Single-Pair-Ethernet: Die Grundlage für das industrielle IoT der nächsten Generation

In einer modernen chemischen Verarbeitungsanlage überwachen Tausende von Sensoren kontinuierlich kritische Parameter - Druckschwankungen, Temperaturschwankungen, Durchflussraten - und erzeugen dabei massive Datenströme, die zuverlässig übertragen werden müssen. Herkömmliche Feldbussysteme sind mit dieser Datenflut überfordert, während herkömmliche Ethernet-Installationen unhandliche Kabelbündel erzeugen, die kostbaren Platz in Schaltschränken verbrauchen. Dieses Szenario stellt eine häufige Herausforderung in industriellen Umgebungen dar, die eine digitale Transformation anstreben.

Hier kommt Single-Pair Ethernet (SPE) ins Spiel - eine elegante Lösung, die die industrielle Konnektivität verändert, indem sie eine nahtlose IP-Kommunikation vom Sensor zur Cloud ermöglicht und gleichzeitig die Komplexität der Infrastruktur drastisch reduziert.

Was ist Single-Pair-Ethernet?

Im Kern überträgt SPE Standard-Ethernet-Daten und -Strom über nur ein verdrilltes Kupferkabel, im Gegensatz zu den vier oder acht Drähten des traditionellen Ethernet. Ursprünglich für Anwendungen in der Automobilindustrie entwickelt (IEEE 802.3bw-2015), hat sich SPE durch Standards wie 10BASE-T1L, die 10 Mbit/s über Entfernungen von bis zu 1.000 Metern liefern, zu einer Lösung für industrielle Anforderungen entwickelt.

Die Technologie stützt sich auf mehrere wichtige Normen:

• Power over Data Line (PoDL): Integrierte Leistungsabgabe bis zu 52 W
• Time Sensitive Network (TSN): Ermöglicht deterministische Kommunikation, die für kritische industrielle Prozesse unerlässlich ist
• 10BASE-T1L: Der wichtigste Industriestandard für die Übertragung über große Entfernungen

Warum ist SPE für das industrielle IoT von Bedeutung?

Herkömmliche Industrienetze bestehen oft aus einem Flickenteppich von Protokollen, die komplexe Gateways und Konvertierungsschichten erfordern. SPE bietet einen rationalisierten Ansatz mit überzeugenden Vorteilen:

Platz- und Gewichtseffizienz
SPE-Kabel sind ca. 50 % kleiner als herkömmliche Ethernet-Kabel und eignen sich daher ideal für Schalttafeln und Industrieanlagen mit begrenztem Platzangebot. Diese Verkleinerung führt zu einer einfacheren Installation und Wartung in überfüllten Industrieumgebungen.

Erweiterte Reichweite
Der vielleicht auffälligste Vorteil ist die große Reichweite - 10BASE-T1L reicht bis zu 1.000 Meter weit, zehnmal weiter als Standard-Ethernet. Dank dieser erweiterten Reichweite sind in großen Industrieanlagen keine Repeater mehr erforderlich, was zu weniger Fehlerquellen führt.

Integrierte Stromzufuhr
Die PoDL-Technologie macht eine separate Stromverkabelung für Sensoren und Geräte mit geringem Stromverbrauch überflüssig. Haben Sie bedacht, wie sich dies auf die Gesamtinstallationskosten auswirkt? Abgesehen von den Materialeinsparungen wird die Reduzierung des Arbeitsaufwands beim Einsatz von Tausenden von Sensoren in einer Anlage erheblich.

End-to-End-IP-Konnektivität
SPE schafft eine einheitliche IP-basierte Infrastruktur vom Sensor bis zur Cloud und beseitigt Protokoll-Gateways, die bei der Kopplung von Feldbussystemen mit IT-Netzwerken erforderlich sind. Diese nahtlose Konnektivität bildet das Rückgrat für wirklich integrierte Industrial-IoT-Implementierungen.

Umweltverträglichkeit
Geschirmte SPE-Varianten widerstehen den rauen Bedingungen in der Industrie: Vibrationen, elektromagnetische Störungen und extreme Temperaturen. Diese Robustheit gewährleistet einen zuverlässigen Betrieb in Bereichen, in denen Netzwerke der Verbraucherklasse versagen würden.

