Single-Pair-Ethernet: Nutzung und Eigenschaften

Übergangspfad und SPE auf einen Blick

Übergangspfade in verschiedenen Industrien

Teil 2 unserer SPE-Blogreihe befasst sich mit den Übergangspfaden in verschiedenen Industrien und den Vorzügen und Anforderungen durch SPE.

Die Idee, IP-basierte Netzwerke bis hinunter zur Sensorebene zu ermöglichen, ist offensichtlich von Vorteil. Wie kann SPE aber in den fokussierten Geräten und Installationen eingesetzt werden? Beim Betrachten der momentan installierten Basis zeigt sich eine große Vielfalt an Feldbussen (siehe Tabelle unten) und Sensornetzwerken im Feld.

Distanz und Übertragungsgeschwindigkeit aktueller Feldbus-Technologien in Sensorik und Peripherien
Feldbus Übertragungsgeschwindigkeit Max. Distanz
Fabrikautomation
AS-Interface 125kbit 100m
Interbus 500kBd .. 2Mbit bis zu 400m
Profibus DP 9,6kBd .. 12 MBit 100m .. 1200 m
CANopen 62,5kBd .. 1 Mbit 30m .. 1000 m
Devicenet 125kBd .. 500kBd 100 .. 500 m
CompoNet bis zu 4Mbit 1500m (@93kBd)
CC-Link bis zu 10Mbd 100 m
IO-Link 250kBd 20 m
Prozessautomatisierung
Profibus PA 31.25kBd 1900m
HART 1,2kBd 1500 .. 3000m
(abh. vom Kabel)

Die Tabelle zeigt eine Mischung aus Feldbussen in der Prozess- und Fabrikautomation, die folglich verschiedene Geschwindigkeits- und Abstandsanforderungen stellen. Diese definieren die Vorgaben, die alle künftigen Technologien unterstützen müssen. Zudem hat der Explosionsgeschützte Bereich in der Prozessautomatisierung spezifische Anforderungen für Eigensicherheit. Die Anbindung an die Netzwerke der oberen Schicht in Brownfield-Installationen birgt zahlreiche Nachteile:

  • Bedarf an Gateways zwischen der "alten" Installation und den neuen Ethernet-Netzwerken
  • Teilweise fehlende Diagnose- und Parametrisierungsmöglichkeiten
  • Leistungsbegrenzung durch die Übergangsgeschwindigkeit und Zykluszeit einiger aktueller Netzwerke
  • Zunehmender Aufwand für Wartung und Unterstützung, um "veraltetes" Know-How zu erhalten
  • Aufwendige Installation zur Unterstützung von Multi-Vendor-Konfiguration und Tooling
  • Steigende Lagerkosten und erschwerte -verfügbarkeit durch mögliche End-of-Life-Szenarien

Nicht alle der gelisteten Feldbus-Standards sind gleich stark betroffen von den genannten Nachteilen. Einige wie zum Beispiel IO-Link befinden sich gerade in der Anlaufphase. Der Handlungsbedarf und der Marktdruck in der Industrie variieren je nach Einsatzumfang von veralteter Technologie in den Anlagen jedoch deutlich.

Timeline von Systemausführungen in verschiedenen Industrien
Timeline von Systemausführungen in verschiedenen Industrien - zum Vergrößern anklicken

Hilscher rechnet mit einer frühzeitigen Adaption und Ausführung von SPE im Sektor der Prozessautomatisierung etwa in 2021, da die Anlagen zu einem Großteil auf HART, PROFIBUS PA und ähnlichen Feldbussen basieren, die digitale Geschäftsmodelle nicht im notwendigen Maße unterstützen. Die Namur Organisation und besonders die FieldComm Group treiben gemeinsam mit der PROFIBUS International (PI) und ODVA den Umstieg auf APL für die Prozessautomatisierungsindustrie stark voran. Einerseits haben die Anwendungen in diesen Bereichen für gewöhnlich geringere Anforderungen an Leistung und Zykluszeit und auch der Einsatz von Diagnose und Parametrisierung ist in solchen Netzwerken noch nicht so weit fortgeschritten wie in Anwendungen aus der Fabrikautomation. Andererseits kann die SPE-Nutzung in der Fabrikautomation mehr Zeit in Anspruch nehmen. Organisationen wie ODVA, PI und einschließlich die IO-Link Group haben begonnen, die Eingliederung von SPE in ihre jeweiligen Standards in Bezug auf Position in und die Vorteile für ihre Anwendungen zu untersuchen. Gleichzeitig sind zwei sehr aktive Gruppen auf dem Vormarsch, verschiedene Stecker, Konnektoren und Verkabelungen vorzustellen. In Anbetracht dieser äußerst produktiven Initiativen und den zahlreichen offenen Fragen vor ihnen, beginnt der Feldeinsatz in der Fabrikautomation voraussichtlich um das Jahr 2024.

