Profinet over SPE Das einheitliche Steckgesicht für Single Pair Ethernet

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Auf der SPS 2024 hat PROFIBUS & PROFINET International ein einheitliches SPE-Steckgesicht auf Basis der Hybrid-Variante (IEC 63171-7) vorgestellt und dies auch schon zur Normung bei der IEC eingereicht. Nach vier Jahren Gerangel stehen nun alle Hersteller geschlossen hinter dem neuen Standard. Wir haben die Community befragt, es jetzt weitergeht.

In einer Zeit, in der der Informationsbedarf und -fluss ständig steigt, werden herkömmliche Feldbusprotokolle schnell zum Flaschenhals in der Automation. Hier stellt Single Pair Ethernet (SPE) ohne Frage eine Zukunftstechnologie dar, da SPE eine durchgängige Echtzeit-Datenübertragung bis in die Feldebene ermöglicht. Bei SPE handelt es sich nicht um ein neues Protokoll oder einen neuen Feldbus, sondern um Ethernet, aber nur mit zwei Drähten. SPE erweitert Ethernet also bis auf die Feldebene.

Für eine breite Marktdurchdringung sind normierte und einheitliche Steckverbinder notwendig. Über die Normierung der SPE-Steckverbinder herrschte jedoch bis vor Kurzem noch Uneinigkeit. Auf der SPS 2024 hat die Automatisierungsgemeinschaft PROFIBUS & PROFINET International (PI), in der sich über 1.800 Mitglieder engagieren, ein einheitliches Steckgesicht für SPE auf Basis wesentlicher Applikationsanforderungen bekannt gegeben und die Standardisierung bei der International Electrotechnical Commission (IEC) angestoßen.

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Hinter diesem neuen Steckverbindersystem auf Basis der Hybrid-Variante (IEC 63171-7) stehen ausnahmslos alle Hersteller (und Lager) auf dem Markt. Das einheitliche Steckverbinder-System bringt für Anwender viele Vorteile und könnte künftig im Industrial Internet of Things (IIoT) eine Schlüsselrolle einnehmen.

Das neue Steckverbinder-System für „PROFINET over SPE“, das auf dem Datencontainer aus der Hybrid-Variante basiert, bietet für Anwendungen im Schaltschrank, im Feld und auch für Hybrid-Installationen ein einheitliches Steckgesicht und ebnet den Weg für einen universellen SPE-Standard. Dieser soll die Spezifikationen der IEEE 802.3 berücksichtigen und zukünftig veraltete Feldbussysteme ersetzen, da er in der Hochgeschwindigkeits-Ethernet-Kommunikation eine effizientere Daten- und Energieübertragung über ein einziges Aderpaar ermöglicht. So lässt sich ein wichtiger Meilenstein für die noch effektivere Unterstützung der Miniaturisierung künftiger Anwendungen setzen.

Viele Hersteller, zum Beispiel TE Connectivity, Weidmüller, Phoenix Contact, Harting, Yamaichi oder Rosenberger, arbeiten bereits an neuen Produkten, die die PNO-Anforderungen erfüllen.

Die Lösungen sollen in allen SPE-Applikationen unabhängig von PROFINET auch bei höheren Geschwindigkeiten einsetzbar sein. Zudem laufen Standardisierungsarbeiten auch auf anderen Ebenen der SPE-Kommunikation, z. B. hinsichtlich eines neuen Power-Konzepts, damit eine durchgängige SPE-Lösung über alle Schichten hinweg erreicht werden kann.

„SPE bietet mit der durchgängigen Kommunikation vom Sensor in die Cloud einen echten Mehrwert für die Industrie. Umso wichtiger ist es, dass sich die Branche nun auf ein einheitliches Steckergesicht verständigt hat“, kommentiert Simon Seereiner, Business Development Manager bei Weidmüller, und betont: „Die nun angestoßene internationale Standardisierung durch ISO/IEC sowie die Akzeptanz dieser Schnittstelle bei PROFINET wird Klarheit, Sicherheit und Eindeutigkeit für Hersteller und Anwender schaffen und somit den Durchbruch dieser Technologie beschleunigen.“

„Als Industriestandard kann PROFINET over SPE in der Anwendung die Anzahl an Kupferleitern und das Gewicht der Verkabelung reduzieren und gleichzeitig eine effizientere Kommunikation unterstützen“, ergänzt Manuel Rüter, Senior Principal of Technology, Standardization and Consortia bei TE.

