Single Pair Ethernet Ethernet bis zum Sensor

Was ist Single Pair Ethernet?

Single Pair Ethernet überträgt Ethernet über ein einziges Adernpaar. Dadurch werden Kabel und Steckverbinder kleiner, und Ethernet reicht bis nah an Sensoren, Aktoren und andere Feldgeräte heran.

Genauer gesagt ist SPE eine Familie von Ethernet-Übertragungsstandards, die Ethernet über ein Adernpaar führen statt über die zwei oder vier Paare des klassischen Ethernets. Je nach Standard und Verkabelung kann dieselbe Verbindung auch die Stromversorgung übernehmen.

Zwei Sätze lohnen sich für alles Weitere, weil die meisten SPE-Erklärungen sie vermischen:

SPE ist Transport. Es bringt Ethernet-Frames dorthin, wo Ethernet bisher nicht hinkam.

Alles oberhalb des Transports ist eine eigene Schicht. IP-Adressierung, MQTT, Security und strukturierte Daten kommen nicht mit dem Kabel. Sie kommen aus dem Gerät selbst. Genau dort arbeiten die Komponenten von Perinet.

Warum es Single Pair Ethernet gibt

In den meisten Installationen heißt Ethernet RJ45, und RJ45 ist in der Regel IP20. Das erklärt schon den größten Teil davon, warum die Feldebene nie Ethernet bekommen hat. Industrietaugliche Ethernet-Steckverbinder sind entweder zu groß für ein kompaktes Gerät oder zu teuer, um sich an einem einzelnen zu rechnen. Vierpaariges Kabel ist dick, steif und unhandlich zu verlegen, wenn am Ende nur ein Messwert pro Sekunde übertragen wird.

Also hat die Feldebene eigene Netze entwickelt. Feldbusse haben das, wofür sie gebaut wurden, wirklich gut gelöst: deterministische Signale über günstige Zweidrahtleitungen zu einer Steuerung zu bringen. Millionen installierter Geräte tun genau das bis heute zuverlässig, und es gibt keinen Grund, sie auszubauen.

Wofür sie nicht gebaut wurden, ist der direkte Weg von Felddaten in IT-Systeme. Dafür braucht es einen Umsetzungsschritt, und jeder Umsetzungsschritt kostet Engineering-Stunden, bringt eine weitere Komponente in die Wartung und gibt den Daten eine weitere Gelegenheit, unterwegs ihre Bedeutung zu verlieren.

SPE geht einen anderen Weg. Zwei Adern lassen sich einfach auflegen. Deshalb können SPE-Steckverbinder klein genug für ein kompaktes Gerät sein oder im Feld von Hand verdrahtet werden, so wie Modbus-RTU-Verdrahtung es immer war. Damit rückt die Ethernet-Grenze aus dem Schaltschrank heraus und näher an das Gerät.

Wie SPE funktioniert

SPE überträgt Ethernet über ein einziges Adernpaar. Die Frames sind gewöhnliche Ethernet-Frames. Was sich ändert, ist die Übertragungsschicht darunter.

Diese eine Änderung hat Folgen, die man kennen sollte:

Die Verkabelung wird kleiner und leichter. Ein Paar statt vier bedeutet dünneres Kabel, engere Biegeradien und kleinere Steckverbinder. Das kann auch die Kosten für Installation und Kabelführung senken.

Die Topologie muss kein Stern mehr sein. Klassisches Ethernet gibt jedem Gerät einen Switch-Port und rund 100 m, um ihn zu erreichen. Mit geswitchten SPE-Geräten kann die Verbindung von Gerät zu Gerät weiterlaufen, sodass Linien als Daisy Chain oder Baum verlegt werden statt jede Leitung in den Schaltschrank zurückzuführen. Die Entfernung spielt dabei eine kleinere Rolle als viele erwarten: 10BASE-T1L reicht bis etwa 1.000 m, aber die letzten Meter zum Sensor brauchen selten einen Kilometer. Sie brauchen einen Weg, der keinen eigenen Port und keine eigene Trasse verlangt.

