Single Pair Ethernet und ASi-5 – wann und wo ist welche Technologie sinnvoll?

Was ist Single Pair Ethernet?

Single Pair Ethernet (SPE) ermöglicht die Übertragung von Daten über Ethernet mit nur einem verdrillten Adernpaar. Derzeit sind Übertragungsraten von 10 Mb/s bis 1GBit/s möglich. Die bisherige Ethernet-Technologie, wie sie in industriellen Anwendungen eingesetzt wird, erfordert dagegen zwei oder vier Kabelpaare. Das zweiadrige Design von Single Pair Ethernet reduziert das Verkabelungsgewicht gegenüber konventionellen Ethernet-Kabelkategorien somit fast um die Hälfte.

 

Zusätzlich erfolgt mit SPE die Standardisierung der Energieübertragung. Mit Power over Dataline (PoDL) werden Energie und Daten über ein Kabel verschickt, mit einer Leistung von bis zu 50 W, die nicht mit dem aktuellen Power-over-Ethernet-Standard kompatibel ist.

 

Der Anstoß für die Entwicklung der SPE-Technologie kommt aus der Automobilindustrie. Denn die Verkabelung macht heute einen nicht unwesentlichen Teil des Fahrzeuggewichts aus. In der Industrie sollen Ethernet mit SPE oder ASi, die Lücke zwischen Steuerungsebene und Feldebene, also den Sensor-/Aktuator-Netzwerken, schließen. Aus diesem Grund sind SPE-Leitungen und -Steckverbinder deutlich kleiner, leichter und einfacher zu installieren als bisherige Industrial Ethernet-Lösungen und bei ASi verzichtet man komplett auf Steckverbinder.

Was ist Ethernet-APL?

Ethernet-APL (Advanced Physical Layer) ist eine Technologie, die vor allem für den Einsatz in der Prozessindustrie entwickelt wurde. Damit über IIoT auf Felddaten zugegriffen werden kann, werden in der Prozessindustrie Schnittstellen benötigt, die mit Ethernet kompatibel sind. Ethernet-APL ist eine besondere Definition von Single Pair Ethernet, welche auf 10Base-T1L basiert und über Schraub- oder Zugfederklemmen angeschlossen wird.

 

Robustheit, Einfachheit und Explosionsschutz - Hohe Anforderungen der Prozessindustrie werden erfüllt

Das Ethernet-Advanced Physical Layer (Ethernet-APL), das auf Single-Pair Ethernet (SPE) basiert, erfüllt die hohen Anforderungen der Prozessindustrie in Bezug auf Robustheit, Einfachheit und Explosionsschutz. Mit Ethernet-APL kann die Datenübertragung über längere Entfernungen von bis zu 1.000 Metern erfolgen und das sogar unter extremen Temperaturen und rauen Umgebungsbedingungen. Ethernet-APL ist in der Lage, Daten mit einer Übertragungsrate von 10 Mbps bei einer Stromversorgung über zwei Drahtleitungen zu übertragen, was es zu einer kosteneffektiven Lösung für die Prozessindustrie macht. Wird Ethernet-APL in der Prozessautomation eingesetzt, kann eine nahtlose Integration, Überwachung und Steuerung von Produktionsprozessen und Anlagen in Echtzeit ermöglicht werden.
 
Die bei der Ethernet-APL-Technologie verwendeten Leitungen und Klemmen sind nach dem Ex-Schutz-Standard zertifiziert und erfüllen die Sicherheitsanforderungen in explosionsgefährdeten Bereichen.

AS-Interface und APL ergänzen sich gut. Durch die Eigensicherheit von APL wird Explosionsschutz gewährleistet

SPE wird von mehreren Gruppierungen entwickelt

Die SPE-Technologie wird von unterschiedlichen Vereinigungen für eine Vielzahl von Anwendungen entwickelt.

