Mouser German Blog

Als nicht standardisiertes Softwareprotokoll wurde Ethernet in den 1970er Jahren für die interne und lokal begrenzte Übertragung von Datenpaketen in kabelgebundenen Computernetzen (LAN oder Local Area Network) entwickelt. Das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) definierte in den folgenden zwei Jahrzehnten das Softwareprotokoll und die physikalische Ebene – einschließlich der physikalischen Schnittstellen wie Stecker und Kabel – und legte mit der Einführung verschiedener Protokolle wie 802.4 (Token Bus), 802.5 (Token Ring) und schließlich 802.11 Wireless LAN (WLAN) den Grundstein für das moderne Internet.

Gemeinsame Sprache

Parallel wurde in den 1980er Jahren mit dem verstärkten Einsatz der elektrischen Automatisierungstechnik die Entwicklung der Feldbustechnik vorangetrieben. Der Grundgedanke war derselbe: Verschiedene Kommunikationsteilnehmer sollten über ein gemeinsames System gezielt miteinander kommunizieren. Die unterschiedlichen Feldbusprotokolle wie Interbus, DeviceNet und Profibus wurden jedoch nicht zur Vernetzung von Rechnern in der Unternehmensebene eingesetzt, sondern zur seriellen oder parallelen Anbindung von Sensoren und Aktoren an die Steuerungs- und Leitebene.

Die parallele Entwicklung der beiden Übertragungsprotokolle begründete schließlich die heute noch gültige Form der Automatisierungspyramide. Die obersten Ebenen stellen lokal begrenzte Rechnernetze dar, die für die Grob- und Detailplanungen der Produktion genutzt werden. In den unteren Ebenen befindet sich die Signal-, Daten- und Energieübertragung zur Erfassung, Steuerung und Regelung des physikalischen Produktionsprozesses (Abbildung 1).

Abbildung 1: Paradigmenwechsel: SPE stellt die herkömmliche Automatisierungspyramide auf den Kopf. (Quelle: Phoenix Contact)

Die Form der Pyramide ergibt sich in erster Linie aus der hierarchisch-logischen Anordnung der verschiedenen Ebenen. Sie bildet aber auch die bisher gültigen Rahmenbedingungen für die industrielle Datenübertragung ab: Hohe Übertragungsraten und kurze Wege über Ethernet, niedrige Übertragungsraten und lange Wege über Feldbus.

Auf den Kopf gestellt

Warum also dieser Exkurs? Industrial Ethernet und insbesondere Single Pair Ethernet (SPE) stellen diese Automatisierungspyramide auf den Kopf. Mit der Entwicklung von Ethernet-basierten Protokollen wie EtherNet/IP, Profinet oder EtherCAT wurde die Echtzeit-Datenübertragung von der Unternehmensebene zur Feldebene eingeführt.

Die physikalischen Schnittstellen wurden leistungsfähiger und elektrisch komplexer, denn die Datenübertragung musste vor Störungen wie Schmutz, Vibrationen und elektromagnetischer Strahlung geschützt werden. Die Hersteller von Verbindungstechnologien entwickelten daher spezielle, IP6x-geschützte Ethernet-Schnittstellen, um diesen erhöhten Anforderungen in der Feldebene gerecht zu werden. In der Unternehmens- und Betriebsebene reichten für die Spitze der Automatisierungspyramide noch IP20-Lösungen aus.

Datenübertragung hoch zwei

Bislang beschränkten sich die Standardisierungsbemühungen auf immer höhere Datenraten und höhere Anforderungen an die Verkabelungstechnologie. Diese Anforderungen wurden durch immer höhere Leistungsklassen in kupferbasierten Verkabelungskategorien definiert.

Das Single Pair Ethernet definiert nicht erneut höhere Bandbreiten oder Übertragungsdistanzen, sondern bildet den normativen Rahmen für eine reduzierte, anwendungsgerechte Verkabelung. Die Normen IEC 63171-2 (IP20) und IEC 63171-5 (IP67) konzentrieren sich auf niedrigere Übertragungsraten von 10Mbps bis 100Mbps. Die Datenverkabelung mit nur einem Adernpaar ermöglicht Übertragungsstrecken von bis zu 1000 Metern (Abbildung 2). Damit ermöglicht SPE erstmals Einsatzgebiete und Anwendungen, die mit herkömmlichem Ethernet nicht möglich waren, zum Beispiel in der Prozesstechnik. Der Vorteil für Anlagenbetreiber: Die Datenverkabelung kann durchgängig auf Basis des Ethernet-Protokolls erfolgen, so dass z. B. identische Schnittstellen und Steckermuster in unterschiedlichen Umgebungen verwendet werden können.

Abbildung 2: Standardisierung: Die Datenübertragungsraten auf Feldebene und im Rechenzentrum werden sukzessive standardisiert. (Quelle: Phoenix Contact)

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Single-Pair-Schnittstellen deutlich kompakter sind als zwei- oder vierpaarige Geräte- und Kabelsteckverbinder. Damit unterstützt SPE den anhaltenden Trend zu kompakten, dezentralen Geräten in der Industrieautomation, der Prozesstechnik, der Gebäudeautomation sowie in Telekommunikations- und Infrastrukturanwendungen. SPE kann somit anwendungsneutral zur DNA des Industrial Internet of Things (IIoT) werden.

