Die M12-Hybrid-Steckverbinder für Single Pair Ethernet entsprechen dem spezifizierten Format nach Standard 63171-7 der IEC, der Anfang 2021 auf Vorschlag von TE in der Normungskommission initiiert worden war. Bei den Steckverbindern handelt es sich um Komponenten, die sowohl das Ethernetprotokoll übertragen als auch die angeschlossenen Geräte mit Energie versorgen.
Die Norm IEC 63171-7 spezifiziert hybride Schnittstellen mit SPE- und Power-Kontakten im M12-Format. Der Standard beschreibt sieben Kodierungen für unterschiedliche Applikationen mit Leistungsklassen von 8 bis 16 A und von 50 V bis 600 V. Während bisherige Konzepte mit Power over Data Line (PoDL) auf 50 W am Gerät begrenzt sind, umfassen die Einsatzmöglichkeiten für SPE-M12-Hybridsteckverbinder auch leistungsfähige IIoT-Geräte, Robotiksysteme, Servo- und Drehstromantriebe. Dieser universelle Standard für SPE-Implementierung bringt die Industrie dabei einen wichtigen Schritt weiter, das Ethernet an den Rand des industriellen Netzwerks zu bringen und so die Umsetzung einer intelligenten Fertigung zu ermöglichen.
Durchgängig vom Sensor bis in die Cloud
Die digitale und dezentrale Vernetzung aller Geräte sowie die zunehmende Modularität durchdringen die industrielle Produktion und ermöglichen so maximale Flexibilität in allen Fertigungssegmenten. Auf dem letzten Meter der Automatisierung stößt die Vernetzung bisher jedoch auf strukturelle Barrieren. Diese Lücke schließt Single Pair Ethernet. SPE reduziert Ethernet-Verbindungen auf nur noch ein Aderpaar, für die bisher zwei oder vier Aderpaare erforderlich waren. Das ermöglicht die durchgängige, standardisierte Kommunikation vieler Geräte – auf Strecken von bis zu 1.000 m. Experten gehen davon aus, dass SPE langfristig klassische serielle Bussysteme ersetzen wird. Die einpaarige Datenverkabelung ist innovativ und effizient. Mit seiner nahtlosen Kommunikation ist SPE ein Wegbereiter für das Industrial Internet of Things (IIoT) und die Industrie 4.0.
Ethernet ist das führende Kommunikationsmedium für lokale Datennetzwerke (LAN) auf Unternehmens- und Betriebsleitebene. SPE steht für die parallele, leistungsfähige Übertragung von Daten und Leistung per Ethernet über nur ein Aderpaar vom Sensor bis in die Cloud – unterstützt durch Power over Data Line (PoDL), Time-Sensitive Networking (TSN) und OPC Unified Architecture (OPC UA). Es ermöglicht damit eine durchgängige IP-Kommunikation zwischen Server und Cloud bei gleichzeitiger Stromversorgung komplexer IIoT-Lösungen. SPE basiert auf dem IEEE 802.3-Standard. Dieser Standard lässt sich nun mittels SPE bis in die Feldebene einsetzen. Es kann als physikalische Schicht in jede Ethernet-Anwendung integriert werden werden.
SPE-Steckgesicht für Industrieanwendungen
Grundlage für eine barrierefreie Vernetzung unterschiedlicher Komponenten bilden dazu allerdings normierte Steckgesichter. Phoenix Contact und TE sowie weitere Unternehmen in mehreren Konsortien treiben die Entwicklung eines Standards voran – beispielsweise mit Steckverbindern für die Schutzklassen von IP20- bis IP6x.
Für Industrieanwendungen, auch im rauen Feldeinsatz hat sich das Steckgesicht M2/3 I2/3 C2/3 E2/3 nach IEC 63171-5 durchgesetzt und kann in alle marktgängigen und normierten Steckervarianten integriert werden. Die Abkürzung MICE beschreibt die externen Bedingungen einer Ethernet-Schnittstelle:
M = Mechanische Robustheit
I = IP-Eigenschaften
C = Chemische und klimatische Resistenz
E = Elektromagnetische Sicherheit
Innovative Stromversorgung von Feldgeräten
Die Anforderungen an die Steckverbinder sind in der Normenreihe IEC 63171-x beschrieben, die an die Kabel in der IEC 61156-Serie genormt. Vergleichbar mit Power over Ethernet (PoE) für das konventionelle Ethernet ist beim SPE Power over Data Line (PoDL) spezifiziert. Mit PoDL kann jedoch eine maximale Leistung von etwa 50 W übertragen werden. Da diese Leistung für industrielle Anwendungen oft nicht ausreicht, empfehlen sich die SPE-M12-Hybrid-Systeme. Dabei haben die Kabel und Steckverbinder ein Signalpaar für SPE und separate Stromleitungen zur Leistungsübertragung. Eine Variante ist der M12-Hybrid-Steckverbinder, der in der IEC 63171-7 mit mehreren Steckerkodierungen genormt ist und noch höhere Leistungen als der M8-Hybrid-Steckverbinder übertragen kann.