Ethernet reicht näher an das Gerät. Wenn ein Gerät den nötigen Netzwerk-Stack mitbringt, lässt es sich mit Standard-Ethernet- und IP-Werkzeugen adressieren und verwalten statt über einen busspezifischen Master.

Geschwindigkeit, Reichweite und Topologie unterscheiden sich je nach Standard, und die Kompromisse sind real. Eine einzelne „SPE-Geschwindigkeit“ gibt es nicht.

Was SPE liefert und was Perinet ergänzt

Die Kurzfassung stand schon oben auf dieser Seite. Hier ist, was sie in der Praxis bedeutet.

Ein SPE-Kabel bis zum Sensor macht diesen Sensor noch nicht zum IP-Gerät. Ein klassischer analoger, digitaler oder serieller Sensor hat keinen Netzwerk-Stack, er liefert ein Signal. SPE gibt diesem Signal einen physikalisch gangbaren Weg. Adresse, Protokoll und Sicherheitsidentität muss ihm weiterhin etwas anderes geben.

Was SPE liefert

• Ethernet über ein Adernpaar
• Kleinere Kabel und Anschlüsse, die zu kompakten Feldgeräten passen
• Eine standardbasierte Grundlage auf Bitübertragungs- und Sicherungsschicht
• Eine Auswahl an Geschwindigkeiten und Netzarchitekturen

Was Perinet ergänzt

• Einen vollständigen Netzwerk-Stack, sodass ein Gerät adressierbar und verwaltbar wird statt nur eine Signalquelle zu sein
• Security und Identität pro Gerät
• MQTT und HTTPS REST direkt im Gerät
• Schnittstellen für die Sensoren, die tatsächlich im Einsatz sind: analog, digital und Modbus
• Einen direkten Weg für Felddaten in IT-Systeme

Klar gesagt: SPE macht Ethernet auf der Feldebene physikalisch praktikabel. Perinet macht die verbundenen Daten nutzbar.

Wie weit reicht 100BASE-T1 wirklich?

Die Reichweiten in der Tabelle sind Auslegungspunkte, keine physikalischen Grenzen. Die 15 m für 100BASE-T1 wurden für Kabelbäume im Fahrzeug festgelegt, mit 40 m für den geschirmten Industriefall. Die 1.000 m für 10BASE-T1L wurden für Prozessanlagen festgelegt. Jede Zahl beschreibt die Bedingungen, gegen die der Standard geschrieben wurde.

In Industriegebäuden liegt bereits Kabel, das für all das nie spezifiziert wurde. Die nützliche Frage ist deshalb, was SPE darauf leistet.

In Tests von Perinet blieb 100BASE-T1 stabil bei 180 m über Cat5e, 95 m über KNX-Kabel und 100 m über ungeschirmte Klingelleitung (YV 2 × 0,6 mm, zwei massive Kupferadern, PVC-Isolierung). Klingelleitung hat allerdings keine genormte Impedanz, dieser Wert schwankt also je nach Produkt und ist als Anhaltspunkt zu verstehen. Gemessen wurde zwischen zwei periCORE Development Boards. Die Endgeräte spielen eine Rolle: dasselbe Cat5e erreichte 90 m, wenn an einem Ende ein periMICA saß. Geswitchte Geräte können weitere Segmente aufspannen.

Vollständige Methode und Ergebnisse: periCORE Cable Performance Application Note.

Zwei Details, über die häufig gestolpert wird:

IEEE 802.3cg definiert sowohl 10BASE-T1S als auch 10BASE-T1L. Die beiden sind nicht austauschbar. T1S ist kurzreichweitig und multidropfähig, T1L ist langreichweitig und Punkt-zu-Punkt.

Die Buchstaben haben eine Bedeutung. In einem Namen wie 100BASE-T1 steht „T1“ für Twisted-Pair-Ethernet über ein einzelnes Adernpaar. In 10BASE-T1L kennzeichnet das L die Variante mit großer Reichweite, das S in 10BASE-T1S die kurzreichweitige.