Kurz gesagt: Wir glauben, dass in solchen Bereichen der Fertigungsindustrie, in denen die Ausrüstung in Bezug auf Status, Diagnose und Parametrisierung noch nicht transparent für die oberen Schichten ist, es im Gesamtsystem mangelt und die Vorteile der Digitalisierung wie eine erhöhte Maschinenlaufzeit, Verfügbarkeit, vorausschauende Wartung usw. sich nicht umsetzen lassen. Deshalb muss die Prozessindustrie dringend handeln und so schnell wie möglich voranschreiten.

 

Single-Pair-Ethernet auf einen Blick

Warum ist die Industrie nicht schon viel früher auf eine einzelne verdrillte Zweipaarleitung umgestiegen, wenn die grundlegende Idee im Vergleich so einfach und die potentiellen Vorteile so offensichtlich sind? Der Wechsel ist gegenüber einem bestehenden Ethernet-Netzwerk nicht so einfach, wie der Austausch eines Kabels vermuten lässt. Nur durch zusätzliche Anforderungen können die verschiedenen Industrien davon profitieren.

Verschiedene physische Schichten

Der heutzutage meist genutzte und adaptierte Standard in der Industrie, ist das Industrial Ethernet 10Base-T/100Base-TX. Mit zwei Twisted-Pair-Kabeln versendet und empfängt es Daten unidirektional. Ein Single-Pair-Ethernet übermittelt und empfängt, im Gegensatz dazu, Daten über das gleiche Twisted-Pair-Kabel und benötigt deshalb eine andere physische Schicht sowie andere Kopplungen und Wandler.

Standard-Ethernet-Physik  und SPE im Vergleich
Standard-Ethernet-Physik und SPE im Vergleich (Quelle: HARTING 2019) - zum Vergrößern anklicken

Langstreckenübertragung

Da besonders die anvisierten Sensoren, die Aktoren und andere periphere Feldgeräte in der industriellen Automatisierung eine viel größere Leitungslänge zwischen sich brauchen, verstärkte sich die Nachfrage nach Leitungslängen von bis zu 1000m zwischen den Stationen, gegenüber den spezifischen 100m des 100Base-TX.

Eigensicherheit

Die Prozessautomatisierung führt zusätzlich zur größeren Distanz eine eigensichere Übertragung als notwendig an, um SPE auch in explosionsgeschützten Bereichen einsetzen zu können.

Leistungsübertragung

In vielen der heutigen Sensor-Kommunikations-Feldbussen ist eine Energieübertragung per Kommunikationsleitung möglich. Deshalb muss die einzelne Twisted-Pair-Leitung auch genug Leistung übertragen können, um weiter entfernte Sensoren und Aktoren mit Strom zu versorgen.

Anwendungsspezifische Bandbreite

Neben Geräten auf Feldebene und Sensoren mit einer Bandbreitenübertragung von 10Mbit soll SPE auch in Anwendungen mit höheren Bandbreiten integrierbar sein. Darum definiert das IEEE Standards, die sowohl für Vision, Motion als auch für HMI einschließlich der physischen Schichten geeignet sind.

IEEE-Standardisierung und verwandte Anwendungen

Diese Anforderungen und Inputs führen zu mehreren SPE-IEEE-Standards in den verschiedenen Übertragungsgeschwindigkeiten:

 

Übersicht von verschiedenen SPE bezogenen Standards
IEEE-Standard PHY-Standard Übertragungsgeschwindigkeit Kabel-Bandbreite Kabellänge Anwendungen
IEEE802.3 cg 10Base-T1L 10Mbit 20MHz 1000 m
(STP)
Sensoren, Aktoren und Peripherien, Maschinensteuerungen, Zug- und Busnetzwerke, Gebäudeautomatisierung
10Base-T1S 10Mbit 20MHz 15m (UTP)
25m (STP)
Schaltschrankinstallationen (kein PoDL) halbduplex
APL 10Mbit   1000 m
(STP)
Eigensicherheit und Ex-Ausrüstung
IEEE802.3 bw (BroadR Reach) 100Mbit 166MHz 15m (UTP)
40m (STP)
Automotive
IEEE802.3 bp   1000Mbit 600MHz 15m (UTP)
40m (STP)
HMI, IPC, Kamera, Motion & Robotik
IEEE802.3 ch   EN 2,5-5 10Gbit 4-5 GHz 15m (STP) Vision Sensing, IPC, HMI, Analytik, medizinische Systeme
IEEE802.3 bu Power over Dataline (PoDL für SPE, max. 60W Leistungsübertragung)

Die Tabelle "Übersicht verschiedener SPE bezogener Standards" stellt drei Definitionen für den 10Mbit Single-Pair-Ethernet-Standard IEEE 802.3cg, um die unterschiedlichen Anforderungen der verschiedenen Sensoren, Aktoren und peripheren Anwendungen aufzuzeigen. Mit seiner Kabellänge von 1000m und einer Direktverbindung eignet sich das 10Base-T1L am besten für Sensorik-Anforderungen, da es sich zudem sehr gut in reale Installationen einfügt.

