Application Note

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.

SPE Normenbasis

Für Kommunikationssysteme sind international einheitliche Normen existenziell wichtig und notwendig. Nur so lassen sich weltweit funktionierende Ethernet-Netzwerke planen, aufbauen und betreiben. Folgende Organisationen und Gremien sind für die Normung von Ethernt und damit auch SPE relevant und arbeiten im regen Austausch eng zusammen, um das aufeinander abgestimmte Normenwerk zu erstellen:

• IEEE 802.3 – Übertragungsverfahren, MDI, Link Segment
• IEC SC46C – Symmetrische Kupferkabel (IEC 61156-x Serie)
• IEC SC 48B – Steckverbinder (IEC 63171-x Serie)
• ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG3 – Universelle Verkabelung (ISO/IEC 11801 Serie)
• IEC SC65C – Industrienetzwerke, Verkabelung (IEC 61918 und IEC 61784-5 Serie)
• ANSI/TIA TR-42 – Verkabelungssysteme (gültig für Nordamerika)

Die IEEE802.3 spezifiziert das primäre Übertragungsverfahren und muss dazu auch den Übertragungskanal, wie beispielsweise die Übertragungslänge und Anzahl der Verbinder festlegen. Die Verkabelungsgremien ISO/IEC und TIA betrachten den Übertragungskanal und greifen bezüglich der Verbinder und Kabel auf die entsprechenden IEC-Gruppen für die Kabel- und Steckverbinder-Spezifikation zu. Zwischen IEEE802.3 sowie ISO/IEC und TIA gibt es eine enge Zusammenarbeit.

IEEE 802.3 Ethernet Protokolle

Das folgende Diagramm zeigt die wesentlichen bereits veröffentlichten SPE-Protokolle mit ihren zugehörigen minimal möglichen Übertragungslängen und wesentlichen Details:

Für noch höhere Geschwindigkeiten insbesondere im Fahrzeug wurde im Juni 2023 das 25GBASE-T1 Protokoll für 25 Gbit/s bis zu mindestens 11 m Kanallänge veröffentlicht. Dieser SPE-Standard wird vorwiegend als Backbone im Fahrzeug Einsatz finden.

Zusätzlich zu den oben dargestellten „klassischen“ Punkt zu Punkt (P2P) SPE-Protokollen ist zusätzlich auch eine Art BUS-Standard 10BASE-T1S verfügbar. Der 10BASE-T1S Standard ist ein Punkt zu Multipunkt (P2MP) oder wie es IEEE802.3 benennt, ein MultiDrop Übertragungssystem und funktioniert somit wie ein Ethernet-Bus über ein mindestens 25 m langes, ungeschirmtes Kabel mit mindestens 8 Geräten. Bis auf 10BASE-T1S sind alle SPE-Protokolle kompatibel zur Fernspeisetechnik Power over DataLine (PoDL). Die Arbeitsgruppe IEEE802.3da hat ich zum Ziel gesetzt die Anzahl der Busteilnehmer auf mindestens 16 Knoten und die Übertragungslänge auf mindestens 50 m erhöhen und Remote Power zu ermöglichen.

Der Ursprung

Aufgrund des Fokus 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.

Die IEEE 802.3cg für 10BASE-T1L/S 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 mit der Formulierung: „...may be used...” = „kann verwendet werden” spezifiziert. Diese Formulierung wurde gewählt um andere Steckverbinder, insbesondere spezielle Typen für Automotive Anwendungen oder auch Leiterplattenklemmen, sofern sie die definierten Anforderungen erfüllen, einsetzen zu können. Für Verkabelungen im Gebäude, in Rechenzentren und in der Industrie sind jedoch die in den ISO/IEC 11801 und TIA-Normenwerken ausgewählten LC Style Steckverbinder nach IEC 63171-1 und der „T1 Industrial Style“ gemäß IEC 63171-6 zu verwenden.

Im März 2021 wurde die IEEE802.3de Arbeitsgruppe zur Erweiterung der Punkt zu Punkt Protokolle gegründet, um TSN-Funktionalitäten für 10BASE-T1L zu ergänzen. Diese Arbeitsgruppe „Time Synchronization for Point-to-Point Single Pair Ethernet Task Force“ spezifizierte eine Erweiterung der MAC Merge-Funktion und das Time Synchronisation Service Interface (TSSI).

