In industriellen Netzwerken hat sich Ethernet zunächst auf der Unternehmensebene, über die Betriebs- und Prozessebene bis hin zur Steuerungsebene durchgesetzt. Die letzte Ebene der Automatisierungspyramide, die Feldebene, ist traditionell über verschiedene Bussysteme angebunden. Ein Grund dafür ist die feine Verzweigung und die große Anzahl an Geräten auf der Feldebene. Hunderttausende Sensoren und Aktoren in einer Produktionsanlage müssen über umfangreiche Peripheriegeräte, bestehend aus Kabeln, verbunden werden. Insgesamt bedeutet dies einen erheblichen Verkabelungsaufwand und signifikante Kosten. Darüber hinaus werden Gateways und Übersetzer benötigt, um Daten zwischen den beiden Welten zu übersetzen.
In letzter Zeit ist der Bedarf an einer effizienteren Infrastruktur auf der Feldebene deutlich gestiegen. Sensoren benötigen zunehmend Übertragungsgeschwindigkeiten, die Bussysteme nicht mehr bieten können. Gleichzeitig ist die bestehende Ethernet-Infrastruktur für die meisten Feldanwendungen zu teuer, zu groß und überdimensioniert. Dies gilt für Kabel, Steckverbinder und Gerätekomponenten. Eine schlanke, leichte und dennoch leistungsstarke Ethernet-Infrastruktur war erforderlich, um der Industrie die Digitalisierung auf der Feldebene und damit den Sprung zum industriellen Internet der Dinge (IIoT) zu ermöglichen. Hier setzt SPE an.
Die Industrie möchte die Vorteile dieser dünnen Verkabelung nutzen. In der Automatisierung ermöglicht SPE die nahtlose Vernetzung von Feldgeräten, Sensor-/Aktortechnik und vielem mehr. Die Feldebene wird intelligenter, wodurch der Aufwand für Parametrierung, Initialisierung und Programmierung reduziert wird. Systemaufbau, Betrieb und Wartung werden effizienter und kostengünstiger. Erstmals kann Ethernet effizient von der Cloud zum Feld kommunizieren.
Auch in Maschinen, Robotern und im Schienenverkehr trägt die SPE-Technologie zu Gewichts- und Platzeinsparungen bei. Die gesamte Verkabelung wird einfacher und lässt sich deutlich schneller installieren.
Die IIoT
-Ethernet-Infrastruktur mit TCP/IP macht jeden Feldteilnehmer intelligent. Mit TSN (Time-Sensitive Network) sind sie zudem echtzeitfähig und können daher in sicherheitsrelevanten Verkabelungen eingesetzt werden. Im Gegensatz zu BUS-Systemen ermöglicht die deutlich höhere Datenübertragungsrate zukünftig auch die kostengünstige Anbindung von Sensoren mit hohem Datenvolumen, beispielsweise von Kamerasystemen zur Erkennung und Positionierung. Bisher mussten solche Sensoren separat über eine 8-Draht-Ethernet-Infrastruktur ins Feld geführt werden. Mit SPE kann jeder Sensor einheitlich mit dem Internet verbunden werden. Industrielle T1-Geräteschnittstellen und SPE-Kabel gemäß ISO/IEC 11801-X bilden die standardisierte Infrastruktur für SPE auf Feldebene. Sie ist so effizient wie eine herkömmliche BUS-Infrastruktur, aber deutlich leistungsfähiger in Bezug auf Datenübertragungsgeschwindigkeit und gleichzeitige Stromübertragung. Jeder noch so kleine Sensor wird so zu einem intelligenten Teilnehmer im industriellen Internet der Dinge.
Ersetzt SPE die bestehende Ethernet-Infrastruktur?
Wahrscheinlich nicht. Im aktuellen Entwicklungs- und Standardisierungsstadium überträgt SPE 1 Gbit/s nur bis zu einer Entfernung von 40 Metern. 8-Draht-Ethernet hingegen erreicht Entfernungen von bis zu 100 Metern. Zudem müssten zahlreiche Schnittstellen und Geräte umgerüstet werden, was unnötig ist. Ethernet nutzt ein einzelnes Adernpaar, was erhebliche Platz- und Gewichtseinsparungen ermöglicht. Anwendungen in der Bahnindustrie umfassen beispielsweise das reduzierte Gewicht, was zu enormen Kosteneinsparungen führt.