Die Initialzündung: Das Statement der PNO zu Single Pair Ethernet

Xaver Schmidt, Head of Project Group Industrie 4.0 –PROFIBUS Nutzerorganisation e.V. (PNO) a member of PI, hat die Einigung maßgeblich vorangetrieben. Die PNO unterstreicht: „SPE ist für die Industrieautomation, intelligente Gebäudenetze oder IoT-Anwendungen interessant, weil die Endgeräte – Sensoren oder Aktoren – mit ausreichender Datenbandbreite kostengünstig in der Feldebene betrieben werden können. Zudem können sie ohne großen Aufwand an bestehende IT-Netzwerke angeschlossen werden.“

„Viele sehen SPE daher als einen Wegbereiter für IoT-Anwendungen“, so die Meinung der PNO. SPE füge sich somit in das Gesamtbild der PI-Technologien ein und könne dazu beitragen, die Automatisierung diverser Fertigungsprozesse zu verbessern oder zu ergänzen.

Allerdings sei SPE kein Selbstläufer, sondern erfordere zunächst die Definition von Use Cases und deren technische Bewertung. „PI treibt und unterstützt die gemeinsamen Aktivitäten zur standardisierten Spezifikation des Physical Layers und der Integration in Profinet. Dies schafft die Basis für eine konsistente Implementierung und einfache Nutzung, wie wir es für Ethernet-APL erfolgreich getan haben.”

Das neue einheitliche SPE-Steckverbindersystem mit seinem zukunftsweisenden Aufbau wurde von PI auf Basis wesentlicher Applikationsanforderungen realisiert. Es bietet ein einheitliches Steckgesicht für Anwendungen im Schaltschrank, im Feld und auch für Hybrid-Installationen. Dadurch entsteht DAS verbindende Element und der Weg zu einem universellen SPE-Standard wird geebnet. Für die Industrie ist diese neue Generation ein weiterer Schritt in die Zukunft.

Darüber hinaus laufen Standardisierungsarbeiten auf weiteren Ebenen einer SPE-Kommunikation, wie z. B. einem Power-Konzept, sodass eine durchgängige SPE-Lösung über alle Schichten erreicht wird.

Diese Lösung wird durch die Anwendung internationaler Standards auch unabhängig von PROFINET over SPE für alle SPE-Applikationen selbst bei höheren Geschwindigkeiten einsetzbar sein (Bild 2).

Das sagen die Automatisierer: SPE bietet Vorteile für die industrielle Kommunikation

Mit der zunehmenden Konvergenz von Operational Technology (OT) und Information Technology (IT) wird SPE zum Enabler nahtloser Netzwerke. Unternehmen, die auf PROFINET oder EtherNet/IP setzen, profitieren von der Möglichkeit, bestehende Ethernet-Infrastrukturen mit SPE zu erweitern. Dadurch entfallen Gateways, und die Daten können direkt in Cloud-Plattformen wie AWS oder Siemens Mindsphere integriert werden. Das bietet insbesondere deutschen Unternehmen viel Potenzial.

„Wir sehen Vorteile in der Kommunikation über Single Pair Ethernet in Motor Control Center (MCC) Schaltanlagen. Kostengünstig durch reduzierten Verdrahtungsaufwand mit dünnen, flexiblen, zweiadrigen Kabeln und herkömmlichen Steckern. Dazu gehören eine einfachere Fertigung und eine durchgängige Ethernet-Kommunikation von der Steuerung bis zu den Geräten“, erklärt Jens Winter, Smart Infrastructure Electrical Products Technology & System Management bei Siemens.

Zudem leistet die Verringerung des Materialverbrauchs durch kleinere Kabel und Steckverbinder sowie Switches einen Beitrag zur CO₂-Reduktion – ein Thema, das durch den Green Deal der EU zusätzliche Relevanz gewinnt. Darüber hinaus ermöglicht SPE eine effizientere Nutzung bestehender Infrastruktur und reduziert den Energiebedarf durch optimierte Topologien.

