Als Nächstes analysieren wir die aktuellen regulatorischen Entwicklungen, die diese Technologie zur Grundlage eines Marktsektors mit enormem Potenzial machen werden – eines Sektors, den die strukturierte Verkabelung seit Jahren zu dominieren versucht.
Anschließend untersuchen wir ihre physikalischen Eigenschaften und wie schnell sie sich zu einer Reihe von Standardprodukten entwickeln wird, die wir täglich verwenden.
Woher rührte dieses Interesse?
2016 berief das IEEE eine 802.3-Arbeitsgruppe ein, um eine Interessensbekundung für 10-Mbit/s-Single-Twisted-Pair-Ethernet zu erörtern. An dem ersten Treffen nahmen hauptsächlich Unternehmen aus den Bereichen Industrieautomation und Automobilindustrie teil. Ziel war es, Marktbedürfnisse und Lösungsanforderungen sowie Zielmärkte, deren Größe und Potenzial zu ermitteln, bevor die technische Machbarkeit einer Lösung untersucht wurde.
Die Industrieautomation war der erste untersuchte Sektor. Dieses Interesse lässt sich auf drei Arten erklären:
– Der Wunsch nach Konvergenz unter einem einzigen Netzwerkprotokoll
– Die Nutzung von Ethernet war, wo immer möglich, bereits Realität
– In einigen Fällen waren für die Kommunikation am Netzwerkrand noch Nicht-Ethernet-Feldbusse erforderlich.
Die Herausforderungen hierbei waren folgende:
– Kabellängen über 1 km
– Sehr geringe Bandbreite ≤ 1 Mbit/s
Der letzte Punkt wird durch die Vielzahl verfügbarer Feldbusoptionen erschwert, da jede von ihnen Wartungs- und Installationsprobleme mit sich bringt, die aus Gründen der Betriebskosten (OPEX) möglichst vermieden werden sollten.
Mit dem Aufkommen von Industrie 4.0 werden höhere Datenraten am Netzwerkrand, eine schnellere Datenerfassung, die Überwachung von Umgebungsbedingungen und Stromverbrauch sowie optimierte Daten für Geräte und Wartung erforderlich sein.
Industrie 1.0: Mechanisierung und Einführung von Dampf- und Wasserkraft.
Industrie 2.0: Fließbandfertigung mit elektrischer Energie.
Industrie 3.0: Automatisierte Produktion, Computer, IT-Systeme und Robotik.
Industrie 4.0: Die intelligente Fabrik. Autonome Systeme, Internet der Dinge (IoT) und maschinelles Lernen.
Auch die Automobilbranche setzt voll und ganz auf 10-Mbit/s-Ethernet mit verdrillten Adernpaaren. Tatsächlich könnte man argumentieren, dass sie hier eine Vorreiterrolle einnimmt: Neun Unternehmen aus diesem Sektor waren beim ersten Treffen vertreten, einige sogar mit mehreren Delegierten, darunter BMW, Toyota, Nissan und Renault, um nur vier zu nennen.
Angesichts der zunehmenden Komplexität der Fahrzeugelektronik mit immer mehr Steuergeräten und Sensoren bietet die globale IP-Kommunikation klare Vorteile.
Was treibt den rasanten Anstieg der SPE-Einführung an?
Der Vorteil von „Ethernet to the Edge“ in der industriellen Automatisierung liegt darin, dass es zu einem einheitlichen Netzwerkprotokoll führt und die Notwendigkeit komplexer Gateways für die Konvertierung verschiedener Feldbusprotokolle wie MODbus, HART und Interbus überflüssig macht. Dies beschleunigt wiederum Inbetriebnahme, Diagnose und Fehlerbehebung. All dies, kombiniert mit den damit verbundenen Skaleneffekten, führt zu niedrigeren Gesamtbetriebskosten (TCO) und einer höheren Kapitalrendite (ROI).
10-Mbit/s-Ethernet mit verdrillten Adernpaaren deckt die meisten Feldbusanwendungen bis zu einer Entfernung von 1200 m ab. Viele Geräte benötigen zudem Strom, der problemlos über die aktuell vorgeschlagenen Kabel bereitgestellt werden kann. Die meisten dieser Kabel verwenden je nach Entfernung einen größeren Leiterquerschnitt von 18–24 AWG und sind in der Regel geschirmt.
Die Gebäudeautomation, die nicht Teil der ursprünglichen Ausschreibung war, steht vor ähnlichen Herausforderungen und Anforderungen. Der Übergang zu Technologien wie BACnet IP ist bereits im Gange, es besteht jedoch auch ein starkes Bestreben, sich auf einen einheitlichen Netzwerktyp zu konzentrieren und in einigen Fällen von proprietären Protokollen abzurücken.
