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Schnittstelle: Daten per SPE effizient von Feldgeräten übertragen

Verbindungstechnik
Daten per SPE effizient von Feldgeräten übertragen

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Mit Single Pair Ethernet (SPE) hält derzeit ein Ethernet-Bus und Übertragungsprotokoll in die Industrielandschaft Einzug, das geringe Maße mit hervorragenden Übertragungseigenschaften kombiniert. Und zwar sowohl in Ruhe als auch bei hochdynamischen Anwendungen wie etwa in einer Energiekette. Mit diesen Eigenschaften öffnet die mit nur einem Adernpaar ausgestattete Lösung der Industrie immense Chancen bei der Vernetzung smarter Fabriken.

Die Automatisierungspyramide symbolisiert in der Gegenwart die Verknüpfung von IT und Produktion und bildet diese hierarchisch ab. Sie beginnt oben mit der Unternehmensebene inklusive ERP-System (Enterprise Resource Planning), der Betriebsleitebene mit MES (Manufacturing Execution System) und führt weiter zu den sogenannten Shopfloor-Ebenen, die die Fertigungshallen bezeichnen, und gliedern sich noch einmal in Prozessleitebene, Steuerungsebene und nicht zuletzt in Feldebene.

Das MES fungiert als IT-System zur Produktionsplanung und -steuerung und bezieht relevante Daten zu laufenden Fertigungsaufträgen oder Maschinenparametern wie Auslastung oder Stillstandszeiten aus der Feldebene. Um Fertigungsdaten zu monitoren oder in die Fertigung einzugreifen, wird aktuell das MES genutzt.

Ethernet ist das zur Datenübertragung meistgenutzte System, für den Einsatz in der Feldebene aber nur bedingt geeignet. Der Grund: Die räumlichen Verhältnisse für komplexe Businstallationen und die im Feld vorherrschenden Umgebungsparameter lassen klassische Ethernet-Busse kaum zu. Bisher ist in der Konzeption einer neuen Fertigungslinie, bei Upgrades von Anlagen oder Retrofittings das Manufacturing Execution System (MES) das Zentrum, um die Parameter in der Feldebene zu monitoren und bei Bedarf einzugreifen.

Single Pair Ethernet – vereinfacht SPE – als neue End-to-End-Verbindung kann das jetzt ändern und die Industrie einen großen Schritt in Richtung Industrie 4.0 bringen. Mit SPE kann sich ein Ethernet-Bus etablieren, der auf Themen wie Standardisierung oder die zunehmende Komplexität einzahlt und die Industrie kann sich verhältnismäßig einfach und schnell auf den steigenden Vernetzungsgrad von Smart Factorys vorbereiten.

Wenn es eng wird: SPE als moderne

Datenleitung fürs Feld

Single Pair Ethernet bezeichnet eine Technologie, welche die Datenübertragung über nur ein Adernpaar realisiert. In klassischen Ethernet-Bussen finden sich meist vier Adernpaare. Mit SPE lässt sich so die sichere Datenübertragung auch auf kleinstmöglichem Raum wie in der Feldebene umsetzen. In bestehende Bus-Technologien der Unternehmen integrierbar, ist SPE damit die aktuell innovativste Übertragungsmöglichkeit, mit der sich Kosten reduzieren lassen und parallel das technische Niveau heben lässt. Denn: Schnittstellen und Kopplungssysteme für verschiedene Datenleitungen vom Feld zur Leitebene können dank SPE entfallen. Das senkt die gesamten Kosten, minimiert die Fehleranfälligkeit und sichert die Prozesse.

Wer heute Fertigungsanlagen in Richtung Smart Factory und die Einbindung in Cyberphysische Systeme ausrüsten möchte, respektive bestehende Anlagen auf- oder umrüsten will, profitiert von der Hebelwirkung einer Investition in SPE: Die einfache Anschaffung und Installation und der unmittelbare Nutzen durch die schnell verfügbaren Daten haben einen großen Hebel.

Ein einziges Adernpaar verschafft viele

Vorteile

Bereits aus der technischen Umsetzung und einem einzigen Adernpaar resultieren Vorteile: Zwar ist die Datenrate aufgrund der Bauform oder der Kabelstruktur reduziert, angesichts der Verhältnisse in der Feldebene spielen die etwas kürzeren Übertragungsentfernungen aber eine eher untergeordnete Rolle. Unabhängig, ob fest oder beweglich installiert, profitiert die Fertigung vom niedrigen Gewicht und der reduzierten Baugröße einer solchen SPE-Busleitung.

