SPE für das zuverlässige IIoT
Von universellen Schichten
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
SPE beschleunigt die Migration
Die Möglichkeiten von SPE erhöhen das Engagement für eine All-Ethernet-Netzwerklösung. Der Nutzen für die Anwenderschaft ist, dass sich das Netzwerk einfacher implementieren und verwalten lässt. Dabei sorgt das Single-Protocol-Netzwerk künftig für mehr Datentransparenz und erhöht die Sicherheit. Das Wachstum des IIoTs und die Digitalisierung der industriellen Prozesse erfordern ein nahtloses Informationssystem im Unternehmen.
Den ursprünglichen Single-Pair-IEEE-Standard 802.3cg-2019 hat man Anfang 2020 verabschiedet. Parallel dazu erfolgte die Einführung von Gerätechips zur Unterstützung aller SPE-Anwendungen in der Prozess-, Industrie- und Gebäudeautomation.
Die reduzierte Anzahl der Kabel für die Kommunikation verringert die Kabel- und Steckergröße. Dabei liefert die Technik gleichzeitig Strom und Daten. Der IP20-SPE-Steckverbinder gemäß IEC 63171-1 Typ 1 von Panduit beispielsweise ist ein kleinformatiges Modul mit der Hälfte der Grundfläche eines RJ45-Anschlusses und verfügt über eine positive Verriegelung für sichere Verbindungen. Die integrierte Strom- und Datenversorgung macht lokale Batterien oder Netzteile überflüssig. Dies vereinfacht die Stromversorgung, während sich gleichzeitig die Installationszeit reduzieren und die Wartung optimieren lässt.
Im Vergleich zur Terminierung eines vierpaarigen Kabels nach TIA-568A/B-Standard ist der Kabelabschluss eines einpaarigen Kabels mit dem LC-Stecker vor Ort schneller und einfacher. Mit handelsüblichen Werkzeugen kann ein Techniker einen SPE-Steckverbinder in der Hälfte der Zeit, die sonst für eine vierpaarige Terminierung nötig ist, am Kabel fixieren. Zudem sind einpaarige AWG18-Kabel in Verwendung, die leichter und schmaler sind. Der Anschluss des SPE-Steckverbinders ist dabei auch weniger fehleranfällig, was Nacharbeiten minimiert. Durch das geringere Gewicht und die geringere Größe lassen sich mehrere Kabelstränge zusammenziehen, was die Implementierung vereinfacht.
Der Nutzen, Daten und Strom über SPE an entfernte Geräte parallel zu übertragen, ist enorm. Der IEEE-802.3bu-Standard sieht eine dezentrale Gleichstromversorgung über die SPE-Verbindung vor, die als Power-over-Data-Line (PoDL) bezeichnet ist. PoDL ist vergleichbar mit der Power-over-Ethernet-Technik (PoE) für Standard-Ethernet, die die Stromversorgung der Datenkommunikations-Infrastruktur in Gebäuden bereits entscheidend verändert hat.
Ein weiterer Vorteil von SPE ist, dass man vorhandene Kabelmedien wiederverwenden kann. Maschinen und Anlagen verfügen über einpaarige, verdrillte Kabel-Topologien, die sich als SPE-Kabelmedien nutzen lassen. Beispielsweise besitzen viele RS-485-Kabel, die in Gebrauch oder redundant verlegt sind, den Querschnitt AWG18. Diese Kabel muss man testen, um sicherzustellen, dass sie die elektrische Leistung in Bezug auf den TIA-568.5-Standard für 10Base-T1L erfüllen.
Als Hersteller von Lösungen im Bereich physikalische und elektrische Infrastruktur ist Panduit an der Entwicklung der künftigen Kommunikationsstandards beteiligt. Bob Voss, Senior Principal Engineer in der Forschung und Entwicklungsabteilung von Panduit, ist Vorsitzender des „Single-Pair Ethernet Subcommittee“ bei der Ethernet Alliance. Dieses Unterkomitee hat die Aufgabe, die Entwicklung einer kohärenten Roadmap für Base-T1-Ethernet als bevorzugte Netzwerkimplementierung in einer einzigen Netzwerkinfrastruktur voranzutreiben, die industrielle Netzwerke in die Ethernet-Umgebung integriert. Diese Entwicklung wird ältere Protokolle durch robuste IP-Netzwerke ersetzen, die höhere Datengeschwindigkeiten, Übertragungsdistanzen und außerdem Vorteile bei der Daten- und Netzwerksicherheit bieten.
