Single Pair Ethernet für IIoT-Anwendungen: High-Speed-Datenübertragung auf kleinem Raum

In IIoT-Szenarien sind leistungsfähige Kabel und Steckverbindungen gefragt, die hohe Datenübertragungsraten auch über längere Strecken ermöglichen. Prädestiniert hierfür ist Single Pair Ethernet. Die neue Technologie punktet noch mit vielen weiteren Vorteilen wie einem geringen Material- und Platzbedarf und ist somit aus hochautomatisierten industriellen Prozessketten in Zukunft nicht mehr wegzudenken.

Die industriellen Wertschöpfungsprozesse wandeln sich derzeit in einem nie dagewesenen Tempo und sind durch ein Maximum an Digitalisierung, Automatisierung und Vernetzung gekennzeichnet. Alle beteiligten Komponenten wie Maschinen, Roboter, Steuerungen, Transfer-Systeme, Industrie-PCs, Smartkameras und Sensoren kommunizieren im Sinne von Industrie 4.0 durchgängig miteinander und tauschen unentwegt Daten aus – sei es über interne Verbindungen oder über das Internet. Übergeordnetes Ziel dieses Industrial Internet of Things (IIoT) ist es, die Prozesse durchgängiger zu gestalten und zu beschleunigen, die Qualität der Produkte zu verbessern und die Kosteneffizienz zu erhöhen.

IIoT-Markt auf Wachstumskurs
Die zunehmende Bedeutung des IIoT bestätigen auch zahlreiche Studien. Beispielsweise gaben in einer repräsentativen Umfrage 72 Prozent der weltweiten Produktionsunternehmen an, bereits über fundierte Industrie-4.0-Strategien zu verfügen. Demnach investieren die Firmen schon jetzt in hohem Maße in entsprechende Technologien. So belief sich der globale IIoT-Markt im Jahr 2022 auf 293 Milliarden Euro und wird bis 2030 voraussichtlich pro Jahr um weitere 20 bis 25 Prozent wachsen. Nach Expertenschätzungen soll das IIoT-Segment bis dahin ein Marktvolumen von 1,5 Billionen Euro erreichen.

Beflügelt wird dieser Trend von vielerlei Faktoren: Dazu zählt etwa die zunehmende Verfügbarkeit von kostengünstigen Sensoren, fortschrittlichen Netzwerktechnologien und modernen Software-Lösungen auf Basis künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen. Gepaart mit der wachsenden industriellen Globalisierung haben diese Innovationen ein Umfeld geschaffen, in dem verschiedenste Akteure wie Fertigungsunternehmen, deren Beschäftigte, Lieferanten, Verbraucher, Investoren und sonstige Stakeholder überall und jederzeit miteinander in Verbindung sein können – und zwar zu überschaubaren Kosten. Dies genau macht das Wesen moderner IIoT-Szenarien aus.

Hohes Maß an Netzwerkkonnektivität ist gefragt

Die technische Umsetzung der IIoT-Anforderungen setzt ein besonderes Maß an Netzwerkkonnektivität voraus, wie es in der Geschichte der Industrie bisher einzigartig ist. Hierfür werden bislang verschiedene Kommunikationssysteme wie etwa Profinet, CAT 5e und 6a, Industrial Ethernet oder Ethercat eingesetzt. Eine zentrale Bedeutung als Übertragungstechnologie hat nach wie vor das Ethernet. Dabei stellt die zunehmende Dichte von Sensoren, Aktoren und Steuerungen in vernetzten IIoT-Geräten die Ethernet-Konnektivität vor besondere Herausforderungen. Dazu zählen beispielsweise sehr lange Verkabelungsstrecken, Beschränkungen der Bandbreite aufgrund veralteter Verbindungstechnologien sowie die komplexe Verwaltung verschiedener Protokolle.

Diese Anforderungen haben den Bedarf an einer kompakten, leichten und kostengünstigen Ethernet-Variante geschaffen. Als Lösung der Wahl hat sich dabei das Single Pair Ethernet (SPE) herauskristallisiert. Hier erfolgt die Übertragung von Signalen lediglich über ein Paar verdrillter Kupferdrähte, was einige wesentliche Vorteile mit sich bringt: Beispielsweise wird durch einen geringeren Bedarf an Kabeln signifikant Material, Platz und Gewicht eingespart. So erfordern nur zwei anstatt acht Drähte deutlich weniger Kupfer, ermöglichen eine kleinere Sensorik und machen den Weg frei für eine Miniaturisierung der industriellen Kabelinfrastrukturen. Dank kompakter und preisgünstiger Kabel mit 35 bis 50 Prozent weniger Gewicht – verglichen mit herkömmlichen Ethernet- und Feldbuskabeln – lassen sich beträchtliche Kosteneinsparungen realisieren.

Übertragung von Strom und Daten
Ein weiterer entscheidender Vorteil: Single Pair Ethernet überträgt Daten mit einer Geschwindigkeit von bis zu 10 Gbit/s. Zudem wird der vorhandene Platz effizient genutzt: So dient ein und dasselbe Paar an Kupferadern auch zur Stromversorgung von angeschlossenen Endgeräten mit bis zu 52 Watt (Power over Data Line / PoDL). Ansonsten wären hierfür zwei Leitungspaare für Fast Ethernet (100 MB) und vier Leitungspaare für Gigabit Ethernet erforderlich. Darüber hinaus ebnet Single Pair Ethernet den Weg für eine High-Speed-Datenübertragung über vergleichsweise große Strecken: So bietet die Technologie das Potenzial für eine zehnmal höhere Reichweite und kann Daten über Entfernungen von bis zu 1.000 Metern bei einer Bandbreite von 10 Mbit/s übertragen. Bei einer Übertragungsleistung von 1 Gbit/s lassen sich hingegen bis zu 40 Meter überbrücken.

