DER KONSTRUKTEUR 3/2021

AUTOMATISIERUNGSTECHNIK

AUTOMATISIERUNGSTECHNIK SINGLE PAIR ETHERNET – MEHR ALS NUR NEUE STECKVERBINDER PRODUKTE UND ANWENDUNGEN Single Pair Ethernet – kurz SPE – ist ein Trendthema im Bereich industrieller Kommunikationstechnik. Häufig stehen bei der Betrachtung die Komponenten im Fokus. Aber es geht um mehr – und zwar um die Ethernet-basierte Kommunikationsstruktur von morgen … Autorin: Dipl.-Ing. Verena Neuhaus, Phoenix Contact GmbH & Co. KG, Blomberg Fragen, die zum Thema Single Pair Ethernet (SPE) zurzeit viel diskutiert werden, drehen sich meist um Komponenten, Kabel oder Steckverbinder: Welche PHYs (Physical-Layer) sind verfügbar? Welche Kabel können eingesetzt werden? Wie hoch ist die Reichweite und welche Daten werden übertragen? Und last but not least: Gibt es bei den Steckverbindern denn schon einen Standard? Hinter diesen Fragen geht es um einen grundlegenden Paradigmenwechsel industrieller Kommunikation – für die gesamte Infrastruktur mit Geräten und Sensoren für zahlreiche Anwendungsszenarien. WAS IST SCHON VERFÜGBAR? Die BroadR-Reach-Technologie – ein Ethernet-Physical-Layer- Standard für Connectivity-Anwendungen im Automobilbereich – kann als Ausgangspunkt für die Entwicklung von SPE betrachtet werden. Moderne Mittelklasse-Fahrzeuge besitzen über 100 Sensoren – Tendenz steigend. Die Zahl der Steuergeräte, Sensoren, Aktoren und Kommunikationseinrichtungen wächst von jeder Fahrzeuggeneration zur nächsten, damit wächst auch der Umfang der Verkabelung. Gefordert ist eine innovative Sensorik mit einem einheitlichen Kommunikationsstandard im Bereich des Automobils. 14 DER KONSTRUKTEUR 2021/03 www.derkonstrukteur.de

AUTOMATISIERUNGSTECHNIK Daher war es die Automobilindustrie, die auf der Suche nach einem Nachfolger für den CAN-Bus das TCP/IP-basierte Übertragungsverfahren identifiziert hatte und die ersten SPE-Standards vorantrieb. Über die IEEE-802.3-Arbeitsgruppe wurden die ersten SPE-Standards als 100 BASE-T1 und 1 000 BASE-T1 in den zuständigen Arbeitskreisen veröffentlicht. Die Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH & Co. KG stellt heute schon die Steckverbinder für diese Anwendungen in Serie her. Mit dem in 2019 zuletzt verabschiedeten CG-Standard aus der IEEE 802.3 wurde nun erstmals ein Standard für höhere Reichweiten definiert, der für viele industrielle Applikationen von Interesse ist. Damit war der Weg frei für den Einzug von SPE in neue Applikationsfelder wie Fabrik- und Gebäude-Automation. Um dafür die ersten Gerätegenerationen aufzubauen, werden entsprechende Einzelkomponenten wie Chips, Kabel und Steckverbinder benötigt. STANDARDISIERUNG NOCH NICHT ABGESCHLOSSEN Erste PHYs für den CG-Standard sind bereits am Markt erhältlich. Dabei unterscheidet dieser Standard zwei Varianten: der T1L-Standard für lange Distanzen bis zu 1000 m und einer Datenübertragung bis zu 10 Mbit/s sowie der T1S-Standard für kürzere Distanzen bis zu 25 m. Dieser Standard ermöglicht auch das Multidrop-Verfahren. Bei einer Buslänge von 25 m können damit mindestens acht Knoten mit 10 cm langen Stichleitungen verbunden werden. Alle Knoten teilen sich die Bandbreite von 10 Mbit/s. Die Kabel für Single Pair Ethernet werden in der IEC 61156-11/- 12/-13 und -14 beschrieben. Diese vier neuen Standards für SPE- Leitungen definieren sowohl die feste als auch die flexible Verlegung. Einziger bis heute verabschiedeter Standard ist die 61156-11 für die feste Verlegung mit Übertragungseigenschaften bis 600 MHz bei einer Übertragungslänge bis 40 m – geeignet für den Standard IEEE 802.3 bp. Die weiteren Normen – auch die für den cg-Standard – sind derzeit noch nicht veröffentlicht. Auch bei den Steckverbindern ist die Standardisierung noch nicht abgeschlossen. Steckverbinder für SPE werden in der IEC 63171 DIE GENAUEN ANFORDERUNGEN DER SPE-INFRASTRUKTUR WERDEN SICH ERST NOCH ENTWICKELN definiert. Gemeinsam mit den Partnern Reichle & DeMassari und Weidmüller hat Phoenix Contact mit der IEC 63171-2 zunächst das kompakteste Steckgesicht dieser Normenreihe entwickelt. Damit werden zwei Anforderungen an die Steckverbinder erfüllt: zum einen Miniaturisierung und Kosteneinsparungen bei der Einführung der neuen Technologie, und zum anderen die industrietaugliche Verrastung sowie die automatisierte Montage von Gerätesteckverbindern. Das Steckgesicht der IEC 63171-2 ist auch in der IEC 63171-5 beschrieben – dort jedoch in der industrietauglichen IP-geschützen Verpackung in M8- und M12-Bauweise. Wegen seiner Kompaktheit passt dieses Steckgesicht auch in einen Standard-M8-Steckverbinder, und kann damit auch in Standard-Induktivsensoren zum Einsatz kommen. Fliegende Verbindungen für die Kabel-Kabel- Verbindung im Feld oder zwischen Feld-Switchen sind ebenfalls möglich. Auf der Geräteseite erweisen sich unterschiedliche Abgangsrichtungen als vorteilhaft: horizontal und vertikal zur Leiterplatte, Auslegung für THR- und SMD-Lötprozesse sowie volle Flexibilität bei der Montagerichtung mit Vorder- und Hinterwandmontage. WIE GEHT ES WEITER? In der Normenreihe der IEC 63171 gibt es insgesamt sechs unterschiedliche Standards für Steckverbinder. Welcher davon der Standard für welche Applikation sein wird, werden die Nutzerorganisationen maßgeblich mitentscheiden, die sich derzeit intensiv mit dem Thema SPE beschäftigen. Dabei werden für die unterschiedlichen Anwendungsfelder Use Cases aufgezeigt, die nicht nur die Einzelkomponenten betrachten, sondern das gesamte Ökosystem. Hier 01 Universell einsetzbar: Die SPE-Steckverbinder von Phoenix Contact basieren auf den Standards der IEC 63171-2 (für IP20) und der IEC 63171-5 (für IP65/67) 02 Vom Sensor bis zur Cloud: Single Pair Ethernet bildet den Baustein, um Ethernet durchgängig bis in die Feldebene zu bekommen www.derkonstrukteur.de DER KONSTRUKTEUR 2021/03 15