Digitalisierung

Single Pair Ethernet – Die Top-Technologie

In unserer heutigen vernetzten Welt spielt die Datenübertragung per Ethernet eine entscheidende Rolle. Dies gilt besonders seit der Einführung von Single Pair Ethernet, durch das sich völlig neue Möglichkeiten und Herausforderungen für industrielle Anwendungen ergeben. Im nachfolgenden Artikel beantworten wir Ihnen alle wichtigen Fragen zur Vernetzung und Einbindung von Feldgeräten und Sensoren auf Basis von Single Pair Ethernet und den damit verbundenen Vorteilen für Industrieprozesse.

Inhaltsverzeichnis

Was ist Single Pair Ethernet?

Bei Single Pair Ethernet, kurz SPE, handelt es sich um eine Ethernet-basierte Kommunikation, welche die Grundlage für eine Vielzahl an Übertragungsprotokollen bildet. Das durchgängige Konzept ermöglicht eine direkte Datenübertragung zwischen Sensor und Cloud, wodurch eine nahtlose Kommunikation ohne Medienbrüche über alle Ebenen der Automatisierungspyramide hinweg erreicht wird. Dies vereinfacht den Zugriff auf Sensordaten aus der Feldebene und die Umsetzung von Applikationen. In einigen Fällen wird die Technologie fälschlich auch als "Single per Ethernet" bezeichnet.

Was besagt das OSI-Modell?

Das OSI-Modell (Open Systems Interconnection Model) ist ein konzeptionelles Rahmenwerk, das die standardisierten Funktionen eines Kommunikations- oder Computernetzwerks beschreibt. Es gliedert die Netzwerkkommunikation in 7 aufeinander aufbauende Schichten, wobei jede Schicht spezifische Aufgaben und Funktionen hat. Es hilft dabei, komplexe Netzwerkkommunikation zu strukturieren und zu standardisieren. Single Pair Ethernet befindet sich auf der untersten Ebene, dem sogenannten Physical Layer.

OSI-Modell

OSI-Modell: (1) Physical Layer, (2) Data Link Layer, (3) Network Layer, (4) Transport Layer, (5) Session Layer, (6) Presentation Layer, (7) Application Layer

Wodurch unterscheidet sich SPE von traditionellem Ethernet?

Der Hauptunterschied liegt in der Anzahl der Kabelpaare im verwendeten Datenkabel. Während das klassische Ethernet je nach Übertragungsrate 2 oder 4 Kabelpaare verwendet, benötigt SPE nur ein einziges verdrilltes Adernpaar im geschirmten Datenkabel. Darüber hinaus ermöglicht die innovative Technologie auf Basis des Standards von 10BASE-T1L Kabellängen von bis zu 1 000 Metern, während zuvor lediglich Kabellängen von 100 Metern üblich waren.

Was bedeutet die Abkürzung 10BASE-T1L ?

Die Abkürzung 10BASE-T1L ist ein aus mehreren Teilaspekten zusammengesetzter Begriff, der die relevanten Informationen zur Netzwerkverbindung enthält. So gibt die Zahl 10 Auskunft über die Übertragungsrate von 10 Mbps. Der Begriff „BASE“ bezieht sich auf die Signalart und beinhaltet, dass Ethernet-Signale über das Datenkabel transportiert werden können. „T1“ steht für „Twisted Pair Adernpaar“ und die Abkürzung „L“ für Long Distance, was besagt, dass Datenkabellängen von bis zu 1 km möglich sind.

Welche Vorteile bietet Single Pair Ethernet?

Single Pair Ethernet (SPE) bietet mehrere Vorteile, insbesondere im Bereich der industriellen Automatisierung und der Gerätevernetzung. Zu den wichtigsten Benefits zählen:

Reduzierung der Kabelkomplexität

SPE verwendet nur einpaarige Datenkabel aus Kupfer anstelle der üblichen zwei- oder vierpaarigen Datenkabel. Dies vereinfacht die Kabelarchitektur/Konfektionierung und reduziert Gewicht und Platzbedarf. Das Montieren und Verlegen in komplexen Maschinen und Anlagen wird dadurch deutlich erleichtert, auch bei Anwendungen, wo das Datenkabel hoher Biegebeanspruchung unterliegt.

Kosteneinsparungen

Weniger Kabelmaterial führt zu geringeren Kosten für die Kabel selbst und für die Installation. Auch der Wartungsaufwand kann reduziert werden.

