So geht Strom und Daten

SPE als Infrastruktur für das digitale Gebäude

So geht Strom und Daten

Die steigenden Anforderungen an die Interoperabilität der Gebäudeautomatisierung steigern auch die Chancen für den Durchbruch der Single-Pair-Ethernet(SPE)-Technologie. Diese ermöglicht die Migration von verschiedenen Legacy-Netzwerken zu einer universellen physikalischen Schicht. Durch eine einzige Technologie können so Daten als auch Strom bereitgestellt werden. Damit kommt das Smart Building auf effiziente Art und Weise einen Schritt weiter.

Bild: ©metamorworks/stock.adobe.com

SPE erweitert die Ressourcen des Smart Buildings und hilft Unternehmen dabei, beschleunigt auf Ethernet-basierte Betriebstechnologien (Operation Technology – OT) zu migrieren. Es bietet gemeinsame Kommunikationsprotokolle an, die mit dem Netzwerk der Informationstechnologie (IT) kompatibel sind. Die Erweiterung umfasst End-to-End-Lösungen – einschließlich Switch, Kabel und Sensor – die von zahlreichen Anbietern entwickelt wurden. Ziel der Bestrebungen ist es, die notwendigen Änderungen zur Harmonisierung von OT- und IT-Operationen auf dem effektivsten Protokoll durchzuführen. Zurzeit entsteht ein komplettes Ökosystem, darunter Standards, Komponenten, Endgeräte und Anwendungen, um die Vorteile von SPE umfassend nutzen zu können.

Zusammen mit ergänzenden IP-basierten Protokollen ist das Ethernet zu einer der dominierenden Datenkommunikationsplattformen geworden. Allerdings überwiegen nach wie vor andere, spezielle Protokolle dort, wo die Anforderungen der Anwendung bisher noch nicht von Ethernet erfüllt werden können. Dieses Szenario mit mehreren parallel laufenden Protokollen erhöht die Kosten und die Komplexität von Bestandsumgebungen. Zudem benötigt man für solche Umgebungen ein so genanntes Multiprotokoll sowie erfahrenes Installations- und Wartungspersonal.

KI und Digitalisierung führen verstärkt zum Einsatz datenbasierter Prozesse in der Gebäudetechnik. Diese Optionen gibt es zwar schon länger. Der Vorteil ist aber jetzt, dass die technologische Dynamik einer Einzeltechnologie ganze System-Topologien zusammenführt – mit einer Fülle an Vorteilen.

Das hat dazu geführt, dass Industrial Ethernet im Jahr 2018 zum ersten Mal traditionelle Bussysteme überholt hat – mit einer stetigen Wachstumsrate von 20 Prozent.

SPE beschleunigt die Migration

Durch SPE gelangt man zu einer homogenen All-Ethernet-Netzwerklösung. Der Nutzen für die Anwender: Das Netzwerk lässt sich einfacher implementieren und verwalten. Dabei sorgt das Single-Protocol-Netzwerk künftig für mehr Datentransparenz und erhöht die Sicherheit. Der ursprüngliche Single-Pair-IEEE-Standard 802.3cg-2019 wurde Anfang 2020 verabschiedet. Parallel wurden Gerätechips zur Unterstützung aller SPE-Anwendungen in der Prozess-, Industrie- und Gebäudeautomation eingeführt.

Der lange Weg der Daten im OSI-Modell - so senden analoge und Feldbussensoren ihre Daten. (Bild: Panduit)
Der lange Weg der Daten im OSI-Modell – so senden analoge und Feldbussensoren ihre Daten. (Bild: Panduit)

Durch die reduzierte Anzahl von Paaren, die für die Kommunikation verwendet werden, verringern sich Kabel- und Steckergröße. Dabei können sowohl Strom als auch Daten an Edge-Geräte innerhalb einer einzigen Verbindung geliefert werden. Der IP20-SPE-Steckverbinder gemäß IEC63171-1 Typ 1 von Panduit ist ein kleinformatiges Modul mit der Hälfte der Grundfläche eines RJ45-Anschlusses und verfügt über eine positive Verriegelung für sichere Verbindungen – ideal geeignet für Anwendungen in der Gebäudeautomation.