Jede Vereinigung hat dabei andere Arbeitsschwerpunkte und Partner bzw. Mitglieder aus verschiedenen Branchen. Hier sind vor allem folgende drei Zusammenschlüsse zu nennen:

 

  • Single Pair Ethernet System Alliance

Sie ist ein Zusammenschluss von Unternehmen, die sich für die Verbreitung und Entwicklung von Single Pair Ethernet-Lösungen engagieren. Die Mitglieder arbeiten zusammen, um das Bewusstsein für die Vorteile von Single Pair Ethernet in verschiedenen Anwendungen zu schärfen und die Verbreitung von SPE-Lösungen zu fördern. Die Aktivitäten der SPE System Alliance konzentrieren sich auf das gesamte zukünftige SPE-Ökosystem und nicht auf ein bestimmtes Steckersystem oder Produkt.

 

  • Single Pair Ethernet Industrial Partner Network

Gegründet von sieben Technologieführern im Jahre 2019 besteht das SPE Industrial Partner Network aus mehr als 50 Mitgliedsunternehmen. Es ist ein Zusammenschluss von gleichberechtigten Unternehmen, die die Single Pair Ethernet Technologie als Grundlage für ein schnelles Wachstum des IIoT vorantreiben. Ziel des Netzwerks ist es, SPE als neue Ethernet Technologie im Sinne eines umfassenden Ökosystems mit allen notwendigen Komponenten am Markt zu etablieren.

 

  • Single Pair Ethernet Consortium (SPEC)

Das SPEC ist eine herstellerneutrale Organisation für Technologieführer und Anwender im Bereich der Gebäudeautomatisierungstechnik. Ein Ziel des Konsortiums ist es, die Einführung von Single Pair Ethernet in der Gebäudeautomatisierungstechnik zu beschleunigen und den Einsatz flexibler, kosteneffektiver und zuverlässiger Netzwerklösungen zu fördern. Auch die Erstellung von Fallstudien, Whitepapers und Referenzarchitekturen sowie die partnerschaftliche Zusammenarbeit mit anderen SPE-Initiativen und Organisationen zählt zu den Zielen der SPEC.

 

Verschiedene Steckertypen und Normenabschnitte

Alle Vereinigungen nutzen verschiedene Steckertypen und Normenabschnitte, die nach den Anforderungen der jeweiligen Branche und Anwendung optimiert sind und häufig untereinander nicht kompatibel sind. Eine für alle geltende Normungsrichtlinie, die eine Kompatibilität der verschiedenen Geräte und Systeme gewährleisten würde, gibt es bisher nicht. Zwar gibt es Bestrebungen, eine Standardisierung von Steckverbindern für SPE-Lösungen voranzutreiben, jedoch bisher ohne eine Lösung.

ASi-5 verzichtet komplett auf Steckverbinder

ASi verbindet Sensoren und Aktuatoren über ein einziges zweiadriges Profilkabel mit einer Steuerung. Auf dem gelben ASi Kabel werden Energie und Daten gleichzeitig übertragen, mit einer Leistung von bis zu 240 W. Mit der neuesten ASi Generation werden heute bereits viele konventionelle Ethernet-Anschlüsse im Feld einfach und kostengünstig ersetzt. Der größte Vorteil von ASi ist neben den geringeren Kosten vor allem die Tatsache, dass man dank Durchdringungstechnik komplett auf vorkonfektionierte Kabel und Stecker verzichten kann.

 

ASi-5 ist übrigens ein von Grund auf neu konzipiertes System, das optimal auf die Anforderungen von Industrie 4.0 abgestimmt ist. Durch die hohe Datenbreite und kurze Zykluszeiten – die für viele Ethernet-basierte Lösungen in der Automatisierung mehr als ausreichend sind – ist vieles möglich, was mit AS-Interface bislang noch nicht realisierbar war.

