Best of Industry Award Single Pair Ethernet – wann kommt der Durchbruch?

Seit dem Herbst 2020 bietet Phoenix Contact die ersten Steckverbinder und damit eine durchgängige Verbindungstechnik für das Single Pair Ethernet an. Dafür wurde das Unternehmen mit dem Best of Industry Award 2021 in der Kategorie Smart Manufacturing ausgezeichnet.

Wenn es um moderne industrielle Kommunikationstechnik geht, kommt man an dem Trendthema Single Pair Ethernet – kurz SPE – nicht mehr vorbei. Erste Komponenten wie Steckverbinder, Kabel und PHYs sind seit ein paar Monaten verfügbar. Gerätehersteller haben nun die Möglichkeit, die ersten Prototypen zu designen, um die durchgängige Ethernet-basierte Kommunikation aufzubauen und den viel zitierten Slogan „vom Sensor bis zur Cloud“ Realität werden zu lassen.

Verfügbare Komponenten

Die Kabel für Single Pair Ethernet werden in den Normen IEC 61156-11/-12/-13 und -14 beschrieben. Diese vier neuen Standards für SPE-Leitungen definieren sowohl die feste als auch die flexible Verlegung. Zum derzeitigen Zeitpunkt sind die Standards der 61156-11 und 61156-12 bereits veröffentlicht. Sie definieren die Anforderungen für Übertragungsfrequenzen bis 600 MHz bei einer Übertragungslänge bis 40 m - geeignet für die Standards 100BASE-T1 und 1000BASE-T1.

Phoenix Contact bietet seit Herbst 2020 die ersten Steckverbinder für die durchgängige Verbindungstechnik für SPE an. Das Portfolio umfasst sowohl kompakte IP20-Steckverbinder als auch IP-geschützte M8-Steckverbinder für den Anschluss von Sensoren. Um diese beiden Welten miteinander zu verbinden, setzt man auf ein durchgängiges Steckgesicht. Das spart lästige Adapter, zusätzliche Kosten und wird somit den Kernzielen von Single Pair Ethernet vollständig gerecht: Kompaktheit und Durchgängigkeit.

Die IP20-Steckverbinder sind nach der IEC 63171-2 normiert und sind das kompakteste Steckgesicht der gesamten Normenreihe für SPE-Stecker. Das IP20-Portfolio umfasst sowohl vorkonfektionierte Patch-Kabel in verschiedenen Längen als auch kompakte Geräteanschlüsse für den Reflow-Lötprozess in unterschiedlichen Bauformen. Als neuestes Familienmitglied kommt Mitte des Jahres ein neuer feldkonfektionierbarer Steckverbinder mit Schneidklemmanschluss (Insulation Displacement Connector). Der IDC-Stecker mit einem Gehäuse aus Zinkdruckguss wird dem Anspruch an Robustheit in industriellen Applikationen in jedem Fall gerecht. Somit bietet Phoenix Contact seinen Kunden noch mehr Komfort bei der Verkabelung im Feld und mehr Flexibilität hinsichtlich der Kabelauswahl an.

Das IP-geschützte Portfolio in der Bauform M8 ist nach der IEC 63171-5 normiert und umfasst ebenfalls vorkonfektionierte Patch-Kabel mit unterschiedlichen Kabeltypen für unterschiedliche Applikationen und Geräteanschlüsse in der Standard-M8-Bauform. Die Verwendung der Standard- M8-Komponenten bietet dem Gerätehersteller den Vorteil des einfachen Design-ins und der maximalen Flexibilität in der Verkabelung. Vorhandene Gehäusegeometrien und Wanddurchführungen können übernommen und mit den neuen SPE-Inserts bestückt werden. Die Inserts stehen in gerader und gewinkelter Ausführung und für unterschiedlichen Lötverfahren (THR und SMD) zur Verfügung. Mit dem Launch dieses M8-Portfolios im Herbst 2020 sind nun erstmals Serienartikel für die Verbindung von kompakten SPE-Sensoren am Markt verfügbar.

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Die SPE System Alliance

Doch schon zu Beginn der Entwicklungsaktivitäten rund um ein neues Steckgesicht für SPE wurde klar, dass Single Pair Ethernet nicht nur ein Steckerthema ist. Es geht vielmehr um alle betroffenen Infrastrukturkomponenten: angefangen beim PHY, über das Kabel bis hin zum Sensor. Seit über einem Jahr besteht das von Phoenix Contact mitgegründete Netzwerk der SPE System Alliance. Führende Technologieunternehmen aus verschiedenen Branchen und Anwendungsbereichen haben sich in einem eingetragenen Verein zusammengeschlossen, um ihr Know-how zu bündeln und zielorientiert auszutauschen. Durch die Ausrichtung zu einer branchen- und applikationsübergreifenden Austauschplattform kommen Unternehmen aus allen Bereichen des SPE-Ecosystems zusammen.

