Applikationen

Die Automobilindustrie: Ursprung des Single Pair Ethernet

Die Entwicklung des Single Pair Ethernets (SPE) beginnt in der Automobilbranche, wo immer kleinere und leistungsfähigere Geräte benötigt werden. In den heutigen Fahrzeuggenerationen werden immer mehr Ethernet-Systeme verbaut. Nur durch die Vernetzung von Steuergeräten und Sensoren lassen sich neue Fahrerassistenzsysteme realisieren – z. B. Lidar (light detection and ranging), hochauflösende Displays, 4K-Kameras oder Infotainment-Systeme. Zukunftsweisende Technologien wie das autonome Fahren erfordern außerdem eine Verbindungstechnik, die eine Übertragung größerer Datenraten auf geringem Bauraum ermöglicht. Von diesem Ansatz können auch andere Industrien profitieren.

Erste offizielle IEEE-Standards

Die Entwicklung des automobilen Ethernets hat zu zwei offiziellen IEEE-Standards geführt: 100BASE-T1 (100 Mbit/s) und 1000BASE-T1 (1 Gbit/s). Bei Definition dieser Standards ging es darum, aus den Anforderungen an den Gesamtkanal (in der IEEE definiert) die Grenzwerte für Steckverbinder und Kabel sowie die Messverfahren zu definieren. Single Pair Ethernet-Infrastrukturen in Industrieapplikationen.

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Einsatzbereiche von SPE-Lösungen

Single Pair Ethernet eignet sich ideal für Infrastrukturanwendungen im Maschinen- und Anlagenbau, in der Prozesstechnik und der Gebäudeinfrastruktur. Der große Vorteil: Single Pair Ethernet ist umgebungsneutral, sodass Feldgeräte, Sensoren und Aktoren einfach in eine bestehende Ethernet-Umgebung eingebunden werden können. Zusätzliche Gateways und Schnittstellen entfallen. Anders als Feldbusprotokolle durchdringt das Ethernet alle Automatisierungsebenen. Es ist durchgängiger, effizienter und kostengünstiger als Feldbussysteme.

Vorteile für Anlagenbauer:

  • Übertragungsstrecken von bis zu 1.000 m bei Übertragungsraten von 10 Mbit/s
  • Übertragungsstrecken von 40 m bei Übertragungsraten von 1Gbit/s.
  • Einfache Installation über nur ein Aderpaar
  • Reduktion von Platz und Gewicht
  • Geringere Anschaffungskosten bei Neuinstallationen
  • Kompaktere Kabeltrassen
  • Effiziente Verkabelung mehrerer Kommunikationsteilnehmer dank gemeinsamer Leitungen und Schnittstellen (Multidrop)
  • Bestehende Verkabelung können weiter genutzt werden
  • Einbindung von bis zu vier Geräten

Dank der standardisierten Schnittstellen können ein- und vierpaarige Verkabelungskonzepte ebenso miteinander kombiniert werden wie IP20- und IP6x-Lösungen. Die Zweidrahttechnologie erlaubt zudem die anwendungsgerechte Versorgung der Endgeräte mit Leistungen bis zu 60 Watt über das gleiche Aderpaar (Power over Data Line – PoDL).

Anforderungen an die Verkabelung

Verschiedene Applikationen haben unterschiedliche Anforderungen an die Verkabelung. Die jeweils relevanten
Verkabelungsanforderungen entnehmen Sie der folgenden Tabelle:

AutomotiveBuilding AutomationProcess AutomationFactory Automation
Application focusWiring harness
in the automobile
Control cabinet wiring Field cabling (e.g. KNX)Field cabling sensorsInd. control cabinet wiring Field cabling  Field cabling sensors
Transmission rate 
Transmission distance
10 MBit/s –
1 GBit/s  15-40 m
10 MBit/s – 1 GBit/s  < 1000 m10 MBit/s  < 1000 m 10 MBit/s – 1 GBit/s  ≤ 100 m
Conductor cross-sectionAWG 26-22AWG 26-22AWG 22-18AWG 26-22
Mech. / electr. robustnessmedium – highlow – mediumhigh (+Ex)medium – high
Current connectorsAutomotive-specific connectorsIndividual wiring, terminal, EIB, RJ45Terminal, plug connector, M12RJ45, single wiring,
terminal, M8/12
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Anschlusstechnik in der Fabrikautomation