 

Daher werden bereits heute mit ASi-5 kostengünstig und einfach konventionelle Ethernet-Anschlüsse ersetzt. Dazu bieten wir Ihnen eine Vielzahl von Lösungen. Hier drei Beispiele:

 

  • Mit unserem ASi-5 Motormodul für SEW MOVIMOT® (BWU4068) erreichen Sie das gleiche Datenabbild wie mit einer optional zukaufbaren PROFINET-Schnittstelle des Herstellers.
  • Die ASi-5 Motormodule für Interroll EC5000 AI (BWU4246, BWU4212) bieten die gleichen Daten zur Antriebssteuerung wie die Ethernet-basierten Rollencontroller des Herstellers.
  • Mit unseren ASi-5 IO-Link Mastern (z. B. BWU4067, BWU3819) können Sie – bei vollem Leistungsumfang von IO-Link – bei einer mittleren Applikation mit 50 IO-Link Devices, gegenüber vergleichbaren Ethernet-Lösungen, bis zu 40 % sparen.

 

Mehr Informationen zu ASi-5

ASi Kabel = einfachste Installation + effiziente Energieverteilung

Mit ASi bzw. ASi 5 profitieren Sie von der bewährten Durchdringungstechnik. Module werden ohne Steckverbinder einfach auf das Profilkabel gesteckt – bei maximal sicherer Kontaktierung. Das Profilkabel wird einfach von der Kabeltrommel in gewünschter Länge entnommen und die Module werden auf den Millimeter genau dort platziert, wo sie benötigt werden. Dabei entstehen weder unnötige Kabelstrecken, wie sie bei vorkonfektionierten Kabeln zwangsläufig sind, noch sind teure Stecker oder T-Stücke nötig.

Weitere Vorteile sind die freie Wahl der Topologie und die effiziente Energieverteilung. Das schwarze Profilkabel überträgt je nach Leitungsquerschnitt 16 A oder 20 A – und damit deutlich mehr Energie als typische Rundkabel-Lösungen.

 

Mehr Informationen zum ASi Kabel

Abb.: Vier vergoldete Nadeln dringen stets senkrecht in das Profilkabel ein und sorgen für eine perfekte Kontaktierung.

Technische Gegenüberstellung – ASi-5 und Single Pair Ethernet

 

Switch statt Protokollumsetzer

Bei SPE sind – anders als bei ASi-5 – keine Protokollumsetzer notwendig. Durch das Physical Layer von SPE werden die Daten in einem einheitlichen Protokoll bei der Informationsquelle (Sensor) erfasst und über Switches – Verteiler ohne Intelligenz – bis zum Ausgabeort eines Netzwerkteilnehmers (Computer) übermittelt. Um Verluste zu verhindern, werden diese Daten im Switch zwischengespeichert. Das ASi-5 Gateway ist dagegen ein intelligenter Netzwerkteilnehmer mit einem integrierten Switch.

 

Zusätzlich „übersetzt“ es die Daten im ASi-5 ASIC für die übergeordnete Steuerung. Ebenso können die Daten – sowie Diagnosemeldungen – auch direkt am Display oder komfortabel per Fernzugriff eingesehen werden.

Abb.: Mit SPE kann mit nur einem Protokoll in allen Ebenen kommuniziert werden. Somit ist kein Gateway erforderlich und der Zwischenschritt “Protokollumsetzung“ entfällt.

Wie ist der SPE Standard mit der Datenübertragungsrate 10 MBit/s definiert? Wie sind hier die Regeln zum Anschluss der Teilnehmer (z. B. bei Multidrop) definiert?

 

Der zugehörige Standard ist IEEE 802.3cg. Er beinhaltet einen

  • ShortReach Kanal (Punkt zu Multipunkt) in einem 25 m Kanal mit max. 8 Teilnehmern und
  •  einen klassischen Punkt zu Punkt Kanal bis zu 1.000 m Kanallänge.

