Die moderne Fabrikautomation beruht auf einer kontinuierlichen Datenkommunikation zwischen Feldsensoren, speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) und verteilten Leitsystemen (DCS). Die Ethernet-Technologie dominiert sowohl die IT-Netzwerke von Unternehmen als auch die Operational-Technology-Netzwerke (OT) in der Produktion. Die Standards für die physikalischen Übertragungsmedien dieser industriellen Kommunikation befinden sich jedoch in einem bedeutenden Wandel. Während herkömmliches Ethernet auf Kabeln mit vier Adernpaaren (8 Adern) basiert, nutzt Single Pair Ethernet (SPE) ein einziges verdrilltes Kupferadernpaar (2 Adern), um in industriellen Umgebungen Hochgeschwindigkeitsdaten und Gleichstrom zu übertragen.

Evolution der physikalischen Schicht in der Kommunikation der Fabrikautomation

Der Standard IEEE 802.3 definiert die Spezifikationen der physikalischen Schicht für Ethernet-Netzwerke. Herkömmliche Ethernet-Kabel mit vier Adernpaaren (Cat 5e, Cat 6) verwenden RJ45-Steckverbinder, um Automatisierungssteuerungen und Switches zu verbinden. Diese Kabel benötigen acht interne Kupferleiter, um eine Datenübertragung mit hohem Durchsatz zu ermöglichen.

Single Pair Ethernet nutzt dagegen die Standards IEEE 802.3cg (10Base-T1L) sowie IEEE 802.3bw/bp. SPE überträgt bidirektionale Vollduplexdaten über zwei Leiter. Dadurch verringert diese Architektur das Gewicht und den Platzbedarf der Verkabelung erheblich und ermöglicht gleichzeitig eine native IP-Konnektivität bis hinunter zur Feldebene.

Vergleich der wichtigsten technischen Spezifikationen

Bei der Auswahl von Netzwerkmedien für industrielle Anlagenarchitekturen müssen Ingenieure die wesentlichen physikalischen Parameter bewerten:

Abwägung von Entfernung und Bandbreite in Steuerungsnetzwerken

Die Übertragungsreichweite ist ein entscheidender betrieblicher Unterschied zwischen diesen Arten physikalischer Medien. Herkömmliches Ethernet begrenzt die maximale Länge von Kupferkabelstrecken ohne aktive Repeater oder Switches auf 100 Meter. Diese Einschränkung erschwert die Installation von Sensoren über große Entfernungen in Erdölraffinerien oder Bergbauanlagen.

10Base-T1L von SPE verlängert Punkt-zu-Punkt-Kupfersegmente dagegen bei Geschwindigkeiten von 10 Mbit/s auf bis zu 1.000 Meter. Obwohl herkömmliche Cat-6-Kabel eine höhere Gesamtbandbreite von bis zu 10 Gbit/s bieten, bewältigt eine 10-Mbit/s-SPE-Verbindung problemlos Prozessvariablen, Diagnosedaten und die Parametrierung von Feldgeräten.

Stromversorgung: PoDL im Vergleich zur herkömmlichen PoE-Architektur

Die Integration der Stromversorgung wirkt sich unmittelbar auf die Kosten der Feldverkabelung und die Komplexität der Schaltschrankinstallation aus. Herkömmliches Ethernet nutzt die Power-over-Ethernet-Standards (PoE) (IEEE 802.3af/at/bt), um Strom zusammen mit den Daten über separate Adernpaare zu übertragen.

SPE verwendet die durch IEEE 802.3bu geregelte Power-over-Data-Line-Technologie (PoDL). PoDL überlagert die Gleichversorgungsspannung auf dem einzigen differentiellen Kommunikationsadernpaar. Dadurch erhalten Feldsensoren bis zu 52 W Betriebsleistung über dieselben zwei Adern, die auch die Echtzeit-Steuersignale übertragen.

Technische Einblicke in die Trends beim Ersatz von Feldbussen

Während meiner 15-jährigen Tätigkeit bei der Entwicklung industrieller DCS-Netzwerke blieb die Anbindung von Feldgeräten ein wesentliches Systemnadelöhr. Ältere Feldbusprotokolle wie PROFIBUS PA und HART benötigen Protokoll-Gateways für die Kommunikation mit zentralen Steuerungen. Diese Konvertierungsschnittstellen erhöhen die Netzwerklatenz und den Aufwand für die Konfigurationstechnik.

Single Pair Ethernet beseitigt diese Altlast grundlegend. SPE bringt die native Ethernet-IP-Kommunikation direkt zu intelligenten Messgeräten, ohne dass eine Protokollübersetzung erforderlich ist. Der Wegfall komplexer Gateways vereinfacht die Topologie des Leitsystems, optimiert die Inbetriebnahme von Geräten und ermöglicht die Echtzeit-Erfassung von Diagnosedaten für Programme zur vorausschauenden Wartung.

Industrielles Anwendungsszenario: Feldsensornetzwerk in einer Chemieanlage

Betrachten wir eine moderne Chemieanlage, die ihre Durchflussmesser und Drucktransmitter in einem weitläufigen Tanklager im Außenbereich modernisiert. Die einzelnen Feldinstrumente befinden sich in einer Entfernung von 400 bis 800 Metern vom zentralen Leitstand.

Die Verlegung eines herkömmlichen 8-adrigen Ethernet-Netzwerks würde alle 100 Meter den Einsatz von Feldswitches erfordern und dadurch die Kosten für Gehäuse und Stromversorgung erhöhen. Durch die Implementierung von SPE-10Base-T1L-Feldnetzwerken mit zweiadrigen armierten Kabeln verbinden Ingenieure die Feldinstrumente über eine 800 Meter lange Strecke direkt mit den zentralen DCS-Gateways. Die Einpaarverkabelung versorgt die Geräte über PoDL mit Betriebsstrom und überträgt gleichzeitig HART-IP-Telemetriedaten an die Anlagenmanagementsoftware, ohne externe Gateways.

Über den Autor

Huang Jun ist Senior Industrial Communications Architect mit 15 Jahren Praxiserfahrung in der Fabrikautomation, der Topologie von DCS-Netzwerken und Leitsystemen für Kraftwerke. Sein Spezialgebiet sind Migrationsstrategien für Industrial Ethernet, Architekturen zum Ersatz von Feldbussen sowie hochverfügbare deterministische Netzwerke für die Prozess- und Fertigungsindustrie.