Single Pair Ethernet verändert die Konnektivität auf Geräteebene

Single Pair Ethernet, allgemein als SPE bezeichnet, erweitert die Ethernet-Kommunikation über ein verdrilltes Adernpaar statt über die zwei oder vier bei herkömmlichem Ethernet verwendeten Paare. Je nach ausgewählter physikalischer Schicht kann SPE hohe Datenraten, große Übertragungsentfernungen, Multidrop-Kommunikation oder die Übertragung von Strom und Daten über dasselbe Kabel ermöglichen.

Diese kompakte Architektur ist besonders wertvoll, wenn Gerätegröße, Kabelgewicht, Installationsraum und Materialkosten reduziert werden müssen. Sie ermöglicht es Geräteherstellern, native Ethernet-Konnektivität in Sensoren, Aktoren, Messgeräte, Kameras, Steuerungen und andere Produkte zu integrieren, die zuvor auf proprietäre Feldbusnetzwerke oder separate Kommunikationsgateways angewiesen waren.

SPE ist keine festgelegte Übertragungsspezifikation. Es handelt sich um eine Familie physikalischer Ethernet-Schichten, die für unterschiedliche Anwendungen entwickelt wurden. Geräteentwickler müssen daher die erforderliche Datenrate, Kabellänge, Netzwerktopologie, das Steckverbindersystem, den Umweltschutz und den Leistungsbedarf auf die passende SPE-Implementierung abstimmen.

Abbildung 1. SPE-Kabel und -Steckverbinder sind in verschiedenen Bauformen erhältlich, um unterschiedliche Gerätegrößen und Installationsumgebungen zu unterstützen.

Von Automobilnetzwerken zu Industriegeräten

Single Pair Ethernet wurde ursprünglich durch die Automobiltechnik vorangetrieben, da die Hersteller leichte Kabel, kompakte Steckverbinder und eine zuverlässige Hochgeschwindigkeitskommunikation zwischen elektronischen Systemen benötigten. Diese Anforderungen ähneln stark den Herausforderungen, vor denen Hersteller industrieller Geräte heute stehen.

Moderne Fabriken enthalten eine wachsende Zahl intelligenter Sensoren, Antriebe, Kameras, Aktoren, Analysegeräte und Edge-Geräte. Jedes Gerät stellt zusätzliche Anforderungen an Kommunikation, Stromversorgung, Diagnose und Installationsraum. Die Erweiterung von herkömmlichem Ethernet auf jedes Feldgerät kann teuer werden, da Standardsteckverbinder und mehrpaarige Kabel oft größer sind als die Geräte selbst.

SPE bietet einen praxisnahen Weg für eine durchgängige Ethernet-Kommunikation von Unternehmens- und Steuerungsnetzwerken bis hin zu einzelnen Feldgeräten. Dadurch werden Protokollumwandlungen reduziert und Automatisierungssysteme erhalten einen direkteren Zugriff auf Gerätediagnosen, Betriebsdaten, Konfigurationsinformationen und Werte der Zustandsüberwachung.

Industrielle Automatisierung erreicht die Feldebene

Die industrielle Automatisierung ist zunehmend auf verteilte Sensorik und intelligente Feldgeräte angewiesen. Produktionssysteme benötigen in Echtzeit präzise Prozessdaten, Anlagenzustände, Energieinformationen und diagnostische Rückmeldungen. Eine einheitliche Ethernet-Architektur kann die Übertragung dieser Informationen zwischen Feldgeräten, Steuerungen, Edge-Plattformen und Cloud-Diensten vereinfachen.

SPE eignet sich gut für Barcode-Lesegeräte, Bildverarbeitungssysteme, kompakte Bedien-Terminals, Identifikationssysteme, Positionssensoren, Zustandsüberwachungsgeräte und intelligente Aktoren. Diese Anwendungen benötigen häufig mehr Daten, als ein herkömmliches binäres Signal liefern kann, verfügen jedoch nicht immer über ausreichend Installationsraum für herkömmliche Ethernet-Hardware.

SPE-Technologien mit großer Reichweite können auch Geräte anbinden, die weit vom Hauptschaltschrank entfernt angeordnet sind. Bestimmte Implementierungen können Daten über Entfernungen von bis zu 1.000 Metern übertragen, ohne dass Protokoll-Gateways zwischengeschaltet werden müssen. Diese Fähigkeit ist in großen Fabriken, Lagerhäusern, Fördersystemen, Wasseranlagen und verteilten Materialtransportinstallationen von großem Wert.