Im Vergleich zur Terminierung eines 4-paarigen Kabels nach TIA-568A/B-Standard ist der Kabelabschluß eines 1-paarigen Kabels mit dem LC-Stecker vor Ort schneller und einfacher. Mit handelsüblichen Werkzeugen kann ein Techniker einen SPE-Steckverbinder in der Hälfte der Zeit am Kabel fixieren, die sonst für eine 4-paarige Terminierung benötigt wird. Zudem werden einpaarige 18 AWG-Kabel (ca. 1mm² Durchmesser je Ader) verwendet, die leichter und schmaler sind. Der Anschluss des SPE-Steckverbinders ist auch weniger fehleranfällig, was Nacharbeiten minimiert. Durch das geringere Gewicht und die geringere Größe können mehrere Kabelstränge zusammengezogen werden, was die Implementierung vereinfacht.

Das verdrillte Kabel sorgt für EMV und hohe Übertragungsqualität ohne Übersprechen. (Bild: Panduit EEIG)
Das verdrillte Kabel sorgt für EMV und hohe Übertragungsqualität ohne Übersprechen. (Bild: Panduit EEIG)

Der Nutzen, über SPE parallel Daten und Strom an Geräte zu übertragen, ist enorm. Der IEEE-802.3bu-Standard sieht eine dezentrale Gleichstromversorgung über die SPE-Verbindung vor, die als Power over Data Line (PoDL) bezeichnet wird. PoDL ist vergleichbar mit der Power-over-Ethernet(PoE)-Technologie für Standard Ethernet, welche die Stromversorgung der Datenkommunikationsinfrastruktur in Gebäuden bereits entscheidend verändert hat.

Ein weiterer Vorteil von SPE: Vorhandene Kabelmedien lassen sich wiederverwenden. Anlagen und Gebäude verfügen über einpaarige, verdrillte Kabel-Topologien, die sich jetzt als SPE-Kabelmedien nutzen lassen. Viele RS-485-Kabel, die in Gebrauch oder redundant verlegt sind, besitzen z.B. den Querschnitt 18 AWG – eine nutzbare Alternative für den Technologie-Switch. Diese Kabel müssen natürlich getestet werden. Damit kann man sicherstellen, dass sie die elektrische Leistung in Bezug auf den TIA-568.5-Standard für eine 10BASE-T1L-Übertragung erfüllen.

So senden Ethernet-Sensoren ihre Daten im Kontext des OSI-Schichtenmodells. (Bild: Panduit EEIG)

Als Global Player von Lösungen im Bereich physikalische und elektrische Infrastruktur ist Panduit einer der führenden Entwickler dieses zukünftigen Kommunikationsstandards. Bob Voss, Senior Principal Engineer in der Forschung und Entwicklungsabteilung des Unternehmens, ist Vorsitzender des Single Pair Ethernet Subcommittee bei der Ethernet Alliance. Das von ihm geleitete Unterkomitee hat die Aufgabe, die Entwicklung einer kohärenten Roadmap für BASE-T1 Ethernet als bevorzugte Netzwerkimplementierung in einer einzigen Infrastruktur voranzutreiben, die Gebäudenetzwerke in die Ethernet-Umgebung integriert. Diese Entwicklung soll anfällige ältere Protokolle durch robuste IP-Netzwerke ersetzen, die höhere Datengeschwindigkeiten, Übertragungsdistanzen und Vorteile bei der Daten- und Netzwerksicherheit bieten.