Auf dem Markt verfügbar sind SPE-Busleitungen aktuell in unterschiedlichen Ausführungen wie etwa als Chainflex CFBUS.PUR.042 Single Pair Ethernet-Leitung, die der Motion- Plastics-Spezialist Igus für den Einsatz in der Energiekette im Portfolio hat. Die um 25 Prozent reduzierte Baugröße ermöglicht hier beispielsweise die unkomplizierte Installation in der Energiekette und eine sichere Übertragung von Datenraten zwischen 10 MBit/s bis zu 1 Gbit/s von der Energiekette zum übergeordneten System.

Das hebt SPE nicht nur auf das Niveau einer Initiator-Leitung, sondern macht sie zur kosteneffizienten und zukunftsfähigen Alternative zu klassisch seriellen Bussystemen, wie sie in Branchen wie etwa Automotive, der Bahntechnik oder auch in der Robotik unzählige Male zum Einsatz kommen.

Den Nachweis für die Leistungsfähigkeit erbringen Hersteller wie Igus über umfangreiche Tests. So wird beispielsweise die ölbeständige und flammwidrige SP-Leitung namens CFBUS.PUR.042 in einem 3800 m² großes Testlabor auf Funktionalität und Lebensdauer geprüft. Weiteres Plus: Der Anwender erhält für seine online berechenbare SPE-Busleitung eine Garantie für 10 Mio. Doppelhübe und 36 Monate.

Schirmt auch unter EMV zuverlässig ab

Neben der deutlich reduzierten Größe ist die passgenaue Konstruktion für die T1-Stecker-Schnittstelle Garant für eine zügige intuitive Installation. Daraus resultieren eine zuverlässige Übergabe des haltbaren Schirms und eine immens hohe elektromagnetische Verträglichkeit (EMV).

Stichwort einpaarig-geschirmte Ethernet-Verkabelung: SPE-Busleitungen eignen sich aufgrund dieser Eigenschaften und der Fähigkeit einer schnellen, platzsparenden und kostengünstigen Implementierung auch für den Einsatz in der Gebäudeautomatisierung. Charakteristisch für die SPE-Technologie ist das genormte Steckgesicht, was sich in der Größe an etablierten Gehäusen wie M8 oder M12 anlehnt. Die symmetrische Konstruktion mindert Störeinflüsse oder Laufzeitunterschiede auf den Kontakten. Robuste metallische Verriegelungen mit PCB-Buchse und beispielsweise ein hoch abriebfester, kerbzäher PUR-Mantel, wie er bei Chainflex-Leitungen von Igus zum Einsatz kommt, machen SPE zu einer zukunftsweisenden Technologie für den anspruchsvollen Einsatz in der Feldebene.

So lassen sich in der vernetzten Fabrik beispielsweise Zugriffszeiten innerhalb eines Fertigungsprozesses auch bei verteilten Daten weiter verringern und Daten noch schneller übertragen. Die Kombination aus SPE-Bus und Steckgesicht senkt die Kosten bei gleichzeitiger Anhebung des technischen Niveaus und sichert durch die Steckkompatibilität einen flächendeckenden Langfristeinsatz. Unterstrichen wird das zusätzlich durch das Design der Verkabelungskomponenten (siehe Kasten).

Netzwerk bündelt Know-how sinnvoll

Um die neue SPE-Technologie weiter voranzutreiben und damit das Fundament für den weiteren Ausbau des Industrial Internet of Things (IIoT) zu stärken, gründeten jüngst einige Unternehmen das SPE Industrial Partner Network (siehe Kasten).

In einem gleichberechtigten Zusammenschluss wollen die Firmen Kompetenzen bündeln und Anwendern vor allem Investitionssicherheit geben. Wertvolle Synergien entstehen unter anderem in einer Kooperation zwischen Igus als Motion Plastics-Experten und dem Verbindungstechnikspezialisten Harting. Beide Unternehmen arbeiten schon lange zusammen: Harting beliefert Igus mit Steckern für eine Vielzahl von Leitungen. Gemeinsam treiben sie jetzt auch das Projekt SPE voran. Das Ziel: Genormte und einheitliche Lösungen, die ihrerseits Grundstein sind, um das sogenannte SPE-Ecosystem weiterzuentwickeln, das Industriekunden künftig noch mehr passende Automatisierungslösungen bereitstellen soll.

