Bild 1: Single Pair Ethernet – der Steckverbinder-Standard für die Netzwerk-Infrastruktur der digitalen Transformation
Fragen, die zur Zeit viel diskutiert werden, drehen sich dabei meist um Bauelemente, Kabel oder Steckverbinder: Welche PHYs (Physical-Layer) sind verfügbar? Welche Kabel können eingesetzt werden? Wie hoch ist die Reichweite und welche Daten werden übertragen? Gibt es bei den Steckverbindern denn schon einen Standard? Hinter diesen Fragen steht eine Neudefinition industrieller Kommunikation für die gesamte Infrastruktur mit Geräten und Sensoren in verschiedenen Anwendungsszenarien.
Die BroadR-Reach-Technologie – ein Ethernet-Physical-Layer-Standard für Connectivity-Anwendungen im Automobilbereich – kann als Ausgangspunkt für die Entwicklung von SPE betrachtet werden. Moderne Mittelklasse-Fahrzeuge besitzen über 100 Sensoren, mit stegender Tendenz. Die Zahl der Steuergeräte, Sensoren, Aktoren und Kommunikationseinrichtungen wächst von jeder Fahrzeuggeneration zur nächsten. Damit nimmt auch die Verkabelung zu. Gefordert ist eine innovative Sensorik mit einem einheitlichen Kommunikationsstandard im Bereich des Automobils.
Dementsprechend war es die Automobilindustrie, die auf der Suche nach einem Nachfolger für den CAN-Bus das TCP/IP-basierte Übertragungsverfahren identifiziert hatte und die ersten SPE-Standards vorantrieb. Über die IEEE 802.3-Arbeitsgruppe wurden die ersten SPE-Standards als 100BASE-T1 und 1000BASE-T1 in den zuständigen Arbeitskreisen veröffentlicht. Die Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH & Co. KG stellt heute schon die Steckverbinder für diese Anwendungen in Serie her.
Mit dem im Jahr 2019 verabschiedeten cg-Standard aus der IEEE 802.3 wurde nun erstmals ein Standard für höhere Reichweiten definiert, der für viele industrielle Applikationen von Interesse ist. Damit war der Weg frei für den Einzug von SPE in neue Applikationsfelder wie Fabrik- und Gebäude-Automatisierung. Um dafür die ersten Gerätegenerationen aufzubauen, werden entsprechende Einzelkomponenten wie Chips, Kabel und Steckverbinder benötigt.
Bild 2: Relevante Normen und Standards für SPE- Anschlusstechnik
Erste PHYs für den cg-Standard sind bereits am Markt erhältlich. Dabei unterscheidet dieser Standard zwei Varianten: der T1L-Standard für große Distanzen bis zu 1000 m und einer Übertragungsgeschwindigkeit bis zu 10 Mbit/s sowie der T1S-Standard für kürzeren Distanzen bis zu 25 m. Dieser Standard ermöglicht auch das Multidrop-Verfahren. Bei einer Buslänge von 25 m können damit mindestens acht Knoten mit 10 cm langen Stichleitungen verbunden werden. Alle Knoten teilen sich die Bandbreite von 10 Mbit/s.
Die Kabel für Single Pair Ethernet werden in der IEC 61156-11/-12/-13 und -14 beschrieben. Diese vier neuen Standards für SPE-Leitungen definieren sowohl die feste als auch die flexible Verlegung. Einziger bis heute verabschiedeter Standard ist die 61156-11 für die feste Verlegung mit Übertragungseigenschaften bis 600 MHz bei einer Übertragungslänge bis 40 m – geeignet für den Standard IEEE 802.3 bp. Die weiteren Normen – auch die für den cg-Standard – sind derzeit noch nicht veröffentlicht.
Auch bei den Steckverbindern ist die Standardisierung noch nicht abgeschlossen. Steckverbinder für SPE werden in der IEC 63171 definiert. Gemeinsam mit den Partnern Reichle & DeMassari und Weidmüller hat Phoenix Contact mit der IEC 63171-2 zunächst das kompakteste Steckgesicht dieser Normenreihe entwickelt. Damit werden zwei Anforderungen an die Steckverbinder erfüllt: zum einen Miniaturisierung und Kosteneinsparungen bei der Einführung der neuen Technologie, und zum anderen die industrietaugliche Verrastung sowie die automatisierte Montage von Gerätesteckverbindern.
Das Steckgesicht der IEC 63171-2 ist auch in der IEC 63171-5 beschrieben – dort jedoch in der industrietauglichen IP-geschützen Häusung in M8- und M12-Bauweise. Wegen seiner Kompaktheit passt dieses Steckgesicht auch in einen Standard-M8-Steckverbinder, und kann damit auch in Standard-Induktivsensoren zum Einsatz kommen. Fliegende Verbindungen für die Kabel-Kabel-Verbindung im Feld oder zwischen Feld-Switches sind ebenfalls möglich. Auf der Geräteseite erweisen sich unterschiedliche Abgangsrichtungen als vorteilhaft: horizontal und vertikal zur Leiterplatte, Auslegung für THR- und SMD-Lötprozesse sowie volle Flexibilität bei der Montagerichtung mit Vorder- und Hinterwandmontage.
Bild 3: Die SPE-Steckverbinder von Phoenix Contact basieren auf den Standards der IEC 63171-2 (für IP20) und der IEC 63171-5 (für IP65/67).
