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Unterstützen Sie IIoT mit Single Pair Ethernet vom Sensor bis in die Cloud

In den letzten 20 Jahren hat Ethernet als Methode zur Vernetzung von Automatisierungssystemen und Übertragung von Felddaten an das Netzwerk die Fabrikhalle zunehmend erobert. Jetzt erlebt die Industrie mit Industrie 4.0 und IIoT eine weitere Revolution, bei der Echtzeitdaten von vernetzten Sensoren und Aktoren überwacht, gemeinsam genutzt und analysiert werden. Dies ermöglicht technologische Fortschritte wie künstliche Intelligenz, maschinelles Lernen und digitale Zwillinge, die Ausfallzeiten durch vorausschauende Wartung verhindern und die Produktivität über automatisierte Prognosen und Bestandsverwaltung optimieren.

Während herkömmliche verteilte Steuerungssysteme durch automatisierte Lösungen ersetzt werden, ist nur eine Technologie auf physikalischer Ebene in der Lage, deutliche Kosten- und Platzersparnis, eine größere Abdeckung und verbesserte Leistung zu erzielen. Diese Technologie ist Single Pair Ethernet (SPE) – und sie fordert ein sofortiges Handeln aller, die die Fabriken der Zukunft entwickeln möchten. 

Warum SPE und warum jetzt?

Industrielle Ethernet-Protokolle wie Modbus TCP/IP, EtherCAT, Ethernet/IP und Profinet haben die Kommunikation auf Routing- und Überwachungsebene deutlich verbessert. Ein Großteil der Kommunikation zwischen Geräten auf Feld-/E/A-Ebene erfolgt jedoch weiterhin über herkömmliche Feldbus-Protokolle wie Profibus, AS-Interface, Modbus, CANopen, DeviceNet, CC-Link und IO-Link, die in der Regel mehrere getrennte und proprietäre Verkabelungsanlagen erfordern.

Herkömmliche Feldbus-Protokolle wurden lange für ihre zeitkritische Übertragung und Determinierung gelobt, die sicherstellen sollen, dass die richtigen Informationen genau zum richtigen Zeitpunkt und am richtigen Ort gesendet und empfangen werden, was für die Kommunikation in industriellen Steuerungs- und Automobilanwendungen von entscheidender Bedeutung ist. Das vom IEEE entwickelte Time-Sensitive Networking (TSN) erfüllt diese Anforderungen jedoch dank Zeitsynchronisation und deterministischer Kommunikation über Standard-Ethernet.

Angesichts der enormen Zunahme von Sensoren und Aktoren auf Feld-/E/A-Ebene und der wachsenden Nachfrage nach mehr Informationen werden herkömmliche Feldbusprotokolle schnell zum Engpass in der Automatisierungsumgebung, da sie aufgrund von begrenzten Verbindungslängen bei 10 bis 12 Mbit/s an ihre Grenzen stoßen. Sobald mehr Verbindungen in Automatisierungssysteme und Maschinen integriert werden, nehmen sperrige Feldbuskabel zu viel Platz ein und erfordern eine kostspielige und anspruchsvolle Installation (oft in überfüllten Kabelkanälen).

Die Einführung von SPE in Kombination mit der TSN-Funktionalität bildet die perfekte Gelegenheit für ein standardisiertes End-to-End-Ethernet-Netzwerk und eine vollständig digitalisierte Kommunikation. Endanwender profitieren davon, dass erheblich mehr Sensoren, Aktoren und E/A-Module auf der Feldebene eingesetzt werden, die Daten aus dem Feld an speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) über das Fertigungsnetzwerk in die Cloud auf die Applikationsebene von ERP-Systemen in Echtzeit weiterleiten.


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6 Vorteile von Single Pair Ethernet

Mit einem einzigen Ethernet-Netzwerk vom Sensor bis in die Cloud ermöglichen SPE und TSN die Kontrolle über alle Netzwerkkomponenten, um die Bereitstellung von IIoT in industriellen Umgebungen zu unterstützen. Diese Technologien zielen außerdem darauf ab, die Investitionskosten um 80% zu senken und gleichzeitig langfristige Einsparungen durch eine Vielzahl von Vorteilen zu erreichen.

