Die platzsparende Technik eignet sich optimal für die Anwendungen in der Automobilindustrie. Mit einer Übertragung von 10 MBit/s bis zu 1 GBit/s über nur ein verdrilltes Adernpaar und einer Kabellänge von maximal 15 Metern (ungeschirmt) oder 40 Metern (geschirmt) ist es ideal für die Nutzung für Kabelbäume in Fahrzeugen ausgelegt. Des Weiteren gibt es eine Reihe neuer SPE-Standards in der Entwicklung, die Datenübertragungsraten bis 10 GBit/s und sogar darüber hinaus ermöglichen sollen. In neuen Automobilgenerationen ersetzt SPE deshalb CAN, MOST, FlexRay und andere Bussysteme. Sicherheitsfunktionen, die Steuerung und die Kommunikationen laufen einheitlich über Ethernet. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung für vernetztes oder autonomes Fahren.
Single Pair Ethernet Durchgängige Gerätekommunikation vom Sensor bis in die Cloud
Single Pair Ethernet (SPE) ermöglicht die Übertragung von Ethernet über nur ein Adernpaar und sorgt somit für die kostengünstige und platzsparende Anbindung von Sensoren. Durchgängige IP-basierte Kommunikation bis in die Feldebene wird möglich. Neben der Datenübertragung ermöglicht die Single Pair Ethernet-Technologie auch die gleichzeitige Stromversorgung von Endgeräten via PoDL – Power over Data Line.
Mit Single Pair Ethernet werden die Anforderungen an eine einheitliche Netzwerkinfrastruktur erfüllt, die die Grundlage für die Industrie 4.0 und das Industrial Internet of Things (IIoT) ist.
Was versteht man unter Single Pair Ethernet?
Das klassische Ethernet, das in der Automatisierungspyramide bereits alle oberen Ebenen miteinander verbindet, ist für die Anbindung der untersten Feldebene oft ungeeignet. Die Installation ist häufig zu aufwändig oder die maximalen Distanzen sind nicht ausreichend. Die SPE-Technologie erweitert das Leistungsprofil des klassischen Ethernets an dieser Stelle entscheidend.
Single Pair Ethernet ist eine andere Form des Physical Layers. Wo bisher zwei Doppeladern für die Übertragung von Fast Ethernet (100 MBit/s) beziehungsweise vier Doppeladern für Gigabit-Ethernet notwendig waren, ermöglicht Single Pair Ethernet die Datenübertragung über nur ein verdrilltes Adernpaar (single pair). Das erlaubt neue Möglichkeiten für die Anbindung von kompakten Geräten, Sensoren und Aktoren direkt aus der Feldebene. Zusätzliche Subsysteme oder Gateways für die Umsetzung werden nicht mehr benötigt. SPE ist daher die leichte und materialsparende Ethernet-Weiterentwicklung für viele heutige und zukünftige Einsatzgebiete.
Durchgängige IP-basierte Kommunikation von der Feldebene bis in die Cloud
Zukunftssichere Netzwerkinfrastruktur dank ethernetbasierter Kommunikation
Im direkten Vergleich zu bestehenden Lösungen ermöglicht Ethernet mit TCP/IP und Time-Sensitive Networking (TSN) eine echtzeitfähige Datenübertragung mit deutlich höheren Datenübertragungsraten. Mit Single Pair Ethernet ist dies auch mit Daten aus der Feldebene möglich. Die moderne Übertragungstechnologie erlaubt platz- und kosteneffiziente Ethernet-Kommunikation vom Sensor bis in die Cloud. Dank durchgängiger Kompatibilität durch definierte Standards für Übertragungsprotokolle, Verkabelung und Gerätekomponenten ist ein großflächiger SPE-Einsatz in verschiedenen Applikationen möglich.