Details zu den Steckverbindern finden Sie in der Dokumentation zu SPE-Steckgesichtern.

SPE-Topologien

Bei der Topologie hört SPE auf, eine einzelne Sache zu sein, und wird zur architektonischen Entscheidung.

Punkt-zu-Punkt heißt ein Gerät, ein Kabel, ein Port. Einfach, dediziert und die Grundlage der meisten schnelleren SPE-Installationen.

Multidrop lässt mehrere Geräte eine Leitung teilen. Das ist ein Merkmal von 10BASE-T1S und bedeutet, dass die Geräte die Bandbreite teilen und im Halbduplex arbeiten. Eine geteilte Leitung braucht außerdem eine korrekte Busterminierung, in der Zeichnung eine Fußnote und in der laufenden Anlage ein wiederkehrendes Ärgernis.

Geswitchte Verzweigung setzt einen kleinen Switch ins Feld, statt jedes Kabel in den Schaltschrank zurückzuführen. periSWITCH ist ein SPE-Switch mit drei Ports und dient als Verzweigungspunkt nahe an den Geräten, sodass eine Linie dort auffächert, wo die Maschine tatsächlich steht. 100BASE-T1 ist auf der Bitübertragungsschicht Punkt-zu-Punkt, es handelt sich also um geswitchte Verzweigung und nicht um ein geteiltes Medium: Jedes Segment ist eine eigene Verbindung, und der Switch leitet den Verkehr zwischen ihnen weiter.

Praktisch bedeutet Verzweigung weniger Kabel, kürzere Trassen und einen Schaltschrank, der nicht für jeden Sensor im Gebäude einen Port braucht.

Stromversorgung über SPE: PoDL und Hybridkabel

„SPE überträgt auch Strom“ stimmt, ist aber ungenau formuliert, und der Unterschied zählt, sobald ein System spezifiziert wird.

PoDL (Power over Data Line) legt die Energie auf dasselbe Adernpaar, das die Daten trägt, definiert in IEEE 802.3bu. Ein Paar, beide Aufgaben.

Hybridverkabelung ist eine Kabel- und Steckverbinderarchitektur, kein SPE-Standard. Die Energie läuft auf zusätzlichen Adern neben dem Datenpaar. Das Kabel wird etwas größer, dafür lassen sich Geräte versorgen, deren Leistungsbedarf ein einzelnes Adernpaar nicht deckt, auch Geräte unterschiedlicher Leistungsklassen im selben Kabelnetz.

Die Komponenten von Perinet nutzen Hybridverkabelung und stellen 2 A bei 24 V bereit.

Der Kompromiss wird erst beim Bauen sichtbar. PoDL verlangt, dass die Leistungsklasse des Geräts und die des speisenden Geräts zusammenpassen. Ein Netz aus Geräten mit unterschiedlicher Last kann die Switch-Auswahl und die Netzplanung deshalb verkomplizieren. Es kostet außerdem Bauraum: Die Schaltung, die Energie auf das Datenpaar bringt, macht das Gerät größer, in manchen Fällen größer als dasselbe Gerät mit klassischem Ethernet. Bei kompakten Geräten kann diese zusätzliche Schaltung den Größenvorteil verringern oder sogar aufheben, den SPE eigentlich bringen sollte.

Hybridverkabelung vermeidet beide Probleme. Die Daten bleiben auf dem SPE-Paar, die Energie läuft auf getrennten Adern, und Geräte mit unterschiedlichem Leistungsbedarf teilen sich eine Architektur innerhalb des Gesamtleistungsbudgets des Systems. Der Preis ist ein etwas größeres Kabel.

Ethernet-APL und SPE: verwandt, aber nicht dasselbe

Diese beiden Begriffe werden als Synonyme verwendet, und das sind sie nicht.

