Single Pair Ethernet als Gamechanger in der Industrie Wie SPE die digitale Transformation vorantreibt

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Single Pair Ethernet bietet enorme Potenziale für die industrielle Kommunikation. Die Fortschritte bei der Normung, ein umfangreiches Produktportfolio und die Einigung auf ein einheitliches Steckgesicht sind entscheidende Schritte auf dem Weg zur breiten Implementierung.

Single Pair Ethernet (SPE) hat das Potenzial, die industrielle Kommunikation zu revolutionieren. Mit nur einem Adernpaar ermöglicht die Technologie eine effiziente und kostengünstige Datenübertragung über lange Strecken. Entsprechend ihrer zunehmenden Bedeutung entwickelt sich SPE rasant weiter. Fortschritte gibt es hinsichtlich der Normung, des verfügbaren Portfolios der Verbindungstechnik und bei der Einigung auf ein einheitliches Steckgesicht für die Fabrikautomatisierung.

Aktueller Stand der Normung

Single Pair Ethernet ermöglicht die Übertragung von Daten über ein Adernpaar auf Kupferbasis, was Kosten und des Platzbedarf verringert. Die Technologie bündelt unterschiedliche Kommunikationsstandards und reicht von 10 MBit/s mit einer Reichweite von 1.000 m bis hin zu 25 GBit/s bei einer Reichweite von 11 m.

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Das macht SPE vielseitig einsetzbar und ideal für Anwendungen in der Fabrikautomatisierung und anderen industriellen Bereichen. Die physikalischen Eigenschaften von SPE werden durch die IEEE-Standards definiert.

Die Standardisierung für SPE beginnt bei der IEEE 802.3 mit der Definition der SPE-Kommunikationsstandards in unterschiedlichen Arbeitsgruppen.

Die aktuellen Standards decken verschiedene Anwendungen und Übertragungsgeschwindigkeiten ab. Zwei neue Standards, an denen aktuell noch gearbeitet wird, sind perspektivisch für die industrielle Kommunikation besonders relevant: der 10BASE-T1M (Arbeitsgruppe DA) und der Standard 100BASE-T1L (Arbeitsgruppe DG), deren Veröffentlichung für 2026 geplant ist (Bild 1).

Der 10BASE-T1M-Standard ist die Erweiterung des bereits veröffentlichten Multidrop-Standards 10BASE-T1S (CG). Dieser soll neben einer erhöhten Reichweite und Anzahl an Kommunikationsteilnehmern (Knoten) auch noch eine geteilte Leitungsübertragung (MPoE) ermöglichen.

Mit dem neuen Punkt-zu-Punkt-Standard 100BASE-T1L (DG) erhöht sich die Reichweite der 100-MBit/s-SPE-Datenübertragung auf 500 m (vorher 40 m), wodurch die 100 m vom klassischen Fast Ethernet zukünftig auch mit SPE abgedeckt werden können.

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Herausforderungen bei der Implementierung

Die Umsetzung von SPE in industriellen Anwendungen bringt Herausforderungen mit sich, denen sich die Akteure am Markt stellen müssen.

Normung und Interoperabilität: Obwohl es Fortschritte bei der Normung gibt, müssen weitere Standards entwickelt und verabschiedet werden. Nur so wird die vollständige Interoperabilität zwischen verschiedenen Herstellern und Geräten gewährleistet. Unterschiedliche Interpretationen der Normen können zu Kompatibilitätsproblemen führen.

Infrastruktur und Verkabelung: Die Umstellung auf SPE erfordert eine Anpassung der bestehenden Infrastruktur. Dies kann mit erheblichen Kosten und Aufwand verbunden sein, insbesondere in großen und komplexen Anlagen. Eine Nutzung vorhandener Verkabelungsstrukturen bedarf einer individuellen Prüfung der Tauglichkeit für SPE, ist jedoch grundsätzlich möglich.

Zuverlässigkeit und Robustheit: SPE-Komponenten müssen in rauen Industrieumgebungen zuverlässig funktionieren. Eine hohe mechanische Stabilität und Widerstandsfähigkeit gegenüber Umwelteinflüssen wie Vibrationen, Feuchtigkeit und Temperaturschwankungen sind daher ein Muss. Die Entwicklung und Prüfung solcher robusten Komponenten ist zeitaufwendig und kostspielig.

Sicherheit: Die Sicherheit der Datenübertragung ist ein kritischer Faktor. SPE muss sicherstellen, dass die Datenintegrität und -vertraulichkeit gewahrt bleiben. Dies erfordert die Implementierung geeigneter Sicherheitsprotokolle und -mechanismen. Ethernet bietet beim Thema Security die notwendigen Voraussetzungen und hat gegenüber veralteten Bus-Systemen signifikante Vorteile.