Power over Data Line, kurz PoDL, kann den Installationsaufwand weiter reduzieren, indem Kommunikation und elektrische Energie über dasselbe Adernpaar übertragen werden. Ein Sensor oder kompakter Aktor benötigt dadurch möglicherweise nur ein Kabel anstelle einer separaten Daten- und Stromverkabelung. Die tatsächliche Leistung, Kabelgröße, der Spannungsabfall und das thermische Verhalten müssen bei der Produktentwicklung dennoch bewertet werden.

Abbildung 2. Verteilte Erfassungs- und Steuerungsanwendungen machen die industrielle Automatisierung zu einer natürlichen Einsatzumgebung für Single Pair Ethernet.

Ein praktisches Beispiel für ein Sensornetzwerk

Betrachten wir ein langes Fördersystem mit Identifikationslesern, Vibrationssensoren, Drehzahlüberwachungen, Sicherheitseinrichtungen und Motortemperatursensoren. Eine herkömmliche Architektur kann mehrere Kommunikationstechnologien, separate Stromversorgungen, dezentrale I/O-Stationen und mehrere Gateway-Geräte umfassen.

Ein SPE-basiertes Design kann ausgewählten intelligenten Geräten eine direkte Ethernet-Schnittstelle bieten und gleichzeitig leichte Zweidrahtverbindungen entlang des Förderbands verwenden. Das Steuerungssystem kann Betriebswerte und detaillierte Diagnosedaten empfangen, ohne jede Nachricht über ein proprietäres Feldbus-Gateway umzuwandeln.

Für den Gerätehersteller eröffnet dies die Möglichkeit, Fernkonfiguration, Zustandsüberwachung, Ereignisverlauf und Firmware-Management in einem kompakten Produkt anzubieten. Für den Anlagenbetreiber besteht der Vorteil nicht nur in einer geringeren Verkabelung. Der direkte Zugriff auf Informationen zum Gerätezustand kann die Fehlersuche verkürzen und eine vorausschauende Wartung unterstützen.

Robotik profitiert von leichteren und flexibleren Kabeln

Robotersysteme stellen hohe mechanische Anforderungen an Kommunikationskabel. Kabel müssen sich kontinuierlich bewegen, wiederholtes Biegen tolerieren, durch enge Kabelführungsräume passen und dürfen den Roboterarm nicht durch unnötiges Gewicht belasten. Diese Anforderungen werden schwieriger, wenn Werkzeuge am Roboterarmende mit zusätzlichen Kameras, Sensoren, Greifern und Inspektionsfunktionen ausgestattet werden.

SPE kann die Größe von Steckverbindern und das Kabelgewicht reduzieren und gleichzeitig mehr Bandbreite als viele herkömmliche Protokolle auf Geräteebene bieten. Über PoDL können Stromversorgung und Daten außerdem über ein gemeinsames Kabel übertragen werden, wodurch sich die Anzahl der durch bewegliche Gelenke geführten Leiter verringert. Das geringere Kabelgewicht kann die Bewegungsleistung verbessern und die mechanische Belastung innerhalb von Energieführungspaketen reduzieren.

SPE-Implementierungen mit hoher Bandbreite können Bildverarbeitungsgeräte und fortschrittliche Robotersensoren unterstützen. Datenraten von bis zu 1 Gbit/s über kürzere industrielle Entfernungen ermöglichen hochauflösende 2D- oder 3D-Bildgebung, Inspektionsdaten und eine schnelle Kommunikation zwischen dem Roboterwerkzeug und der Hauptsteuerung.

Gerätehersteller müssen weiterhin Konstruktionen für wiederholtes Biegen, Verdrehen, Vibrationen, elektromagnetische Störungen und sicheren Steckverbinderhalt auslegen. Ein Kabel, das für eine fest installierte Maschine geeignet ist, übersteht möglicherweise nicht Millionen von Bewegungszyklen eines Roboters. Die mechanische Qualifizierung ist daher ebenso wichtig wie die Kommunikationsleistung.

Abbildung 3. Kompakte SPE-Kabel können das Gewicht reduzieren und die Routing-Flexibilität in Roboterarmen und Werkzeugen am Roboterarmende verbessern.

Ethernet bringt Ethernet in Prozessanlagen

Prozessindustrien benötigen zunehmend Zugriff auf Informationen, die in Feldinstrumenten gespeichert sind. Drucktransmitter, Durchflussmesser, Analysatoren, Ventilstellungsregler und andere Geräte können mehr als einen Prozesswert liefern. Sie können außerdem Diagnosewarnungen, Kalibrierprotokolle, Betriebsstatistiken und Zustandsinformationen enthalten.