Expertendiskussion: Stand der Entwicklung bei Single Pair Ethernet
Power over Data Line (PoDL) ist als sogenannte Fernspeisungstechnologie für Endgeräte über das Datenkabel auf eine Leistung von 50 W bei 48 VDC begrenzt und kann in Kombination mit allen SPE-Datenübertragungsstandards verwendet werden. Bei Geräten mit geringem Stromverbrauch arbeitet die Technik zuverlässig. Da in der Industrie jedoch meist höhere Spannungen und Leistungen sowie längere Leitungen benötigt werden, ist eine Alternative erforderlich. Weiterer Nachteil von PoDL ist die erforderliche Elektronik. Darüber hinaus ist die Stromversorgung entfernter Geräte mit PoDL in einer Multidrop-Konfiguration nicht möglich. Mit PoDL beträgt die maximale Leistung 50 W bei einem maximalen Strom von 1,36 A und einer Datenrate von 1 Gbit/s sowie 52 W bei einem maximalen Strom von bis zu 1,579 A und einer Datenrate von 10 Mbit/s (IEEE802.3bu bzw. IEEE802.3cg). Dabei beträgt die Spannung des Power Supply auf dem Adernpaar 60 VDC. Der M12-Hybrid-Steckverbinder unterstützt höhere Ströme bzw. höhere Spannungen. Damit sind deutlich höhere Leistungen als 52 W möglich.
Hybrides Signal- und Power-System
Eine Alternative ist die direkte Versorgung der Feldgeräte über das Stromnetz, wobei das Gerät an zwei getrennte Kabel angeschlossen wird, eines für die Stromversorgung und eines für die Kommunikation. Die übertragbare Leistung ist dabei nicht begrenzt, es sind jedoch der Verkabelungsaufwand und der erforderliche Platz für Kabel zu beachten. Für Geräte mit höherer Leistung ist dies neben hybriden Steckverbinderlösungen die einzige Möglichkeit.
Das Hybridsystem kombiniert dagegen die Vorteile von Stromversorgung und Kommunikation über ein einziges Kabel und einen einzigen Steckverbinder. Die Lösung basiert darauf, neben dem SPE-Paar zwei oder mehr Stromleitungen in einem Kabel integriert sind. So erhält man ein Kabel mit geringem Durchmesser, das eine Datenübertragung von 1 Gbit/s in Kombination mit hohen Leistungen ermöglicht. Vorteile sind die platzsparende Verkabelung und die deutlich verbesserten EMV-Eigenschaften mit getrennten Leitungen. Außerdem können so mehrere Geräte in einem Multidrop-Netz mit Strom versorgt werden.
M12-Hybrid-Schnittstellen
Laut TE Connectivity sind in der Norm IEC 63171-7 sieben verschiedene Steckerschnittstellen in drei verschiedenen Gruppen definiert. Die erste Gruppe ist für nicht gefährliche Spannungen bis 63 VDC oder 50 VAC definiert. Die Typen unterscheiden sich hinsichtlich der zulässigen Ströme und der Anordnung der Stromanschlüsse unterscheiden. Die Leistungskontakte der Typen I, II und III sind für Ströme bis zu 8 A ausgelegt und werden an Drähte von 16 AWG angeschlossen. Bei Typ I sind die Leistungskontakte miteinander kurzgeschlossen, sodass die Schnittstelle höhere Ströme bis zu 12 A verarbeiten kann. Hier ist jeder Leistungskontakt mit Drähten von 17 AWG verbunden. Typ VI unterstützt 16 A durch die Verwendung von zwei größeren Leistungskontakten, die mit 14-AWG-Drähten verbunden sind. Die unterschiedlichen Drahtstärken berücksichtigen den Leitungswiderstand über die Entfernung. Schließlich verfügen die Typen III und VI über eine Funktionserde. Die zweite Gruppe bezieht sich auf Typ IV und VII und ist für gefährliche Spannungen bis 600 VDC bzw. 600 VAC definiert. Typ IV und VII können 8 A und 16 A an ihren Leistungskontakten übertragen und werden an Drähte von 16 AWG bzw. 14 AWG angeschlossen. Aufgrund der hohen Spannung verfügen sie über einen Schutzleiterkontakt (PE). Die dritte Gruppe bzw. Typ V ist für dreiphasige Anwendungen gedacht. Sie kann für Spannungen bis zu 480 VAC und Ströme bis zu 8 A verwendet werden. Auch hier ist ein Schutzleiterkontakt enthalten.
Single Pair Ethernet System Alliance e.V.
SPE Industrial Partner Network e.V.