Durch die Vorteile von Ethernet- und IP-basierten Netzwerken reduziert eine Konsolidierung auf SPE-Umgebungen auch den Aufwand, der nicht unmittelbar mit der Datenübertragung zusammenhängt. Ethernet-Netzwerke sind schneller und bieten erweiterte Techniken wie Time Sensitive Networking (TSN) und Software Defined Networking (SDN). Während das Vierpaar-Ethernet bereits gut etabliert ist und höhere Ebenen in industriellen Netzwerken unterstützt, ist es für viele kleinere Edge-Geräte nicht kosteneffizient. SPE ist die günstigere Lösung für eine breitere Implementierung von kostensensiblen IIoT-Geräten. Systeme, die derzeit die serielle RS-485-Kommunikation nutzen, lassen sich mit geringen Änderungen aufrüsten und in das Ethernet-Netzwerk einbinden.
Schnell und anwenderfreundlich
SPE bietet eine erhöhte Bandbreite mit Datenraten von bis zu 10 MBit/s bei Entfernungen bis zu 1.000 Metern. Der Komfort, die Kosten und die Funktionalität von SPE sprechen für die Migration oder den schrittweisen Einsatz dieser Technik in einer industriellen Umgebung.
Zu den frühen Anwendungen für SPE gehören:
- Anschluss von Skid- und Maschinen- E/A-Blöcken zum Ethernet-Netzwerk,
- Verbindung maschineninterner Geräte an einen maschineninternen oder zellularen industriellen Netzwerk-Switch,
- Anschluss von Feldsensoren und Aktoren an industriellen Netzwerk-Switch über Punkt-zu-Punkt oder strukturierte Kabel-Link-Kanäle, beides mit Längen bis zu einem Kilometer,
- Verbindung von Feldgeräten mit eingebetteten Zwei-Kanal-Schaltern in einer Daisy-Chain,
- Verbindung von Remote-I/O-Modulen untereinander, mit dem Netzwerk-Switch oder mit der Steuerung sowie
- Anschluss von Schaltschrank-Einbaugeräten untereinander über ein einzelnes Kabel in Multi-drop Topologie (10Base-T1S).
SPE ist die Schlüsseltechnik für Hersteller und Industrieanlagen, denn sie ermöglicht:
- Nahtlose Netzwerke mit hoher Transparenz von der Cloud bis zum Edge-Gerät,
- erhöhte Bandbreite am Netzwerkrand für die Implementierung erweiterter Diagnosemöglichkeiten,
- Vereinfachung von Edge-Netzwerken durch den Wegfall von Protokollübersetzungs-Gateways,
- Transformation und Vereinfachung der Gleichstrom-Infrastruktur für Steuerungen,
- Verbesserung der Cybersicherheit durch die Erweiterung der Abwehrtechniken in die Fertigung und
- Verbindung von miniaturisierten Micro-IoT-Geräten.
Der Siegeszug des IIoT hängt stark von einer effektiven Technik in Verbindung mit kostengünstigen Sensoren ab, um die Durchgängigkeit sowie die Skalierung voranzutreiben.
Automatisierungs-Massenprodukte werden sich wahrscheinlich zuerst ändern, während spezialisierte Geräte mit älteren Protokollen längere Zeit überleben werden, bis man sie ersetzt. Wenn Anwender den Wettbewerbsvorteil durch SPE realisieren, dann wird die Implementierung der zugehörigen Geräte zunehmen. Zudem lässt sich durch die Konvergenz auf Ethernet die Komplexität des Netzwerks reduzieren.
Martin Kandziora ist Senior Manager Marketing EMEA bei Panduit.
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