Die Datenübertragung über lediglich eine Doppelader erlaubt die Weiterverwendung bestehender Zweidraht-Kabelinfrastrukturen (Cable Sharing). Das ist besonders materialschonend, reduziert den Verkabelungsaufwand und ist einfach zu integrieren. Die Technologie ist applikationsübergreifend einsetzbar mit Reichweiten bis zu 1.000 Metern, hohen Datenraten bis zu 10 GBit/s sowie mit Leistungen bis 50 W. Ein SPE-Netzwerk kann sowohl als Stern- oder Linien-Topologie realisiert werden. Die Technologie erfüllt die Anforderungen an eine zukunftssichere Netzwerkinfrastruktur.
Eigenschaften der Single Pair Ethernet-Technologie
Single Pair Ethernet-Standards
Unterschiedliche Standards und Normen regeln alles rund um die SPE-Technologie von den Ethernet-Schnittstellen über die Verkabelung bis zur Datenübertragung. Die SPE-Standards sind in der IEEE 802.3 definiert. Dieser Standard beschreibt die technischen Rahmenbedingungen für die ethernetbasierte Datenübertragung über ein Adernpaar. Sie unterscheiden sich durch verschiedene Übertragungsraten und Distanzen. In der IEC 63171 werden die kompatiblen Steckverbinder für diese SPE-Standards beschrieben.
Phoenix Contact bietet IP20-Stecker nach IEC 63171-2 sowie IP67-Stecker in der Bauform M8 und M12 nach IEC 63171-5 an. Zudem befinden sich aktuell SPE-M12-Hybridsteckverbinder nach der IEC 63171-7 in der Entwicklung. Die SPE-Kabel werden im Standard IEC 61156-1x definiert. Dabei ist es möglich, dass auch bestehende Kabelinfrastrukturen genutzt werden, wenn diese die Anforderungen erfüllen.
Übertragungsstrecken
Die Ursprünge von Single Pair Ethernet liegen in der Automobilindustrie. Das Ziel ist es, eine effiziente und einheitliche Infrastruktur zu realisieren, die mit so wenig Verkabelung wie möglich eine hohe Leistung erbringen kann. Ähnliche Anforderungen gelten auch für Anwendungen in anderen Industrien. Die 100 Meter als maximale Anschlusslänge beim klassischen Ethernet reichen für zahlreiche Applikationen jedoch nicht aus. Der SPE-Standard 10BASE-T1L nach IEEE 802.3cg erlaubt eine deutlich weitere Übertragungsstrecke. Dieser Standard definiert die Datenverkabelung mit nur einem Adernpaar und einer Übertragungsstrecke von bis zu 1.000 Metern.
Bei einer Übertragungslänge von 1.000 Metern erreichen die Übertragungsraten bis zu 10 MBit/s bzw. 1 GBit/s bei einer Übertragungslänge von 40 Metern. Diese Übertragungsraten sind selbst für anspruchsvolle Sensorik-Komponenten aus der Feldebene ausreichend. Somit können SPE-Schnittstellen universell für industrielle Anwendungen eingesetzt werden.
Dank Power over Data Line (PoDL) werden Sensoren oder Feldgeräte gleichzeitig auch mit Strom versorgt
PoDL – Power over Data Line
Zusätzlich zur Datenübertragung via Ethernet ist mit der SPE-Technologie auch die gleichzeitige Stromversorgung der Endgeräte möglich. Mithilfe von Power over Data Line (PoDL) kann eine Nutzleistung von bis zu 50 W übertragen werden.
Die unterschiedlichen Leistungsklassen sind im Standard IEEE 802.3bu beschrieben. Mit dieser Technik ist es möglich, einen bis zu 1.000 Meter entfernten Sensor oder Aktor über das zur Datenübertragung genutzte Kabel mit Strom zu versorgen. Der Installationsaufwand und Platzbedarf für die Feldverkabelung werden minimiert.