Die überraschende Verbindung zur Automobilindustrie

Das industrielle Potenzial von SPE entspringt einer unerwarteten Quelle: der Automobiltechnik. Die gleiche Technologie, die Sensornetzwerke in Fahrzeugen ermöglicht - ursprünglich als BroadR-Reach entwickelt - treibt jetzt intelligente Fabriken an. Diese sektorübergreifende Migration ist das, was ich als "technologische Wiederverwendung" bezeichnen würde - wenn Innovationen, die für einen Bereich entwickelt wurden, in einem anderen Bereich transformative Anwendungen finden.

Betrachten Sie diese faszinierende Entwicklung: SPE ermöglicht Ethernet-APL (Advanced Physical Layer), eine robuste Implementierung, die speziell für explosive Umgebungen wie Ölraffinerien entwickelt wurde. Die Technologie, die Dashboard-Instrumente verbindet, überwacht jetzt kritische Infrastrukturen in Gefahrenzonen - mit Zertifizierung der Eigensicherheit.

Umsetzung in der Praxis: Fallbeispiele für die Transformation der Industrie

Prozessindustrie: Die frühen Anwender

Öl- und Gasunternehmen haben Ethernet-APL-Systeme eingesetzt, die SPE nutzen, um Pipelines in gefährlichen Zonen zu überwachen und sowohl Daten als auch Strom über Entfernungen von mehr als 1.000 Metern zu übertragen. Diese Implementierung ermöglicht eine zentralisierte Überwachung bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Eigensicherheit in explosionsgefährdeten Umgebungen.

Wie Wilhelm Hauser, Vorsitzender des Ethernet-APL-Konsortiums, feststellte: "Ethernet-APL ist ein entscheidender Schritt auf dem Weg zu einer vollständig digitalisierten Prozessindustrie und ermöglicht eine nahtlose Kommunikation zwischen Feldgeräten und der Cloud."

Transformation der Fertigung

Automobilhersteller haben SPE für die Konnektivität von Roboterarmen integriert, wodurch das Kabelgewicht um etwa 30 % reduziert und gleichzeitig eine direkte IP-Konnektivität zu den Endeffektoren ermöglicht wird. Diese Gewichtsreduzierung verbessert die Roboterleistung, während die einheitliche Netzwerkarchitektur die Wartung und Aufrüstung vereinfacht.

Integration von Gebäudesystemen

Ältere Gebäudeautomationssysteme basieren oft auf speziellen Protokollen, die die Anbindung an die Cloud erschweren. SPE-Nachrüstungen ermöglichen die direkte IP-Vernetzung von HLK-Systemen, Beleuchtungssteuerungen und Sicherheitsgeräten, ohne dass eine komplette Neuverkabelung erforderlich ist - ein perfektes Beispiel dafür, wie SPE die Lücke zwischen installierter Infrastruktur und IoT-Funktionen schließt.

Herausforderungen bei der Umsetzung

Trotz der vielversprechenden Möglichkeiten steht SPE vor einigen Herausforderungen bei der Umsetzung:

Probleme mit der Standardisierung von Anschlüssen
Konkurrierende Steckervarianten, die in der IEC 63171 definiert sind (einschließlich M8- und M12-Formate), führen zu potenziellen Kompatibilitätsproblemen. Die Industrie arbeitet weiter an der Standardisierung, aber bei der Integrationsplanung müssen diese Unterschiede berücksichtigt werden.

Entwicklung des Ökosystems
Obwohl große Anbieter wie Phoenix Contact, Harting und Weidmüller inzwischen SPE-Lösungen anbieten, ist das gesamte Geräte-Ökosystem noch nicht so ausgereift wie die traditionelle industrielle Vernetzung. Frühe Anwender müssen Produktpläne und Kompatibilitätsverpflichtungen sorgfältig bewerten.

Anforderungen an die Migrationsplanung
Die Umstellung bestehender Installationen erfordert eine sorgfältige Planung. Welche Kommunikationsanforderungen müssen während der Umstellung aufrechterhalten werden? Wie werden hybride Netzwerke während der schrittweisen Implementierung funktionieren? Diese Fragen erfordern eine detaillierte Migrationsstrategie.

Der Fahrplan für die SPE-Einführung: Ein Fünf-Jahres-Ausblick

In Zukunft wird die Einführung von SPE wahrscheinlich diesem Trend folgen:

2025: Beschleunigung der Fertigung

• • Schwerpunkt: Beginn der breiten Einführung in diskreten Fertigungsbereichen.

  • Driver: TSN (Time-Sensitive Networking) integration over SPE.

