Blog: Single-Pair-Ethernet – Nutzung und Eigenschaften
Teil 2: Übergangspfade in verschiedenen Industrien
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.
Unterschiedliche Anforderungen an SPE
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
PHY-Verbindung zum Host-System der oberen Schicht
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:
Systemaufbau einer Direktverbindung mit Stromverteilung
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:
Weiterführende Links
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Teil 3 unserer Blog-Serie über SPE: Während die Netzwerke der Fabrikautomation heutzutage größtenteils auf Ethernet-Standards basieren, ist die Einführung von Ethernet in der Prozessautomatisierung noch im Gange. Doch wie werden diese Industriebereiche von SPE beeinflusst?
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