Herkömmliche Feldnetzwerke erfordern häufig eine Protokollumwandlung, bevor diese Informationen übergeordnete Systeme erreichen. Ethernet-APL bietet eine physikalische Schicht für die Prozessindustrie auf Basis von Single Pair Ethernet mit großer Reichweite. Es unterstützt eine Kommunikation mit 10 Mbit/s sowie die Stromversorgung über eine zweiadrige Verkabelung über Entfernungen von bis zu 1.000 Metern.

Dieses Design ist für Raffinerien, Chemieanlagen, pharmazeutische Produktionsstätten, Wasseraufbereitungsanlagen und andere Installationen mit weit verteilten Feldgeräten von großer Bedeutung. Ethernet-APL ermöglicht direkten Ethernet-Zugriff und bewahrt gleichzeitig die großen Kabellängen und die robuste Installationstechnik, die in der Prozessautomatisierung erwartet werden.

Hersteller, die Ethernet-APL-Geräte entwickeln, müssen mehr als nur die Kommunikationsschnittstelle berücksichtigen. Produkte benötigen möglicherweise einen geeigneten Explosionsschutz, einen kontrollierten Stromverbrauch, eine geeignete galvanische Trennung, robuste Anschlussklemmen, elektromagnetische Verträglichkeit und Unterstützung für etablierte Prozessautomatisierungsprotokolle.

Eine praktische Anwendung könnte einen intelligenten Ventilstellungsregler umfassen, der über Ethernet-APL angeschlossen ist. Das Leitsystem würde das erforderliche Stellungssignal empfangen, während eine Asset-Management-Software über dieselbe physische Verbindung auf Stellwegverlauf, Reibungsindikatoren, Kalibrierstatus und Diagnosewarnungen zugreifen könnte.

Die Gebäudeautomation bewegt sich hin zu einer gemeinsamen IP-Architektur

Die Gebäudeautomation nutzt traditionell mehrere dedizierte Netzwerke für Beleuchtung, Heizung, Lüftung, Zugangskontrolle, Verbrauchsmessung, Aufzüge und Sicherheitssysteme. Jedes Netzwerk kann unterschiedliche Konfigurationswerkzeuge, Kommunikations-Gateways und spezielles Fachwissen erfordern. Diese Fragmentierung erhöht die Komplexität von Installation und Wartung.

SPE ermöglicht es kompakten Gebäudegeräten, eine Ethernet-basierte Architektur zu nutzen, ohne eine herkömmliche Netzwerkverbindung mit vier Adernpaaren zu benötigen. Sensoren, Raumregler, Beleuchtungsgeräte, Klappen, Zugangseinheiten und Umweltüberwachungssysteme können über eine standardisierte IP-Infrastruktur kommunizieren und dabei ihre kompakten Abmessungen beibehalten.

PoDL ist in Gebäuden besonders nützlich, da viele angeschlossene Geräte moderate Leistungsanforderungen haben. Daten und Strom können sich ein Kabel teilen, wodurch sich der Installationsaufwand über abgehängten Decken, in Wänden und in verteilten Gebäudebereichen verringert. Das Ergebnis kann ein einfacheres und besser skalierbares Netzwerk für die künftige Erweiterung um zusätzliche Geräte sein.

Energieeffizienz ist ein weiterer wichtiger Vorteil. Detaillierte Informationen auf Raum- und Geräteebene ermöglichen es Gebäudeleitsystemen, Beleuchtung, HLK, Belegung und Energieverbrauch präziser zu koordinieren. SPE spart nicht von selbst Energie, macht jedoch mehr Feldinformationen für die Systeme zugänglich, die für die Optimierung zuständig sind.

Abbildung 4. Kompakte und energieeffiziente SPE-Geräte können eine Ethernet-Konnektivität in gesamten Smart-Building-Systemen bereitstellen.

Netzwerke mit großer Reichweite für Infrastrukturprojekte

Infrastrukturanlagen erstrecken sich häufig über Entfernungen, die mit herkömmlichem Büro-Ethernet praktisch nicht zu überbrücken sind. Tunnel, Eisenbahnstrecken, Straßenkreuzungen, Brücken, Flughäfen und Versorgungskorridore können Sensoren und Aktoren enthalten, die mehrere hundert Meter vom nächsten Schaltschrank entfernt sind.

SPE mit großer Reichweite, einschließlich 10BASE-T1L, kann eine Kommunikation mit 10 Mbit/s über Entfernungen von bis zu 1.000 Metern ermöglichen. Dadurch eignet es sich für Überwachungsgeräte, Verkehrssensoren, Signalsteuerungen, Umweltmessgeräte, Zugangssysteme und verteilte Infrastrukturausrüstung.