Anwendungen für das Single Pair Ethernet SPE eignet sich ideal für unterschiedliche Anwendungen in der Industrie 4.0, der Gebäude-, Fabrik- und Prozessautomation. Die SPE-Technik kann einfach in eine bestehende Ethernet-Infrastruktur eingebunden werden, unabhängig davon, in welcher Umgebung sie eingesetzt wird. Auch beim Trend zu ressourcenschonenden, miniaturisierten Geräten bietet Single Pair Ethernet mehr Platz für Elektronik dank platzsparender Leitungen.
In allen Fertigungsbereichen kommt die Integration von Sensoren eine Schlüsselrolle zu. SPE bindet Sensoren, Aktoren oder Feldgeräte zuverlässig in eine bestehende Ethernet-Umgebung ein. Somit können notwendige Daten und Prozessinformationen direkt zur Analyse an die Leitebene oder in eine Cloud übertragen werden. Anders als Feldbusprotokolle durchdringt Ethernet alle Automatisierungsebenen. Zusätzliche Gateways oder Schnittstellen entfallen. Durch die Reduzierung auf nur ein Adernpaar vereinfacht sich auch die Verkabelung von Sensoren direkt in Maschinen oder Anlagen. Aufbau, Betrieb und Wartung von Anlagen werden effizienter und kostengünstiger.
Der direkte Zweidraht-Ethernet-Anschluss von Feldgeräten und Sensoren in den Ex-Zonen prozesstechnischer Anwendungen ermöglicht Ethernet-APL. Der Advanced Physical Layer (APL) verwendet den 10BASE-T1L-Standard aus der IEEE 802.3cg zusammen mit dem IEC TS 60079-47, 2021-03 (2-WISE) Standard (2-WISE steht für 2-Wire Intrinsically Safe Ethernet) und unterstützt Methoden des Explosionsschutzes inklusive der Eigensicherheit. Der Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen und die Überbrückung großer Distanzen bis 1.000 Metern bei 10 MBit/s wird möglich. Die neue Kommunikationsinfrastruktur sorgt für den durchgängigen Einsatz von Ethernet in der Prozessindustrie.
Vernetzte Gebäude sorgen für eine hohe Effizienz, mehr Sicherheit und zusätzliche Komfortfunktionen. Durch den Einsatz eines durchgängigen IP-Protokolls lassen sich z. B. Sensoren, Schalter oder Thermostate über das lokale Datennetz und die Cloud mit dem Gebäudemanagementsystem verbinden. Die durchgängige SPE-Verkabelung ersetzt bestehende Feldbussysteme, komplexe Schnittstellen oder Gateways. Außerdem gibt es die Möglichkeit, bestehende Zweidraht-Kabelinfrastrukturen wie z. B. Netzwerkkabel wieder zu verwenden. Die Installation und Inbetriebnahme werden deutlich vereinfacht.
Unsere Produkte
SPE-Steckverbinder
Kompakte Geräte- und Kabelsteckverbinder der Serie ONEPAIR für das einpaarige Ethernet eignen sich ideal für die effiziente Datenübertragung in der Fabrik- und Prozessautomatisierung sowie für die Gebäudeverkabelung.
Für Industrieanwendungen, auch im rauen Feldeinsatz haben sich die Steckgesichter nach IEC 63171-5 in M8- und M12-Bauform durchgesetzt. In der Gebäudeverkabelung ist das IP20-Steckgesicht nach IEC 63171-2 führend. Dieses Steckgesicht ist das kompakteste der gesamten Normenreihe und ermöglicht eine Verdopplung der Packungsdichte im Vergleich zur herkömmlichen RJ45-Schnittstelle. Die reduzierte Verkabelung ist die Basis für zukunftssichere Ethernet-Kommunikation.
Managed SPE-Switches
Die Managed SPE-Switches bieten erstmalig die Möglichkeit, moderne Sensoren und Feldgeräte mit SPE-Schnittstelle direkt mit dem Ethernet-Netzwerk zu verbinden. Sie sind somit die Grundlage für eine intelligente SPE-Lösung, in der Sensordaten aus der Feldebene in die Cloud und dem Internet integriert werden.