Schulung und Wissenstransfer: Techniker und Ingenieure müssen in der neuen Technologie geschult werden, um sie effektiv implementieren und warten zu können. Dies erfordert Investitionen in Schulungsprogramme und den Wissenstransfer innerhalb der Organisationen. Durch SPE können jedoch viele veraltete Feldbusse ersetzt werden, eine Schulung neuer Mitarbeiter für diese alten Systeme entfällt.

Marktakzeptanz: Die Akzeptanz von SPE auf dem Markt stellt z. T. eine Herausforderung dar. Unternehmen müssen von den Vorteilen der Technologie überzeugt werden. Es kann dauern, bis SPE als Standard in der Industrie etabliert ist.

Kosten: Obwohl SPE langfristig Kosteneinsparungen bieten kann, müssen anfänglich Investitionen in neue Komponenten und Infrastruktur getätigt werden. Unternehmen müssen anhand einer Kosten-Nutzen-Analyse abwägen, bevor sie in die Implementierung von SPE investieren. Dabei sollte aber berücksichtigt werden, welche Mehrwerte die Technologie in der Gegenwart und in der Zukunft bringen kann.

Trotz dieser Herausforderungen bietet SPE erhebliche Vorteile und Potenziale für die industrielle Kommunikation. Mit kontinuierlichen Fortschritten bei der Normung, der Entwicklung robuster Komponenten und der Schulung von Fachkräften können diese Herausforderungen überwunden werden, um die Vorteile von SPE voll auszuschöpfen.

Das neue Gesicht von SPE

Ein einheitliches Steckgesicht für SPE ist von großer Bedeutung für die Fabrikautomatisierung. Es ermöglicht eine einfache und flexible Verbindung von Geräten und Systemen. Phoenix Contact spielt eine führende Rolle bei der Entwicklung und Förderung eines solchen Standards. Durch die enge Zusammenarbeit mit anderen Industriepartnern, Nutzerorganisationen und Normungsgremien konnte bereits ein großer Fortschritt erzielt werden.

Der aktuelle Stand zeigt, dass eine breite Einigung auf ein einheitliches Steckgesicht in greifbarer Nähe ist. Die Norm IEC 63171-7, die in der zweiten Edition bereits in Arbeit ist und von Phoenix Contact maßgeblich mitentwickelt wird, definiert die mechanischen Anforderungen an SPE-Steckverbinder und bildet somit die Grundlage für ein einheitliches Steckgesicht. Diese Norm stellt sicher, dass SPE-Steckverbinder eine hohe mechanische Stabilität und Zuverlässigkeit bieten und gleichzeitig eine einfache Handhabung ermöglichen. Zahlreiche Hersteller haben bereits angekündigt, zeitnah erste Geräte zertifizieren zu wollen.

Mehrwert von SPE anhand spezifischer Anwendungsfälle

SPE wird eine zentrale Rolle in der Vernetzung von Maschinen, Sensoren und Aktoren in intelligenten Fabriken spielen. Durch die Fähigkeit, Daten über lange Strecken und mit hoher Zuverlässigkeit zu übertragen, ist SPE gut geeignet für die Fabrikautomatisierung. Neben den Bereichen Fabrikautomatisierung und Automotive spielt SPE seine Stärken auch in vielen weiteren Branchen aus.

Gebäudeautomatisierung: Vernetzte Gebäude sorgen für eine hohe Effizienz, mehr Sicherheit und zusätzliche Komfortfunktionen. Durch den Einsatz eines einheitlichen, durchgängigen IP-Protokolls lassen sich z. B. Sensoren, Schalter oder Thermostate über das lokale Datennetz und die Cloud mit dem Gebäudemanagementsystem barrierefrei verbinden. (Bild 2) Bei der Vernetzung und Steuerung von Beleuchtungssystemen erlaubt SPE eine flexible und energieeffiziente Lichtsteuerung. Bei Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HVAC) sorgt SPE für präzise Steuerung und Überwachung der Systeme. Sicherheits- und Zugangskontrollsysteme sind ein wichtiges Thema in öffentlichen Gebäuden. SPE ermöglicht in Sicherheitssystemen wie Überwachungskameras, Zugangskontrollen und Alarmsystemen eine zuverlässige und schnelle Datenübertragung.

In der Gebäudeleittechnik integriert SPE verschiedene Gebäudeleitsysteme, was eine zentrale Überwachung und Steuerung aller gebäudetechnischen Anlagen ermöglicht. Auch das Energie- und Lastmanagement ist ein zentrales Thema: SPE überwacht und steuert den Energieverbrauch, was zu effizienterer Energienutzung und Kosteneinsparungen führt. Ein weiteres Beispiel ist die Vernetzung und Steuerung von Aufzugsanlagen, um die Wartung und Betriebssicherheit zu verbessern.

Durch die vielfältigen SPE-Standards ist es möglich, eine Reihe von bestehenden Anwendungsfällen aus der Gebäudetechnik abzudecken und die Kommunikationssysteme zu revolutionieren.