Die Übertragung von Strom und Daten über ein einziges Adernpaar kann die Installation von Geräten entlang von Gleisen, Straßen, Tunneln oder abgelegenen Bauwerken vereinfachen. Weniger Kabel können die Installationszeit verkürzen und die Wartung an schwer zugänglichen Orten erleichtern. Das Design muss dennoch Überspannungsschutz, Blitzgefährdung, Erdung, Feuchtigkeit, extreme Temperaturen und mechanische Beschädigungen berücksichtigen.

Die native Ethernet-Kompatibilität kann auch die Integration in übergeordnete Plattformen vereinfachen. Anstatt Geräteinformationen durch mehrere Protokollebenen zu übertragen, können Betreiber der Infrastruktur Standardtools für Netzwerkmanagement und Cybersicherheit über einen größeren Abschnitt der Anlage hinweg einsetzen.

Energieanwendungen benötigen Reichweite und Echtzeittransparenz

Der Energiesektor betreibt zahlreiche Anlagen über große geografische Gebiete hinweg. Windkraftanlagen, Solarparks, elektrische Umspannwerke, Batteriesysteme und verteilte Überwachungsstationen benötigen eine zuverlässige Kommunikation für Steuerung, Diagnose und Leistungsanalyse.

SPE kann entfernte Sensoren, intelligente Schalter, Aktorsysteme, Zustandsüberwachungsgeräte und Energiemanagementgeräte unterstützen. Große Übertragungsdistanzen verringern den Bedarf an zusätzlicher Netzwerkausrüstung, während PoDL die Installation von Feldgeräten mit geringerem Energiebedarf vereinfachen kann.

Für Windkraftanwendungen können kompakte SPE-Verbindungen Sensoren im Maschinenhaus, im Turm und in Systemen zur Überwachung der Rotorblätter unterstützen. Solaranlagen können verteilte Geräte zur Überwachung von Temperatur, Strom, Spannung, Tracker-Position und Umgebungsbedingungen einsetzen. Zu Anwendungen in Umspannwerken können Sensoren zur Zustandsüberwachung von Anlagen sowie zusätzliche Überwachungssysteme gehören.

Echtzeitdaten dieser Geräte unterstützen die vorausschauende Wartung und die Netzwerkstabilität. Gerätehersteller sollten klare Diagnoseinformationen, ein zuverlässiges Zeitverhalten, eine sichere Konfiguration und einen robusten Umweltschutz bereitstellen. Die Kommunikationsbandbreite allein reicht für kritische Energieanwendungen nicht aus.

Die Geräteentwicklung beginnt mit der richtigen physikalischen SPE-Schicht

Ein häufiger Designfehler besteht darin, SPE als eine universelle Spezifikation zu behandeln. Verschiedene physikalische SPE-Schichten unterstützen unterschiedliche Kombinationen aus Geschwindigkeit, Entfernung, Topologie und Kabelperformance. Eine Roboterkamera, ein Prozessmessumformer, ein Gebäudesensor und eine Einheit zur Bahnüberwachung können alle SPE verwenden, aber nicht unbedingt dieselbe Schnittstelle.

Das Produktentwicklungsteam sollte mit der Definition der Anwendungsanforderungen beginnen. Dazu gehören die maximale Kabellänge, die erforderliche Datenrate, eine Punkt-zu-Punkt- oder Mehrpunkt-Topologie, der Leistungsbedarf des Geräts, die Umgebungsbedingungen, die Abmessungen der Steckverbinder und das erwartete Netzwerkprotokoll.

Auch die Stromversorgung erfordert eine detaillierte Auslegung. Der Hersteller muss den Einschaltstrom, den normalen Betriebsstrom, den Spannungsabfall, den Kabelwiderstand, die Steckverbindertemperatur und das Fehlerverhalten bewerten. Für Geräte sollte festgelegt werden, was geschieht, wenn die verfügbare Leistung unter das erforderliche Niveau fällt oder wenn die Kommunikation während einer Spannungsstörung aktiv bleibt.

Die mechanische Konstruktion ist ebenso wichtig. Industrielle Steckverbinder müssen möglicherweise gegen Vibrationen, Staub, Feuchtigkeit, Chemikalien oder wiederholtes Stecken und Trennen geschützt werden. Ein kompakter Steckverbinder ist wenig wert, wenn er während des gesamten Produktlebenszyklus keinen zuverlässigen Kontakt gewährleisten kann.