SPE ist die breite Familie der oben beschriebenen Single-Pair-Ethernet-Übertragungsschichten.

10BASE-T1L ist ein Mitglied dieser Familie: 10 Mbit/s, große Reichweite.

Ethernet-APL (Advanced Physical Layer) setzt auf 10BASE-T1L auf und ergänzt die Anforderungen und Profile für Umgebungen der Prozessindustrie, einschließlich Eigensicherheit für explosionsgefährdete Bereiche wie Chemie- und Öl- und Gasanlagen, wo lange Kabelwege und Explosionsschutz die Spezifikation bestimmen.

Ethernet-APL ist also keine eigenständige Alternative zu SPE. Es ist ein Profil der Prozessindustrie, das auf einer SPE-Übertragungsschicht aufsetzt, und keine Obermenge der Familie.

Perinet arbeitet in einem anderen Teil der Landschaft, auf 100BASE-T1, mit Blick auf Digitalisierung allgemein und auf Industrie- und Gebäudeanwendungen im Besonderen, nicht auf Prozessleittechnik in explosionsgefährdeten Bereichen.

SPE neben Ihrer bestehenden Automatisierung

Üblicherweise wird SPE gegen Feldbus gestellt. Das ist der falsche Rahmen, weil er eine Entscheidung unterstellt, die Sie gar nicht treffen müssen.

Ihre SPS ist dafür da, die Maschine zu steuern, und ihre Ein- und Ausgänge sind für diese Aufgabe verdrahtet. Sie macht das gut, sie ist validiert, und in sie einzugreifen, um einen Temperaturwert für ein Dashboard herauszuholen, ist ein schlechtes Geschäft. In den meisten Werken liegt es nicht daran, dass die Steuerung schlecht wäre, wenn Felddaten die IT nie erreichen. Es liegt daran, dass eine Steuerung, die enge Prozesse fahren soll, weit engineeringlastiger ist als Monitoring sein müsste. Jede Anfrage nach einem weiteren Wert wird deshalb zu Engineering-Aufwand, Revalidierung und Risiko auf der Produktionsseite.

Ersetzen Sie diesen Weg also nicht. Ergänzen Sie einen zweiten.

SPE macht es praktikabel, einen parallelen Datenweg zu betreiben: Sensoren direkt am IP-Netz, die IT- und Analysesysteme speisen, während der bestehende Steuerungsweg weiter steuert. Zwei Wege, zwei Zwecke, keiner behindert den anderen.

Ein Weg für die Steuerung. Ein Weg für die Daten.

Diese Umdeutung erklärt auch, woher die Einsparungen kommen. Nicht daraus, dass Ethernet pro Meter günstiger wäre als ein Feldbus. Sondern daraus, dass ein direkter Weg die Übersetzungsschicht entfernt, und Übersetzungsschichten sind der Ort, an dem sich die versteckten Kosten sammeln: das Gateway, das spezifiziert und gewartet werden muss, das Mapping, das zu dokumentieren ist, der Kollege, der es versteht, und der verlorene Tag, wenn sich ein Tag-Name ändert.

Wir haben diesen Unterschied gemessen. PLC versus periSNOOP for Sensor Data Monitoring vergleicht, dieselben Sensordaten über eine SPS mit EtherCAT auszuleiten, mit einem periSNOOP, der an die bestehende Schleife geklemmt wird.

SPE ist nicht automatisch die richtige Antwort für jedes Gerätenetz. Wo es um Parametrierung und Diagnose von Geräten über einen Master geht, bleibt IO-Link eine starke Wahl, und die nützliche Frage lautet, welche Schicht Sie entfernen wollen, nicht welcher Hersteller recht hat. Unser Vergleich von IO-Link und Single Pair Ethernet geht darauf im Detail ein. Wo klassische Signale ohnehin im Schaltschrank zusammenlaufen, ist der ehrliche Vergleich SPE gegen Remote I/O und nicht gegen einen Feldbus.