Ethernet gewinnt in der Automatisierung zunehmend an Bedeutung und etabliert sich als universelles Medium. BUS-Systeme hingegen sind auf dem Rückzug. Genau in diesem Bereich, von der Steuerungsebene bis zur Feldebene, werden SPE-BUS-Systeme Marktanteile verlieren. Die standardisierte miniaturisierte SPE-Schnittstelle für industrielle Anwendungen, Industriestandard T1 gemäß IEC 63171-6, erreicht mit dünnen SPE-Kabeln effizient jeden Sensor und Aktor im Feld.
SICHERHEIT DURCH NORMEN
IEC 63171-6 – Der Industriestandard für spezielle Schnittstellen. Die
IEC 63171-6 wurde Anfang 2020 veröffentlicht und ist damit der weltweit erste Standard für SPE-Verbindungen in industriellen Anwendungen, der von führenden Normungsorganisationen übernommen wurde. Das umfassende Standarddokument, das ursprünglich 2016 eingeführt wurde, enthält alle Spezifikationen und Testverfahren, die für eine einfache und zuverlässige Implementierung erforderlich sind.
Verdrahtungsstandards ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG3 & TIA42 – für vollständige Kompatibilität.
Für eine sichere End-to-End-Verbindung müssen alle Infrastrukturkomponenten einheitliche Standards erfüllen. Dies gilt auch für Kabel.
Diese Verdrahtungsstandards liefern Anwendern Informationen über die Verdrahtungsstruktur, die zu verwendenden Verdrahtungskomponenten zur Erreichung der Leistungsziele und die Grenzwerte für die Überprüfung der Verdrahtung. Damit sind sie das wichtigste Werkzeug für die Konfiguration und Inbetriebnahme von SPE-Verkabelung. Gleichzeitig gewährleisten sie die Kompatibilität zwischen Geräten und Verkabelung durch Verweise auf Komponentennormen (z. B. Steckverbinder gemäß IEC 63171-6). Diese Kompatibilität ist eine Grundvoraussetzung für die Funktion SPE-basierter Netzwerke und Verbindungen und somit die Grundlage von IoT/IIoT. Die Verwendung von Verkabelungskomponenten, die beispielsweise nicht ISO/IEC 11801-3 Amd.1 entsprechen, ist zwar prinzipiell möglich, entspricht aber nicht mehr den Normen und birgt das Risiko von Inkompatibilitäten und Funktionseinschränkungen.
ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3 und TIA42 starteten Anfang 2018 internationale Auswahlverfahren zur Definition einheitlicher Schnittstellen. Diese beiden Auswahlverfahren wurden teilweise von IEEE 802.3 initiiert, das ISO/IEC und TIA um eine Empfehlung für eine SPE-Geräteschnittstelle (SPE MDI) bat.
Mehr als 20 nationale Expertengremien waren an diesem Auswahlverfahren beteiligt. Als Folge dieser Wahl setzten sich zwei Steckflächen durch:
Für den Aufbau der Verdrahtung (M1I1C1E1) die Steckfläche nach IEC 63171-1:
Diese Steckfläche basiert auf dem Vorschlag der Firma CommScope;
Für industrielle und industrienahe Anwendungen (M2I2C2E2 und M3I3C3E3) die Steckfläche nach IEC 63171-6 (ehemals IEC 61076-3-125):
Diese Steckfläche basiert auf dem Vorschlag von HARTING T1 Industrial.
Die IEEE 802.3
Ethernet-Protokollstandards definieren den technischen Rahmen für die Ethernet-Übertragung über ein einzelnes Adernpaar. Dieses Gremium ist maßgeblich für die Festlegung von Trends. Ohne ein einheitliches Protokoll gibt es keinen offenen Standard. Um die Interaktion standardisierter Komponenten für ein ganzheitliches Ethernet-System zu unterstützen, orientiert sich IEEE 802.3 an den Empfehlungen von ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3 und TIA42 für eine einheitliche SPE-Schnittstelle und empfiehlt zudem den T1-Industriestandard (IEC 63171-6) als Standard-SPE-Schnittstelle für industrielle Anwendungen.
