Single-Pair-Ethernet: Ausfallsichere SPE-Leitungen in Schleppketten

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Von der klassischen Feldbus- zur Single-Pair-Ethernet-Technologie: in den letzten Jahren haben sich Datenleitungen und was diese leisten müssen grundlegend verändert. Wo liegen die größten Veränderungen und was sind die wesentlichen Vorteile der neuen schleppkettentauglichen SPE-Leitungen?

Single-Pair-Ethernet in der Praxis: In den 1980er Jahren war jeder einzelne Sensor durch ein Adernpaar einer Steuer-/Elektronikleitung angebunden. Seit Ende der 1980er Jahre erfolgt die Anbindung der Sensoren durch serielle Bussysteme wie zum Beispiel Profibus. Es werden nur noch zwei Adern benötigt, um alle Sensoren anzusprechen. Die Auswahl des Sensors erfolgt über das Protokoll.

Die Entwicklung der Single-Pair-Ethernet-Technologie

Wegen der immer größer werdenden Datenmengen, die in kurzer Zeit übertragen werden müssen, gewinnen Ethernet-Netzwerke seit 2014 an Bedeutung. Laut einer Marktstudie von HMS überholten im Jahr 2018 die industriellen Ethernet-Systeme die traditionellen Feldbusse im Hinblick auf neu installierte Knoten in der Fabrikautomation. Der Anteil von Industrial Ethernet an neu installierten Knoten wuchs um 6 Prozent im Vergleich zum Vorjahr und erreichte einen Marktanteil von 52 Prozent.

Die Ethernet-Technologie selbst hat sich im Laufe der Jahre ebenfalls weiterentwickelt: von Fast-Ethernet mit einer unidirektionalen Übertragung über 2 Adernpaare und einer Übertragungsrate von bis zu 100 Mbit/s pro Adernpaar über Gigabit-Ethernet mit einer bi-direktionalen Übertragung und einer Übertragungsrate von bis zu 250 Mbit/s pro Adernpaar auf vier Adernpaaren bis zur Single-Pair-Ethernet-Technologie (SPE) mit einer Geschwindigkeit von aktuell bis zu 1 GBit/s auf einem einzelnen Datenpaar.

Daten und Power in einem Adernpaar

Entscheidend beim neuen Standard Single-Pair-Ethernet ist, dass nur noch ein Adernpaar zur Übertragung von Daten und Power benötigt wird. Ein multifunktionales Adernpaar, welches mittels Power over Dataline (PoDL) und in Verbindung mit einem neuen, standardisierten Protokoll auch zur Spannungsversorgung eingesetzt werden kann, eröffnet den Weg für eine kostengünstige Lösung. Mit der neuen SPE-Technologie kann eine durchgängige IP-basierte Kommunikation in der Feldebene (10 Mbits/km) umgesetzt werden. Zum Beispiel können Temperaturen gemessen und die Daten digitalisiert in die Steuerung zurückgeführt werden, welche daraufhin Parameter wie Strom und Spannung optimiert. Auch neue Anwendungsfelder wie Verkehrsüberwachung, Energieerzeugung und Sicherheitsüberwachung können künftig mit Hilfe von Kameras kostengünstiger realisiert werden.

Weiterhin lassen sich Gewicht, Platzbedarf und Installationsaufwand reduzieren. Single-Pair-Ethernet ist eine einfache und kostengünstige Alternative zu klassischen mehrpaarigen Ethernet Verkabelungslösungen. Insbesondere bei kompakten I/O-Schnittstellen kann SPE seine Vorteile ausspielen und gewinnt damit auch in der Automatisierungstechnik zunehmend an Bedeutung. Dies ist die Grundlage für den weiteren Ausbau von Industrie 4.0-Anwendungen.