Alle Partner der Allianz verfolgen gemeinsam das Ziel, SPE für das Industrial Internet of Things (IIoT) weiter voranzutreiben.

Die SPE System Alliance steht nicht für ein bestimmtes Steckersystem oder Produkt. Unabhängig von den Einzelpositionen der Mitglieder der System Alliance wahrt der Verein in Bezug auf Produkte generell seine Neutralität und Herstellerunabhängigkeit. Die Zielsetzung der Aktivitäten der System Alliance richtet sich vielmehr auf die Beförderung der SPE-Technologie.

Der Verein konzentriert sich auf das gesamte zukünftige SPE-Ecosystem und die offenen Fragen, die in diesem Zusammenhang bestehen. Dies umfasst weit mehr als nur physische Komponenten wie Kabel, PHYs, Stecker, Sensoren oder Switches. Es geht zum Beispiel auch um Fragen nach Topologien, Standardisierungsvorhaben oder Anwendungsfällen für unterschiedliche Applikationsbereiche. Diese breite Aufstellung reflektiert sich auch in diversen Arbeitsgruppen innerhalb der System Alliance, die an unterschiedlichen Fragestellungen arbeiten.

Neue IEEE-Standards in den Startlöchern

Die verabschiedeten Standards der IEEE 802.3 für Single Pair Ethernet umfassen Datenraten von 10 Mbit/s bis 10 Gbit/s und Distanzen bis zu 1000 m. Getrieben durch den Automotive-Bereich wurden die ersten Standards verabschiedet, die kürzere Distanzen abdecken. Die Standards 100BASE-T1 und 1000BASE-T1 übertragen auf der Distanz von bis zu 40 m (geschirmt) Datenraten von 100 Mbit/s bzw. 1 Gbit/s. Anwender aus den Bereichen der Fabrik- und Gebäudeautomation schauen gespannt auf die weitere Verfügbarkeit der Komponenten für den 10BASE-T1L und 10BASE-T1s-Standard aus der Working Group „cg“. Mit diesen Standards ist es erstmals möglich, bei einer Datenrate von 10 Mbit/s eine Distanz von bis zu 1000 m zu übertragen. Mit der Ausprägung T1S sind erstmals auch Multidrop-Applikationen möglich. Alle anderen Standards gehen von der klassischen Point-to-Point-Verkabelung aus. Diese Multidrop- Anwendungen möchte man in der neuesten Working Group „da“ noch erweitern und schaut auf Reichweiten, die über die 25 m des derzeitigen T1S-Standards hinausgehen. Neuester verabschiedeter Standard aus der Working Group „ch“ ist der MultiGigBASE-T1, der eine Datenrate von 10 Gbit/s mit einer Reichweite von 15 m erlaubt. Darüber hinaus gibt es den Power-over-Dataline (PoDL)-Standard, der es SPE-Applikationen ermöglicht, eine zusätzliche Leistung bis zu 50 W über die Datenleitung zu übertragen. Ausgenommen von dieser Funktion sind derzeit noch die Multidrop-Standards.

Wann kommen die ersten Geräte?

Die heiße Phase der Prototypen für SPE hat längst begonnen. PHYs, Kabel und Steckverbinder sind am Markt verfügbar. Jetzt heißt es, die Systeme aufeinander abzustimmen und die Bedürfnisse der industriellen Umgebungsbedingungen auf Single Pair Ethernet zu übertragen.

Eine der Herausforderungen hier ist das EMV-Verhalten im Gesamtsystem, da sich das industrielle Umfeld stark von dem Applikationsbereich von Automotive- Ethernet unterscheidet. Im Gegensatz zum Automobil sind die EMV-Einflüsse je nach Anwendung nicht vorhersehbar und zudem oftmals viel komplexer. Und auch im Bereich der Standardisierung von Steckverbindern, bleibt es spannend. Derzeit gibt es innerhalb der Normenreihe für SPE-Stecker (IEC 63171) insgesamt sechs unterschiedliche Standards für Steckverbinder – der siebte Standard ist bereits in Vorbereitung.

Gibt es in Zukunft nur einen SPE-Steckverbinder? Oder welcher Standard ist für welche Applikation am besten geeignet? Das werden die Nutzerorganisationen wie PNO oder ODVA maßgeblich mitentscheiden, die sich derzeit intensiv mit dem Thema SPE beschäftigen. Hier zeigt es sich, wie und wann der populäre Slogan „vom Sensor bis zur Cloud“ auch wirklich greift.

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