In der Normenreihe der IEC 63171 gibt es insgesamt sechs unterschiedliche Standards für Steckverbinder. Welcher davon der Standard für welche Applikation sein wird, werden die Nutzerorganisationen maßgeblich mitentscheiden, die sich derzeit intensiv mit dem Thema SPE beschäf-tigen. Dabei werden für die unterschiedlichen Anwendungsfelder Use cases aufgezeigt, die nicht nur die Einzelkomponenten betrachten, sondern das gesamte Ecosystem. Hier zeigt es sich, wie und wann der populäre Slogan „Vom Sensor bis zur Cloud“ auch wirklich greift. Um die SPE-Technologie großflächig verfügbar zu machen, ist die Kompatibilität von Geräten, Kabeln und Steckverbindern von entscheidender Bedeutung.
Bild 4: Single Pair Ethernet bildet den Baustein, um Ethernet durchgängig bis in die Feldebene zu bekommen.
Beim Transfer vom Automotive-Ethernet hin zu industriellen SPE-Anwendungen gibt es derzeit für die Gerätehersteller noch einige Herausforderungen, da die EMV-Einflüsse je nach Anwendung nicht wie im Automobil vorhersehbar und zudem oftmals viel komplexer sind. Das heutige Industrial Ethernet hat sich über einen langen Zeitraum entwickelt. RJ45-Steckverbinder wurden hinsichtlich Schirmungskonzepten, erweiterter Temperaturbereiche, Robustheit und integrierten Übertragern (Magnetics) nach und nach optimiert und an die Bedürfnisse industrieller Umgebungsbedingungen angepasst. Die SPE-Steckverbinder von Phoenix Contact bringen viele dieser Eigenschaften bereits mit. Die genauen Anforderungen der gesamten SPE-Infrastruktur werden sich jedoch erst noch entwickeln.
Es bleibt also auch weiterhin spannend. In den kommenden Jahren werden weitere IEEE-Standards für SPE erwartet, die den Bereich der größeren Distanzen über 100 m bei gleichzeitiger Übertragungsgeschwindigkeit von bis zu 100 MBit/s abdecken. Auch bei den Steckverbindern wird es über die nächsten Jahre noch Portfolio-Erweiterungen geben. Sobald die ersten Innovationstreiber Geräte entwickeln und auf den Markt bringen, werden auch feldkonfektionierbare Steckverbinder für unterschiedliche Kabel sowie weitere Zubehörartikel für die Schaltschrank- und Feldverkabelung benötigt.
Zurzeit entsteht gerade das Grundgerüst für die Zukunft der industriellen Kommunikationstechnik. SPE ist davon nur ein Teil, 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 bis hinein in die Cloud. Phoenix Contact engagiert sich in allen wichtigen Standardisierungsgremien mit dem Ziel eines neuen, herstellerübergreifenden Kommunikationsstandards für die digitale Transformation. Zusammen mit anderen Kommunikationstechnologien wie 5G und TSN dient SPE auch als Basis für die intelligente Vernetzung in der „All Electric Society“.
Die anfängliche Technologiepartnerschaft der Unternehmen Phoenix Contact, Weidmüller, Telegärtner, Reichle & De Massari (R&M) und Fluke Networks für SPE hat sich zu einem breiten Bündnis entwickelt: die SPE System Alliance. Führende Technologieunternehmen aus verschiedenen Branchen und Anwendungsbereichen haben sich darin zusammengeschlossen, um ihr Know-how zu bündeln und zielorientiert auszutauschen. Alle Partner der Allianz verfolgen gemeinsam das Ziel, SPE für das Industrial Internet of Things (IIoT) weiter voran zu treiben.
Das Netzwerk dient der Zusammenarbeit an technologischen Herausforderungen bei der Umsetzung von SPE in IIoT-Anwendungen. Die Unternehmen haben das Ziel, den eigenen Know-how-Aufbau für die SPE-Technologie zu beschleunigen und darüber eine schnellere und zuverlässigere Implementierung in ihren Produkten zu ermöglichen.
Durch die Ausrichtung zu einer branchen- und applikationsübergreifenden Austauschplattform kommen Unternehmen aus allen zukünftigen SPE-Ecosystemen zusammen. Dabei ist der Blick keineswegs auf Einzelaspekte – wie etwa Anschlusstechnik – fokussiert. Es geht viel umfassender um Fragestellungen und Herausforderungen, denen viele Marktteilnehmer bei SPE gegenüber stehen. Regelaustauschformate und gemeinsame Projektaktivitäten bieten dabei Raum für enge Kooperationen.
Dipl.-Ing. Verena Neuhaus, Product Marketing Data Connectors, Business Unit Field Device Connectors, Phoenix Contact GmbH & Co. KG, Blomberg
Dipl.-Wirt.-Ing. Verena Neuhaus arbeitet seit 2006 bei Phoenix Contact und ist seit 2013 verantwortlich für das Produktmanagement für Datensteckverbinder. In diesem Bereich verantwortet sie Steckverbinder, Patchkabel und Infrastrukturkomponenten für die Datenkommunikation im Bereich der Kupfer- und LWL-Verkabelung. Zudem verantwortet sie seit 2018 das Produktmanagement für die Single Pair Ethernet-Steckverbinder.