Durch die Vorteile von Ethernet- und IP-basierten Netzwerken reduziert die Umstellung auf SPE-Umgebungen auch Aufwände, die nicht unmittelbar mit der Datenübertragung zusammenhängen. Ethernet-Netzwerke sind schneller und bieten erweiterte Technologien wie Time-Sensitive Networking (TSN) und Software-Defined Networking (SDN). Während das 4-Paar-Ethernet bereits etabliert ist und höhere Ebenen in Netzwerken unterstützt, ist es für viele kleinere Edge-Geräte nicht kosteneffizient. SPE ist eine kostengünstigere Lösung für eine breitere Implementierung von IIoT-Geräten. Systeme, die derzeit die serielle RS-485-Kommunikation nutzen, können mit geringen Änderungen aufgerüstet und in das Ethernet-Netzwerk eingebunden werden.

Zu den Anwendungen von SPE gehören:

– Anschluss von Skid- und Maschinen-E/A-Blöcken zum Ethernet-Netzwerk

– Verbindung verschiedener Geräte an einen zellularen Netzwerk-Switch

– Anschluss von Feldsensoren und Aktoren an einen Netzwerk-Switch über Punkt-zu-Punkt oder strukturierte Kabel-Link-Kanäle, beides mit Längen bis zu 1km

– Verbindung von Feldgeräten mit eingebetteten 2-Kanal-Schaltern in einer Daisy-Chain

– Verbindung von Remote-E/A-Modulen untereinander, mit dem Netzwerk-Switch oder mit der Steuerung

– Anschluss von Schaltschrank-Einbaugeräten untereinander über ein einzelnes Kabel in Multi-drop-Topologie (10BASE-T1S)

Schnell und anwenderfreundlich

SPE bietet eine erhöhte Bandbreite mit Datenraten von bis zu 10MBit/s bei Entfernungen von bis zu 1.000m. Verglichen mit älteren Protokollen, die auf RS-485 basieren und lediglich eine Verbindungsgeschwindigkeit von 31,2kBit/s für die gleichen 1.000m ermöglichen, ist die Übertragunsgeschwindigkeit also bis zu 300 mal höher. Komfort, Kosten und die Funktionalität von SPE bieten außerdem einen kosteneffizienten Ansatz für die Migration oder schrittweise Einführung von SPE in die Gebäudeinfrastruktur. Die Technologie ist auf die Ausweitung der Datenerfassungsfunktionen und mehr Edge-Geräte ausgerichtet, für die ein schneller Datenzugang bisher unerschwinglich war. Die M8-Steckverbinder gemäß MICE2/3-Klasse von Panduit bieten mit IP67 eine hohe Schutzart gegen Staub und Wasser. Da die Pin-Kodierung identisch ist mit bestehenden Sensor- und Feldbussystemen, wird der Umstieg erleichtert.

Fazit

Der Siegeszug des Internet der Dinge hängt stark von einer kosteneffektiven Technologie in Verbindung mit kostengünstigen Sensoren ab, um die Durchgängigkeit sowie die Skalierung voranzutreiben. Automatisierungsmassenprodukte werden sich wahrscheinlich zuerst ändern, während spezialisierte Geräte mit älteren Protokollen länger brauchen werden, bis sie ersetzt sind. Wenn Anwender den Wettbewerbsvorteil durch SPE realisieren, wird die Implementierung der zugehörigen Geräte drastisch zunehmen und durch die Konvergenz auf Ethernet die Komplexität des Netzwerks reduziert.

SPE kann aus mehreren Gründen eine ­Schlüsseltechnologie für Gebäudeanlagen sein:

– Nahtlose Netzwerke mit hoher Transparenz von der Cloud bis zum Edge-Gerät

– Erhöhte Bandbreite am Netzwerkrand für die Implementierung erweiterter Diagnosemöglichkeiten

– Vereinfachung von Edge-Netzwerken durch den Wegfall von Protokollübersetzungs-Gateways

– Transformation und Vereinfachung der Gleichstrom-Infrastruktur für Steuerungen

– Verbesserung der Cybersicherheit durch die Erweiterung der IT-Angriffsabwehr-Technologien in die Fertigung

– Verbindung von miniaturisierten Micro-IoT-Geräten

– Geringere Total Cost of Ownership

www.panduit.de

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