Im Automobilsektor verwenden viele ältere Fahrzeugnetzwerke (IVNs) niedrigere Datenraten als die für SPEs vorgeschlagenen. Daher erfordert der Übergang von älteren IVNs zu Ethernet nicht nur niedrigere Kosten, sondern auch einen geringeren Stromverbrauch, was zu einer Reduzierung der Emissionen und zur Lösung mehrerer Probleme in diesem Sektor führen könnte.
Der Übergang zu Ethernet ist weit fortgeschritten:
– 802.3bp – 2016 – Gigabit-Ethernet über ein einzelnes verdrilltes Adernpaar, eingesetzt in der Automobil- und Transportbranche.
– 15 Mbit/s in der Automobilindustrie
– 40 Mbit/s in der Luftfahrt, Bahn, Bussen und Lkw.
– 802.3bw – 2015 – 100-Mbit/s-Ethernet über ein einzelnes verdrilltes Adernpaar, eingesetzt in der Automobilindustrie
. – 15 Mbit/s in der Automobilindustrie.
Es gibt nun ein klares Bestreben hin zu „ubiquitous IP“, um die Anzahl der IVNs und Gateways zu reduzieren.
Zielmärkte
Die wichtigsten Märkte für SPE sind nicht der Ersatz bestehender 4-Paar-Netzwerke, sondern die Zusammenarbeit mit diesen und die Erschließung von Märkten, die bisher hauptsächlich außerhalb des Anwendungsbereichs der traditionellen strukturierten Verkabelung betrachtet wurden.
Industrieautomation
– Prozessautomation
– Fabrikautomation
Gebäudeautomation
– Heizung, Lüftung
– Sicherheit/Zutrittskontrolle
– Brandschutz
– Lichtsteuerung
– Wohngebäude
Automobilindustrie
– Ubiquitäres IP-Netzwerk
– Konsolidierung bestehender IVN-Systeme
Marktpotenzial:
Der Markt für industrielle Automatisierung und Steuerung verzeichnete 2016 ein signifikantes Wachstum. Einem Bericht zufolge entfielen 58 % des Gesamtmarktes auf den traditionellen Feldbusmarkt, der mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 7 % wuchs. Der Ethernet-Markt hingegen, der 38 % ausmachte, sollte laut Prognosen mit einer CAGR von 20 % wachsen. Basierend auf mehreren Berichten wurde für 2020 (vor COVID-19) die Lieferung von insgesamt 180 Millionen Ports erwartet, von denen 50 % von spezialisierten Anbietern (SPEs) abgedeckt werden konnten.
Der Markt für Gebäudeautomation könnte sogar noch größer sein: Laut einer Prognose von IHS aus dem Jahr 2016 werden bis 2020 weltweit rund 15 Millionen Controller mit jeweils zwei Ports ausgeliefert. Jeder Controller kann im Durchschnitt 10 Sensoren/Aktoren ansteuern, was insgesamt 300 Millionen vernetzte Geräte ergibt (die genaue Funktionsweise wird im nächsten Abschnitt erläutert). Ein 10-Mbit/s-SPE könnte mehr als die Hälfte dieses Marktes abdecken.
Die in den beiden vorangegangenen Beispielen genannten Zahlen verblassen im Vergleich zum Automobilsektor, wo 2019 rund 4 Milliarden IVN-Ports geliefert wurden. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass diese Anwendungen höhere Bandbreiten über sehr kurze Distanzen erfordern und spezialisierter sind als der Schwerpunkt dieses Dokuments, der die potenziellen Auswirkungen auf den Markt für strukturierte Verkabelung untersucht.
Betrachtet man die beiden Schlüsselmärkte Industrie- und Gebäudeautomation, könnte der von SPE anvisierte Sektor bis 2021 über 250 Millionen Ports umfassen.
Was genau ist SPE? Wie funktioniert es und wie wird es mit Strom versorgt?
IEEE 802.3bu:2016 – Power over Data Line (PoDL)
– Stromversorgung über ein einzelnes verdrilltes Adernpaar
– Aussprache: „Pudel“
– Manchmal auch SPoE genannt (obwohl technisch anders als PoE)
– Bis zu 52 W Leistung, abhängig von Kabel, Entfernung und Anzahl der Verbindungen
IEEE 802.3cg: 2019 – 10 Mbit/s
– 10BASE-T1S – Linksegment (Punkt-zu-Punkt), 4 Verbindungen, 15 m Reichweite, PoDL-Leistung
– 10BASE-T1L – Linksegment (Punkt-zu-Punkt), 10 Verbindungen, 1000 m Reichweite, PoDL-Leistung
- 10BASE-T1S - Linksegment (Mehrpunkt), 8 Knoten, 25 m Reichweite
IEEE 802.3da – 10 Mbit/s Multidrop-Erweiterungen
– Multidrop-Segment, 16 Knoten, 50 m Reichweite, PoDL-Zuführung
Kanallängen
- SP1-400 Kanal (23 AWG)
- SP1-1000 Kanal (18 AWG)
Verbindungstechnik
Es gibt zwei grundlegende Gruppen von Verbindungstechniken, die für verstärkte und nicht verstärkte Anwendungen vorgesehen sind.