Hinsichtlich der physischen Schicht gleicht das APL dem T1L. In einigen Fällen fügt es aber die Komponenten für eigensichere Übertragungen in den Ex-Bereich hinzu. Im Gegensatz zum T1L erlaubt das 10Base-T1S einen Multidrop-Aufbau mit wesentlich kürzeren Kabeln und einer abweichenden PHY-Schicht namens PLCA (Physical Layer Collision Avoidance). Multidrop integriert sich beispielsweise gut in Schaltschrankinstallationen oder andere Anwendungen mit kurzen Übertragungswegen. Bild und Tabelle zeigen, dass beide Systeme verschiedene physische Schichten benötigen:

Vergleich zwischen den zwei spezifischen PHY-Angaben
  10Base T1S 10Base T1L
Übertragungsgeschwindigkeit 12.5MBit 7.5MBit
Halbduplexer Multidrop Vollduplex
Echokompensiert
Leitungskodierung DME PAM-3
Signalcodierung 4B5B 4B3T
Elektrische Spannung 1Vpp 1Vpp (2.4Vpp)

Trotz einiger Unterschiede gleichen sie die Verbindungen zu den oberen Schichten und in den physischen Schichten. Das IEEE stellte sicher, dass jedes reale System mit einem MAC und einer MII-Verbindung sich an die reale neue PHY anschließen kann, damit die Hauptänderung nur in einer OSI-Schicht stattfindet. Das folgende Bild zeigt den Aufbau:

PHY-Verbindung zum Host-System der oberen Schicht
PHY-Verbindung zum Host-System der oberen Schicht - zum Vergrößern anklicken

Darüber hinaus legt der 802.3bu-Standard eine standardisierte Leistungsübertragung über die Datenleitung fest und ermöglicht eine Übertragung bis zu 50W auf ein einzelnes Endgerät. Diese Funktion erlaubt eine Abwärtskompatibilität zu verschiedenen bestehenden Sensornetzwerk-Standards, die die verbundenen Sensoren über einen zentralen Leistungsregler mit Strom versorgen. Der Aufbau im Rahmen eines SPE-Netzwerks kann wie folgt aussehen:

Systemaufbau einer Direktverbindung mit Stromverteilung
Systemaufbau einer Direktverbindung mit Stromverteilung - zum Vergrößern anklicken

Das System benötigt ein Power Sourcing Equipment (PSE), um Energie über ein Kabel zu übertragen. Es gibt drei verschiedene elektrische Spannungen, die mit spezifischen Leistungen verbunden sind. Auf der Empfängerseite kann das Powered Device (PD) im oberen Fall eine maximale Leistung von 50W bei 48V über eine Punkt-zu-Punkt-T1L-Verbindung erbringen. Bei 24V erreicht man mit einem regulierten PSE noch immer ein Maximum von 10W. Das System ist äußerst kompatibel zur Trunk-und-Spurtopologie in Netzwerken der Prozessautomatisierung.

Die Standardisierung des Single Pair Ethernet in ihrer jetzigen Form unterstützt die Anforderungen der industriellen Automatisierung einwandfrei. Da die Automobilindustrie die PHY-Technologie bereits in verschiedenen Varianten einsetzt, können die industriellen Anwender schon von der Implementierung an auf eine feldgeprüfte physikalische Technologie vertrauen. Es ist trotzdem noch ein weiter Weg, bis sich das SPE in die aktuellen Ethernet-Standards - besonders im Umfeld der Fabrikautomation - integriert hat. Aus Sicht der Systeminstallation erlaubt ein IP-Netzwerk in jedem Sensor eine Sensorkonfiguration und -wartung im Feld durch eine herstellerunabhängige Werkzeugumgebung. 

Danke, dass Sie den zweiten Teil gelesen haben. Als nächstes: Teil 3 - Systemeinführung in verschiedenen Szenarien

Lesen Sie hier den ersten Teil: Teil 1 - Single-Pair-Ethernet: Eine Einführung

Lesen Sie hier den nächsten Teil: Teil 3 - Single-Pair-Ethernet: Systemeinführungen in verschiedenen Szenarien