Single Pair Ethernet: Ein Paar ist genug

SPE bringt die digitale Fabrik auch zum kleinsten Sensor.
Mit Single Pair Ethernet lassen sich einfache, günstige und durchgehend digitale Ethernet-Echtzeitnetze schnell realisieren. Die noch immer weit verbreiteten 4-20 mA- und Feldbus-Leitungen zu Sensoren und Aktoren können damit endlich abgelöst und IIoT auch für kleine Betriebe realisierbar werden.

Single Pair Ethernet - oder kurz SPE - hat das Potenzial, der neue Kabel- und Stecker-Standard in der Automatisierung zu werden, um Ethernet von der Cloud tatsächlich bis an jeden Sensor und Aktor zu bringen. Durchgehende TCP/IP-Kommunikation auf Ethernet-Basis ist Voraussetzung für die Fabrik der Zukunft, in der Maschinen, Anlagen, Systeme und Produkte digital miteinander vernetzt sind.

“Doch aktuelle Ethernet-Technik ist für etliche industrielle Anwendungen viel zu aufwendig und teuer”, erklärt Florian Adams. “Die gängigen RJ45-Stecker und Ethernet-Kabel sind für den Anschluss einiger Komponenten, wie einfachen Sensoren und Aktoren, kaum geeignet, da diese lediglich über eine zweiadrige Leitung angeschlossen werden. Ethernet erfordert jedoch meist vieradrige Kabel.” Florian Adams ist Geschäftsleiter bei Euroconnectors, einem auf Steckverbinder und Komponenten spezialisierten Distributor.

Was ändert sich mit Spe

4-adrige Kabel erfordern mehr Aufwand für die Feldinstallation, zudem vervielfacht sich das Potential für Installationsfehler. Und: die Systemkosten für 4-paarige Leitungen sind deutlich höher als für 2-paarige. Deshalb sei die digitalen Fabrik in den meisten Fällen bisher nicht bis in die Feldebene vorgedrungen, so Adams: “Teilweise hängen hier die einfachen Sensoren und Aktoren noch an 4-20 mA-Leitungen.” In der Chemie- und Prozessindustrie, so schätzen Branchenexperten, sind das sogar noch über 80 Prozent. Das klassische Ethernet ist für solche Anforderungen zu überdimensioniert, zu komplex und zu teuer.

Das soll sich mit SPE ändern. Erstmals wird damit der durchgängige Einsatz des TCP/IP Protokolls ermöglicht. Neue Komponenten sollen schnelles Ethernet bis zu 1 GBit/s über nur noch ein Adernpaar bis an die kleinste Applikation bringen und - gleich ob diskrete oder Prozessindustrie - damit alle Sensoren und Aktoren in eine bestehende Ethernet-Umgebung einzubinden. In der Produktion, in der Prozessindustrie, in Automobilen, in der Gebäudetechnik und in der Elektronik. Florian Adams: „In Zeiten der Miniaturisierung und höherer Materialkosten bei Leiterplatten sowie steigendem, internationalem Preisdruck ermöglichen SPE Komponenten Einsparungen ohne auf Qualität zu verzichten. Aufgrund des kleineren Footprints auf der Leiterplatte, sowie der geringeren Bauhöhe lassen sich komplexeste Lösungen auf kleinsten Raum wettbewerbsfähig realisieren.“

Wichtig für viele Anwendungen ist dabei, dass SPE auch TSN-Anwendungen ermöglicht - also Echtzeit. TSN Time-Sensitive Networking (TSN) ist eine Standard-Reihe für die kontrollierte Datenübertragung in Echtzeit.

Und: Zusätzliche Gateways und Schnittstellen entfallen. Anders als Feldbusprotokolle durchdringt das Ethernet alle Automatisierungsebenen. Es ist durchgängiger, effizienter und kostengünstiger als Feldbussysteme. Und mit SPE lässt es sich über nur ein Aderpaar installieren, reduziert damit Platz und Gewicht. Weiterer Vorteil ist, dass bestehende Verkabelungen weiter nutzbar sind. Denn dank der standardisierten Schnittstellen können ein- und vierpaarige Verkabelungskonzepte miteinander kombiniert werden. Die Zweidrahttechnologie erlaubt zudem dank PoDL (Power over Data Line) die Energieversorgung der Endgeräte mit Leistungen bis zu 60 W.

