SPE - Single Pair Ethernet
Bei SPE - Single Pair Ethernet - wird eine einzige verdrillte Zweidrahtleitung in einem Kabel für die Datenübertragung und optional für die Stromversorgung verwendet.
Single Pair Ethernet kann Daten mit Geschwindigkeiten von 10 Mbit/s bis 10 Gbit/s mit nur einem Adernpaar übertragen, benötigt aber deutlich weniger Platz im Kabel und einen wesentlich kleineren Anschlussraum. Diese Technologie wurde eingeführt, um immer leistungsfähigere Ethernet-Bordnetze in Fahrzeugen zu ermöglichen und gleichzeitig die Verkabelung zu vereinfachen.
SPE - Immer leistungsfähigeres Ethernet & einfaches Verkabelungsdesign
PI hat die Digitalisierung und Industrie 4.0 Anwendungen schon immer vorangetrieben. Dabei ging es nicht nur um Kommunikationsprotokolle, sondern auch Time Sensitive Networking (TSN), OPC UA oder Advanced Physical Layer (APL) wurden in den Technologiebaukasten von PI integriert.
Nun steht mit SPE eine neue Technologie in den Startlöchern.
SPE ist für die Industrieautomation, intelligente Gebäudenetze oder IoT-Anwendungen interessant, weil die Endgeräte - Sensoren oder Aktoren - kostengünstig in der Feldebene mit ausreichender Datenbandbreite betrieben werden können.
Zudem lassen sie sich ohne großen Aufwand an bestehende IT-Netzwerke anbinden.
Viele sehen SPE daher als „Enabler“ für IoT-Anwendungen.
Single Pair Ethernet fügt sich somit in das Gesamtbild der PI-Technologien ein und kann dazu beitragen, die Automatisierung verschiedener Fertigungsprozesse zu verbessern oder zu ergänzen.
SPE ist jedoch kein Selbstläufer, sondern erfordert zunächst die Definition von Anwendungsfällen und deren technische Bewertung.
Technische Bewertung von SPE
SPE bündelt eine Reihe von Standards, die auf den Spezifikationen der IEEE 802.3-Familie basieren.
Der Vorteil:
Die bisherigen Strukturen des Ethernet-Frameworks bleiben unverändert. Lediglich der Physical Layer, d.h. die Kabel, die Anschlusstechnik und die elektrischen Signale werden neu definiert. PROFINET oder OPC UA können diesen neuen Physical Layer unverändert nutzen.
Aufgrund der technischen Randbedingungen der anvisierten Zielmärkte und der Implementierungsmöglichkeiten haben sich verschiedene Substandards entwickelt, die sich vor allem in der Datenrate und der möglichen Leitungslänge unterscheiden. Darüber hinaus gibt es unterschiedliche Leistungsklassen für die Stromversorgung. Daher wird es nicht nur eine Integration geben, sondern es wird die jeweils beste Lösung für eine Anwendung zum Einsatz kommen.
Aus Sicht des Anwenders verbessert SPE den Geräteanschluss bei Geräten mit integrierter Spannungsversorgung. Dies ist beispielsweise für die Sensorverdrahtung interessant. Dies ermöglicht eine schnellere Inbetriebnahme, robustere Verbindungen und kleinere Gehäuse.
Auch Roboter und Kräne profitieren von der höheren Flexibilität durch eine dünnere Verkabelung.
Die Herausforderung:
Anbieter von Sensoren und Aktoren sprechen mit ihren Komponenten in der Regel mehrere Zielbranchen an. Sollen die Hersteller nun jedes Gerät mit einer anderen Implementierung entwickeln, testen, zulassen, produzieren und lagern?
Darüber hinaus ist die Einführung einer neuen Technologie oft mit einem erhöhten Schulungsaufwand für die Endanwender verbunden. Neue Geräte, Einstellungen und Dokumentationen sind erforderlich. Hinzu kommt, dass SPE aus mehreren Technologien mit unterschiedlichen Kabellängen, -typen und -geschwindigkeiten besteht. Daraus ergibt sich eine Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten, die nicht alle gleichzeitig entwickelt und umgesetzt werden können. PI begleitet daher diesen Entwicklungsprozess und evaluiert die Technologien anhand von Anwendungsfällen.
Generelle Verbesserung bestehender Verkabelungslösungen
Es gibt robustere Steckverbinder als RJ45.
