Ein Aderpaar für alle Fälle? Klassische Bussysteme durch Single Pair Ethernet substituieren

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Single Pair Ethernet (SPE) gilt in der industriellen Kommunikation als Technologie der Zukunft – dank Datenübertragung in hoher Geschwindigkeit und gleichzeitiger Energieversorgung über nur ein Aderpaar. Wann macht es Sinn, Profibus, CAN-Bus oder USB durch SPE zu ersetzen?

Die SPE-Technologie stammt ursprünglich aus dem Automobilbau, wo Platz- und Gewichtseinsparungen ein zentrales Thema sind. SPE-Leitungen kommen dort in ungeschirmter Verkabelung mit einer Distanz bis 15 m und in geschirmter Verkabelung bis 40 m zum Einsatz. Mittlerweile sind auch andere Branchen auf die Technologie aufmerksam geworden. Die Industrie-, Gebäude- und Agrarautomatisierung haben bereits Aktivitäten für den Einsatz mit Single Pair Ethernet gestartet.

Bei der Steuerung industrieller Prozesse bietet SPE den Vorteil, dass keine unterschiedlichen Systeme mehr eingebunden werden müssen und alle Komponenten Ethernet-basierend aufgebaut werden können. Auch Hard- und Softwareschnittstellen zwischen Ethernet- und Bussystem – sogenannte Gateways – lassen sich damit auf ein Minimum reduzieren. So kam auch der Gedanke auf, analoge Subsysteme wie die Sensorik mit SPE zu digitalisieren.

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Der geringere Platzbedarf von Steckern, Buchsen und Leitungen ist für die Industrie sehr interessant. Sub-D- oder RJ45-Stecker an Leitungen und Buchsen in den Geräten sind deutlich größer als SPE-Varianten. Dadurch können die Gerätehersteller kleinere Platinen und Gehäuse realisieren, Komponentengewichte und der Füllgrad bei der Verkabelung werden deutlich reduziert. Zudem ergeben sich bei der Installation Zeitvorteile im Vergleich zum klassischen Ethernet, da statt vier Aderpaaren nur noch ein Paar angeschlossen werden muss.

Ein potenzieller Nachteil von Single Pair Ethernet ist die begrenzte Reichweite: Bei Übertragungsraten von 100 MBit oder 1 GBit ist diese aktuell auf 40 m beschränkt. Da aber die meisten Anwendungen in der Industrie Reichweiten benötigen, die darunter liegen, überwiegen im Vergleich zwischen SPE und Bussystemen die positiven Eigenschaften deutlich.

SPE oder Profibus?

In der maximalen Datenrate ist der Profibus DP dem 10BASE-T1L leicht überlegen, da hier 12 MBit auf 10 MBit treffen. Jedoch ist die Reichweite von SPE hier unschlagbar – und das bei vollen 10 MBit. Zudem bringt Profibus DP von Haus aus keine Stromversorgung mit, sondern muss über Segmentkoppler (Zubehör), zusätzliche Adern (Profibus-Hybridleitungen sind normativ definiert) oder eine separate Leitung versorgt werden.

Beim Profibus PA ergeben sich Quantensprünge hin zum 10BASE-T1L: Die über 300-fache Datenrate ist gigantisch und erlaubt auf der Distanz zum Beispiel hochauflösende Videodarstellungen (Tabelle 1).

SPE oder CAN-Bus?

Das beliebte CAN-Bussystem ist äußerst robust und kennt normativ keine Repeater. Hier wird die Reichweite mit den unterschiedlichen Querschnitten in Tabelle 2 dargestellt.

Wird neben dem Bus eine Spannungsversorgung gewünscht, greifen Anwender auf eine zweipaarige Leitung zurück und verwenden dann ein Paar für die Daten- und das zweite Paar für die Spannungsversorgung. Oder man greift gleich auf den Standard DEVICENET zurück, welches das Datenpaar und das Spannungspaar mit einer Alufolie voneinander abgeschirmt vorsieht. Normativ sind beim CAN-Bus keine Hybridleitungen vorgesehen.

SPE oder USB?

Das Universelle Serielle Bussystem (USB) ist weit verbreitet, da die Komponenten dafür günstig verfügbar sind und die meisten PCs eine entsprechende Schnittstelle besitzen. Allerdings ist die Übertragungsqualität bei USB auch pro­blembehaftet. Zudem ist die Übertragungslänge bei USB 2.0 normativ auf maximal 5 m definiert, was nicht wirklich industrietauglich ist.

Auch für diese Herausforderungen bietet Single Pair Ethernet eine praktikable Lösung, wie aus Tabelle 3 ersichtlich ist. Wichtig für diese Anwendungen wäre allerdings, dass PC- und Laptop-Hersteller einen SPE-Port an ihren Geräten vorhalten. Denn nur wenn die Schnittstelle vorhanden ist, kann dieser Standard auch ohne Zusatzkomponenten genutzt werden.

Fazit: Anhand der gezeigten Darstellungen wird deutlich, dass sich ein Umstieg vom klassischen Bussystem auf die neue Ethernet-basierende Technologie SPE lohnen kann. Vorteile liegen etwa in der höheren Übertragungsgeschwindigkeit, dem geringeren Gewicht und Platzbedarf sowie der einfacheren Installation. Das macht Single Pair Ethernet für eine Vielzahl industrieller Anwendungen zu einer interessanten und zukunftsfähigen Alternative. (kr)

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* Horst Messerer ist Produktmanager DNB bei Helukabel.

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