Da es sich bei SPE nicht um eine klassische neue Schnittstelle für Ethernet-Verbindungen handelt, sondern um eine neue Technologie für eine End-to-End-Verbindung, sind verschiedene Normen für Schnittstellen, Leitungen und einen neuen Übertragungsstandard von Normengremien zu definieren – ein laufender Prozess. Harting hat hier den „T1 Industrial Style“ in die Normung eingebracht. Durch die Veröffentlichung des IEC-Normungskomitees gilt T1 Industrial Style als internationaler Standard für Ethernet-Schnittstellen über nur noch ein Adernpaar.

Fazit

Industrie 4.0 und IIoT sind keine Buzzwords mehr – die schnelle Einführung – nicht nur in der industriellen Fertigung – ist alternativlos. SPE-Busleitungen für den festen, aber auch für den beweglichen Einsatz an Feldgeräten stehen stellvertretend für die sukzessive Einführung verbesserter Übertragungsstandards, die Automatisierungslösungen in der industriellen Fertigung oder moderne Gebäudeleittechnik auf wettbewerbsfähiges Niveau heben helfen. In Summe steht der jetzt existierende neue Übertragungsstandard SPE damit stellvertretend für optimale technisch funktionale Rahmenbedingungen, die die Markteinführung modernster komplexer Produkte beschleunigen.

Kontakt:

Igus GmbH

Spicher Str. 1a

51147 Köln

Tel. +49 2203 9649 0

https://www.igus.de


Komponenten im Überblick

Kostensenker SPE

Die Kombination aus SPE-Bus und Steckgesicht senkt die Kosten bei gleichzeitiger Anhebung des technischen Niveaus und sichert durch die Steckkompatibilität einen flächendeckenden Langfristeinsatz. Unterstrichen wird das zusätzlich durch das Design der Verkabelungskomponenten:

  • Wellenwiderstand von 100 Ω
  • Bandbreite von 600 MHz
  • fest definierte Parameter wie Dämpfung, Rückflussdämpfung und Fremdnebensprechdämpfung
  • Vollschirmung zur Absicherung der Übertragungsqualität unter extremen EMV-Bedingungen
  • massiv verringerte Außendurchmesser der Leitungen
  • signifikante Platz- und Gewichtsersparnis
  • feste Installation, aber auch flexibler Einsatz (Chainflex-Leitungen) möglich
  • zweipolige Steckverbinder in kleiner Bauform in Schutzklasse IP20 und IP65/67

Das Partnernetzwerk

Gebündelte Kompetenzen

Das SPE Industrial Partner Network ist ein gleichberechtigter Zusammenschluss von Unternehmen, um ihre Kompetenzen zu bündeln und Anwendern vor allem Investitionssicherheit zu geben. Die Gründungspartner sind Harting, TE Connectivity, Hirose, Würth Elektronik, Leoni, Murrelektronik
sowie Softing IT Networks. Igus und neun weitere Unternehmen kamen 2019 hinzu.


Internationaler Standard

Basis für Industrie 4.0 und das Internet der Dinge

Single Pair Ethernet (SPE) ist die Infrastrukturgrundlage, die das Industrial Internet of Things (IIoT) und Industrie 4.0 möglich machen. Den Boden dafür bereitet hat die Technologiegruppe Harting im Jahr 2016, als das Unternehmen aus Espelkamp die Schnittstelle „T1 Industrial Style“ in die Normung eingebracht hat. Seit dem 23. Januar 2020 ist diese Schnittstelle das offizielle SPE-Steckgesicht für SPE-Anwendungen in industriellen Applikationen, heißt es vonseiten des SPE-Netzwerks. Durch die Veröffentlichung des IEC Normungskomitees gilt T1 Industrial Style als internationaler Standard für Ethernet-Schnittstellen über nur noch ein Adernpaar.


Rainer Rössel, Geschäftsbereichsleiter Chainflex
Leitungen, Igus GmbH, Köln



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