Single Pair Ethernet - Normungslandschaft

Mit Single Pair Ethernet hält ein neuer Physical Layer Einzug in die Welt der Ethernet Kommunikation. Aus der Automobilindustrie geboren, entwickelt sich SPE auch in der Industrial Automation zu einer Schlüsseltechnologie für die kommenden Schritte der Digitalisierung. Über nur noch ein Paar Kupferadern kann Ethernet IP endlich durchgängig von der Cloud bis in die Feldebene übertragen werden.

In der Industrie unterliegen Kommunkationsprotokolle und die Infrastruktur engen Regeln. Um Interoperabilität und Austauschbarkeit zu gewährleisten, nimmt Standardisierung einen hohen Stellenwert ein. Das gilt auch für Single Pair Ethernet.

Dieser Artikel zeigt die Arbeit internationaler Gremien, den aktuellen Stand der Normung rund um den neuen Physical Layer SPE und erklärt Anwendern, wie und mit welchen Standards der Weg ins IIoT gelingt.

Der Ursprung

Aufgrund des Fokusses auf die Anwendungen im Fahrzeug, sind bei allen SPE Standards, mit Ausnahme von IEEE 802.3cg, keine speziellen MDI Steckverbinder spezifiziert. Das ermöglicht insbesondere den Anwendern in der Automobilindustrie herstellerspezifische Steckverbinder einzusetzen.
IEEE 802.3cg wurde im November 2019 verabschiedet und dort ist als optionales MDI der LC Style nach IEC 63171-1 und der T1 Industrial nach IEC 63171-6 aufgeführt (Formulierung: „...may be used...” = „kann verwendet werden”). Andere Steckverbinder, insbesondere spezielle Typen für Automotive, oder auch Leiterplattenklemmen sind, sofern sie die definierten Anforderungen erfüllen, möglich. Für Verkabelungen im Gebäude, in Rechenzentren und in der Industrie sind jedoch die in den ISO/IEC 11801 und TIA Normenwerken ausgewählten Steckverbinder LC Style nach IEC 63171-1 und der T1 Industrial nach IEC 63171-6 einzusetzen.
Im März 2021 wurde auf dem IEEE802 – Plenary Meeting eine Arbeitsgruppe zur Erweiterung der Punkt zu Punkt Protokolle gegründet, um TSN Funktionalitäten für 10BASE-T1L zu ergänzen und mögliche Erhöhungen der Übertragungslängen zu betrachten. Weiterhin arbeitet die Arbeitsgruppe IEEE802.3cy an SPE Geschwindigkeiten oberhalb von 10Gbit/s. Ergebnisse in Form von verabschiedeten Standards für alle diese Arbeitsgruppen werden, je nach Arbeitsgruppe, ab 2023 bis 2025 erwartet (Siehe dazu auch: www.ieee802.org/3/index.html).

Anmerkung: Die IEC 63171-1 (LC Style) und die IEC 63171-6 (Industrial Style) sind vollständige Normendokumente mit allen notwendigen Spezifikationen und Prüfsequenzen. Alle später gestarteten Normen beziehen sich auf die Basisnorm IEC 63171 und beinhalten nur die unterschiedlichen mechanischen Ausführungen. 
Die IEC 63171-6 für den T1 Industrial die weltweit erste verfügbare Norm für SPE Steckverbinder und umfasst Versionen von IP20 bis IP 65/67. 

sPE VERKABELUNGSSTANDARDS 

Parallel dazu werden auch die Installationsstandards für die Industrie als Basis für die Verkabelung von Automatisierungslösungen nach IEC 61918 (IEC SC65C) entsprechend angepasst. Dazu wird an der Ergänzung von SPE an der IEC 61918 Edition 4 AMD1 gearbeitet. Die Veröffentlichung ist für 03/2022 geplant. Inwieweit das dann auch die Automatisierungsprofile selbst beeinflusst, bleibt abzuwarten. Sicher ist, dass sich PI (mit PROFINET nach IEC 61784-5-3) und ODVA (mit EtherNet/IP™ nach IEC 61784-5-2) aktiv an der Weiterentwicklung und Implementierung von Standards zu SPE beteiligen und entsprechende profilspezifiche Normendokumente erarbeiten. Ähnlich wird sicher auch mit Advance Physikal Layer (APL), basierend auf 10BASE-T1L, für die Prozessindutrie verfahren und auch hierfür ein neues Profil in der IEC 61784-5-x erarbeitet. 
In Verbindung mit den Komponentenstandards zu Steckverbindern und Kabeln erhalten alle Anwender für SPE klare Richtlinien zum Aufbau und zur Überprüfung von entsprechenden Übertragungsstrecken.

Diese Verkabelungen bleiben für 1 GBit/s SPE erst einmal auf eine Reichweite von 40 m beschränkt. Für die 10 MBit/s Variante werden Reichweiten von 1.000 m und darüber hinaus realisiert. 
Weitere Papiere zu SPE-Verkabelungen mit Relevanz für die USA einschließlich Kanada und Mexiko, wie ANSI/TIA-568.5, werden bei TIA TR 42.9 vorbereitet. In den TIA 42.9 Papieren wird das über eine Revision: ANSI/TIA-1005-B (Industrieverkabelung ohne SPE) realisiert. Inhaltlich sind all diese Ergän-zungen weitestgehend deckungsgleich. 
Diese Verkabelungsnormen liefern dem Anwender Informationen über die Struktur der Verkabelung, die einzusetzenden Verkabelungskomponenten zur Erreichung der Leistungsvorgaben und die Grenzwerte zur Überprüfung der Verkabelung. Somit sind sie wichtigstes Instrument zum Aufbau und zur Inbetriebnahme von SPE-Verkabelungen. Gleichzeitig stellen sie über die Referenzen zu den Komponentenstandards (z.B. Steckverbinder nach IEC 63171-6) die Kompatibilität zwischen Geräten und Verkabelung sicher. Diese Kompatibilität ist Grundvoraussetzung für die Funktion von Netzwerken und Verbindungen auf Basis von SPE und damit Basis für IoT/IIoT. Der Einsatz anderer Verkabelungs-komponenten ist zwar grundsätzlich möglich, allerdings dann nicht mehr normkonform und birgt das Risiko von Inkompatibilitäten und Funktionseinbußen. 

AUSBLICK – INDUSTRIAL ETHERNNET NUTZERGRUPPEN 

Neben der Fertigstellung der Verkabelungsnormen bei ISO/IEC und TIA wird der Schwerpunkt der SPE Normung nun bei der Integration von SPE in die Industrial Ethernet Normungsgruppen wie PI (PROFINET International), ETG (EtherCAT), IDA (Modbus), CLPA (CC-Link IE), ODVA (EtherNet/IP™) und anderen Nutzergruppen liegen. 
Je nach strategischer Ausrichtung und Geschick dieser Nutzergruppen wird die Implementierung von SPE in die einzelnen Automatisierungsprofile aber wohl eher von der Geräteseite erfolgen (Sensor-/Aktornetzwerke) und nicht automatisch die Kommunikation in dem darüberliegenden Automatisierungsnetzwerk betreffen. Hier werden vorerst noch Fast Ethernet (z. B. PROFINET) und Gigabit Ethernet (z. B. EtherNet/IP™) vorherrschen.