Die erste Lücke in der Übertragungslänge wird die 802.3dg Arbeitsgruppe mit 100BASE-T1L, einem neuen Protokoll für 100 Mbit/s über mindestens 500 m Übertragungslänge Schließen. Stand Januar 2024 erwartet finale Ergebnisse bis Ende 2024 und der Standort soll Mitte 2025 publiziert werden. Info zu den IEEE802.3-Projekten findet man hier: www.ieee802.org/3/index.html).

IEC 61156-x – NORMUNG VON SPE KABELN

Innerhalb der IEC-Arbeitsgruppe SC46C für die Normierung von Datenkabeln als Meterware gibt es folgende Normenprojekte:

•   IEC 61156-11 – SPE-Datenkabel bis 600 MHz Bandbreite zur festen Verlegung (Edition 1 veröffentlicht und Edition 2 in Arbeit)
•   IEC 61156-12 – SPE-Datenkabel bis 600 MHz Bandbreite zur flexiblen Verlegung (Edition 1 veröffentlicht und Edition 2 in Arbeit)
•   IEC 61156-13 – SPE-Datenkabel bis 20 MHz Bandbreite zur festen Verlegung (CDV verfügbar)
•   IEC 61156-14 – SPE-Datenkabel bis 20 MHz Bandbreite zur flexiblen Verlegung (gestartet)

Für die IEC 61156-11 und -12 wird eine 2. Edition für eine Bandbreite von 1250 MHz zur Unterstützung des SPE Übertragungskanals T1-C in ISO/IEC 11801-1 erstellt. Weitere Normenprojekte, beispielsweise für höhere Bandbreiten zur Unterstützung von Datenraten oberhalb von 1 Gbit/s, werden zukünftig ebenso bearbeitet.

IEC 63171 – NORMUNG SPE VERBINDUNGSTECHNIK

Der erste SPE-Steckverbindernormentwurf wurde bereits 2016 von HARTING bei SC48B eingereicht und als IEC 61076-3-125 bis zum CD Dokument publiziert. 2017 wurde von der Firma CommScope ein weiteres SPE-Steckgesicht zur Normung eingereicht und es wurde beschlossen, für alle SPE-Steck-verbinder die gemeinsame Normenreihe IEC 63171 zu erstellen. Dementsprechend wurde bei SC48B das Projektteam PT63171 ins Leben gerufen und mit der Erstellung dieser neuen Normenreihe beauftragt. Die bis zu diesem Zeitpunkt bereits in Arbeit befindlichen Normen wurden als in sich geschlossene Dokumente fertiggestellt und später im Rahmen von Überarbeitungen in diese neue Normenreihe integriert. Folgende Normenprojekte sind bereits veröffentlicht bzw. noch in Arbeit:

Steckverbinder-Normen

•   IEC 63171 – Basisnorm mit allen Spezifikationen und Prüfsequenzen (Edition 1 veröffentlicht und Edition 2 in Arbeit)
•   IEC 63171-1 – SPE-Steckverbinder der Firma CommScope auf Basis der LC Verriegelung für M1I1C1E1 Anwendungen (Edition 1 im April 2020 veröffentlicht und Edition 2 in Arbeit)
•   IEC 63171-2 – SPE-Steckverbinder der Firma Reichle & De-Massari für M1I1C1E1 Anwendungen (Edition 1 veröffentlicht im Mai 2021)
•   IEC 63171-3 – SPE-Steckverbinder der Firma Siemon basierend auf einem Paar des bekannten Tera Steckverbinders für M1I1C1E1 Anwendungen (zurückgezogen)
•   IEC 63171-4 – SPE-Steckverbinder der Firma BKS für M1I1C1E1 Anwendungen (Edition 1 veröffentlicht im September 2022)
•   IEC 63171-5 – SPE-Steckverbinder der Firma Phoenix Contact basierend dem IEC 63171-2 Steckgesicht für M2I2C2E2 und M3I3C3E3 Anwendungen (Edition 1 veröffentlicht im September 2022)
•   IEC 63171-6 (bisher IEC 61076-3-125) – SPE Steckverbinder der Firmen HARTING und TE Connectivity für M1I1C1E1, M2I2C2E2 und M3I3C3E3 Anwendungen (Veröffentlicht im Januar 2020 und Edition 2 im März 2021 verabschiedet)