Hohe Datenübertragungsraten in Echtzeit

SPE unterstützt eine echtzeitfähige Datenübertragung, die für eine verbesserte Prozesssteuerung und eine erhöhte Sicherheit in industriellen Anwendungen sorgt.

Power over Data Line (PoDL)

Während der Datenübertragung findet zugleich die Spannungsversorgung über dasselbe Kabelpaar statt. Dies ermöglicht eine einfachere Stromversorgung von Geräten und spart separate Stromkabel ein.

Einfachere Konnektivität und Integration

SPE erleichtert die Integration in bestehende Ethernet-Infrastrukturen und unterstützt standardisierte Ethernet-Protokolle, was die Konnektivität und die Einbindung in Netzwerke vereinfacht. Erforderlich ist lediglich ein Single Pair Ethernet Switch mit entsprechend unterstütztem IEE 802.3-Standard der verwendeten technologischen Untergruppe.

Verbesserte Zuverlässigkeit und Robustheit

SPE-Systeme sind oft für raue Industrieumgebungen konzipiert, was sie widerstandsfähiger gegen Umwelteinflüsse und mechanische Beanspruchung macht.

Langstreckenübertragung

SPE kann Daten über längere Entfernungen übertragen als herkömmliches Ethernet, was in großen industriellen Anlagen oder Gebäuden von Vorteil sein kann.

Zukunftssicherheit

Mit der wachsenden Anzahl von IoT-Geräten und der Notwendigkeit, diese effizient zu vernetzen, bietet SPE eine zukunftssichere Lösung, die mit den Anforderungen moderner und zukünftiger Netzwerkanwendungen Schritt hält.

Für welche Anwendungen eignet sich die SPE-Technologie?

Durch die barrierefreie Anbindung von Feldgeräten ist Single Pair Ethernet ein Türöffner für Innovationen, von denen viele Branchen und Industriezweige profitieren können. Dazu zählen insbesondere industrielle Netzwerke, Automobilanwendungen, Gebäudeautomation und andere Applikationen, in denen eine robuste, kosteneffiziente oder platzsparende Verkabelungslösung benötigt wird. Auch für den Einsatz in rauen industriellen Umgebungen oder zur Klimaüberwachung großer Lagerhallen und Gewächshäuser ist Single Pair Ethernet die Technologie erster Wahl. Schließlich kann die Integration von Sensoren durch die immense Kabellänge auch über große Distanzen erfolgen.

Welche Datenübertragungsraten unterstützt SPE?

Single Pair Ethernet (SPE) ermöglicht verschiedene Datenübertragungsraten, die je nach technischen Anforderungen und Kabellänge variieren können. Dazu zählen:

10 Mbps (10BASE-T1 nach IEEE 802.3cg Standard)

Diese Übertragungsraten sind für Anwendungen konzipiert, bei denen Zuverlässigkeit wichtiger ist als hohe Geschwindigkeit. Man unterscheidet zwischen zwei Haupttypen:

  • T1S (Short Distance): Diese Variante ist für kurze Strecken gedacht und unterstützt den Multi-Drop-Betrieb, bei dem bis zu 8 Geräte in einem ungeschirmten Kabelstrang auf bis zu 25 Metern Länge verbunden werden können.

  • T1L (Long Distance): Diese Variante ermöglicht Punkt-zu-Punkt-Ethernet-Verbindungen über eine Länge von bis zu 1000 Metern. Hier wird ein geschirmtes zweiadriges Kabel verwendet, das auch Power over Data Line (PoDL) unterstützt.


100 Mbps (100BASE-T1 nach IEEE 802.3bw Standard)

Diese Geschwindigkeit wird häufig in Automobilnetzwerken eingesetzt, wo sie eine gute Balance zwischen Geschwindigkeit und Kosteneffizienz bietet. Mit einem ungeschirmten Kabelstrang liegt die maximale  Länge bei 15 m.

1 Gbps (1000BASE-T1 nach IEEE 802.3bp Standard)

Diese höhere Übertragungsrate ist ideal für Anwendungen, die eine schnellere Datenübertragung erfordern, wie beispielsweise in bestimmten industriellen Anwendungen oder fortschrittlichen Fahrzeugsystemen. Mit einem ungeschirmten Kabel kann eine Länge von 15 m realisiert werden, während ein geschirmtes Kabel bis zu 40 m Reichweite bietet.