  1. Kompakte, leichtere Kabel mit 50% weniger Gewicht und Platzbedarf als herkömmliche Feldbuskabel sparen Platz in Robotern sowie in Wänden und Böden, ermöglichen eine ordentlichere, besser definierte Infrastruktur und reduzieren die Anforderungen an die Leistungs- und Temperatursteuerung.
  2. Schnellere und einfachere Installation senkt die Material- und Arbeitskosten für neue Fabrikeinrichtungen und ermöglicht die einfache Integration von Feldgeräten, Sensoren und Aktoren in die vorhandene Ethernet-Umgebung ohne zusätzliche Gateways und Schnittstellen.
  3. Potenziell 10-mal bessere Reichweite und Geräteabdeckung mit der Fähigkeit, 10 Mbit/s in Entfernungen von bis zu 1.000 Metern zu unterstützen, sowie eine 10-mal höhere Übertragungsleistung mit zukünftigen Optionen für 1 Gbit/s- und Multi-Gigabit.
  4. Bus-Topologien ohne zusätzliche Stromleitungen über kurze Multidrop-Link-Segmente in Kombination mit Power over Data Lines (PoDL).
  5. Einfache, kostengünstige passive Leitungsverteilung mit dem Potenzial für die gemeinsame Nutzung von Kabeln, bei der ein gemeinsames Twisted-Pair-Kabel vier SPE-Kanäle in einem Kabel nutzen kann.
  6. Auf bewährten Standards basierte Kabel und Konnektivität mit austauschbaren M8- und M12-Plug-in-Steckverbinderschnittstellen, die die Anforderungen von M2I2C2E2/M3I3C3E3 erfüllen.

Schnelle Anlaufzeit

Die Entwicklung von Single Pair Ethernet wurde hauptsächlich von der Automobilindustrie vorangetrieben, die kleinere, leichtere Kabel mit hoher Bandbreite in Kfz-Kabelbaumsystemen benötigte. Frühe SPE-Standards wie 1000BASE-T1 (2015 IEEE 802.3bw) und 1000BASE-T1 (2016 IEEE 802.3bu) enthielten TSN, das eine niedrige deterministische Latenz und PoDL für die Remote-Stromversorgung von Geräten bot.

Nachdem die Industrie- und Prozessautomatisierungswelt von dieser SPE-Leistungen erfuhr, wurde die IEEE P802.3cg 10Mbps Single Pair Ethernet Task Force gegründet. Ihr Ziel bestand darin, 10BASE-T1S mit kurzer Reichweite bei 10 Mbit/s über mindestens 15 Meter und 10BASE-T1L mit langer Reichweite über mindestens 1.000 Meter zu entwickeln – eine attraktive Alternative zu herkömmlichen Feldbusprotokollen und ideal für die Vernetzung von IIoT- und IoT-Geräten mit geringer Geschwindigkeit. Derzeit arbeitet die IEEE 802.3ch Task Force an Multigigabyte-SPE (2,5, 5 und 10 Gbit/s), wobei die Ergebnisse in den nächsten Jahren zu erwarten sind.

Die Nachfrage auf dem Markt in Kombination mit der Entwicklung der Standards verspricht eine rosige Zukunft für SPE, in der das industrielle Ethernet im Laufe der nächsten fünf Jahre die traditionelle Feldbuskommunikation deutlich übertreffen wird. Belden rechnet für SPE in den ersten fünf Jahren mit einer hohen Anlaufzeitenrate von 2 bis 3 Millionen Installationsknoten, gefolgt von einem exponentiellen Wachstum.

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Zeit zum Handeln

Die steigende Verbreitung intelligenter, vernetzter Geräte, die durch Industrie 4.0 und IIoT begünstigt wird, bietet in Kombination mit einer physischen SPE-Ebene eine deutliche Kostensenkung, Platzersparnis, größere Abdeckung und verbesserte Leistung.

Wichtige Stakeholder in der gesamten Wertschöpfungskette – von den Entwicklern der Sensoren und Aktoren über Innovatoren in der Automatisierung und Robotik bis hin zu jenen, die die nächste intelligente Fabrik aufbauen möchten – benötigen einen branchenführenden Partner mit dem nötigen Technik-, Produkt- und Anwendungsfachwissen, um eine vollständige End-to-End-SPE-Lösung zu entwickeln. Dieser Partner ist Belden.

In Bezug auf die Signalübertragung ist Belden der führende Lösungsanbieter. Neben der Entwicklung der fortschrittlichsten Kabel auf dem Markt investieren wir auch in die Entwicklung der passenden SPE-Infrastruktur.

Ganz gleich, ob Sie an der Entwicklung der Technologien beteiligt sind, die Felddaten in Echtzeit erfassen, analysieren und verarbeiten oder intelligente Robotik-, Maschinen- und Automatisierungsgeräte konstruieren, die auf diese Daten reagieren und die Produktion optimieren – Belden möchte mehr über Ihre spezifischen Herausforderungen erfahren und Ihnen helfen, der Konkurrenz einen Schritt voraus zu bleiben. Lassen Sie uns gemeinsam ein Partnernetzwerk schaffen, um IIoT mit SPE vom Sensor bis in die Cloud zu unterstützen.

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