht herstellerübergreifend. Der Aufwand für den Anwender bei der Netzwerkplanung und Installation ist damit größer als mit Standard-Ethernet-Komponenten. Eine herstellerübergreifende Plug&Play-Fähigkeit auf Funktionsebene würde den Einsatz von SPE deutlich vereinfachen. Bei Sensoranwendungen, in denen diese Rollenverteilung nicht unüblich ist, ist dieser Aspekt für den Einsatz von SPE weniger ausschlaggebend. Ein über alle SPE-Standards funktionierendes Autonegotiation gibt es ebenfalls noch nicht, es können also nur Gräte verbunden werden die mit der gleichen Bandbreite arbeiten.
Unterschiedliche Anschlusstechnik
Ebenfalls schwieriger gestaltet sich die Komponentenauswahl mit Blick auf die unterschiedlichen Steckverbinder die im Standard IEC63171 definiert sind. Für den Einsatzbereich innerhalb und außerhalb des Schaltschranks sind verschiedene Steckgesichter spezifiziert, welche nicht kompatibel zueinander sind. Während sich bei Industrial Ethernet der RJ45-Stecker und der M12-Anschluss durchgesetzt haben, wird die Anschlusstechnik für SPE voraussichtlich in den kommenden Jahren nicht so eindeutig sein. Es gibt zwei Interessensgemeinschaften: die SPE System Alliance und das SPE Industrial Partner Network. Die Nachteile dieser Nichtkompatibilität beider Standards für den Markt ist offensichtlich. Es ist jedoch wichtig anzumerken, dass beide Parteien im Standard IEC63171-7 für ‚M12 Power-Hybrid SPE-Stecker für kombinierte Daten- und Energieversorgung‘ übereinstimmen. Das gewährleistet zumindest eine gewisse Interoperabilität und Kompatibilität in bestimmten Anwendungsfällen. Es bleibt zu hoffen das sich beide Gruppierungen in Zukunft auf einen einzigen Steckverbinder für den jeweiligen Einsatzbereich festlegen werden. Im Zuge einer Smart-Factory-Potenzialanalyse für ihren Kunden KSB identifizierte die Managementberatung NEONEX Opti mierungschancen bei der Beschaffung der Lieferantendokumentation sowie der Erstellung von Unterlagen zur Qualitätsprüfung entlang der Supply-Chain. ‣ weiterlesen
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Störfeuer auf das Netzwerk
Bei aktuellen Anwendungen in denen Industrial Ethernet durch SPE ersetzten werden könnte, ist eine Lösung mit SPE im Regelfall teurer und das bei gleichzeitig eingeschränktem Funktionsumfang und größerem Planungsaufwand. Eine Kostenersparnis durch den Einsatz von ungeschirmten Kabeln ist nur bei Anwendungen möglich, in denen das EMV-Design dafür ausgelegt ist, z.B. bei der internen Verkabelung von kleinen im Feld installierten Schaltkästen. In industriellen Anwendungen treten jedoch naturgemäß Störfaktoren auf, die erheblichen Einfluss auf die Zuverlässigkeit, Übertragungsqualität und -sicherheit auf das Netzwerk und die Kommunikation haben können. Vor allem an den Anschlusspunkten, an denen Steckverbinder, Kabel und Geräte aufeinandertreffen, ist das Risiko von Störungen durch Vibrationen, Schmutz, Feuchtigkeit sowie durch äußere elektromagnetische Einflüsse hoch. Genau an diesem Punkt unterscheiden sich die Anwendungsfälle in Industrie und Automotive. Währende beim Einsatz von SPE als Bordnetz ein klar definiertes gekapseltes System vorliegt, in dem alle Komponenten aufeinander abgestimmt sind und elektromagnetische Störungen kaum eine Rolle spielen, sieht es in der Industrie vollkommen anders aus. Bei ungeschirmten Kabeln stellen insbesondere die externen EMV-Einflüsse ein potentielles Problem dar. Bei klassischen Industrial-Ethernet-Applikationen werden diese Störungen über den Schirm des vierpaarigen Twisted-Pair-Kabels abgeführt. Beim Einsatz von SPE gilt es also in jedem Fall zu prüfen, ob und welche Störungen in der jeweiligen Anwendung auftreten können sowie robuste und zuverlässige Komponenten einzusetzen. SPE-Switches sind integraler Bestandteil jeder modernen Kommunikationsstrecke und auch bei neuen Installationen wird das Thema Dezentralisierung und die damit einhergehenden Anforderung an eine hohe Schutzart eine große Rolle spielen.