2,5/5/10 Gbps (Multi-Gig nach IEEE 802.3ch Standard)

Mit den Multi-Gig Datenübertragungsraten lassen sich Anwendungen im Automotivbereich abdecken, welche sehr hohe Bandbreiten benötigen, wie z. B. Fahrassistenzsysteme bzw. Autopilot-Systeme. Hier ist mit geschirmten Datenkabeln eine Länge von 15 m realisierbar.


Timeline der Datenübertragungsraten


Timeline IEEE 802.3 IEEE 802.3 Standard Max. Distance Speed Bandwidth Category according ISO/IEC TR11801-... Pairs
2015 IEEE 802.3bw 100BASE-T1 15 m UTP 100 Mb/s 66 MHz SPE 1
2016 IEEE 802.3bp 1000BASE-T1 40 m
15 m UTP
1000 Mb/s 600 MHz SPE 1
2019 IEEE 802.3cg 10BASE-T1L
10BASE-T1S
1000 m
25 m UTP
10 Mb/s 20 MHz SPE 1
2020 IEEE 802.3ch Multi-Gig (15 m) 2.5/5/10 Gb/s SPE 1

Gibt es spezielle Anforderungen für die Installation von SPE?

Um eine effiziente Datenübertragung und durchgängige Vernetzung sicherzustellen, sind mehrere Faktoren ausschlaggebend. Dazu zählen u. a. Typ und Qualität der Kabel, eine SPE-fähige Hardware (SPE-Switches, Router und Endgeräte) und die passenden Steckverbinder und Anschlüsse. Weiterhin sind eine sorgfältige Planung des Netzwerkdesigns, die Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen und eine fachgerechte Installation erforderlich.

Welche Hersteller bieten Single Pair Ethernet-Sensoren an?

Die Single Pair Ethernet-Technologie ist eine innovative Technologie, die bisher nur von einzelnen Unternehmen der Sensor- und Automatisierungstechnik angeboten wird. Die erfolgreiche Vermarktung erfolgt über zwei unterschiedliche Zusammenschlüsse von Technologietreibern. Die bekannteste ist die Single Pair Ethernet Systems Alliance, die in ihrem Mitgliederverzeichnis einen guten Überblick über mögliche Sensorik- und Technologieanbieter gibt.

Welche Ziele verfolgt die Single Pair Ethernet Systems Alliance?

Die Single Pair Ethernet Systems Alliance fokussiert sich auf die Entwicklung, Standardisierung und Verbreitung von SPE. Zu ihren Hauptzielen gehören:

  1. Förderung der SPE-Technologie: Ein primäres Ziel der Alliance ist es, das Bewusstsein für die Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten von SPE zu steigern. Dies beinhaltet die Hervorhebung der Effizienz, Kostenvorteile und die verbesserte Leistungsfähigkeit, die SPE gegenüber herkömmlichen Ethernet-Lösungen bietet.
  2. Entwicklung und Standardisierung: Die Alliance arbeitet an der Entwicklung und Standardisierung von SPE, um eine breite Interoperabilität und Kompatibilität zwischen verschiedenen Geräten und Systemen sicherzustellen. Dies umfasst die Arbeit an technischen Spezifikationen, Leistungsanforderungen und Standards.
  3. Zusammenarbeit zwischen den Mitgliedern: Die Alliance fördert die Zusammenarbeit zwischen ihren Mitgliedern, die aus verschiedenen Branchen und Bereichen kommen. Dies erleichtert den Austausch von Wissen und Erfahrungen und unterstützt die Entwicklung innovativer SPE-Lösungen.
  4. Marktentwicklung: Sie unterstützt die Entwicklung des SPE-Marktes durch verschiedene Initiativen, darunter Marketingaktivitäten, Messen und Konferenzen, um die Technologie einem breiteren Publikum zugänglich zu machen.

Wie sieht die Zukunft von Single Pair Ethernet aus?

Single Pair Ethernet gilt als Wegbereiter der Prozessautomatisierung und besitzt das Potenzial, die Art und Weise der Datenübertragung in industriellen und industrienahen Anwendungen grundlegend zu verändern. Es erfreut sich daher einer wachsenden industriellen Akzeptanz und wird künftig eine Schlüsselrolle in IoT-Anwendungen spielen. Dazu zählen beispielsweise Smart-City-Anwendungen, intelligente Gebäude, vernetzte Fahrzeuge und mehr. Aus technischer Sicht führt also kein Weg an Single Pair Ethernet vorbei.