Neues Steckermuster, bekannte Verlässlichkeit

Um eine durchgängige Kompatibilität aller Schnittstellen zu gewährleisten, hat das IEEE eine Reihe von Arbeitsgruppen für die normative Beschreibung verschiedener Anwendungen mit Übertragungsraten von 10Mbps, 100Mbps und 1000Mbps gebildet. Es wurden Standards für 10-Base-T1, 100-Base-T1 und 1000-Base-T1 verabschiedet.

Phoenix Contact ist ein wesentlicher Impulsgeber bei der Standardisierung der entsprechenden Schnittstellen. Mit den Marktpartnern Reichle & De-Massari und Weidmüller entwickelt der Anschlusstechnikspezialist geschützte und ungeschützte Stiftleisten für ein- und vierpaarige Kabel. Das MICE-Modell beschreibt ihre mechanische Robustheit (M1 oder M2/3), den IP-Schutz (I1 oder I2/3), die chemische und klimatische Beständigkeit (C1 oder C2/3) sowie die elektromagnetische Sicherheit (E1 oder E2/3).

Die kompakten Steckverbindermuster eignen sich ideal für die effiziente Verkabelung zahlreicher Kommunikationsteilnehmer – entweder über ein einzelnes Adernpaar oder über vier Adernpaare für vier Teilnehmer, die sich eine gemeinsame Leitung und Schnittstelle teilen (Abbildung 3). Aufgrund der gemeinsamen Schnittstelle lassen sich ein- und vierpaarige Verkabelungskonzepte ebenso miteinander kombinieren wie IP20- und IP6x-Lösungen. Mögliche Anwendungen sind die Aufteilung von achtadrigen Verkabelungskonzepten in vier einzelne SPE-Stränge für vier verschiedene Kommunikationsteilnehmer oder die Dimensionierung einzelner Paare innerhalb der achtadrigen Geräteschnittstellen. Die Zwei-Draht-Technologie erlaubt die anwendungsspezifische Versorgung von Endgeräten mit Leistungen bis zu 60 Watt über das gleiche Adernpaar (Power over Data Line oder PoDL).

Abbildung 3: Effizient verdrahtet: Ein- und vierpaarige MICE-Schnittstellen werden für die Verkabelung von IP20- und IP6x-Anwendungen eingesetzt. (Quelle: Mouser Electronics)

Die Zukunft der Kommunikationstechnologie

Die Entwicklung von SPE kann in der industriellen Datenübertragung nicht als Megatrend unabhängig von anderen Standardisierungsbemühungen gesehen werden. Die Rahmenbedingungen für die Zukunft der industriellen Kommunikationstechnologie werden parallel in verschiedenen Gremien und Projekten geschaffen. Neue Kommunikationsstandards wie die Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA), Time-Sensitive Networking (TSN) und 5G bilden die Basis für eine durchgängige Vernetzung vom Sensor über die Maschine und übergeordnete Systeme bis in die Cloud.

Die neuen Standards werden die bestehenden Protokolle und Schnittstellen in Bezug auf Kosten, Datendurchsatz, Latenz und Deterministik übertreffen. Phoenix Contact ist mit über 30 Jahren Erfahrung in der industriellen Kommunikation in allen relevanten Standardisierungsgremien aktiv. Das Ziel: ein neuer, herstellerunabhängiger Kommunikationsstandard für die Automatisierung.

Bereits heute dient OPC UA als übergeordneter Kommunikationsstandard in Fertigungsanlagen. OPC UA wird nun um standardisierte Anwendungsprofile im Feld erweitert – für I/O-, Safety- oder Antriebsanwendungen. Darüber hinaus werden standardisierte Gerätemodelle für eine einheitliche Konfiguration und Diagnose der Netzwerkgeräte definiert (Abbildung 4).

Abbildung 4: Informations- (IT) und Betriebstechnologie (OT): Neue Kommunikationsstandards bilden die Basis für eine durchgängige Vernetzung vom Sensor über die Maschine und übergeordnete Systeme bis hin zur Cloud. (Quelle: Phoenix Contact)

Zusammenfassung

Single Pair Ethernet (SPE) verbindet die IP20-Welt der Unternehmens- und Bedienebene mit der IP6x-Welt der Steuerungs- und Feldebene - und erschließt damit neue Anwendungsfelder. Ziel ist die nahtlose Verbindung aller Kommunikationsteilnehmer auf Basis der gleichen Protokollsprache und einheitlicher Schnittstellen. Durch die Reduzierung der Verkabelung auf nur ein oder vier einzelne Adernpaare können Anwender effiziente Netzwerk- und Verkabelungsstrukturen vom Sensor über die Steuerungs- und Unternehmensebene bis hin zur Cloud aufbauen. Und neben Datenraten von bis zu 1000 Mbps erlaubt die SPE-Verkabelung auch die Versorgung der Endgeräte mit bis zu 60 W.