Dazu kommen weitere Vorteile wie die hohe Robustheit und die daraus resultierende Langlebigkeit der Verbindungen. Zudem lassen sich SPE-Kabel sehr schnell und einfach installieren sowie in Fabrik-Infrastrukturen integrieren, was die Material- und Arbeitskosten senkt. Im Ergebnis schafft Single Pair Ethernet die besten Voraussetzungen für die Entwicklung performanter und kosteneffizienter industrieller Konnektivitätslösungen. Diese vereinen die Vorteile einer High-Speed-Datenübertragung mit den Möglichkeiten für eine Miniaturisierung. Die Technologie legt damit die Basis für eine durchgängige Echtzeit-Kommunikation bis in die Feldebene.

High-Speed-Datentransfer über längere Strecken

Aufgrund der vielen Nutzenaspekte ist Single Pair Ethernet insbesondere für hochautomatisierte IIoT-Anwendungen optimal geeignet. Die Technologie bildet daher in zahlreichen industriellen Einsatzszenarien die bessere Alternative als herkömmliche Übertragungswege. Dies gilt vor allem für das Produktionsumfeld: So müssen aufgrund der fortschreitenden Digitalisierung und Automatisierung immer größere Datenmengen schnell und verlässlich auf dem Shopfloor zur Verfügung stehen.

Angesichts der vielerorts wachsenden Produktionskapazitäten müssen bei der Datenkommunikation häufig größere Distanzen überwunden werden. Single Pair Ethernet bietet hierfür die optimale Lösung, da sich damit auch über längere Strecken vergleichsweise hohe Datenübertragungsraten realisieren lassen. Darüber hinaus ermöglicht die Technologie erstmalig einen durchgängigen Datenaustausch vom Sensor bis zu Edge- und Cloud-Infrastrukturen über ein einheitliches Kommunikationsprotokoll. Dies vereinfacht das Management der Netzwerk-Architekturen erheblich.

Als flexibel einsetzbare Lösung kann Single Pair Ethernet ihre vielfältigen Vorteile in allen denkbaren Industriezweigen entfalten. Dabei gilt: Je intensiver Prozesse digitalisiert und automatisiert sind, desto schneller und reibungsloser müssen große Datenmengen auf dem Shopfloor fließen. Daher profitieren insbesondere Branchen mit einem hohen Automatisierungsgrad von der Technologie – wie beispielsweise die Automobilproduktion, der Maschinen- und Anlagenbau, die Lebensmittel- und Getränkeindustrie oder die Chemie- und Arzneimittelbranche. Und auch in weiteren Anwendungsszenarien, in denen eine schnelle und verlässliche Datenkommunikation gefragt ist, kommt Single Pair Ethernet mittlerweile vermehrt zum Einsatz. Dazu zählen etwa Transport und Logistik, das Smart-City-Umfeld sowie das Verteidigungswesen.

SPE-Kabel mit passenden Steckverbindern kombinieren
SPE-Verkabelungen können jedoch ihr gesamtes Potenzial nur dann freisetzen, wenn sie mit den richtigen Steckverbindern kombiniert werden. Denn die Verbindung des Kabels zur Maschine muss in der Lage sein, die hohe Übertragungsgeschwindigkeit entsprechend zu verarbeiten. Fischer Connectors beispielsweise bietet ein breitgefächertes Portfolio an zuverlässigen SPE-Komplettlösungen: Die Produkte der Fischer-Core- und Fischer-UltiMate™-Serie etwa übertragen Daten mit einer Geschwindigkeit von 1 Gbit/s gemäß IEEE 802.3bp – 1000Base-T1. Sie überzeugen durch eine hohe Robustheit, Sicherheit, Haltbarkeit, Umweltverträglichkeit und mechanische Belastbarkeit. Die Single-Pair-Ethernet-Lösungen entsprechen den MIL-STD-Normen (für die Fischer UltiMate™ Serie) und verfügen über 10.000 Steckzyklen und drei Verriegelungsmechanismen (Push-Pull, Schraube, Schnellverschluss). In Ergänzung zu den Schutzklassen IP68/IP69 ermöglichen sie darüber hinaus eine hermetische Abdichtung.

Hohe Leistung auf geringem Raum

Vernetzte und hochgradig automatisierte IIoT-Produktionsumgebungen erfordern ein Maximum an Konnektivität. Benötigt werden performante Kabel-Infrastrukturen, die sowohl Strom als auch Daten über größere Entfernungen und mit hoher Geschwindigkeit sicher und effizient übertragen können. Da auf dem Shopfloor in der Regel wenig Platz zur Verfügung steht, die vernetzten Geräte und Sensoren immer kleiner werden und zudem schwer zugänglich sind, bedarf es einer platzsparenden Übertragungstechnologie. Single Pair Ethernet adressiert diese Anforderungen passgenau: Durch den High-Speed-Datentransfer in Kombination mit geringem Materialeinsatz und Gewicht lässt sich die Konnektivität für verschiedenste IIoT-Anwendungsszenarien auf eine neue Stufe heben.

Martin Wimmers, Geschäftsführer Fischer Connectors GmbH