Mit robusten Komponenten ins Feld
Terz Industrial Electronics hat mit dem Switch-Portfolio T1-XS die ersten SPE/T1 Industrial-Ethernet-Switches mit der Schutzart IP65/67 im Programm. Damit ist eine schaltschranklose Vernetzung direkt im Feld mit nur einem Adernpaar möglich. Die neuen T1-XS mit vibrationssicherer M12-Anschlusstechnik wurden speziell für den Einsatz in rauen industriellen Umgebungen und in Nutzfahrzeugen außerhalb des Schaltschranks mit einem erweiterten Temperaturbereich von -40 bis +70°C entwickelt. Das IP65/67-Metallgehäuse ist staub- und wasserdicht.
Der Standard IEC63171 definiert die Steckverbinder für SPE-Kabel und Geräte. Dabei werden sowohl die Schaltschrank-Varianten (IP20) als auch Feldgeräte mit hoher Schutzart (IP65/67) definiert. Im Gegensatz zum Standard kommen in den aktuellen Switches von Terz M12 D-kodierte Steckverbinder zum Einsatz. Für die physikalische Datenübertragung entstehen hierdurch keinerlei Nachteile. Es werden nur zwei der vier vorhandenen Kontakte verwendet. In Zukunft soll es auf die Zielmärkte zugeschnittene Lösungen mit weiteren Anschlusstechniken geben. Auch die im Standard IEC63171 spezifizierten Steckgesichter werden eingesetzt, sobald sich am Markt eine einheitliche kompatible Lösung durchgesetzt hat.
Für Industrieanwendungen reicht die kapazitive Kopplung, welche im Automotive-Bereich vorgesehen ist, mit Blick auf die galvanische Trennung auf der Datenübertragungsseite nicht aus. Terz setzt daher auf den Einsatz von Chip-LAN-Übertragern, um die in der Industrie normativ geforderten Isolationsabstände einzuhalten. Die Daten werden über einen X-kodierten M12-Uplink-Anschluss mit Gigabit-Geschwindigkeit weitergeleitet. Durch die hohe Bandbreite auf dem Uplink-Port besteht ausreichend Reserve für Kameras und Sensoren der nächsten Generation. Alle Ports bieten dabei auch die Möglichkeit für den Anschluss eines vollgeschirmten Kabels, um auch den EMV-Anforderungen in der Industrie gerecht zu werden.
In Nutzfahrzeugen kann SPE durch Gewichts- und Platzersparnis, einfache Installation und Robustheit die Leistungsfähigkeit und Flexibilität der Fahrzeugvernetzung weiter verbessern. Zudem ermöglicht es eine verbesserte Integration von Kameras, Sensoren und anderen Systemen.
Gute Aussichten mit SPE
SPE bietet ohne Frage viel Potential, die Kommunikationslandschaft in der Automatisierung in den kommenden Jahren entscheidend mitzugestalten. Der Aspekt bestehende Standard-Industrial-Ethernet-Anwendungen zu ersetzten ist dabei viel weniger ausschlaggebend als die Erschließung völlig neuer Anwendungsfelder – wie die Eroberung der Feldebene. Die Implementierung von SPE in neuen Nutzfahrzeugen verspricht ebenfalls Vorteile, die die Effizienz, Sicherheit und Flexibilität in der Fahrzeugkommunikation erneut steigern. Welche Anforderungen abseits der IEEE zum Tragen kommen wird sich in zukünftig entscheiden. Mit den heute am Markt erhältlichen Komponenten lassen sich aber bereits erste Applikationen und Anwendungen realisieren.