• IEC 63171-7 M12 Hybrid SPE-Steckverbinder der Firma TE für M₁I₁C₁E₁, M₂I₂C₂E₂ und M₃I₃C₃E₃ Anwendungen mit bis zu 5 zusätzlichen Kontakten für die Stromversorgung (Veröffentlicht im Mai 2023)

Die IEC 63171-6 für die T1 Industrial Steckverbinderfamilie ist die weltweit erste verfügbare Norm für SPE-Steckverbinder und umfasst alle Versionen von IP20 bis IP 65/67 einschließlich dem T1 Industrial M8 Hybrid mit je 2 Kontakten für SPE und Power.

sPE VERKABELUNGSSTANDARDS

SPE und die dafür normierten Steckverbinder fließen in die Verkabelungsstandards ein. International betrifft das vor allem die Normenreihe für strukturierte Verkabelung nach ISO/IEC 11801: und in ähnlicher Weise dann auch die europäische Normenreihe im CENELEC nach EN 50173. Hier ist SPE über Anhänge (Amendements) zuerst in den Teil 3 Industrieverkabelung eingeflossen. Zentrales Dokument für diese Anhänge ist ISO/IEC 11801 TR9906 „TECHNICAL REPORT: Balanced 1-pair cabling channels up to 600 MHz“. Die Implementierung von SPE in die ISO/IEC 11801 Dokumente ist deshalb so wichtig, da nur in dieser Norm die Verkabelungskanäle mit allen notwendigen Parametern (Länge, Anzahl Verbindungen, Bandbreite und das komplette Set an übertragungstechnischen Parametern einschließlich NEXT, FEXT, Schirmungseigenschaften usw.) mit Relation zur Umgebung – MICE beschrieben werden und damit dann auch nach Installation messtechnisch überprüfbar sind.

Die ISO/IEC 11801-3 AMD1 wurde im April 2021 veröffentlicht. Dieser neue Anhang beinhaltet die SPE Verkabelungskanäle:

• für industrielle Anwendungen einschließlich des 10 Mbit/s 1000 m Kanals und des 1 Gbit/s 40 m Kanals in Annex E (normative) „Requirements for 1-pair cabling channels up to 600 MHz“

• und Festlegungen zum End-to-End Link (E2EL) bis 500 MHz / Kat.6A in Annex D (normative) “Requirements for End-to-End Link configurations”

Parallel dazu wurde auch der Installationsstandards IEC 61918 (IEC SC65C) für die Industrie als Basis für die Verkabelung von Automatisierungslösungen angepasst und um SPE ergänzt. Das neue Amendment zur IEC 61918 adressiert die neue 1-paarige Verkabelungsstrukturen für Single Pair Ethernet und die dazugehörige Fernspeisung PoDL (Power over Data Line). Damit wird die Lücke zwischen klassischer IT-Infrastruktur und Industrie, IoT/IIoT geschlossen. SPE hat eine besondere Bedeutung für die Industrie und die Automatisierung. Es ermöglicht erstmalig die durchgängige Anwendung von TCP/IP-basierten Automatisierungsprotokollen auch für große Entfernungen, wie in der Prozessautomatisierung oder für die einfache Anbindung von Sensoren und Aktoren bis in die industrielle Feldebene.

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-568.7 (Industrieverkabelung ohne SPE) realisiert. Inhaltlich sind all diese Ergänzungen 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 Verkabelungskomponenten ist zwar grundsätzlich möglich, allerdings dann nicht mehr normkonform und birgt das Risiko von Inkompatibilitäten und Funktionseinbußen.

Internationale Abstimmung für einheitlichen Standard

Deshalb haben ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3 und TIA 42 Anfang 2018 internationale Auswahlprozesse zur Festlegung einheitlicher Schnittstellen gestartet. Diese beiden Auswahlprozesse wurden von der IEEE 802.3 mit initiiert, indem von dort eine Empfehlung für ein SPE MDI (= Media Depended Interface, die SPE-Geräteschnittstelle) von ISO/IEC und TIA erbeten wurde.
An diesem Auswahlprozess haben sich über 20 nationale IEC - Expertengremien beteiligten. Im Ergebnis dieser Wahl haben sich zwei Steckgesichter durchgesetzt:

• für die Gebäudeverkabelung (M1I1C1E1) das Steckgesicht nach IEC 63171-1: dieses Steckgesicht basiert auf dem Vorschlag der Firma CommScope;

• für die Industrie und industrienahe Anwendungen (M2I2C2E2 und M3I3C3E3) das Steckgesicht nach IEC 63171-6: Dieses Steckgesicht basiert auf dem Vorschlag von HARTING mit dem „T1 Industrial“.

