Single Pair Ethernet

Schaltschranklose Vernetzung mit SPE in Automatisierung und Nutzfahrzeugen

Die Erfolgsgeschichte von Industrial Ethernet in der Automatisierung ist nicht zuletzt der Plug&Play-Fähigkeit zu verdanken. Mit SPE tritt eine neue Technologie auf die Bildfläche, welche das Potential mitbringt die Kommunikationslandschaft in der Automatisierung und in Nutzfahrzeugen in den nächsten Jahren maßgeblich mitzugestalten. Aber haben die bewährten Funktionen von Standard Ethernet noch Bestand oder ist ein Umdenken erforderlich?
Terz bietet mit seinen Switches eine robuste Ethernet-Kommunikation in der Automatisierung. Links: M12-Ethernet-Switch mit Gigabit-Uplink, rechts: SPE-Switch für die Installation außerhalb des Schaltschranks. – Bild: Terz Industrial Electronics GmbH

Die Ethernet-Vernetzung von Automatisierungssystemen hat sich längst mit all ihren Vorteilen in der Fabrikautomatisierung und Robotik etabliert. Mit Single Pair Ethernet kommen nun weitere Vorteile hinzu, durch die sich Investitionskosten, Installationsaufwand, Platzbedarf und Gewicht deutlich reduzieren lassen. Zudem ist damit eine vollständig digitale IP-basierte und transparente Vernetzung vom Sensor bis in die Cloud möglich. Auch die Möglichkeit bereits installierte Busleitungen weiter zu verwenden, bietet die Chance zu Modernisierung und Upgrade bestehender Anlagen und Maschinen, um Funktionen wie die Zustandsüberwachung und vorausschauende Instandhaltung zu integrieren. Doch nicht nur in der Fabrikautomatisierung könnte SPE zum Gamechanger werden, sondern auch bei der Vernetzung von Nutzfahrzeugen. So gibt es etwa neue Möglichkeiten für die Integration von Kameras und Sensoren, die hier eine wichtige Rolle spielen, insbesondere im Bereich der Fahrerassistenzsysteme und der Sicherheit.

 In Nutzfahrzeugen bietet sich ebenfalls eine robuste Ethernet-Kommunikation per SPE an.
In Nutzfahrzeugen bietet sich ebenfalls eine robuste Ethernet-Kommunikation per SPE an. Bild: Terz Industrial Electronics GmbH

Der Standard

Aber ist es wirklich so einfach oder gibt es auch Nachteile beim Einsatz von SPE? Ursprünglich entwickelt für den Automobilbereich, um Ethernet als Bordnetz in Fahrzeuge zu bringen, gilt SPE oder T1-Ethernet inzwischen als die Revolution für die Vernetzung von Sensoren und Aktoren in der Industrie- und Gebäudeautomatisierung. Proprietäre Bussysteme sowie Übertragungstechnologien und die damit erforderlichen Gateways sind in zukünftigen Industrie 4.0-Anwendungen obsolet. Für den Anwender ändert sich Dank der vollen Kompatibilität zum klassischen Ethernet auf Protokolllevel bis auf die reduzierte Verkabelung kaum etwas. Die IEEE spezifiziert die SPE-Varianten. Diese unterscheiden sich für den Anwender hauptsächlich in der Datenübertragungsrate und der maximalen Leitungslänge. Zwischen Standard Ethernet und SPE aber gibt es viele Unterschiede. Der ausfälligste und am häufigsten erwähnte ist die reduzierte Anzahl der benötigen Adernpaare. Für einen 100Mbit/s-Link ist nur noch ein 1-paariges Twisted-Pair-Kabel anstelle eines 2-paarigen Kabels erforderlich. Unterschiedliche Kabellängen sind abhängig von der Bandbreite, hier nicht immer zum Vorteil von SPE. Bei 100Mbit/s sind mit einem ungeschirmten Kabel 15m definiert, mit einem geschirmten Kabel lässt sich die maximal mögliche Länge deutlich erhöhen. Ein einfaches Kabel bietet einen Kostenvorteil und ist durch den kleineren Durchmesser und Biegeradius einfacher zu verlegen.

SPE: Kein Plug&Play

Gravierender fällt der Unterschied hinsichtlich der Plug&Play-Fähigkeit aus. Bei Standard-Ethernet-Komponenten werden Geschwindigkeit, Duplex-Modus sowie Sende- und Empfangsleitungen automatisch erkannt und entsprechend auf den Teilnehmern konfiguriert. So einfach geht es beim aktuellen IEEE802.3bw-Standard für SPE/T1 leider noch nicht. Dieser unterscheidet zwei Rollen, welche die Linkpartner einnehmen können: Master und Slave. Bei der Installation ist daher zu berücksichtigen, dass nur ein Link aufbaubar ist, wenn ein Master- mit einem Slave-Port verbunden wird. Eine Aushandlung der maximal möglichen Geschwindigkeit ist ebenfalls noch nicht vorgesehen. Zwar werden bei einigen verfügbaren SPE-Controllern entsprechende Funktionen unterstützt, allerdings arbeiten diese proprietär und nicht herstellerübergreifend. Der Aufwand für den Anwender bei der Netzwerkplanung und Installation ist damit größer als mit Standard-Ethernet-Komponenten. Eine herstellerübergreifende Plug&Play-Fähigkeit auf Funktionsebene würde den Einsatz von SPE deutlich vereinfachen. Bei Sensoranwendungen, in denen diese Rollenverteilung nicht unüblich ist, ist dieser Aspekt für den Einsatz von SPE weniger ausschlaggebend. Ein über alle SPE-Standards funktionierendes Autonegotiation gibt es ebenfalls noch nicht, es können also nur Gräte verbunden werden die mit der gleichen Bandbreite arbeiten.

Unterschiedliche Anschlusstechnik

Ebenfalls schwieriger gestaltet sich die Komponentenauswahl mit Blick auf die unterschiedlichen Steckverbinder die im Standard IEC63171 definiert sind. Für den Einsatzbereich innerhalb und außerhalb des Schaltschranks sind verschiedene Steckgesichter spezifiziert, welche nicht kompatibel zueinander sind. Während sich bei Industrial Ethernet der RJ45-Stecker und der M12-Anschluss durchgesetzt haben, wird die Anschlusstechnik für SPE voraussichtlich in den kommenden Jahren nicht so eindeutig sein. Es gibt zwei Interessensgemeinschaften: die SPE System Alliance und das SPE Industrial Partner Network. Die Nachteile dieser Nichtkompatibilität beider Standards für den Markt ist offensichtlich. Es ist jedoch wichtig anzumerken, dass beide Parteien im Standard IEC63171-7 für ‚M12 Power-Hybrid SPE-Stecker für kombinierte Daten- und Energieversorgung‘ übereinstimmen. Das gewährleistet zumindest eine gewisse Interoperabilität und Kompatibilität in bestimmten Anwendungsfällen. Es bleibt zu hoffen das sich beide Gruppierungen in Zukunft auf einen einzigen Steckverbinder für den jeweiligen Einsatzbereich festlegen werden.

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