„Single Pair Ethernet ist die Zukunft der industriellen Kommunikation und bietet eine Einkabellösung für Kommunikation und Energieversorgung. SPE ermöglicht effiziente Kabelstrukturen, die Arbeitskosten und Aufwand reduzieren und eignet sich besonders für kleine Geräte und Anwendungen mit begrenztem Platzangebot. SPE eröffnet das Spektrum für eine neue Klasse von Sensoren, die nahtlos an die Ethernet-Welt angeschlossen werden können“, kommentiert Frank Moritz, Technical Industry Manager bei Sick.

„Bei Eaton haben wir das transformative Potenzial von Single Pair Ethernet in industriellen Anwendungen erkannt. Indem wir offene Standards übernehmen und uns aktiv an ihrer Entwicklung beteiligen, treiben wir die digitale Transformation in den Systemen unserer Kunden voran: Wir vereinfachen Design, Installation, Inbetriebnahme, Wartung und Betrieb“, erklärt auch Jacques Letzelter, Vice President Power Distribution Components bei Eaton.

Seereiner bezeichnet SPE als das Puzzlestück für die Vernetzung der Welt mit einer einheitlichen, durchgängigen, datentransparenten Infrastruktur. Und er ist sehr optimistisch, dass sich SPE in den nächsten Jahren und Jahrzehnten durchsetzen und etablieren wird. Das vergleicht er mit der Elektrifizierung ab den 1950er-Jahren. Die Steuerungstechnik mit analogen/digitalen I/O ging danach in die Ära der Automatisierung mit Feldbus I/O (1985) und ab 2005 mit Ethernet Kommunikation über. Seit 2020 befinden wir uns in der Netzwerk-Ära mit IIoT.

Wie geht es jetzt mit der Standardisierung des SPE-Steckgesichts weiter?

Auch wenn die Einigung der beiden SPE-Lager nach beiderseitigen Zugeständnissen für alle Hersteller und Anwender auf den Hybrid-Steckverbinder gemäß Norm IEC 63171-7 sehr erfreulich ist, liegt noch ein weiter Weg bis zur endgültigen Standardisierung und ersten Produkten vor den Herstellern und Anwendern.

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Die Basis des neuen Steckgesichts bildet der Hybridsteckverbinder, der maßgeblich von TE und Harting vorangetrieben wurde und in der Normvariante IEC 63171-7 mündete. Daraus wurde der Datencontainer als Grundlage für das neue Steckgesicht übernommen und um IP67 und IP 20 erweitert. Der Pin-Abstand mit 1,8 mm (statt 2,8 mm aus dem Harting-Konzept) entspricht dem Konzept von Phoenix Contact, bei dem keine Impedanzanpassung (100 Ohm) notwendig ist. Sowohl der Verrastungsmechanismus als auch das Schirmkonzept wurden optimiert.

Die Schirmanbindung entspricht dem Standard E3, was Multiport-Fähigkeit, also viele kleine Steckverbinder auf kleinem Bauraum, erlaubt (SPE hat nur 20% des Raumbedarfs einer RJ45-Buchse, dadurch ergibt sich eine Verdoppelung der Port-Dichte). Bei den Formaten M8/M12 erfolgt die Schirmanbindung über einen Rändelschraube. Kodierungen sind möglich, beispielsweise um PoDL von nicht PoDL-Systemen zu trennen.

Ende des Jahres 2024 ist eine Scope-Change der IEC 63171-7 (Hybrid-Steckverbinder + IP 67 nach Hybrid-Steckverbinder + IP 67 + IP 20) in den Normungsgremien von der PI angestoßen worden. Aktuell arbeiten die Hersteller die Norm weiter aus: Den neu zu implementierenden Bereich IP 20 unter der Leitung von TE und Weidmüller, Phoenix Contact dirigiert das Format M8 und Yamaichi ist für das Format M12 zuständig.