Dank des SPE-Standards 10 BASE-T1L erlaubt der Managed Switch selbst große Distanzen bis zu 1000 Metern. Durch Power over Data Line (PoDL) werden die Sensoren zusätzlich optimal mit Strom versorgt.
Das Angebot unseres Beratungsteams zu Single Pair Ethernet
Phoenix Contact verfügt über das Wissen und das Produktportfolio, um Single Pair Ethernet in unterschiedlichen Branchen und Bereichen einzusetzen. Erfahren Sie, wie die SPE-Expertinnen und -Experten Verena Neuhaus, Guadalupe Chalas und Tim Kindermann gemeinsam mit Ihnen individuelle Lösungen zu Single Pair Ethernet, der Schlüsseltechnologie der Digitalisierung, entwickeln.
Ihr Schlüsselpartner für die smarte Vernetzung
Phoenix Contact ist Ihr Schlüsselpartner für die Integration von Single Pair Ethernet. Von der Geräteschnittstelle über die Verkabelung bis zur aktiven Netzwerkkomponente, von der Sensorik im Feld bis zum PC im Büro. Als Pionier im Umfeld der Digitalisierung entwickelt Phoenix Contact dafür ein durchgängiges Produktportfolio.
Die Single Pair Ethernet System Alliance
Phoenix Contact hat sich mit anderen führenden Technologienunternehmen in der SPE System Alliance zusammengeschlossen. Die Partnerunternehmen bündeln ihr Know-how zu Single Pair Ethernet und tauschen sich zielorientiert aus. Sie verfolgen das gemeinsame Ziel, die SPE-Technologie für das Industrial Internet of Things (IIoT) und alle anderen Anwendungsbereiche zu fördern.
Fragen und Antworten zu Single Pair Ethernet
Die heute bereits zur Verfügung stehende Ethernet-Technologie liefert für Ihre Applikation bis zu 10 GBit/s Übertragungsgeschwindigkeit über nur ein Aderpaar.
Mit SPE-Infrastruktur reduzieren Sie die Datenverkabelung, vermeiden Medienbrüche vom Feld in die Cloud sowie Geräteausfälle. Sie können Netzwerke mit einer durchgehenden ethernetbasierten Struktur aufbauen, so dass Gateways entfallen können. Zudem verkabeln Sie mit SPE einfacher und zeitsparender, da nur zwei Adern angeschlossen werden müssen. Der 10Base-T1L-Standard ermöglicht eine Ethernet-Verkabelung von Reichweiten von bis zu 1000 Meter.
SPE-Standards sind in der IEEE 802.3 definiert. Derzeit gibt es fünf verschiedene Standards mit unterschiedlichen Übertragungsraten und Distanzen, die bereits verabschiedet sind. Weitere Standards sind in Diskussion.
Ja, über den PoDL-Standard (Power over Data Line) kann eine Leistung bis zu 50 W übertragen werden. Die unterschiedlichen Leistungsklassen sind im Standard IEEE 802.3bu beschrieben.
Es ist denkbar, dass Sie bestehende Kabelinfrastrukturen für SPE nutzen können, wenn diese die Anforderungen erfüllen. SPE-Kabel werden im Standard IEC 61156-1x definiert.
Weitere neue Kommunikationstechnologien Durchgängig bis ins Feld kommunizieren
In vielen Gremien und Standardisierungsprojekten entstehen im Moment neue Kommunikationsstandards wie OPC UA, TSN, SPE und 5G. Diese neuen Technologien sind jedoch nicht unabhängig voneinander zu sehen, sondern bilden gemeinsam die Kommunikation der Zukunft.
Als Technologieführer mit mehr als 30 Jahren Erfahrung im Bereich der industriellen Kommunikationstechnik engagiert sich Phoenix Contact in allen wichtigen Standardisierungsgremien. Dort gestalten wir für Sie den neuen, herstellerübergreifenden Kommunikationsstandard für die Automatisierung mit.
Erfahren Sie auf unseren Seiten mehr über die neuen Standards.