Die wachsende Nachfrage industrieller Anwender nach standardisierten und kostengünstigen Netzwerkanbindungen bedient Lütze mit der Superflex Single Pair Ethernet Pur-Leitung. Der Anbieter verbindet dabei die Vorteile des neuen Standards mit den robusten Eigenschaften einer schleppkettenfähigen Leitung.

Mikrokosmos Schleppkette

Oft sind nämlich die für den Schleppketteneinsatz ungeeigneten Leitungen daran schuld, dass ganze Fertigungsstraßen frühzeitig ausfallen und ungeplant stillstehen. Biegeradius, Verfahrweg, Geschwindigkeit und Beschleunigung können für die verbaute Leitung das frühzeitige Ende bedeuten. Faktoren, wie Aufbau, hochwertige Materialauswahl und ein innovatives Produktionsverfahren sind für eine betriebssichere Schleppkettenleitung daher von größter Bedeutung. Dabei spielt insbesondere die Wahl eines sowohl mechanisch als auch elektrisch geeigneten Isolationsmaterials in Verbindung mit optimierten Verseilparametern eine bedeutende Rolle. Ebenso sind Art und Konstruktionsparameter der Schirmung von großer Bedeutung für die Lebensdauer der Leitung. Bei der Auswahl des Mantelmaterials schließlich sind neben der mechanischen Robustheit bei gleichzeitig größtmöglicher Flexibilität oft auch die chemische Beständigkeit gegenüber unterschiedlichen Substanzen zu berücksichtigen.

Nur die richtige Kombination dieser Parameter gewährleistet beste elektrische Eigenschaften und insbesondere auch Lebensdauern von weit über 10 Millionen Biegewechselzyklen.

Single-Pair-Ethernet: Einfach in bestehende Netzwerke einbinden

Die halogen- und silikonfreie sowie RoHS-konforme SPE-Leitung von Lütze bietet eine hohe aktive und passive Störsicherheit (EMV) und kann bei bewegtem Einsatz in einem Temperaturbereich von -30°C bis + 70°C eingesetzt werden. Die Leitung bietet mit einem minimalen Biegeradius von 70,5 Millimetern gute Voraussetzungen für einen dauerhaften und ausfallsicheren Einsatz in der Schleppkette. Mit ihrer einheitlichen Verkabelungsstruktur und ihren standardisierten Übertragungsprotokollen (TCP/IP) macht die SPE-Technologie die Einbindung in bestehende Netzwerke einfacher.

Bei Nutzung von Power over Data Lines (PoDL) ermöglicht SPE die gleichzeitige Übertragung von Daten und Strom über ein einziges Kabel. Das spart Gewicht und Platz in der Kette und vermindert den Installationsaufwand bei Erstinbetriebnahme und Instandhaltung. Dank des durchgängigen Einsatzes des TCP/IP-Protokolls ergeben sich für die Automatisierungstechnik eine Vielzahl neuer und flexibler Anwendungsmöglichkeiten. Die SPE-Leitungen eignen sich speziell für dauerhaft bewegte Anwendungen im Maschinen- und Anlagenbau sowie in der Automations-, Transport- und Fördertechnik für Branchen wie Automobil- und Werkzeugmaschinenbau, aber auch in der Holzverarbeitungs- und Flughafentechnik.

Einige Key Facts zur SPE- Technologie

• Universalität: Verkabelungs- und Netzwerkstandard, mit dem Sensoren oder Aktoren kommunizieren und parallel mittels PoDL mit Spannung versorgt werden können.

• Standardisierung: Dank ihrer einheitlichen Verkabelungsstruktur und ihren standardisierten Übertragungsprotokolle (TCP/IP) macht die SPE-Technologie die Einbindung in bestehende Netzwerke einfacher.

• Platzsparend und wirtschaftlich: Daten und Power werden über ein einziges Adernpaar übertragen

• Performance über ein Adernpaar

Der Autor Johannes-Josef Lentzen ist Produktmanager Cable bei der Friedrich Lütze GmbH.

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