Die vorgestellten SPE-Steckverbinder sind robust konstruiert und für industrielle Anwendungen entwickelt worden. Dazu gehören unter anderem ein sicherer Kontaktübergang, ein durchgängiges Schirmungskonzept und ein starker Verriegelungsmechanismus. Ein weiteres Argument: Bei der Konfektionierung der Steckverbinder müssen nur zwei statt vier (100 Mbit/s) oder acht (Gbit/s) Adern angeschlossen werden.
| Verdrahtungslösungen über längere Strecken: | Ein Substandard von SPE erlaubt Kabellängen von bis zu 1000 m bei 10 Mbps. Diese Spezifikation verwendet Ethernet-APL und ermöglicht z.B. den Ersatz von bisher erforderlichen Switch-Kaskaden oder Glasfaserverbindungen. |
|---|---|
| Lösungen für kleinere I/O-Geräte: | Der geringere Platzbedarf durch den kleineren Stecker und die Integration der Stromversorgung ermöglicht kleinere Gerätegehäuse. Dies eröffnet neue Anschlussmöglichkeiten für zusätzliche Geräte in Maschinen und Anlagen und die Erfassung zusätzlicher Daten für I4.0-Anwendungsfälle. |
| Flexiblere Kabel: | Mechanische Flexibilität und Gewicht spielen eine wichtige Rolle bei der Verkabelung von Roboterarmen. SPE könnte daher eine größere Rolle bei Anwendungen spielen, die Kabel mit kleinerem Außendurchmesser, kleinerem Biegeradius und geringerem Gewicht erfordern. |
| Erweiterung bestehender Systeme: | Gerade in bestehenden Systemen ist die Integration neuer Komponenten einfacher als mit achtadrigen Kabeln. Mit den dünneren und leichteren Kabeln können mehr Ethernet-Kanäle als bisher in bestehenden Kabeltrassen untergebracht werden. |
Hier finden Sie Antworten auf häufig gestellte Fragen:
PI wird die bewährten Validierungs- und Implementierungsprozesse für SPE beibehalten. Gleichzeitig steht PI bereits in Kontakt mit anderen Nutzerorganisationen, um Fragen der Standardisierung, wie z.B. Aspekte der Verkabelung oder des Anschlusses, zu klären. Im weiteren Verlauf des Prozesses folgen die Spezifikation von Diagnose und Konfiguration, die Zertifizierung der Geräte sowie die Erstellung von Richtlinien für Installation, Inbetriebnahme und Validierung.
Wenn es darum geht, sowohl einfache als auch komplexere Sensoren auf dem letzten Meter in der Fabrikautomation zu verbinden, hat IO-Link diese Aufgabe bisher erfüllt. Die Entwicklungen rund um das Thema Smart Factory stellen jedoch immer wieder neue Anforderungen an die Art und Weise, wie Geräte miteinander kommunizieren. Aus Sicht von IO-Link waren beispielsweise Erweiterungen im Hinblick auf Safety-Anwendungen oder drahtlose Kommunikation notwendig.
Jetzt stellt sich wieder eine neue Frage:
Mit der dynamischen Erweiterung des Portfolios an IO-Link-Devices und der damit verbundenen Ausweitung der möglichen Einsatzgebiete stößt IO-Link teilweise an technologische Grenzen.
So gibt es durchaus Anforderungen, IO-Link über größere Distanzen als die derzeit spezifizierten 20 m zu übertragen. Single Pair Ethernet schließt genau diese Lücke und könnte solche Aufgaben übernehmen.
Die Übertragungsraten reichen von 10 Mbit/s bei einer Übertragungslänge von 1.000 m bis zu 1 Gbit/s bei 40 m.
Mit SPE kann die Stromversorgung der angeschlossenen Peripherie über PoDL (Power over Data Line) realisiert werden.
PoDL definiert verschiedene Spannungsebenen (12V, 24V, 48V) und verschiedene Leistungsklassen bis zu 60W am PSE (Power Source Equipment).
Eine zusätzliche, separate Versorgungsleitung ist somit nicht erforderlich.
SPE beschreibt eine Gruppe von Ethernet-Standards mit unterschiedlichen Übertragungsraten. Ethernet-APL nutzt einen dieser Standards und spezifiziert Eigenschaften, die für den Einsatz in der Prozessautomatisierung wichtig sind.
So werden in der Prozessindustrie meist Schraub- und Federkraftklemmen verwendet. Auch der Explosionsschutz spielt eine große Rolle, was zusätzlichen Entwicklungs- und Zertifizierungsaufwand bedeutet.
Für die Fertigungsautomatisierung ist dies in der Regel nicht notwendig, so dass die diskrete Fertigung auf den technisch weniger aufwendigen SPE-Standard zurückgreift. APL definiert auch eine eigene Leistungsklasse.