Erneuerbare Energien: Auch im Bereich der erneuerbaren Energien hebt SPE die Vernetzung und Steuerung auf ein neues Level. In Windenergieanlagen vernetzt SPE Sensoren und Steuerungssysteme, um die Leistung zu überwachen und die Wartung zu optimieren. In Solaranlagen unterstützt SPE die Überwachung und Steuerung von Photovoltaikanlagen, indem es Daten von Solarmodulen und Wechselrichtern effizient überträgt. Dank der erhöhten Reichweite bietet SPE hier wieder eine Alternative zur Glasfaser.

In Batteriespeichersystemen überwacht SPE den Lade- und Entladezustand und maximiert die Effizienz. In Smart Grids ermöglicht SPE die Integration von erneuerbaren Energiequellen, was eine bessere Steuerung und Verteilung der Energie ermöglicht. Aber auch in Ladestationen für Elektrofahrzeuge, Wasserkraftwerke und Biogasanlagen dient SPE zur Vernetzung und Steuerung, um Prozesse effizient zu überwachen –immer mit dem Ziel, Energie und Kosten zu sparen.

Agrartechnik: Auch in die Agrartechnik zieht immer mehr intelligente Sensorik und Kommunikation ein. In den landwirtschaftlichen Bereichen liegen die Herausforderungen oftmals in extremen Umgebungsbedingungen. Dank robuster Komponenten ermöglicht SPE die Vernetzung von Sensoren und Geräten, die z. B. zur Überwachung von Bodenfeuchtigkeit, Nährstoffgehalt und Wetterbedingungen eingesetzt werden, um den Ertrag zu maximieren.

Aber auch in intelligenten Bewässerungssystemen stellt SPE eine effiziente Wassernutzung sicher. In der Maschinensteuerung unterstützt SPE die Vernetzung und Steuerung von landwirtschaftlichen Maschinen wie Traktoren, Mähdreschern und Pflanzmaschinen, was die Automatisierung und Effizienz erhöht (Bild 3). SPE bildet hier bereits die Grundlage für den neuen High-Speed-ISOBUS, der für die Datenkommunikation von landwirtschaftlichen Maschinen entwickelt wurde. Darüber hinaus findet man diverse Anwendungen für SPE in den Bereichen Tierüberwachung, Lager- und Silomanagement, aber auch bei Drohnen und landwirtschaftlichen Robotern unterstützt SPE, um Daten zu sammeln und Aufgaben wie Aussaat, Düngung und Ernte zu automatisieren

Prozessautomatisierung: Ähnlich wie in der Fabrikautomatisierung punktet SPE im Bereich der Prozessautomatisierung in den Bereichen Sensorik, Messsysteme, Steuerungssysteme und bei der Kommunikation der Feldgeräte wie Ventilen, Pumpen und Motoren.

Darüber hinaus ermöglicht SPE die kontinuierliche Überwachung von Anlagenzuständen (Condition Monitoring) und ein frühzeitiges Erkennen von Wartungsbedarf, was die Betriebseffizienz erhöht. SPE wird auch zur Fernüberwachung und -steuerung von Prozessen eingesetzt, was besonders in abgelegenen oder schwer zugänglichen Anlagen von Vorteil ist. Mit Ethernet-APL ist SPE bereits als Nachfolger für die veralteten 4-20-mA-, HART- oder PROFIBUS-PA-Systeme gesetzt. Es basiert auf dem Standard 10BASE-T1L (10 MBit/s, 1.000 m Reichweite) und erfüllt zusätzlich die Anforderungen der Prozessindustrie in puncto Eigensicherheit in explosionsgefährdeten Bereichen.

Fazit: Das Potenzial von SPE in der industriellen Kommunikation

Single Pair Ethernet bietet enorme Potenziale für die industrielle Kommunikation. Die Fortschritte bei der Normung, das umfangreiche Portfolio von Phoenix Contact und die Einigung auf ein einheitliches Steckgesicht sind entscheidende Schritte auf dem Weg zur breiten Implementierung dieser Technologie. Das Blomberger Unternehmen wird weiterhin eine zentrale Rolle bei der Weiterentwicklung und Standardisierung von SPE spielen, um die Vorteile dieser Technologie voll auszuschöpfen.

Die Norm IEC 63171-7, die die mechanischen Anforderungen an SPE-Steckverbinder definiert, bildet die Grundlage für ein einheitliches Steckgesicht und stellt sicher, dass SPE-Steckverbinder eine hohe mechanische Stabilität und Zuverlässigkeit bieten. Mit einem umfassenden Portfolio an SPE-Produkten und einer führenden Rolle bei der Normung ist man in Blomberg bestens aufgestellt, um die Vorteile von SPE in die industrielle Kommunikation zu bringen. (kr)

* Verena Neuhaus ist Produktmanagerin Datensteckverbinder in der BU Field Device Connections bei Phoenix Contact in Blomberg.

* Tim Kindermann ist Senior Specialist Single Pair Ethernet in der BU Field Device Connections bei Phoenix Contact in Blomberg.

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