Der Auswahlprozess bei TIA 42 hat die Ergebnisse von ISO/IEC bestätigt und damit besteht global eine klare Einigkeit über die SPE Schnittstellen. Diese gewählten Steckgesichter werden jetzt in die jeweiligen internationalen Verkabelungsnormen eingearbeitet. Auch IEEE 802.3 hat diese SPE-Interfaces in die IEEE 802.3cg als empfohlene Media Depended Interface (MDI) festgelegt.

Damit ist die Voraussetzung für den großflächigen Einsatz und somit für die erfolgreiche Vermarktung der SPE Technologie mit der durchgängigen Kompatibilität von Geräten, Kabeln und Steckverbindern in unterschiedlichen Anwendungsfeldern gewährleistet und Planungssicherheit für alle Marktteilnehmer hergestellt.

GLOSSAR

MICE beschreibt Umgebungsbedingungen für Installationen und gibt Planern und Anwendern wertvolle Hinweise zur Spezifikation technischer Ausrüstungen und Verkabelungen. Dabei werden Anforderungen zur mechanischen Robustheit (M), zum IPxx Grad (I), zu chemischer und klimatischer Widerstandsfähigkeit (C) und zur elektromagnetischen Sicherheit (E) beschrieben. Im weitesten Sinne beschreibt M1I1C1E1 eine Umgebung, wie sie z. B. in einem Bürogebäude vorzufinden ist und M3I3C3E3 eine recht extreme Umgebung, wie sie in der Industrie oder im Außenbereich vorkommen kann.

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.

Für PROFINET wurde die aktuelle Richtlinie für die Leitfaden Verkabelung und Verbindungstechnik um hybride Schnittstellen für die Feldverkabelung ergänzt. In der neuen Fassung sind der T1 Industial M8 Hybrid nach IEC 63171-6 und die M12 Hybrid Type II und Type VI nach IEC 63171-7 neu als PROFINET-Schnittstellen für SPE und Stromversorgung definiert wurden. Auch bei der ODVA wird SPE als neuer Physikal Layer diskutiert und entsprechenden Dokumente erarbeitet.

ZUSAMMENFASSUNG

Der T1 Industrial gemäß IEC 63171-6 ist sowohl bei IEEE 802.3 als MDI auch in den Verkabelungsstandards bei ISO/IEC und TIA gesetzt. Durch diese übergreifende Normung und Referenzierung ist die T1 Industrial Steckverbinderfamilie weltweit die einzige durchgängig normierte SPE-Schnittstelle und die beste Wahl für alle industriellen Anwendungen.

ÜBER DAS SPE INDUSTRIAL PARTNER NETWORK

Das Potenzial von SPE liegt auf der Hand, aber der breite Rollout von SPE erfordert die Arbeit und das Fachwissen einer Vielzahl von Interessengruppen. Das SPE Industrial Partner Network wurde von Firmen mit Schwerpunkten in allen Bereichen des SPE Ökosystems gegründet, um sich für die Entwicklung und Förderung von Single Pair Ethernet einzusetzen. Das Netzwerk arbeitet zusammen, um sicherzustellen, dass die SPE-Technologie weiter und schneller vorangetrieben wird.

Das Netzwerk bietet eine verlässliche Plattform für alle notwendigen technischen Experten, um über die Grenzen einzelner Unternehmen hinweg problemlos zusammenzuarbeiten und zu kooperieren. Partnerschaften innerhalb des Netzwerks ermöglichen eine Erhöhung der Produkt- und Leistungsvarianten sowie reibungslosere Standardisierungsprozesse. Zu den Gründungsmitgliedern des SPE Industrial Partner Network gehören HARTING, TE Connectivity, HIROSE, Würth Elektronik, LEONI, Murrelektronik und Softing IT Networks. Aktuell ist das Netzwerk auf über 60 Mitgliedsunternehmen angewachsen und wächst wöchentlich.