Vorteile

Mit einem einzigen digitalen Netzwerk vom Sensor bis in die Cloud ermöglicht SPE - Expertenmeinungen zu Folge - die Investitionskosten um bis 80% zu senken. Und weitere langfristige Einsparungen lassen sich durch eine Vielzahl von Vorteilen zu erreichen, wie sie Florian Adams benennt:

Kompakte, leichtere Kabel mit 50% weniger Gewicht und Platzbedarf als herkömmliche Feldbuskabel. Das spart Platz in Maschinen, Autos, Gebäuden und Elektronikbauteilen.
mit SPE werden die Anforderungen an die Leistungs- und Temperatursteuerung reduziert.
die einfache Integration von Feldgeräten, Sensoren und Aktoren in eine Ethernet-Umgebung senkt Material- und Arbeitskosten. Auch zusätzliche Gateways und Schnittstellen entfallen.
Hohe Reichweite: Realisierbar sind Übertragungsstrecken von bis zu 1.000 m bei Übertragungsraten von 10 Mbit/s, zukünftig bis zu 1 GBit/s.
Bus-Topologien werden möglich ohne zusätzliche Stromleitungen in Kombination mit Power over Data Lines (PoDL).

“Sehr erfreulich ist, dass deutsche Hersteller, viele davon unsere Partner, bei dieser Technologie ganz vorne mitspielen”, so Steckerexperte Adams. Mit der SPE System Alliance und dem SPE Industrial Partner Network gibt es zwei Gremien der führenden Hersteller, die die Entwicklung der 2-Draht-Ethernet-Technologie vorantreiben.

Die Vorteile des Single Pair Ethernet fasst Florian Adams so zusammen: “SPE bietet die Möglichkeit die Digitale Fabrik wirklich bis zum kleinsten Sensor hin auszubauen - und das in Kombination mit einer deutlichen Kosten- und Platzersparnis sowie einer hohen, skalierbaren Leistung.”

SPE auf dem Steckverbinderkongress (06. - 09.09.2021)

Der Anwenderkongress Steckverbinder hat sich im vergangenen Jahrzehnt zum Branchentreff entwickelt. Von Single Pair Ethernet über „Smarte Steckverbinder“ und Hochstromkontakte bis zur Additiven Fertigung: Interessierte erfahren vom 6. bis 9. September 2021 alles rund um das Thema Steckverbinder.

Die Veranstaltung findet hybrid statt: Die Präsenzveranstaltung im Vogel Convention Center Würzburg vom 7. bis 9. September 2021 wird auch live gestreamt für Teilnehmer, die virtuell teilnehmen wollen.

Und rein virtuell findet die Pre-Conference am Montag (6. September 2021) statt, in der Interessenten an den Präsentationen der Aussteller teilnehmen können.

Am Dienstag, 06.09, fokussiert sich der Kongress auf das Thema SPE. Zahlreiche Vorträge von Spezialisten der Branche bringen für den Anwender Transparenz in das die Technologie, wie etwa:

Anwendungsfälle für Single Pair Ethernet: Die Vorteile von SPE in der industriellen Kommunikation (Simon Seereiner, Weidmüller Interface und Verena Neuhaus, Phoenix Contact);
Grundlagen zur Kontaktphysik (Dr. Helge Schmidt, TE Connectivity Germany);
High Power Levels for Single Pair Ethernet (Wijnand van Gils, TE Connectivity);
Quo vadis Single Pair Ethernet – Neuigkeiten aus der SPE-Welt und kritische Betrachtung möglicher Anwendungen in der Industrie (Matthias Fritsche, Harting Electronics);
SPE-Sensorik (Frank Moritz, Sick).