  • Auswirkungen: Ermöglicht Echtzeitsteuerung und beginnt, spezialisierte Feldbussysteme zu ersetzen.

2026: Höhere Bandbreitenstandards

• • Schwerpunkt: Verbesserte Fähigkeiten durch Standardisierung.

  • Driver: IEEE 802.3dg finalisiert (100BASE-T1L).

  • Auswirkungen: Liefert 100 Mbit/s über 500 m lange Verbindungen und erweitert die SPE-Nutzung auf bandbreitenintensivere Anwendungen.

2027: Umfassendes Geräte-Ökosystem

• • Schwerpunkt: Marktreife und Benutzerfreundlichkeit.

  • Driver: Breite Verfügbarkeit von SPE-fähigen Sensoren, Steuerungen und Infrastruktur.

  • Auswirkungen: Vereinfacht den Prozess der Spezifizierung und Implementierung von SPE-Lösungen.

2028: Dominanz von Brachflächen

• • Schwerpunkt: Nachrüstung bestehender Industrieanlagen.

  • Driver: SPE hat sich als bevorzugte Methode für Upgrades etabliert.

  • Auswirkungen: Allmähliche Ersetzung der alten Feldbusse durch einheitliche IP-Konnektivität in Industriebrachen.

(Gap Year - Fortgesetztes Wachstum und Konsolidierung)

2030: Entstehung der Standardnorm

• • Schwerpunkt: SPE könnte die erste Wahl für neue Anlagen werden.

  • Driver: Weitverbreitete Akzeptanz und erwiesener Nutzen.

  • Auswirkungen: Schätzungsweise ~70 % der neuen industriellen Geräteanschlüsse könnten die SPE-Technologie nutzen.

Wichtigste Erkenntnisse: Das SPE-Wertversprechen

Single-Pair-Ethernet stellt einen grundlegenden Fortschritt in der industriellen Konnektivität dar und bietet mehrere wesentliche Vorteile:

1. Vereinfachung der Infrastruktur - Die geringere Komplexität der Verkabelung und die einheitliche IP-Vernetzung rationalisieren sowohl die Installation als auch die Wartung.

2. IT/OT Convergence Enablement - SPE überbrückt die Lücke zwischen Betriebs- und Informationstechnologie und schafft wirklich integrierte Systeme.

3. Zukunftssichere Architektur - Die Technologie bietet einen klaren Weg von aktuellen Installationen zu vollständig realisierten Industrie 4.0-Implementierungen.

4. Umfassende Kostenreduzierung - Neben Materialeinsparungen reduzieren vereinfachte Architekturen die Kosten für Konstruktion, Installation und Wartung.

Die Frage ist nicht, ob SPE die industrielle Konnektivität verändern wird, sondern wie schnell Unternehmen diese Technologie nutzen werden, um Wettbewerbsvorteile zu erzielen. Frühe Anwender in der Prozessindustrie demonstrieren bereits die Vorteile, und die diskrete Fertigung wird bald folgen.

Im Zuge der digitalen Transformation von Industrieanlagen bietet Single-Pair-Ethernet die Grundlage für einen wirklich vernetzten Betrieb - und beweist damit, dass manchmal eine technologische Vereinfachung die anspruchsvollsten Funktionen ermöglicht.

References

[1] https://de.wikipedia.org/wiki/Single_Pair_Ethernet
[2] https://www.cinch.com/resources/blog/the-benefits-of-single-pair-ethernet-for-industrial-and-smart-building-applications
[3] https://www.single-pair-ethernet.com/en/artikel/single-pair-ethernet-use-cases
[4] https://www.controleng.com/how-to-establish-a-futureproof-industrial-network-with-single-pair-ethernet/
[5] https://my.avnet.com/silica/resources/article/single-pair-ethernet/
[6] https://www.hilscher.com/in/the-hilscher-blog/blog-single-pair-ethernet-enhanced-cloud-access-to-sensors-and-peripherals
[7] The Pragmatic Engineer's Take on Single Pair Ethernet: Turning Challenges into Opportunities
[8] Single Pair Ethernet, the Automotive Ethernet
[9] 100Base-T1 vs 100Base-TX Ethernet
[10] Single Pair Ethernet in industry - great technology, thwarted by the connector war?
[11] Time Sensitive Networking: Transforming Industrial Communication with Deterministic Ethernet
[12] The role of Single Pair Ethernet in IoT development