Interoperabilität muss überprüft und darf nicht vorausgesetzt werden

Die Ethernet-Kompatibilität bietet eine gemeinsame Grundlage, doch eine erfolgreiche Geräteintegration hängt weiterhin von Standards, Profilen, Protokollen und Qualifizierung ab. Zwei Geräte können kompatible physikalische Schichten verwenden und dennoch unterschiedliche Leistungsklassen, Steckverbinderformate oder Anwendungsprotokolle unterstützen.

Hersteller sollten Produkte mit repräsentativen Switches, Stromversorgungseinrichtungen, Kabeln, Steckverbindern und Netzwerkmanagementwerkzeugen testen. Die Tests sollten die normale Kommunikation, den Systemstart, die Wiederverbindung, Kabelfehler, Stromunterbrechungen und den Betrieb nahe der maximal angegebenen Entfernung umfassen.

Prüfungen der elektromagnetischen Verträglichkeit sind in industriellen Umgebungen besonders wichtig. Antriebe, Schütze, Schweißgeräte, Motoren und Kabel für hohe Ströme können erhebliche elektrische Störungen erzeugen. Geräteschirmung, Erdung, Isolation, Filterauslegung und Kabelführung müssen zusammenwirken.

Cybersicherheit sollte bereits während der Produktentwicklung berücksichtigt werden. Die native Ethernet-Konnektivität erhöht die Zugänglichkeit und macht daher eine sichere Konfiguration, Authentifizierung, Firmware-Steuerung und das Schwachstellenmanagement umso wichtiger. Kompakte Feldgeräte dürfen nicht zu unverwalteten Zugangspunkten in das Automatisierungsnetzwerk werden.

Unterstützung des vollständigen Gerätelebenszyklus

Ein SPE-fähiges Gerät sollte sich während seiner gesamten Betriebsdauer einfach in Betrieb nehmen und warten lassen. Eine eindeutige Identifizierung, leicht zugängliche Diagnosen, Informationen zum Netzwerkstatus und die Wiederherstellung der Konfiguration können Supportkosten senken. Hersteller sollten außerdem festlegen, wie Firmwareaktualisierungen und Ersatzgeräte verwaltet werden.

Zu den nützlichen Diagnosefunktionen können Kabelstatus, Kommunikationsqualität, Stromversorgungszustand, interne Temperatur, Verbindungshistorie und Gerätezustand gehören. Diese Informationen sollten so dargestellt werden, dass Steuerungsingenieure und Wartungstechniker sie ohne spezielle Netzwerktools verstehen können.

Die Produktdokumentation sollte die unterstützte physikalische Schicht, die Kabellänge, den Steckverbinderstandard, die Anforderungen an die Stromversorgung, die Topologie und die Umgebungsgrenzwerte klar angeben. Unklare Spezifikationen können Kompatibilitätsprobleme verursachen, die erst während der Installation sichtbar werden.

Hersteller von Geräten, die industrielle Verbindungstechnik bewerten, können sich auch die verfügbaren Weidmüller-Produkte für Konnektivität und Automatisierung ansehen, die in Anwendungen für industrielle Kommunikation, Schnittstellen, Stromversorgung und Feldverdrahtung eingesetzt werden.

Wohin sich Single Pair Ethernet entwickelt

Single Pair Ethernet schafft einen direkten Weg, Ethernet auf kleinere und stärker verteilte Geräte auszuweiten. Die Kombination aus kompakter Verkabelung, mehreren Geschwindigkeitsoptionen, großen Übertragungsdistanzen, Multidrop-Fähigkeit und Stromversorgung macht die Technologie für industrielle Automatisierung, Robotik, Prozessanlagen, Gebäude, Infrastruktur und Energiesysteme relevant.

Die größte Chance für Gerätehersteller besteht nicht einfach darin, ein Kabel durch ein anderes zu ersetzen. SPE kann Produkte mit umfangreicheren Diagnosefunktionen, einfacherer Integration, Fernkonfiguration und direkterem Zugriff auf Betriebsdaten ermöglichen. Diese Funktionen können die Inbetriebnahmezeit verkürzen und Endanwendern einen besseren Einblick in den Zustand der Geräte geben.

Die Einführung wird von Interoperabilität, qualifizierten Komponenten, robusten Steckverbindern, klaren Standards und Produkten abhängen, die für reale industrielle Umgebungen entwickelt wurden. Hersteller, die SPE als vollständige Gerätearchitektur und nicht nur als Kommunikationsanschluss betrachten, sind besser aufgestellt, um die nächste Generation vernetzter Feldgeräte zu entwickeln.

Bilder und originale Anwendungsreferenzen werden mit freundlicher Genehmigung der Weidmüller Group verwendet.