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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.

ASi-5 verzichtet komplett auf Steckverbinder

Mit der neuesten ASi Generation werden heute bereits viele konventionelle Ehternet-Anschlüsse im Feld einfach und kostengünstig ersetzt. Der größte Vorteil von ASi ist neben den geringeren Kosten vor allem die Tatsache, dass man dank Durchdringungstechnick komplett auf vorkonfektonierte 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

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.

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 völlige Topologiefreiheit 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.

Abb.: Beim ASi Profilkabel sind einfache Abzweige an jeder Stelle der Anlage problemlos möglich. Die Topologie ist somit frei wählbar.

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.

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.

Haben Sie noch Fragen zu ASi-5 und Single Pair Ethernet?