Der Endpunkt ändert sich. Jeder Sensor bekommt seinen eigenen IP-adressierbaren Netzwerkendpunkt mit eigener Sicherheitsidentität, erreichbar über SPE, ohne Programmierung und ohne Adress-Mapping auf dem Weg dorthin. Kein Master, kein Gateway dazwischen. Der Kompromiss ist die deterministische Echtzeitsteuerung, und die bleibt dort, wo sie hingehört: auf der SPS.

Wo SPE eingesetzt wird

Brownfield-Nachrüstung. Sensoren, die bereits in der Maschine sitzen, ins IP-Netz holen, ohne die Maschine um sie herum neu zu konstruieren.

Neue Messstellen. Einen Standardsensor dort ergänzen, wo bisher nichts gemessen wurde. Keine E/A-Karte, keine SPS-Änderung, kein Automatisierungsprojekt, nur um einen Wert aus einer Maschine zu holen.

Zustandsüberwachung und vorausschauende Wartung. Kontinuierliche Felddaten in einer Form, die Analysewerkzeuge nutzen können, statt eines Handablesewerts einmal pro Schicht.

Maschinen- und Linienleistung. Verfügbarkeit, Leistung und Qualität live aus Anlagen, die bereits in der Halle stehen. Siehe OEE-Überwachung für Verpackungslinien.

Smart Buildings. Verteilte Sensorik mit geringer Bandbreite über ein großes Areal, wo das Kabelvolumen den Kostenblock bildet und die Topologie der Hebel ist, der ihn senkt.

Energie- und Medienüberwachung. Druck und Durchfluss bestehender Versorgungsleitungen ins Netz bringen, um Verluste zu finden. Siehe Druckluftüberwachung in der Produktion.

Diese Anwendungen in der Praxis finden Sie in unseren SPE-Anwendungsbereichen.

Sensoren an ein SPE-Netzwerk anbinden

Der Sensor kann bereits installiert sein oder gezielt für eine neue Messstelle ergänzt werden. In beiden Fällen kann eine Perinet-Installation diesem Weg folgen:

Signal anbinden. Ein periNODE-Adapter nimmt das analoge, digitale oder Modbus-Signal eines Sensors auf und stellt es als strukturierte Daten ins Netz. Das funktioniert für einen bereits in der Maschine verdrahteten Sensor ebenso wie für einen Standardsensor, der dort ergänzt wird, wo bisher nichts gemessen wurde, ganz ohne vorhandenes System.

Verzweigen, wo es sinnvoll ist. periSWITCH fächert eine Linie nahe an den Geräten auf, sodass die Verkabelung der Maschine folgt statt dem Schaltschrank.

Brücke zu Standard-Ethernet. periSTART wandelt zwischen dem SPE-Netz und klassischer Ethernet-Infrastruktur.

Vor Ort verarbeiten. periMICA, ein modularer Edge Computer, betreibt Monitoring, Dashboards und Analysen lokal und reicht weiter, was nach oben gehört.

Bei einer Nachrüstung dieser Art bleiben Steuerungsprogramm und SPS genau so, wie sie sind. Wenn Sie ein eigenes Gerät entwickeln statt eines anzubinden, führt der Weg stattdessen über periCORE, das weiter unten beschrieben ist.

SPE-Komponenten von Perinet

Für die Anbindung dessen, was bereits in der Halle steht, erledigen die Smart Components die Arbeit. periNODE-Adapter bringen analoge, digitale und Modbus-Sensoren als strukturierte Daten ins Netz. periSWITCH verzweigt SPE-Linien nahe an den Geräten. periSTART wandelt zwischen dem SPE-Netz und Standard-Ethernet. periSNOOP sitzt inline in einer 4-20-mA-Schleife und liest sie aus, ohne das Signal zu verändern, das die Steuerung erhält.

Darüber macht der modulare Edge Computer periMICA aus verbundenen Sensordaten vor Ort Monitoring, Analysen und KI-fähige Informationen.

Zum Ausprobieren beginnen Sie am besten mit einem Kit.

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