Auf der nächsten F2F-Normungssitzung im März 2025 in Mailand wird der aktuelle Stand vorgestellt und der CD (Committee Draft – Entwurf) diskutiert. Die beteiligten Parteien blicken zuversichtlich auf eine Einigung.

Nach der Norm kommen die Geräte-Designs – aber nicht vor 2027

Ziel ist es, im Herbst 2025, auf der zweiten Sitzung, den CDV (Committee Draft for Voting – Komitee-Entwurf, der zur Abstimmung gestellt wird) für die IEC 63171-7 zu erhalten. Laut Seereiner ist das neue Steckgesicht Ende 2025 Teil aller wichtigen Spezifikationen und es sind nur noch Formalitäten zu meistern, sprich die entsprechenden Dokumente zu erstellen. Diese münden dann in der Publikation der Norm im zweiten Quartal 2026 und etablieren das neue Steckgesicht für SPE als internationalen Standard.

Erste Gerätehersteller dürften das dann 2026/27 umgesetzt/eindesignt haben, da erste Steckverbinder Ende 2025 verfügbar sein werden. In den Folgejahren wird SPE richtig Fahrt aufnehmen, da ist Seereiner sich sicher.

Auch Verena Neuhaus, Produktmanagerin für Single Pair Ethernet bei Phoenix Contact erwartet erste Anwendungen 2027.

Die Steckverbinder-Hersteller sind gerüstet. Weidmüller hat beispielsweise ein breites Portfolio „in der Tasche“, angefangen von IP20 Singleport bis Multiport bis M8, die geeignet für verschiedene Ethernet-Anwendungen mit Übertragungsraten von 10 MBit/s bis 1 GBit/s sind. Phoenix Contact kann bei neuen Produkten auf die Geometrie der existierenden Rundsteckverbinder mit einem Pin-Abstand von 1,8 mm zurückggreifen und auch die Einbaubuchsen weiter verwenden, da der Abstand der Gehäuse zur Leiterplatte gleich bleibt.

„Es muss lediglich der Kontakteinsatz mit dem neuen Steckverbinder ausgetauscht werden“, erklärt Neuhaus. Auch die Schirmübergabe erfolgt wie beim bestehenden Portfolio der Rundsteckverbinder. Hier greift man auf das im Haus entwickelte Konzept AST zurück, bei der die Schirmanbindung auf Geräteseite mit einem vorkonfektionierten umspritzten Kabel erfolgt, das mit flüssigem Metall ausgespritzt wurde.

SPE als „Enabler“ für IoT-Anwendungen in Deutschland

Bei SPE ist Europa derzeit Vorreiter, das Thema wird aus Deutschland getrieben und am stärksten umgesetzt. Doch auch global dürfte eine Relevanz gegeben sein. China zieht zahlreiche Aktivitäten an sich und bietet ein hohes Marktpotenzial. In den USA wird das Thema beispielsweise von Rockwell sehr interessiert beobachtet: „SPE ist der Schlüssel für den Übergang von Feldbussen und die Umstellung von festverdrahteten Geräten auf Industrial Ethernet. Eine reduzierte Verdrahtung und mehr Informationen unterstützen eine schnelle Inbetriebnahme, eine einfachere Wartung, eine sichere Informationsversorgung für Analysen und eine Reduzierung von Material und Bestand“, so Brian Merdes, Vice President und General Manager Sensing, Safety & Industrial Components bei Rockwell.

Fazit: SPE-Steckverbinder für die Industrie gibt es seit 2019 mit unterschiedlichen (genormten) Steckgesichtern, was die Marktakzeptanz erschwerte. Die Initialzündung erfolgte auf der SPS 2024 mit einem von der PROFIBUS & PROFINET International (PI) getriebenen neuen, einheitlichen Steckgesicht, hinter dem nun alle Steckverbinder-Hersteller stehen.

Das von PI als SPE-Steckverbinder für PROFINET deklarierte erweiterte Steckgesicht basiert auf dem Hybrid-Steckverbinder aus der IEC 63171-7. Eine derartige Positionierung wurde seitens der Anwender schon lange von der Profibus Nutzerorganisation, aber auch von der ODVA erwartet. (kr)

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