Mit fortschreitender Automatisierung kommt in allen Bereichen der Fertigung eine wachsende Zahl von Sensoren und Aktoren zum Einsatz, die zuverlässig mit Cloudsystemen verbunden werden müssen.

Single Pair Ethernet-Lösungen bieten hier deutliche Vorteile:

  • Zukunftssicher: Normierte Steckverbinder und Leitungen gemäß IEC 63171-2 (IP20) und IEC 63171-5 (IP67)
  • Leistungsfähig: Reichweiten bis 1.000 m, Datenraten bis 1 GBit/s und Leistungen bis 60 W
  • Effizient: Plug-and-Play-Integration auch bei bestehenden Verkabelungsinfrastrukturen möglich
  • Kompakt: Steckgesichter für Single- und Multiports erlauben hohe Packungsdichten
  • Integrationsfreundlich: Stecker- und Buchsenvarianten für M8-Induktiv-Sensoren und fliegende Verbindungen

Die normierten Schnittstellen nach IEC 63171-2 (IP20) und 63171-5 (IP67) eignen sich ideal für Büro- und Industrieumgebungen. Die anwendungsgerecht optimierte Verkabelung bildet die Basis für die zukunftssichere Vernetzung vom Sensor bis in die Cloud.

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Anschlusstechnik für die Prozessautomation

In der Prozessautomation stellen Explosionsschutz und lange Übertragungsstrecken erhöhte Anforderungen an die Netzwerktechnologie. Die notwendigen Standards werden als Advanced Physical Layer (APL) zusammengefasst.

Single Pair Ethernet-Lösungen bieten für die Prozessautomaiton zusätzlich folgende Vorteile:

  • Normgerecht: Alle Produkte erfüllen Anforderungen der „APL Port Profile Specification“ (Draft 0.3)
  • Flexibel: Horizontale, vertikale und schräge Leiteranschlussrichtung für jedes Gerätedesign
  • Komfortabel: Farbige Kodierung und Kennzeichnung zur einfachen Verdrahtung
  • Sicher: Auch für erhöhte Sicherheitsanforderungen in EX-Bereichen gemäß IEC 60079-7 erhältlich
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Anschlusstechnik für die Gebäudeautomation

Das Internet of Things (IoT) ist aus der Gebäudeautomation nicht mehr wegzudenken und wird auch zukünftig einen immer größer werdenden Stellenwert einnehmen. Durch den Einsatz des IP Protokolls lässt sich die Gebäudeautomation sowohl komfortabler als auch kosteneffizienter realisieren, da Sensoren, Controller und andere technische Einheiten im Gebäude direkt mit dem Gebäudemanagementsystem vernetzt werden. Somit werden bestehende proprietäre Feldbus-Systeme durch eine durchgängige Ethernet Verkabelung abgelöst, wodurch teure und aufwendige Programmier- und Parametrieraufwendungen entfallen.

Der Trend bei der Entwicklung smarter Gebäude liegt auf der Reduktion des Energiebedarfs aller vernetzten Geräte. Auch hier setzt Single Pair Ethernet an, da eine hochleistungsfähige Übertragung von Daten und Leistung parallel über nur eine Doppelader durch Power over Data Line möglich ist. Ebenso sind die Single Pair Ethernet Komponenten robust und leistungsfähig und sind durch die unterschiedlichen Übertragungsstrecken und -raten in Kombination mit der hohen Packungsdichte vielseitig einsetzbar.