Fazit: Single Pair Ethernet und ASi-5

Wie lautet das Fazit der Gegenüberstellung von ASi-5 und Single Pair Ethernet? Eine abschließende Beurteilung ist nach heutigem Stand natürlich nicht ganz einfach. Folgende Aussagen lassen sich dennoch treffen:

  • "Eine schlanke, leichte, aber zugleich leistungsstarke Infrastruktur für Ethernet musste her, um der Industrie die Digitalisierung der Feldebene und damit den Schritt zu IIoT zu ermöglichen.“ (Quelle: single-pair-ethernet.com)
  • Single Pair Ethernet hat seine Stärken bei hoher Datenbreite, hohen Datenmengen und durch einen Switch statt einem Protokollumsetzer.
  • ASi wurde für typische Feldapplikation in Maschinen und Anlagen entwickelt und hat genau dort seine Stärken.
  • ASi-5 ersetzt konventionelles Ethernet im Feld bereits heute in vielen Applikationen, z. B. in der Antriebstechnik oder bei IO-Link.
  • SPE und ASi haben beide die Chance, durch ihre schlanke, leichte, aber zugleich leistungsstarke Infrastruktur Ethernet im Feld sinnvoll zu ergänzen.

FAQs rund um Single Pair Ethernet

Anwender haben hier die Wahl: Für jeden SPE Standard sind die Optionen geschirmt/ungeschirmt verfügbar. Diese Kabelvarianten sind aber nicht zwingend in den Spezifikationen festgeschrieben. Mit einem geschirmten SPE Kabel kann die Leitungslänge je nach Standard, der wiederum die Geschwindigkeit vorgibt, deutlich erhöht werden – zum Beispiel bei 1 GBit/s, definiert durch 1000BASE-T1 bzw. IEEE 802.3bp, von 15 m (ungeschirmt) auf 40 m (geschirmt).

Das Konsortium SPE System Alliance macht auf seiner Homepage (singlepairethernet.com) hierzu folgende Aussage: „Ein vollständig 360° geschlossenes Edelstahlkleid, welches den ganzen Steckverbinder [SPE] umschließt, sorgt für eine hervorragende Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)". Es ist also davon auszugehen, dass SPE im Industrieumfeld EMV beständig ist, insbesondere mit der genannten Stecker- und Kabelschirmung.

 

Aufgrund des Entwicklungsstadiums gibt es aktuell noch keine genaueren Angaben.

Bei SPE kommt das sogenannte Multidrop-Verfahren zum Einsatz, das es beim konventionellen Ethernet nicht gibt. Dadurch ist bei SPE die Reichweite geringer, aber es werden auch nur einfache T-Stücke ohne Switches benötigt. Darüber hinaus sind bei SPE die Leitungen und Steckverbinder deutlich kleiner.

Da es sich bei PROFINET um ein Ethernet-basiertes Protokoll handelt, kann es grundsätzlich über SPE übertragen werden. SPE ist lediglich ein neues Physical Layer, sprich eine neue Hardware für den Informationstransport von Protokollen wie Ethernet.

 

Die unterschiedlichen Physical Layer werden über einen Switch zur Kommunikation miteinander verbunden.

Aufgrund des Entwicklungsstadiums sind aktuell noch keine genaueren Angaben veröffentlicht. Es ist aber davon auszugehen, dass sich die Verdrahtung in solch einem Anwendungsfall an der Umsetzung mit dem konventionellen Ethernet orientiert.

 

Sinnvoll wäre es, einen Switch mit 32 Ports, jeweils mit der Datenrate von 10 MBit/s, über einen 1 GBit/s Port an eine Steuerung anzuschließen. Denn nur so kann jeder Port jederzeit die volle Bandbreite nutzen. Die meisten SPE Applikationen im Feld könnten eine Kombination von Swichtes und Punkt-zu-Punkt-Verbindungen sein. Die jeweils auf 1.000 m Länge begrenzten Punkt-zu-Punkt Verbindungen würden die angeschlossenen Sensoren mit dem Switch verbinden.

SPE und ASi-5 bieten beide eine schlanke, leichte, aber zugleich leistungsstarke Infrastruktur. Sie machen dadurch Ethernet im Feld an vielen Stellen überflüssig. Zugleich erleichtern SPE und ASi-5 der Industrie die Digitalisierung der Feldebene – und damit den Schritt zu IIoT.

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ASi – Eine ressourcenschonende Technologie

Durch den stark reduzierten Verdrahtungsaufwand mit AS-Interface sparen Sie Montage- und Materialkosten. Hierdurch lassen sich wertvolle Ressourcen einsparen.

 

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