Sie werden häufig im Bereich der industriellen Automatisierung eingesetzt.
Es basiert auf dem LC-Standard und wird vorwiegend in der Gebäudeautomation und in nicht verstärkten Umgebungen eingesetzt.
Stromversorgung:
Mehrere Faktoren beeinflussen die Übertragungsdistanz und die Leistungsstärke, darunter:
- Art des Netzteils
- Leiterquerschnitt
- Anzahl der Anschlüsse
Für 10-Mbit/s-SPE-Anwendungen gibt es sechs PoDL-Leistungsklassen. Jede Klasse definiert Spannung (V), Stromstärke (mA), Leistung (W) und maximalen Gleichstromwiderstand (Ω)*. Der Gleichstromwiderstand dient zur Berechnung der theoretisch maximalen Übertragungsdistanz. Glücklicherweise stellt der IEEE-802.3cg-Standard eine Tabelle zur Verfügung, die diese Berechnung erleichtert.
*Widerstand - DCRloop = DCRcable + DCRcords + DCRconnections Daraus lassen sich dann die folgenden Entfernungen berechnen.
Die maximale Kanallänge wird durch die Einfügungsdämpfungsgrenze bestimmt (blau).
Kanäle mit einer Länge von mehr als 400 m oder mehr als 5 Verbindungen erfüllen nicht die Anforderungen an die Kanaltopologie SP1-400 (rot).
Häufig gestellte Fragen
: Wird SPE 4-paariges Ethernet ersetzen?
– SPE ist kein Ersatz für 4-paarige Ethernet-Computernetzwerke.
– Es handelt sich um ein völlig neues System, das Feldbus und andere automatisierungsbasierte Netzwerke in der Industrie- und Gebäudeautomation sowie im Automobilsektor ersetzen soll.
–
Die Fähigkeit von 4-paarigen Kabeln, vier SPE-Verbindungen gleichzeitig zu unterstützen, wird derzeit noch evaluiert.
Kann ich SPE jetzt (2020) kaufen?
– Nein, derzeit sind keine Systeme kommerziell erhältlich.
– Die Anschlusshardware ist zwar zugelassen und die Kabel sollten relativ einfach zu handhaben sein, die
physikalischen und elektronischen Schnittstellen (PHYs) befinden sich jedoch noch in der Entwicklung.
Fazit
Es gibt viele Aktivitäten rund um Single Pair Ethernet, wobei IEEE und TIA führend sind, obwohl ISO/IEC schnell aufholt und das Potenzial für weitere Varianten und Entfernungen untersucht, einschließlich der Verwendung von 4-paarigem Kabel als Zuleitung für mehrere Abzweige eines Paares.
Das Interesse in allen Marktsegmenten ist jedenfalls extrem hoch. Nicht nur Kabel- und Steckerhersteller investieren massiv, sondern auch PHY-Hersteller üben großen Druck aus. So konnte beispielsweise Texas Instruments in Labortests SPEs bis zu 1,5 km weit bewegen. Über die Leistung wurde nichts gesagt, daher könnte es sich um eine physikalische Grenze handeln, die nicht überwunden werden kann.
SPE wird die traditionelle 4-paarige strukturierte Verkabelung im Bereich der Unternehmens-IT nicht ersetzen, sondern sie ergänzen, indem die von der Betriebstechnologie verwendeten „Erlebnissysteme“ in eine einheitliche Kommunikationsplattform integriert werden.
Was den Zeitplan angeht, ist er schwer vorherzusagen. Alle grundlegenden Standards sind festgelegt und die Verkabelung könnte sehr schnell implementiert werden; jetzt geht es darum, dass die Gerätehersteller die physischen Geräte einführen, und viele gehen davon aus, dass wir ab 2021 erste Systeme im Einsatz sehen werden.
Betrachtet man die bisherigen Verbreitungskurven von Ethernet, so dauert es von den ersten Anwendern bis zum Massenmarkt typischerweise etwa vier Jahre. Ich gehe jedoch davon aus, dass sich dieser Prozess in diesem Fall aufgrund der erwarteten rasanten Zunahme intelligenter Gebäude und vernetzter Geräte beschleunigen wird. Einem aktuellen Bericht zufolge wird diese Zahl innerhalb der nächsten sechs Jahre 75 Milliarden erreichen.
Daher müssen wir diesem Bereich besondere Aufmerksamkeit widmen. Diese Technologie wird voraussichtlich schon bald in vielen Gebäuden zum Einsatz kommen.
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